【発明の詳細な説明】
貫流式電気化学的バイオセンサー
発明の背景
本発明は電気化学的検出能力のある貫流式固相イムノアッセイシステム又はイ
ムノアッセイ装置に関する。
イムノアッセイ診断法は血清、血漿又は他の液体中の広範囲の物質に関する慣
用診断法として十分に確立しており、かつこれらのアッセイの原理は環境監視又
はDNA分析のような他の分野にも広げることができる。
イムノアッセイのための代表的な方法は、
(i)固相、例えばプラスチックマイクロチタープレート上の捕獲抗体を生物学
的サンプルに作用させて問題になっている抗原と結合させ、洗浄し次いで第2の
標識抗体に作用させる方法である。抗体上の標識は例えば放射性トレーサー又は
酵素であってよい。更に、洗浄に次いで標識の検出を実施する(こうして、最初
のサンプル中の抗原の量が検出される)。この方法はサンドイッチアッセイ又は
2部位アッセイとして公知である、又は
(ii)固相上の捕獲抗体を抗原及び添加量の標識抗原を含有する生物学的サンプ
ルに作用させる方法である
。標識及び非標識抗原は固相上で抗体部位を競合する。洗浄後に示される標識の
量は生物学的サンプル中の真実の抗原の量に逆比例する。この方法は競合アッセ
イとして公知である。
標識の表示は種々な方法で達せられる。酵素標識のためには色原体検出法、フ
ルオレセンス検出法、ルミネッセンス検出法又は電気化学的検出法を選択できる
。酵素標識が好適な基質の添加の際に有色生成物を生産する色原体イムノアッセ
イが一般的な用語“ELISA法”下に十分に確立されており、測光法原理を用
いて基質溶液中の変色を検出する。この方法は比較的容易に実施することができ
るが、長い恒温保持時間と低い検出限界を達成することの困難性を甘受しなけれ
ばならない。
基質溶液から生成されるルミネッセンス及びフルオレッセンスは酵素標識付け
により達成することもでき、サンドイッチアッセイに関しては色原体法に比較し
て10倍のファクターで低い検出限界が得られ(Portsmann,T.及びKiessig,S.T.
、“Enzyme Immunoassey Techniques”、J.Immuno.Meth.、150、第5〜21
頁、1992)、かつ必要とされるサンプル容量が明らかに減少する。しかし市
販の基質を安定化することに、かつ装備費用におけるルミネッセンス/フルオレ
ッセンス検出装置の出費に困難が生じる。電気化学的イムノアッセイはバイオセ
ンサーの分野にあると考えら
れており、固相の直ぐ近くの電極上で電気化学的に活性な種(これは酵素基質反
応の生成物である)が酸化又は還元することにより、この種を検出することを組
み合わせることを主に追求する。そのようなバイオセンサーは文献中に多く例が
みられるが(例えば、Heineman,W.R.及びHaisall,H.B.、“Strategies for elec
trochemical immunoassay”、Anal.Chem.57、2、第1321〜1331頁、
1985参照)、そのうちの大部分は必要とされる感度及び検出限界を達成こと
に完全に失敗しており、市場での実用可能な装置の製造に使用することはできな
い。
実用的イムノアッセイのもう一つの観点はアッセイのための恒温保持時間を短
縮するための種々の大きな表面積の固相によるアッセイの装備である。大きな表
面積を有する固相はポリマーベッド、磁気粒子及びポリマー膜を包含する。
種々の形の貫流技術はアッセイ時間の短縮及び感度の強化のために固相の選択
との関連において実施されてきた。US−A−5006309号明細書は光学式
検出のイムノアッセイのための固相として膜を有する装置を記載している。JP
−A−60188839号明細書は検出用サンプルの流れの中に突き出している
選択電極の使用を記載している。
EP−B1−0033188号明細書、EP−B1−0060082号明細書
及びEP−A−046983
0号明細書の全てはHPLCのような分析システム中での電気化学的検出を改良
するために使用することのできる多孔性電極の構造を記載している。EP−B1
−0122009号明細書は実験の前にサンプルをクロマトグラフィーにより濾
過することを条件として、電気化学的に活性である幾つかの生物学的分子の検出
のための電極を記載する。この特許に記載された電極はクロマトグラフィーシス
テム内で半永久的及び再使用可能な検出器として使用することを目的としている
。
EP−A2−0352138号明細書及びEP−A2−0525723号明細
書の両方は固相として膜を組み入れ、かつ電気化学的検出器としてバイオセンサ
ー中に通常適用される標準固体電極フォーマットを使用する特別な装置を記載す
る。
発明の概要
本発明は貫流式固相イムノアッセイシステム又は装置の検出能を多孔性動作電
極に密接に連結する固相を有することにより明らかに増大させることが出来るこ
とを見出したことが基礎となっている。この効果は電気活性種と接触する電極の
表面積の増加及び電極/種界面での増強する拡散運動において達せられると思わ
れる。多孔性電極により達せられた大きな表面積は好適な流れ及び電圧条件下に
電気活性種の著しく高い酸化及び還元効率に明らかに導く。電極を通過する液体
の流れの作用は、電極/液体界面の拡散層において、検出するための酸化又は還
元される種を直ぐに補充することと思われる。酸化又は還元される種は二相から
去り、かつその補充は通常固体検出電極上の溶液を撹拌するか、又は固体電極上
の液体を流すことにより制御されなければならないために、この界面は多くの電
気化学的イムノセンサー及び他のバイオセンサーにおける制限ファクターである
。従って、この発明中のこの電極の適用は、電気化学的イムノセンサー又は他の
バイオセンサーの中に使用されるべき電極のために非常に重要な2つの観点、即
ち酸化及び還元における高い効率の必要性(表面積)及び制御条件下での二相の
迅速な補充への必要性(貫流測定)、に関する改良をカバーする。この電極は任
意の好適な多孔性伝導性材料、例えばプレフォームグラファイトシート、溶融カ
ーボン粉末、金属ベース多孔性プラグ又は好適な多孔性基板上にプリントした伝
導性インキであってよい。
従って、本発明は固相が多孔性動作電極に密接に連結しており、かつ好適なカ
ウンター電極がシステム中に存在することを特徴とする、電気化学的検出能力を
有する貫流式固体層イムノアッセイシステム又は装置に関する。
他の課題は請求項から明らかとなる。
特別な種に対する本発明による電極の感度は流速及び電極での電圧を制御する
ことにより操作することが
できる。電圧制御は通常の静電位装置により、電極を介して流れる溶液中の種の
量に比例して電流又は電荷読みとりを提供する。静電位電圧制御は任意の電気化
学的分析用の通常の電圧電流測定フォーマット又は電流測定フォーマットであっ
てよいが、有利には種の酸化又は還元のために好適なdc−ポテンシャルの適用
の使用であり、電極での電流は好適な装置の使用によって監視される。
電気化学的に活性な種(電気的に活性な種とも言う)は容易に酸化されるか、
又は還元される種を生産する任意の好適な酵素/基質対(その酵素は通常アッセ
イラベルを又はアッセイの一部を形成する)の使用の際にサンドイッチアッセイ
又は競合アッセイ又は他のイムノアッセイタイプの経過において生成されること
ができる。このアッセイは有利に酵素アルカリホスファターゼ及びホスフェート
基質を使用するが、基質が酵素との接触において電気化学的に検出可能な種を生
成する任意の他の好適な酵素/基質対を使用することもできる。例えば、アルカ
リホスファターゼ標識イムノアッセイ中に基質として溶液中のナフチルホスフェ
ートを使用すると、電気活性種ナフトールが好適な緩衝剤及び基質条件下に得ら
れる。これは多孔性電極上で静電位制御下に容易に酸化可能であり、生成された
ナフトールの各分子当たり電子1個を形成する。同様にアミノフェニルホスフェ
ートはアルカリホスファタ
ーゼを用いて基質として使用することができる。使用することのできる酵素基質
対の他の例はβ−ガラクトシダーゼとp−アミノフェニル−β−D−ガラクトシ
ドとから電気活性種アミノフェノールの生成、西洋わさびペルオキシダーゼとグ
ルコースとから電気活性種過酸化水素の生成、及び乳酸デヒドロゲナーゼと乳酸
とからNAD−の存在において電気活性種NADHの生成である。
電極は動作(検出)電極、カウンター及び参照電極からなる三電極システムを
使用し電極/液体環境の好適な静電位制御を可能にする好適なフローセル又は装
置を包含するか、又は電極間に適用された電位での好適な機能のために2つの電
極、即ち動作及び参照電極の存在のみを必要とする装置を包含する。電気化学的
検出はピーク電流又は総電荷測定を用いて実施することができ、これをこのシス
テムでの電気化学的イムノアッセイに必要とされるそれぞれの特別なパラメータ
ーに関して分析物に対して目盛り定めすることができる。
この発明の第2の観点は、逐次的フロー工程で又は連続フローで、イムノアッ
セイを実施するための前記多孔性電極及び固相を完成装置中に包含することであ
り、これは高い表面積及び固相上の抗体/抗原の相互作用のために及び電気化学
的検出層のため増強した拡散運動を有し、フルオレッセンス又はルミネッセンス
検出よりあまり精巧でない電気制御を必要とし、実用的かつ安価に製造可能な装
置を製造すること、及び非常に迅速で高感度の診断能を提供することである。こ
の固相は高い表面積対容量比及び良好な多孔性を示す全ての好適な蛋白質結合材
料であってよく、例えばポリマー膜、ポリマーベッド又は粒子懸濁物質である。
固相は有利に多孔性電極に密接して位置し、かつ完成イムノアッセイ装置中に包
含されているので、有利な固相はポリマー膜である。
本発明の可能な構造の十分な説明を略図を示すことにより行う。
図面のリスト
第1図:イムノアッセイのための固相として働く多孔性膜及び電気化学的検出
のための多孔性動作及びカウンター電極を包含する貫流セル構造の概略的縦断面
図を示す。
第2図:吸上げ作用を有する貫流セルの概略的縦断面図を示す。
第3図:実施例3に記載されているアッセイの結果を示すグラフ図である。
第4図:実施例4に記載されているアッセイの結果を示すグラフ図である。
装置の説明
第1図は最終的な電気化学的検出工程にセルを介して好適な工程順でサンプル
、試薬及び洗浄溶液の通過
を可能とする液流制御のためのポンプシステムに接続するための本発明による貫
流装置又はセルのための1つの可能な構造の縦断面を示す。セル体1は任意の好
適なプレフォーム又は機械による化学的不活性材料であってよいが、有利にはポ
リマー材料から成形されており、ここでは2つの分割可能な半分から形成されて
おり、必要に応じて装置の構成分を入れ換えることができる場合が示されている
。全ての試薬は環状アパーチャー2を介してセル中に入れられ、好適な管15で
セルの下に設置したポンプ14によって矢印3の方向に吸引される。この場合に
は、セルは完全な静電位制御のための3つの電極配置で構成されており、多孔性
電極5は動作電極であり、多孔性電極6はカウンター電極であり、かつ固体Ag
/AgCl参照電極7はセルの内壁で試薬流との接触に晒される。多孔性電極は
所定の位置に固定されており、ガスケット10、11及び12及び“O”−環1
3によって、イムノアッセイ反応のために固相を提供する多孔性膜4と同様に、
セル体にシールされている。この膜4は任意の蛋白質固定に好適な任意の膜であ
ってよいが、次の材料の1つからなるのが有利である:ニトロセルロース、ポリ
ビニリデンジフルオリド(PVDF)、ナイロン又はグラスファイバー。膜の孔
径及び厚さは個々のイムノアッセイ及び必要とされる液体挙動への要求に合わせ
ることができる。膜4は捕獲抗体又は抗原で該分野で
専門家に公知のイムノアッセイの通常の観点に従って製造され、セル中に挿入さ
れる。セルの内孔径、d、は変化させることができるが有利な寸法は2〜10m
mの範囲であり、生成物の好ましい検出のために必要とされるサンプル容量を制
限する。動作電極5の厚さは検出されるべき生成物の濃度範囲において、高い酸
化又は還元効果を、従って高い感度を可能にし、又は必要の場合電極の迅速な汚
染を回避するようにするべきである。汚染とは、電気活性種の酸化又は還元が不
溶性でありかつ徐々に電極上に沈積する物質を生成し、表面を遮断し、かつその
効果を減少させる現象を述べている。電気接続はセルを介して電極になされてお
り、外部の静電位又は他の電気分析装置に接点7、8及び9で接続している。
次いで、このセルを実施例3及び4で示されているように競合又は2部位電気
化学的イムノアッセイのための完全なイムノアッセイ環境を形成する。第1図に
概念化した装置はイムノアッセイにおいて血漿、血清又は他の分析に好適な液体
を分析することができる。
フロー電気化学的イムノアッセイ装置の概念はポンプで液体の装置通過を行う
必要をなくすために、毛細管作用での液体の吸上げに適合された装置で実行する
こともできる。本発明の基本原理から誘導されたこのタイプの装置の概念図を第
2図中に装置の縦断面図で示す。テストされるべきパラメーターにより2部位イ
ムノアッセイ又は競合イムノアッセイに必要とされるサンプル及び試薬を順次ア
パーチャー14で装置中に導入し、垂直に固相膜15、スペーサー膜16a、多
孔性動作電極21、スペーサー膜16b、多孔性カウンター/参照電極22を通
過して吸収材料19中に吸い上げる。動作及びカウンター電極への接触は静電位
又は他の電気分析装置に好適に接触することのできる導電性材料17及び18に
より行われている。多孔性カウンター/参照電極22は安定な材料からなるが好
適な多孔性支持体上にプリントされたAg/AgClインクが有利である。装置
を通過すべき最終試薬は即座に電気活性生成物に変換する、言い換えると動作電
極で酸化又は還元によって検出される、酵素標識のための基質溶液である。この
装置は容器20中に入れ保護し、1サンプルの測定後、廃棄する。血漿、血清又
はイムノアッセイにより分析可能な他の液体はこの装置で使用することができる
。更に、この装置はテストサンプル入り口部で、又は入り口部に隣接して血液/
血漿分離膜を付けることによって全血の分析にも適用することができる。
この装置は種々異なる製造及び調合工程により図1及び2の概念図から実現化
することができる。多孔性電極はプレフォーム材料として直接装置中に組み込む
ことも、又は好適な多孔性表面上に多孔性インクを用いてプリントすることもで
きる。この装置は装置の分
析装備の要求により、動作電極、参照電極及びカウンター電極で構成されるか又
は単純に2電極システムとして構成される。廃棄材料生成の減少のために、第1
図に概念的に記載したタイプの装置は2つの分離可能な半分の物に構成すること
ができ、一方は膜又は他の抗体/抗原捕獲相を含有し、他方は検出電極システム
を含有する。
装置の電極を包含する半分はテストの予定数にとって再使用可能であり、固相
を含有する装置の部分だけが取り除かれ、テストされるべき全ての新たなサンプ
ルに置換されるべきである。
実施例
実施例1
直径5mm、厚さ0.35mmの多孔性グラファイトのディスクを市販の材料
(Toray Industries、Japan)のシートからカットした。
第1のテストとして、ディスクとの液体接触のみがグラファイトの上側表面に
ある従来の平面電極セル中に、バイオセンサーのための通常の固体電極における
と同様に配置した。このセルは測定のためにAg/AgCl参照電極及びチタン
カウンター電極を包含し、かつ従来の方法で拡散層制御を保証するために撹拌す
ることができた。これは通常の固相電極による電気化学的イムノアッセイから電
気活性種の測定のためのモデルを提供した。参照電極に対して+300mVの電
圧で平衡状態にした動作電極で、ジエタノールアミンDEA緩衝液(DEA50
mmol/l) 100mmol/NaCl、pH9.6)中のナフトール溶液
10μmol/lの測定は100nAの応答平均電流ピークを与えた。
第2のテストにおいては、別のディスク電極をそのグラファイトシートから切
断し、第1図に示したタイプのフローセル中に設置した。電極と液体との接触直
径は3mmであった。DEA緩衝液中の種々の濃度のナフトールのサンプルを参
照電極Ag/AgClに対して+300mVで平衡状態にした電極を用いて30
0μl/分でセルを貫流させ、サンプル容量各300μlに関して得られた電流
ピークを記録した。約100nAの電流ピークがナフトール濃度100nmol
/lに関して記録され、多孔性電極はこの電圧及びフロー条件で従来の固体電極
より100倍の感度を示した。この感度はセルの構成が好適な流速及び適用した
電位で電極を通過する際に電気活性種の全酸化又は還元が可能であることにより
達せられる。この応答電流ピークはセルを貫流する速度が増大する際に増加され
うる。
この方法でキャリヤー溶液(生物学的緩衝液)において生じるバックグラウン
ド電流に対して、少なくとも0.5nmol/lまでのナフトール濃度を識別す
ることが可能である。この限界は実地においてシステ
ムの流動により生じる。特に、オープンシステムにおいて気泡が生じるほど高い
流速は回避すべきである。
実施例2
血清標準溶液中の甲状腺刺激ホルモン(TSH)の量を測定するためのアッセ
イにおいて、電気化学的フロー検出システムと標準色原体アッセイとを比較する
ために従来のELISAサンドイッチアッセイを使用した。
このアッセイをTSHに関する捕獲抗体で被覆した96穴マイクロチタープレ
ートで実施した。異なる濃度のTSH標準溶液、100μl/穴をプレート上で
1時間恒温保持し、次いでこの穴を洗浄し、かつアルカリホスファターゼ(AK
P)で標識した抗−TSH第二抗体の溶液、100μl/穴、をプレート上で1
時間恒温保持した。このプレートを再度緩衝液で洗浄し、非結合の第二抗体を全
て除去した。
マイクロプレート中の穴の半分をALPのための色原体基質、p−ニトロ−フ
ェニルホスフェート、の2.8mmol/l溶液、300μl/穴、に晒した。
他の半分をALPのための電気化学的基質、ナフチルホスフェートの1つ、濃度
1mmol/l、300μl/穴に晒した。37℃で20分間恒温保持した後、
この穴中の溶液をプレートリーダー中で発色を測定するか(色原体基質)、又は
穴から抽出し、かつ実施例1中に記載した流動法で電流測定法により測定した(
電
気化学的基質)。典型的な通常の色原体アッセイはTSH1mU/lより低い量
では信頼のおける測定は不可能であり、一方電気化学的フロー検出法は0.01
mU/lまでの測定を持続する。
実施例3
貫流システム中でのチロキシン(T4)に関して競合イムノアッセイを準備し
た。
T4−アルカリホスファターゼ(T4−ALP)結合をL−チロキシンナトリ
ウム塩から出発し、ジスクシンイミジル基質(DSS)を用いてアルカリホスフ
ァターゼ(バイオ酵素)に結合することにより製造した。
ELIFA膜アッセイシステム(Pierce)を用いて、抗−T4抗体を炭酸塩緩
衝液、pH9.6中2μg/mlで0.45μmまでのニトロセルロース膜(Schl
eicher and Schuell)上に積載した。この膜を遮蔽溶液で遮蔽した。
膜のディスク(直径6mm)を準備した膜からカットし、第1図中に示したタ
イプのフローセル中に積載した。テストサンプル毎に新しい膜を使用した。抗原
恒温保持工程のためにTris緩衝塩溶液、pH8.6、中のT4−ALP複合
体1μg/mlをT4標準溶液と1:5の割合で混合し、全サンプル容量200
μlで競合アッセイを提供した。連続して中断なしに実施されるセル中でのアッ
セイ工程は次のようであっ
た:
(i)緩衝液1mlのセル中の通過。
(ii)サンプル/複合体混合物200μlの通過。
(iii)洗浄工程としての緩衝液1mlのセル中の通過。
(iv)基質溶液(緩衝液中の1mmol/lナフチルホスフェート)300μl
の通過。
この恒温保持の電気活性生成物、ナフトールは、Ag/AgCl参照電極に対
して+300mVで平衡状態にした、セル中の電極で(Toray、直径3mmで液
体と接触)直接検出された。典型的な競合アッセイから得られた形と一致する結
果を第3図中に示した。この全アッセイ時間は室温で27分であった。
実施例4
TSHに関するサンドイッチ(又は2部位)イムノアッセイを連続流で次の方
法で実施した:
ELIFAシステム(Pierce)を用いて、ニトロセルロース膜(Millipore)
をTSHに対する第一抗体、炭酸塩緩衝液中の濃度10μg/mlで負荷した。
この膜を遮断溶液を用いて遮断した。
この膜から直径6mmのディスクをカットし、第1図に示した形のフローセル
中に設置した。TSHを含有するヒト標準血清をサンプル容量300μlで膜を
介して通過させた。各濃度毎に新しい膜及び電極を適用した。このアッセイのた
めにはサンプルをこのシス
テムを介して流し、直ぐに溶液中の第二抗体−アルカリホスファターゼ複合体、
次いで洗浄溶液1.5mlを流した。最終的に、DEA緩衝液中の1mmol/
lナフチルホスフェート溶液300μlをこの装置を通過させた。血清サンプル
からの酸化又は還元生成物で電極が汚染される危険性を減少させるために洗浄工
程からのみセルを分極した。
ナフトールをAg/AgCl参照電極に対して+300mVで平衡にした電極
での酸化流により多孔性電極で直接検出した。サンプル添加から結果までの全恒
温保持時間は室温で29分であった。結果を第4図中に示し、サンドイッチ又は
2部位イムノアッセイからの予期される応答に一致する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Once-through electrochemical biosensor
Background of the Invention
The present invention relates to a flow-through solid-phase immunoassay system or device capable of electrochemical detection.
It relates to a Muno assay device.
Immunoassay diagnostics are commonly used for a wide range of substances in serum, plasma or other fluids.
Well-established as diagnostic methods for clinical use, and the principles of these assays are environmental monitoring or
Can be extended to other fields such as DNA analysis.
A typical method for an immunoassay is
(I) Biological capture antibody on solid phase, eg plastic microtiter plate
On the target sample to bind to the antigen in question, washing and then a second
This is a method of acting on a labeled antibody. The label on the antibody can be, for example, a radiotracer or
It may be an enzyme. Further, detection of the label is performed following washing (so that
The amount of antigen in the sample is detected). This method is a sandwich assay or
Known as a two-site assay, or
(Ii) a biological sample containing an antigen and an added amount of labeled antigen as the capture antibody on the solid phase;
Is to act on
. Labeled and unlabeled antigens compete for antibody sites on the solid phase. Of the label shown after washing
The amount is inversely proportional to the amount of the true antigen in the biological sample. This method is a competitive asset
It is known as a.
Indication of the sign can be achieved in various ways. For enzyme labeling, chromogen detection
Choice of luminescence, luminescence or electrochemical detection methods
. A chromogenic immunoassay that produces a colored product upon addition of a substrate for which an enzyme label is suitable.
B) is well established under the general term "ELISA" and uses the principle of photometry.
To detect discoloration in the substrate solution. This method is relatively easy to implement
However, it must accept the difficulty of achieving long incubation times and low detection limits.
Must.
Luminescence and fluoresence generated from substrate solutions are enzyme labeled
Can be achieved by a sandwich assay compared to the chromogenic method.
And a low detection limit with a factor of 10 (Portsmann, T. and Kiessig, S.T.
, "Enzyme Immunoassey Techniques", J. Immuno. Meth., 150, 5-21.
Pp. 1992), and the required sample volume is clearly reduced. But city
Luminescence / fluorescence in stabilizing sales substrates and equipment costs
Difficulties in the expenditure of the sense detector. Electrochemical immunoassays are
In the field of
And an electrochemically active species on the electrode immediately adjacent to the solid phase.
The reaction product) is oxidized or reduced to detect this species.
Mainly pursuing the combination. There are many such biosensors in the literature
(See, for example, Heineman, W.R. and Haisall, H.B., "Strategies for elec
trochemical immunoassay ", Anal. Chem. 57, 2, 1321-1331,
1985), most of which achieve the required sensitivity and detection limits.
Have failed completely and cannot be used to produce viable equipment on the market.
No.
Another aspect of a practical immunoassay is that it reduces the incubation time for the assay.
Instrumentation with various high surface area solid phases to shrink. Big table
The solid phase having an area includes a polymer bed, magnetic particles and a polymer film.
Different forms of flow-through technology select solid phase to reduce assay time and enhance sensitivity
Has been implemented in the context of U.S. Pat. No. 5,006,309 describes an optical system
A device having a membrane as a solid phase for an immunoassay for detection is described. JP
-A-60188839 protrudes into the sample stream for detection
It describes the use of a selection electrode.
EP-B1-0033188, EP-B1-0060082
And EP-A-046983
All of No. 0 improve electrochemical detection in analytical systems such as HPLC
A structure of a porous electrode that can be used to perform EP-B1
No. 0122009 discloses that a sample is filtered by chromatography before the experiment.
Detection of some electrochemically active biological molecules, provided that
The electrodes for are described. The electrode described in this patent is a chromatographic system.
Intended for use as a permanent and reusable detector in systems
.
EP-A2-0352138 and EP-A2-0525723
Both documents incorporate membranes as solid phases and biosensors as electrochemical detectors.
Describe special equipment that uses the standard solid electrode format normally applied during
You.
Summary of the Invention
The present invention relates to the detection of porous solid-state immunoassay systems or devices.
It can be clearly increased by having a solid phase that is tightly coupled to the poles.
It is the foundation that we found. This effect is due to the fact that the electrode in contact with the electroactive species
It appears that increased surface area and enhanced diffusion motion at the electrode / species interface can be achieved
It is. The large surface area achieved by the porous electrode can be achieved under favorable flow and voltage conditions.
Obviously leads to significantly higher oxidation and reduction efficiency of the electroactive species. Liquid passing through electrodes
The effect of the flow of gas is to detect oxidation or return at the diffusion layer at the electrode / liquid interface.
It is likely that the original seed will be replenished immediately. Oxidized or reduced species from two phases
Leaving and refilling is usually done by stirring the solution on the solid detection electrode or
This interface must be controlled by the flow of liquid,
Is a limiting factor in thermochemical immunosensors and other biosensors
. Therefore, the application of this electrode in the present invention may be an electrochemical immunosensor or other
Two aspects that are very important for electrodes to be used in biosensors,
The need for high efficiency in oxidation and reduction (surface area) and the two-phase
Covers the need for rapid replenishment (flow-through measurement). This electrode is optional
Any suitable porous conductive material, such as preformed graphite sheet, molten copper
Printed on carbon powder, metal-based porous plugs or suitable porous substrates
It may be a conductive ink.
Thus, the present invention provides that the solid phase is intimately connected to the porous working electrode and that
Electrochemical detection capability, characterized by the presence of a counter electrode in the system.
Flow-through solid layer immunoassay system or device.
Other objects will be apparent from the claims.
The sensitivity of the electrode according to the invention to a particular species controls the flow rate and the voltage at the electrode
Can be operated by
it can. Voltage control is achieved by a conventional electrostatic device, which controls the species in the solution flowing through the electrodes.
Provides a current or charge reading in proportion to the quantity. Electrostatic potential control is optional electrification
In a normal voltage-current or current measurement format for biological analysis.
But preferably the application of a suitable dc potential for the oxidation or reduction of the species
And the current at the electrodes is monitored by use of a suitable device.
Electrochemically active species (also known as electroactive species) are easily oxidized,
Or any suitable enzyme / substrate pair that produces the species to be reduced (the enzyme is usually
Sandwich assay when using an labelle (or forming part of an assay)
Or in the course of a competition assay or other immunoassay type
Can be. This assay is advantageously performed with the enzymes alkaline phosphatase and phosphate.
Uses a substrate, but the substrate produces an electrochemically detectable species upon contact with the enzyme.
Any other suitable enzyme / substrate pair that forms can also be used. For example, Arca
Naphthylphosphorus in solution as a substrate during a rephosphatase-labeled immunoassay
The use of a salt allows the electroactive species naphthol to be obtained under suitable buffer and substrate conditions.
It is. It is easily oxidizable on a porous electrode under electrostatic potential control and produced
One electron is formed for each molecule of naphthol. Similarly, aminophenylphospho
Alkaline phosphatas
It can be used as a substrate by using a protease. Enzyme substrates that can be used
Another example of a pair is β-galactosidase and p-aminophenyl-β-D-galactosidase.
Production of the electroactive species aminophenol from horseradish, horseradish peroxidase and
Production of electroactive species hydrogen peroxide from lactose, lactate dehydrogenase and lactate
This is the generation of the electroactive species NADH in the presence of NAD-.
The electrodes use a three-electrode system consisting of a working (detection) electrode, a counter and a reference electrode.
A suitable flow cell or device to be used which allows suitable electrostatic potential control of the electrode / liquid environment
For proper function at the applied potential between the electrodes.
Includes devices that require only the presence of the poles, ie, the working and reference electrodes. Electrochemical
Detection can be performed using peak current or total charge measurements, which
Each special parameter required for an electrochemical immunoassay on the system
Can be calibrated for the analyte.
A second aspect of the invention is that the immunoassay is performed in a sequential flow process or in a continuous flow.
The porous electrode and the solid phase for carrying out the sealing are included in the finished device.
This is due to the high surface area and antibody / antigen interaction on the solid phase
Fluorescence or luminescence with enhanced diffusional motion due to the active detection layer
A device that requires less sophisticated electrical control than detection and is practical and inexpensive to manufacture
Manufacturing a device and providing very rapid and sensitive diagnostic capabilities. This
All suitable protein binders exhibit high surface area to volume ratio and good porosity
The material may be, for example, a polymer membrane, a polymer bed or a particle suspension.
The solid phase is advantageously located close to the porous electrode and encapsulated in a complete immunoassay device.
As included, the preferred solid phase is a polymer membrane.
A full description of the possible structures of the present invention is provided by showing a schematic diagram.
List of drawings
Figure 1: Porous membrane acting as solid phase for immunoassay and electrochemical detection
Schematic cross section of a flow-through cell structure including a porous operation and a counter electrode for
The figure is shown.
FIG. 2: a schematic longitudinal section through a flow-through cell with a wicking action.
FIG. 3: Graph showing the results of the assay described in Example 3.
FIG. 4: Graph showing the results of the assay described in Example 4.
Description of the device
FIG. 1 shows a sample in a preferred process order via a cell in a final electrochemical detection process.
The passage of reagents and washing solutions
According to the invention for connecting to a pump system for liquid flow control enabling
1 shows a longitudinal section of one possible structure for a flow device or cell. Cell body 1 can be any
It may be a suitable preform or a mechanically inert material by machine, but is advantageously
Molded from rimer material, here formed from two splittable halves
And the case where the components of the device can be replaced as necessary
. All reagents are introduced into the cell via the annular aperture 2 and in a suitable tube 15
It is sucked in the direction of arrow 3 by the pump 14 installed below the cell. In this case
The cell consists of a three-electrode arrangement for complete electrostatic control,
The electrode 5 is a working electrode, the porous electrode 6 is a counter electrode, and a solid Ag
The / AgCl reference electrode 7 is exposed to contact with the reagent stream on the inner wall of the cell. Porous electrode
Gaskets 10, 11 and 12 and "O" -ring 1 are fixed in place.
3, as well as a porous membrane 4 that provides a solid phase for the immunoassay reaction,
Sealed to the cell body. This membrane 4 is any membrane suitable for immobilizing any protein.
But may advantageously consist of one of the following materials: nitrocellulose, poly
Vinylidene difluoride (PVDF), nylon or glass fiber. Membrane holes
Diameter and thickness are tailored to the requirements of the individual immunoassay and required liquid behavior
Can be The membrane 4 is a capture antibody or antigen in the field.
Manufactured according to the usual aspects of immunoassays known to the expert and inserted into the cell
It is. The cell inner diameter, d, can be varied, but the preferred dimensions are 2-10 m
m and controls the sample volume required for favorable detection of the product.
Limit. The thickness of the working electrode 5 is high in the concentration range of the product to be detected.
Or reduction effect and thus a high sensitivity or, if necessary, a rapid fouling of the electrodes.
Dyeing should be avoided. Pollution refers to the failure of oxidation or reduction of electroactive species.
Produces a substance that is soluble and gradually deposits on the electrode, blocks the surface, and
Describes a phenomenon that reduces the effect. Electrical connections are made to the electrodes through the cell.
And is connected to an external electrostatic potential or other electroanalytical device at contacts 7, 8 and 9.
The cell was then subjected to competition or two-site electrical as shown in Examples 3 and 4.
Creates a complete immunoassay environment for chemical immunoassays. In FIG.
The conceptualized device is a suitable liquid for plasma, serum or other analysis in immunoassays.
Can be analyzed.
Flow electrochemical immunoassay device concept pumps liquid through device
Perform with a device adapted for wicking liquid by capillary action to eliminate the need
You can also. A conceptual diagram of this type of device derived from the basic principle of the present invention is shown in FIG.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the apparatus. Depending on the parameter to be tested
Samples and reagents required for a munoassay or competitive immunoassay
It is introduced into the apparatus by the aperture 14, and the solid phase film 15, the spacer film 16a,
Pass through the porous working electrode 21, the spacer film 16b, and the porous counter / reference electrode 22.
To suck up into the absorbent material 19. Operation and contact with the counter electrode are electrostatic
Or conductive materials 17 and 18 that can suitably contact other electroanalytical devices.
Has been done more. The porous counter / reference electrode 22 is preferably made of a stable material.
Ag / AgCl inks printed on a suitable porous support are advantageous. apparatus
The final reagents that must pass through are immediately converted to electroactive products, in other words
Substrate solution for enzyme labeling, detected at the pole by oxidation or reduction. this
The device is placed in a container 20 for protection, and after one sample is measured, it is discarded. Plasma, serum or
Other liquids that can be analyzed by immunoassay can be used with this device
. In addition, the device may provide a blood /
By attaching a plasma separation membrane, it can be applied to analysis of whole blood.
This device has been realized from the schematic diagrams of FIGS. 1 and 2 with different manufacturing and compounding processes
can do. Porous electrodes are incorporated directly into the device as preform materials
Or printed with a porous ink on a suitable porous surface.
Wear. This device is
Depending on the requirements of the analysis equipment, it may consist of a working electrode, a reference electrode and a counter electrode or
Is simply configured as a two-electrode system. To reduce waste material generation,
Equipment of the type conceptually described in the figures shall be constructed in two separable halves
One containing a membrane or other antibody / antigen capture phase and the other a detection electrode system
It contains.
The half containing the electrodes of the device is reusable for the expected number of tests and the solid phase
Only the parts of the equipment that contain
Should be replaced by
Example
Example 1
A commercially available disk made of porous graphite having a diameter of 5 mm and a thickness of 0.35 mm was used.
(Toray Industries, Japan).
As a first test, only the liquid contact with the disc is on the upper surface of the graphite.
In some conventional planar electrode cells, the usual solid-state electrodes for biosensors
It was arranged as above. The cell contains an Ag / AgCl reference electrode and titanium for measurement.
Stir to include counter electrode and ensure diffusion layer control in conventional manner
I was able to. This can be achieved by using a conventional solid-phase electrode electrochemical immunoassay.
A model for measurement of gas-active species was provided. + 300mV voltage to the reference electrode
With the working electrode equilibrated with pressure, a diethanolamine DEA buffer (DEA50
naphthol solution in 100 mmol / l) 100 mmol / NaCl, pH 9.6)
Measurement of 10 μmol / l gave a response average current peak of 100 nA.
In a second test, another disk electrode was cut from the graphite sheet.
And placed in a flow cell of the type shown in FIG. Direct contact between electrode and liquid
The diameter was 3 mm. See samples of various concentrations of naphthol in DEA buffer
Using the electrode equilibrated at +300 mV with respect to the reference electrode Ag / AgCl, 30
The current obtained for each sample volume of 300 μl, flowing through the cell at 0 μl / min
The peak was recorded. A current peak of about 100 nA has a naphthol concentration of 100 nmol.
/ L, the porous electrode is a conventional solid electrode at this voltage and flow conditions.
The sensitivity was 100 times higher. This sensitivity was adapted to the flow rate at which the cell configuration was suitable
By being able to total oxidize or reduce the electroactive species when passing through the electrode at potential
Can be reached. This response current peak increases as the velocity through the cell increases.
sell.
Background generated in a carrier solution (biological buffer) in this way
The naphthol concentration to at least 0.5 nmol / l relative to the
It is possible to This limit is not
Caused by the flow of the system. Especially high enough to create bubbles in open systems
Flow rates should be avoided.
Example 2
Assay for measuring the amount of thyroid stimulating hormone (TSH) in a serum standard solution
A comparison of an electrochemical flow detection system with a standard chromogen assay
A conventional ELISA sandwich assay was used for this.
The assay was performed using a 96-well microtiter plate coated with a capture antibody for TSH.
Was carried out at the site. Different concentrations of TSH standard solution, 100 μl / well on plate
Incubate for 1 hour, then wash the wells and add alkaline phosphatase (AK
P) labeled anti-TSH secondary antibody solution, 100 μl / well, 1 μl on plate
The temperature was kept constant for hours. The plate is washed again with buffer to remove any unbound secondary antibody.
Removed.
Half of the wells in the microplate are filled with a chromogenic substrate for ALP, p-nitro-
Exposure to a 2.8 mmol / l solution of phenyl phosphate, 300 μl / well.
The other half is the electrochemical substrate for ALP, one of naphthyl phosphate, the concentration
Exposure to 1 mmol / l, 300 μl / well. After maintaining the temperature at 37 ° C for 20 minutes,
Measure the color development of the solution in this well in a plate reader (chromogenic substrate), or
Extracted from the hole and measured by amperometry with the flow method described in Example 1 (
Electric
Chemochemical substrate). A typical conventional chromogen assay has a volume of less than 1 mU / l TSH.
Reliable measurements are not possible, while the electrochemical flow detection method is 0.01.
Sustain measurements up to mU / l.
Example 3
Setting up a competitive immunoassay for thyroxine (T4) in a flow-through system
Was.
The T4-alkaline phosphatase (T4-ALP) linkage is converted to L-thyroxine sodium.
Starting from the sodium salt and using alkaline phosphine with disuccinimidyl substrate (DSS)
Manufactured by conjugation to tatase (bioenzyme).
The anti-T4 antibody was carbonated using an ELISA membrane assay system (Pierce).
Nitrocellulose membrane (Schl) at 2 µg / ml in buffer, pH 9.6 to 0.45 µm.
eicher and Schuell). The membrane was shielded with a shielding solution.
A disk (diameter 6 mm) of the membrane was cut from the prepared membrane and the disk shown in FIG.
Loaded in the Ip flow cell. A new membrane was used for each test sample. antigen
T4-ALP complex in Tris buffered saline, pH 8.6, for isothermal step
1 μg / ml of the body was mixed with the T4 standard solution at a ratio of 1: 5, and the total sample volume was 200
μl provided the competition assay. Updating in a cell performed continuously without interruption
The Say process is as follows
Was:
(I) Passage of 1 ml buffer through the cell.
(Ii) 200 μl passage of the sample / complex mixture.
(Iii) 1 ml of buffer passed through the cell as a washing step.
(Iv) 300 μl of substrate solution (1 mmol / l naphthyl phosphate in buffer)
Passing.
This constant temperature electroactive product, naphthol, is applied to the Ag / AgCl reference electrode.
And equilibrated at +300 mV, with the electrodes in the cell (Toray, 3 mm diameter liquid
Contact with body) directly detected. Results consistent with those obtained from a typical competition assay
The results are shown in FIG. The total assay time was 27 minutes at room temperature.
Example 4
Sandwich (or two-site) immunoassay for TSH in continuous flow
Conducted by law:
Nitrocellulose membrane (Millipore) using ELIFA system (Pierce)
Was loaded at a concentration of 10 μg / ml in primary buffer against TSH, carbonate buffer.
The membrane was blocked using a blocking solution.
A 6 mm diameter disk was cut from this membrane and a flow cell of the form shown in FIG.
Installed inside. A membrane of human standard serum containing TSH was prepared in a sample volume of 300 μl.
Passed through. New membranes and electrodes were applied for each concentration. In this assay
For this purpose, sample
Flowing through the system and immediately in solution the second antibody-alkaline phosphatase complex,
Then, 1.5 ml of the washing solution was poured. Finally, 1 mmol / l in DEA buffer
300 μl of 1 naphthyl phosphate solution was passed through the device. Serum sample
Cleaning procedures to reduce the risk of electrode contamination with oxidation or reduction products from
Only the cell was polarized.
Electrode with naphthol equilibrated at +300 mV against Ag / AgCl reference electrode
Was directly detected at the porous electrode by the oxidation flow at All the time from sample addition to results
The temperature retention time was 29 minutes at room temperature. The results are shown in FIG.
Consistent with the expected response from a two-site immunoassay.
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(72)発明者 ウイリアム ヘンリー マレン
アメリカ合衆国 60030 イリノイ グレ
イスレイク ディープ ウッド コート
833
(72)発明者 ナイジェル カイル
イギリス国 ケンブリッジシャイア シー
ビー4 1アールエス ケンブリッジ グ
リーン エンド ロード 79
(72)発明者 ファビオ リッサンドレロ
イタリア国 イ−20135 ミラノ ヴィア
マルコ グレッピ 2────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(72) Inventor William Henry Maren
United States 60030 Illinois Gre
Islake Deep Wood Court
833
(72) Inventor Nigel Kyle
United Kingdom Cambridgeshire Sea
B4 1Rs Cambridge
Lean End Road 79
(72) Inventor Fabio Lissandrero
Italy A-20135 Milan Via
Marco Greppi 2