DE102004038163A1 - Fluorescence-based assays for the rapid, quantitative analysis of biomolecules (proteins and nucleic acids) by enrichment on cells or beads - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion mindestens eines Moleküls (212) in einer Lösung in einem Reaktionsreservoir eines Mikrofluidik-Chips mit einem Boden, wobei DOLLAR A a) das zu detektierende Molekül mit mit geeigneten Antikörpern beschichteten Kügelchen (210) und mit farbstoffmarkierten Sekundärantikörpern (214) in Kontakt gebracht wird, DOLLAR A b) wobei sich das zu detektierende Molekül mit den genannten Substanzen bindet, DOLLAR A c) wobei sich ein Komplex (216) aus zu detektierendem Molekül, Kügelchen und farbstoffmarkierten Sekundärantikörpern bildet und DOLLAR A d) wobei dieser Komplex sedimentiert und am Boden nachgewiesen wird.The present invention relates to a method for detecting at least one molecule (212) in a solution in a reaction reservoir of a microfluidic chip with a bottom, wherein DOLLAR A a) the molecule to be detected with coated with suitable antibodies beads (210) and with dye-labeled secondary antibodies (214) DOLLAR A b) where the molecule to be detected binds with said substances, DOLLAR A c) forming a complex (216) of molecule to be detected, beads and dye-labeled secondary antibodies and DOLLAR A d) whereby this complex sediments and is detected on the ground.

Description

Gebiet der ErfindungTerritory of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen, quantitativen Detektion mindestens eines Moleküls, insbesondere eines Biomoleküls, in Lösung, wobei das Molekül mit mindestens zwei weiteren modifizierten Substanzen in Kontakt gebracht wird und der sich daraus bildende Komplex durch Anreicherung auf Zellen oder Beads nachgewiesen wird.The The present invention relates to a method for rapid, quantitative Detection of at least one molecule, in particular a biomolecule, in solution, being the molecule brought into contact with at least two other modified substances and the resulting complex is formed by enrichment Cells or beads is detected.

Zum Nachweis bestimmter Antigene oder Antikörper wird hauptsächlich der ELISA (Enzyme-Linked-Immuno-Sorbent-Assay) eingesetzt. Hierbei wird im allgemeinen ein Fängermolekül (Antigen oder Antikörper) unspezifisch am Boden einer Mikrotiterplatte immobilisiert (meist Adsorption auf Glassoberflächen). Nach Zugabe der zu untersuchenden Probe (Inkubationszeit bis zu Stunden) wird die Oberfläche mindestens einmal gewaschen um unspezifisch adsorbierte Moleküle zu entfernen. Im nächsten Schritt folgt die Inkubation mit einem sogenannten „Detektormolekül" (üblicherweise Sekundärantikörper, die mit einem Enzym, z. B. Meerrettichperoxidase, markiert sind), das ebenso spezifisch an das gesuchte Molekül in einer Sandwich-Konfiguration bindet. Nach weiteren Waschschritten wird die Probe mit einer farbgebenden Substanz inkubiert. Diese Substanz wird durch das Enzym am Detektormolekül z. B. durch Oxidation in eine farbige Verbindung überführt. Letztendlich wird die Farbigkeit im Überstand der Probe gemessen, die direkt mit der Gegenwart der nachzuweisenden Substanz korreliert ist. Aufgrund des Amplifizierungsschrittes (jedes Enzym bildet viele farbige Moleküle) erreichen ELISA's eine hohe Empfindlichkeit im Bereich von 10-9 bis 10-11 M Zielmolekül. Nachteile sind die vielen Waschschritte, die lange Dauer (mehrere Stunden) und die unspezifische Adsorption an den Glassoberflächen.For the detection of certain antigens or antibodies, mainly the ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) is used. In general, a capture molecule (antigen or antibody) is immobilized unspecifically on the bottom of a microtiter plate (usually adsorption on glass surfaces). After addition of the sample to be examined (incubation time up to hours), the surface is washed at least once to remove unspecifically adsorbed molecules. In the next step, the incubation is followed by a so-called "detector molecule" (usually secondary antibodies labeled with an enzyme, eg horseradish peroxidase) which also binds specifically to the molecule of interest in a sandwich configuration This substance is converted by the enzyme on the detector molecule, eg by oxidation, into a colored compound Finally, the colouration in the supernatant of the sample is measured, which is directly correlated with the presence of the substance to be detected Amplification step (each enzyme forms many colored molecules) ELISA's achieve high sensitivity in the range of 10 -9 to 10 -11 M target molecule Disadvantages are the many washing steps, the long duration (several hours) and the unspecific adsorption on the glass surfaces.

Zum Nachweis spezifischer DNA-Sequenzen gibt es verschiedene Standardverfahren, die alle auf der Hybridisierung eines komplementären, farbstoffmarkierten Oligonukleotids beruhen. Bei DNA-Chips wird die Probe in der Regel ebenfalls mehrmals gewaschen, um unspezifisch adsorbierte Nukleinsäuren und den Überschuss an farbstoffmarkiertem Oligonukleotid zu entfernen.To the Detection of specific DNA sequences there are various standard methods all on the hybridization of a complementary, dye-labeled oligonucleotide based. For DNA chips, the sample is usually also several times washed to nonspecifically adsorbed nucleic acids and the excess to remove dye-labeled oligonucleotide.

Die bisher eingesetzten Verfahren sind somit nicht für einen Einsatz bspw. in einem Mikrofluidik-Chip geeignet, bei dem Waschschritte nur schwer zu realisieren sind.The hitherto used methods are therefore not for use, for example, in one Microfluidic chip suitable in the washing steps difficult to are realizing.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Detektion von mindestens einem Molekül bereitzustellen, was spezifisch und sensitiv genug ist, einen schnellen, quantitati ven Nachweis des Moleküls auf unterschiedlichsten Trägerflächen zu gewährleisten.The The invention therefore has as its object, a method for detection of at least one molecule to provide what is specific and sensitive enough, a fast, Quantitative detection of the molecule on a variety of support surfaces too guarantee.

Lösungsolution

Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.These The object is achieved by the inventions having the features of the independent claims. advantageous Further developments of the inventions are characterized in the subclaims. The wording of all claims is hereby incorporated by reference into the content of this specification.

Die spezifische Erkennung und Aktivität von Biomolekülen (Nukleinsäuren, Antikörpern, Enzyme etc.) kann gekoppelt werden mit der Aufkonzentrierung der nachzuweisenden Moleküle auf z. B. Kügelchen in einem Beobachtungsvolumen, und dass diese Koppelung eine schnelle, quantitative Analyse eines z. B. positiven Fluoreszenzsignals ermöglicht.The specific recognition and activity of biomolecules (nucleic acids, antibodies, enzymes etc.) can be coupled with the concentration of the detected molecules on z. B. beads in an observation volume, and that this coupling is a fast, quantitative analysis of a z. B. allows positive fluorescence signal.

Im folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.in the The following individual process steps are described in more detail. The steps do not have to necessarily be performed in the order given, and the method to be described can also other, not mentioned Steps have.

Es wird ein Verfahren zur Detektion mindestens eines Moleküls in einer Lösung in einem Gefäß mit einem Boden vorgeschlagen. Dazu wird das zu detektierende Molekül mit mindestens einer modifizierten ersten Substanz und mindestens einer farbstoffmarkierten zweiten Substanz in Kontakt gebracht. Das zu detektierende Molekül bindet an der modifizierten ersten Substanz und der farbstoffmarkierten zweiten Substanz. Dadurch entsteht ein Komplex aus zu detektierendem Molekül, modifizierter erster Substanz und farbstoffmarkierter zweiter Substanz. Dieser Kom plex sedimentiert mindestens zum Teil und kann am Boden nachgewiesen werden.It is a method for detecting at least one molecule in one solution in a jar with one Soil proposed. For this purpose, the molecule to be detected with at least a modified first substance and at least one dye-labeled second substance brought into contact. The molecule to be detected binds on the modified first substance and the dye-labeled second substance. This creates a complex of detectable Molecule, modified first substance and dye-labeled second substance. This complex sediments at least in part and can settle on the ground be detected.

Dieses Verfahren eignet sich beispielsweise für den Einsatz in einem Mikrofluidik-Chip, der die zu analysierende Lösung (z. B. Blutserum, Sekret, etc.) mittels Kapillarkräften aufsaugt und in eine variable Anzahl von Reaktionsgefäße bzw. Reaktionsreservoirs (z. B. 96), in denen die spezifischen Nachweisreaktionen ablaufen, überführt. In den Reaktionsreservoirs befinden sich bereits vor dem Eintritt der zu analysierenden Lösung die modifizierte erste Substanz und die farbstoffmarkierte zweite Substanz, die das Vorhandensein des zu detektierenden Moleküls durch beispielsweise einen deutlichen Fluoreszenzanstieg anzeigen. Diese Substanzen liegen in der Regel getrocknet am Boden der Reaktionsreservoirs. Durch der Eintritt der zu untersuchenden Lösung werden sie von Boden gelöst.This method is suitable, for example, for use in a microfluidic chip which absorbs the solution to be analyzed (eg blood serum, secretion, etc.) by means of capillary forces and into a variable number of reaction vessels or reaction reservoirs (eg 96 ), in which the specific detection reactions take place. The modified first substance and the dye-labeled second substance, which indicate the presence of the molecule to be detected by, for example, a marked increase in fluorescence, are already present in the reaction reservoirs prior to the entry of the solution to be analyzed. These substances are in usually dried at the bottom of the reaction reservoir. By entering the solution to be examined they are released from the ground.

Im Gegensatz zu den meisten bisher eingesetzten Mikrotiterplatten finden die spezifischen Nachweisreaktionen in Lösung, ohne Einsatz jeglicher Waschschritte, statt. Die Nachweisempfindlichkeiten des Verfahrens liegen in Abhängigkeit vom jeweiligen Assay im mikro- (10-6 M) bis pikomolaren (10-12 M) Bereich.In contrast to most microtiter plates used so far, the specific detection reactions take place in solution, without the use of any washing steps. The detection sensitivities of the method are in the micro (10 -6 M) to picomolar (10 -12 M) range, depending on the particular assay.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindungen handelt es sich bei dem zu detektierenden Molekül um ein Biomolekül, insbesondere um eine Nukleinsäure, ein Antigen, einen Antikörper und/oder ein Enzym. Weitere Biomoleküle, die unter Inanspruchnahme des erfindungsgemäßen Verfahrens nachgewiesen werden können, sind dem Fachmann geläufig, und sie können beispielsweise die Gruppe der Peptide, Proteine, Kohlenhydrate etc., aber auch komplexere Strukturen wie Viren, Viroide, Prionen etc. umfassen.According to one preferred embodiment of Inventions, the molecule to be detected is a biomolecule especially a nucleic acid, an antigen, an antibody and / or an enzyme. Other biomolecules, which detected using the method according to the invention can be are familiar to the expert, and you can For example, the group of peptides, proteins, carbohydrates, etc., but also include more complex structures such as viruses, viroids, prions, etc.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der modifizierten ersten Substanz um Kügelchen mit einem Durchmesser von ca. 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise ca. 1 bis 10 μm, insbesondere ca. 2 bis 3 μm. Diese Kügelchen können aus sämtlichen, für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaften Materialien bestehen, sofern sie sich gemäß Ihrem geplanten Einsatzgebiet modifizieren lassen. Als besonders vorteilhaft haben sich Kügelchen aus Polystyrol erwiesen, die zusätzlich auch einen Eisenkern aufweisen können. Durch Einsatz solcher Kügelchen mit einem z. B. Eisenoxidkern können zusätzliche Aufkonzentriereffekte am Boden des Reservoirs vorgenommen werden, beispielsweise durch Zuhilfenahme eines Magneten.In a further preferred embodiment the modified first substance is a bead with a diameter of about 50 nm to 50 microns, preferably about 1 to 10 microns, in particular approx. 2 to 3 μm. These beads can out all, for the Use of the method according to the invention advantageous materials, provided they comply with your have their planned application modified. As a particularly advantageous have beads made of polystyrene, in addition may also have an iron core. By using such beads with a z. B. iron oxide core can additional Concentration effects are made at the bottom of the reservoir, for example, by using a magnet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Oberfläche der modifizierten ersten Substanz mit spezifischen Ankermolekülen modifiziert durch Beschichtung. Bei den spezifischen Ankermolekülen handelt es sich gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform um Antikörper, Antigene, Peptide, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren und/oder Zellen. Dies stellt keine abschließende Auflistung der möglichen Ankermoleküle dar und weitere, dem erfindungsgemäßen Verfahren zugängliche Ankermoleküle (z. B. Viren, Viroide, Prionen etc.) sind dem Fachmann geläufig und werden ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst.In a further preferred embodiment becomes the surface the modified first substance modified with specific anchor molecules by coating. The specific anchor molecules are it according to one another preferred embodiment to antibodies, Antigens, peptides, carbohydrates, nucleic acids and / or cells. This does not provide a final List of possible anchor molecules and further anchor molecules accessible to the method according to the invention (eg. Viruses, viroids, prions, etc.) are familiar to the expert and are also encompassed by the present invention.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der farbstoffmarkierten zweiten Substanz um farbstoffmarkierte Sekundärantikörper, Substanzen, die durch die Bindung an das zu detektierende Molekül fluoreszenzfähig werden, z. B. konformaktiv flexible smart probes, und/oder komplementäre Oligonukleotide. Die konformativ flexiblen, sogenannten „Smart Probes" (siehe z. B. WO 01/36668 A1) erhöhen das Signal zu Hintergrund Verhältnis und können beispielsweise als fluoreszenzmarkierte Sonden eingesetzt werden, die durch Anbinden an das Zielmolekül ihre Fluoreszenzintensität drastisch erhöhen. Damit lassen sich höhere Sonden-Konzentrationen, ohne Erhöhung der Hintergrundfluoreszenz, erzielen. Die bisher erfolgreich entwickelten „Smart Probes" erlauben die Detektion bestimmter DNA-Zielsequenzen und bestimmter tumorassoziierter Antikörper direkt in beispielsweise Blutproben von Patienten.In a particularly preferred embodiment is the dye-labeled second substance to dye-labeled secondary antibodies, substances, which become fluorescent by binding to the molecule to be detected, z. B. conformable flexible smart probes, and / or complementary oligonucleotides. The conformationally flexible, so-called "smart probes" (see, for example, WO 01/36668 A1) the signal to background ratio and can For example, be used as fluorescence-labeled probes, the by attachment to the target molecule their fluorescence intensity increase dramatically. This can be higher Probe concentrations, without increasing the Background fluorescence, achieve. The so far successfully developed "Smart Probes "allow the detection of certain DNA target sequences and certain tumor-associated antibodies directly in, for example Blood samples from patients.

Dabei können gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verschiedene zu detektierende Moleküle mit verschiedenen farbstoffmarkierten Substanzen interagieren, vorzugsweise spezifisch mit diesen binden. Diese spezifische Interaktion kann dann zu mindestens zwei, vorzugsweise mehrerer Farbreaktionen führen, wobei diese dann nach Art der Farbe getrennt erfasst und ausgewertet werden können.there can according to a another preferred embodiment different molecules to be detected with different dye-labeled Substances interact, preferably bind specifically with them. This specific interaction may then be at least two, preferably cause several color reactions, where these are then recorded and evaluated separately by type of color can be.

Es können für die Detektion unterschiedlicher zu detektierender Moleküle auch unterschiedliche, jeweils spezifisch bindende Substanzen verwendet werden, wobei die Substanzen jeweils mit spektroskopisch unterscheidbaren Farbstoffen markierten werden. Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Farbstoffen um Fluoreszenzfarbstoffe, die spektroskopisch unterscheidbar sind. Spektroskopisch unterschieden werden können Farbstoffe beispielsweise aufgrund des Absorptionsspektrums, des Emissionsspektrums, der Fluoreszenz-Lebensdauer, der Triplett-Lebensdauer, etc.It can for the Detection of different molecules to be detected also used different, each specific binding substances be, the substances each with spectroscopically distinguishable Dyes are marked. Advantageously, it is in the dyes to fluorescent dyes, which are spectroscopically are distinguishable. Spectroscopically, dyes can be distinguished for example, due to the absorption spectrum, the emission spectrum, fluorescence lifetime, triplet lifetime, etc.

Die Effizienz dieser Technik kann durch die Optimierung der verwendeten Fluoreszenzfarbstoffe noch weiter gesteigert werden. So ist es zum Beispiel möglich, mit Hilfe von verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen beispielsweise Prionen und Viren auf oder in Zellen nachzuweisen. Man kann ferner bei dieser Möglichkeit auch durch Nutzung von Fluoreszenzfarbstoffen mit unterschiedlichen Absorptionswellenlängen Mehrfachmarkierungen durchführen. Zur Lösung des gestellten Problems kann ein gemischt homogen/heterogen basiertes Verfahren eingesetzt werden.The Efficiency of this technique can be used by optimizing the Fluorescent dyes are further increased. That's the way it is Example possible, with the help of different fluorescent dyes, for example Detect prions and viruses on or in cells. One can further at this possibility also by using fluorescent dyes with different Absorption wavelengths Carry out multiple markings. To the solution of the problem posed can be a mixed homogeneous / heterogeneous based Procedures are used.

Für den Nachweis bestimmter proteolytischer Enzyme (Proteasen) können mit einem Tryptophanrest modifizierte und farbstoffmarkierte Protease-Substrate (kurze Peptide) auf den Kügelchen immobilisiert werden. Hierbei wird die Farbstofffluoreszenz durch die räumliche Nähe zum Tryptophanrestes effizient gelöscht. In Gegenwart der Protease wird die Aminosäurensequenz zwischen Farbstoff und Tryptophanrest hydrolisiert (geschnitten), wodurch die räumliche Nähe aufgehoben ist und ein starker Fluoreszenzanstieg resultiert. Bleibt derjenige Teil des Protease-Substrats, der den Farbstoff trägt, nach der Hydrolyse auf dem Kügelchen immobilisiert, so kann durch quantitatives Auslesen der Fluoreszenz auf der Kugeloberfläche die Proteasekonzentration bestimmt werden.For the detection of certain proteolytic enzymes (proteases), tryptophan residue-modified and dye-labeled protease substrates (short peptides) can be immobilized on the beads. The dye fluorescence is efficiently quenched by the proximity to the Tryptophanrestes. In the presence of the protease, the amino acid sequence between the dye and the tryptophan moiety is hydrolyzed (cut), whereby the spatial proximity is abolished and a strong Fluorescence increase results. If the part of the protease substrate which carries the dye remains immobilized on the bead after the hydrolysis, the protease concentration can be determined by quantitatively reading the fluorescence on the spherical surface.

Ähnliche farbstoffmarkierte Peptide können ebenso für den spezifischen Nachweis bestimmter Antikörper direkt im Blutserum eingesetzt werden. Hierbei wird der fluoreszenzlöschende Einfluss des Tryptophanrestes, der durch Kontaktbildung zum Farbstoff ausgelöst wird, durch das Binden des Peptids an den Antikörper und der damit verbunden Konformationsänderung im Peptid verhindert, wodurch es zu einem Fluoreszenzanstieg kommt (siehe z. B WO 1003/014742 A2). Durch Bindung des geeigneten, farbstoffmarkierten Peptids auf der Oberfläche der Kügelchen kann der Antikörper durch einen Anstieg des Fluoreszenzsignals auf dem Kügelchen nachgewiesen werden.Similar Dye-labeled peptides may as well for the specific detection of certain antibodies used directly in the blood serum become. This is the fluorescence-quenching influence of Tryptophanrestes, which is triggered by contact formation to the dye, by the binding of the Peptids to the antibody and the associated conformational change in the peptide prevents causing a fluorescence increase (see for example WO 1003/014742 A2). By binding the appropriate, dye-labeled peptide on the surface of the globule can the antibody detected by an increase in the fluorescence signal on the bead become.

Bestimmte Nukleinsäureabschnitte (die spezifisch für eine Antibiotikaresistenz oder eine virale Erkrankung sind) können im gleichen Assay-Format durch den Einsatz von DNA-Hairpins („Smart Probes", siehe z. B. WO 01/36668 A1) nachgewiesen wer den. Hierbei wird die zu untersuchende Probe mit Hilfe der PCR und einem biotinylierten Primer amplifiziert. Im Reaktionsreservoir befinden sich mit Streptavidin gecoatete Kügelchen und für die jeweilige DNA-Sequenz spezifische DNA-Hairpins. DNA-Hairpins sind einzelsträngige Oligonukleotide, die aufgrund der Komplementarität der DNA-Bausteine an beiden Enden eine Stamm/Schleife-Struktur einnehmen. Bei den zur Verwendung kommenden DNA-Hairpins wird ein geeigneter Fluoreszenzfarbstoff an einem Ende des Oligonukleotids angebracht, der durch Guanosin im komplementären anderen Ende im geschlossenen Zustand des DNA-Hairpins gelöscht wird. Findet der DNA-Hairpin die seiner Schleife komplementäre DNA-Sequenz auf dem Kügelchen, hybridisiert er spontan unter Ausbildung des thermodynamisch günstigeren Doppelstranges. Hierdurch wird die Stamm/Schleife-Struktur zerstört und gleichzeitig die durch den Kontakt mit dem Guanosinrest induzierte Fluoreszenzlöschung des Farbstoffs aufgehoben.Certain nucleic acid segments (specific for are an antibiotic resistance or a viral disease) in the same assay format through the use of DNA hairpins ("Smart Probes ", see z. B. WO 01/36668 A1) who demonstrated the. Here, the to be examined Sample amplified using PCR and a biotinylated primer. In the reaction reservoir are streptavidin coated beads and for the respective DNA sequence specific DNA hairpins. DNA hairpins are single-stranded oligonucleotides, because of the complementarity the DNA building blocks occupy a stem / loop structure at both ends. In the coming to use DNA hairpins is a suitable Fluorescent dye attached to one end of the oligonucleotide, the by guanosine in the complementary other end in the closed state of the DNA hairpin is deleted. The DNA hairpin finds the DNA sequence complementary to its loop on the bead, it spontaneously hybridizes to form the thermodynamically more favorable Double strand. This destroys the trunk / loop structure and simultaneously the fluorescence quenching induced by contact with the guanosine residue Dye lifted.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass für den Nachweis des zu detektierenden Moleküls der Fluoreszenzfarbstoff mittels Laser und/oder Leuchtdioden mindestens einer geeigneten Wellenlänge angeregt wird. Das quantitative Auslesen der Fluoreszenzsignale kann dabei nach homogener Anregung der einzelnen Reaktionsgefäße erfolgen. Dabei kann eine räumlich begrenzte Anregungen des Fluoreszenzfarbstoffes in z-Richtung erfolgen, also in einer Richtung senkrecht zum Boden des Gefäßes, auf dem die Bindungskomplexe sedimentieren. Durch die zusätzliche räumlich begrenzte Anregung der Reaktionsgefäße in z-Richtung kann spezifisch nur die Fluoreszenz am Boden der Reaktionsreservoirs ausgelesen und damit eine noch bessere Diskriminierung erreicht werden.According to one another preferred embodiment the process of the invention is characterized characterized by that for the detection of the molecule to be detected, the fluorescent dye by means of Laser and / or light-emitting diodes excited at least one suitable wavelength becomes. The quantitative readout of the fluorescence signals can thereby carried out after homogeneous excitation of the individual reaction vessels. It can be a spatially limited Excitations of the fluorescent dye take place in the z direction, ie in a direction perpendicular to the bottom of the vessel, on which the binding complexes sediment. By the additional spatially limited Excitation of the reaction vessels in the z-direction specifically, only the fluorescence at the bottom of the reaction reservoir can be specific read out and thus achieve even better discrimination become.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Nachweis des zu detektierenden Moleküls unter Einsatz einer CCD-Kamera und/oder einer optischen Pinzette erbracht. Dabei kann es sich bei der optischen Pinzette um einen gepulsten Infrarot-Laser handeln. Es ist möglich, die Kügelchen mit einer optischen Pinzette aufgrund des Strahlungsdrucks im Laserfokus zu fangen und selektiv nur die Fluoreszenz auf der Kugeloberfläche auszulesen. Dies kann durch die Verwendung eines gepulsten Infrarot-Lasers (mit einer Wellenlänge zwischen ca. 800 und ca. 1100 nm) realisiert werden, der einerseits die Kügelchen fängt und gleichzeitig die Fluoreszenz der Farbstoffe durch Zwei-Photonen-Anregung generiert. Die verwendete Optik wird durch die komplementäre Einsatzmöglichkeit der Ein- und Zwei-Photonen-Mikroskopie nicht beeinträchtigt.In a preferred embodiment is the detection of the molecule to be detected using a CCD camera and / or optical tweezers. This can happen the optical tweezers act around a pulsed infrared laser. It is possible, the beads with optical tweezers due to the radiation pressure in the laser focus to capture and selectively read only the fluorescence on the spherical surface. This can be achieved by using a pulsed infrared laser (with a wavelength between about 800 and about 1100 nm), on the one hand the beads begins and simultaneously the fluorescence of the dyes by two-photon excitation generated. The optics used is due to the complementary application unaffected by single- and two-photon microscopy.

Zur Parallelisierung der Technik können neue Multistrahlsysteme mit bspw. 8 × 8 Laserstrahlen vorteilhaft eingesetzt werden. Hierbei wird der Anregungslaserstrahl durch eine Kombination von Strahlteilern und Spiegeln in 64 Strahlen zerlegt. Die Strahlen können dann entweder mit Hilfe eines Piezo-Scanner-Spiegels schnell (d. h. im Bereich von Millisekunden) über den Boden des Reservoirs gescannt und ein fluoreszenzmikroskopisches Bild auf dem CCD-Chip erzeugt, oder stationär zum Einfangen von Kügelchen mit gleichzeitiger Auslesung der Fluoreszenz verwendet werden.to Parallelization of technology can be new Multi-jet systems with, for example, 8 × 8 Laser beams are used advantageously. Here, the excitation laser beam through a combination of beam splitters and mirrors in 64 beams disassembled. The rays can then either using a piezo scanner mirror quickly (i.e., in the range of milliseconds) over the Bottom of the reservoir was scanned and a fluorescence microscope Image generated on the CCD chip or stationary for trapping globules with simultaneous reading of fluorescence can be used.

Das Detektionsprinzip erlaubt ebenso den Einsatz verschiedener Anregungswellenlängen zur simultanen Bestimmung verschiedener Zielmoleküle pro Reservoir („Multiplexing"). Hierbei können beispielhaft die Sonden mit zwei spektral unterschiedlichen Farbstoffen und die Kügelchen mit verschiedenen Fängermolekülen modifiziert werden. Bei gleichzeitiger Anregung mit zwei Laserwellenlängen für den Fall der Ein-Photonen-Anregung können die Signale der beiden Farbstoffe spektral separiert durch einen dichroitischen Strahlteiler gleichzeitig auf verschiedenen Bereichen des CCD-Chips ausgelesen werden. Für den Fall der Zwei-Photonen-Anregung können Farbstoffe selektiert werden, die mit der gleichen Laserwellenlänge effizient angeregt werden können, sich aber in ihrem Emissionsspektrum eindeutig unterscheiden. Der Einsatz der Ein- oder Zwei-Photonen-Anregung wird letztendlich durch die Anzahl der parallel nachzuweisenden Zielmoleküle und die dafür zur Verfügung stehenden Kosten kontrolliert.The Detection principle also allows the use of different excitation wavelengths for simultaneous Determination of different target molecules per reservoir ("multiplexing") the probes with two spectrally different dyes and the globule modified with different catcher molecules become. With simultaneous excitation with two laser wavelengths for the case the one-photon excitation can the signals of the two dyes spectrally separated by a dichroic beam splitters simultaneously on different areas of the CCD chip are read out. In the case of two-photon excitation can dyes be selected with the same laser wavelength efficient can be stimulated but clearly different in their emission spectrum. Of the Use of one- or two-photon excitation is ultimately through the number of parallel to be detected target molecules and the for that disposal controlled costs.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Nachweis des zu detektierenden Moleküls im roten Spektralbereich. Im roten Spektralbereich gibt es kaum natürliche Stoffe oder Moleküle, die Licht noch effizient absorbieren und auch noch fluoreszieren, so dass zur Reduzierung der Autofluoreszenz in biologischen Proben die Fluoreszenzanregung der Probe vorzugsweise im diesem Spektralbereich erfolgt.In a particularly preferred embodiment the detection of the molecule to be detected takes place in the red spectral range. In the red spectral range, there are hardly any natural substances or molecules that To absorb light efficiently and to fluoresce it, so that to reduce autofluorescence in biological samples the fluorescence excitation of the sample preferably in this spectral range he follows.

Das geschilderte Verfahren lässt sich wie folgt charakterisieren:

  • (1) In der ersten Variante befinden sich bestimmte nicht fluoreszenzmarkierte Fängermoleküle auf den Kügelchen. Fängermoleküle sind Antikörper, Antigene, Peptide, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren etc. Alternativ können aber auch Zellen, die bestimmte antigene Oberflächenstrukturen besitzen, z. B. Erythrozyten zur Bestimmung der Blutgruppen, eingesetzt werden. Wichtig ist nur, dass die Kügelchen, bzw. Zellen, so groß sind, dass sie schnell (Sekunden bis Minuten) sedimentieren. Bei Verwendung von Polystyrolkügelchen kann zusätzlich ein Eisenkern verwendet werden, damit die Kügelchen mit magnetischen Kräften manipuliert werden können. Andererseits können die Kügelchen oder Zellen mittels optischen Kräften gefangen und bewegt werden. Zusätzlich werden Detektormoleküle (farbstoffmarkierte Sekundärantikörper oder komplementäre Oligonukleotide) benötigt, die ebenfalls bei Vorhandensein an die Zielmoleküle binden. Durch die Aufkonzentrierung des Fluoreszenzsignals auf der Kügelchenoberfläche und Sedimentation der Kügelchen kann eine einfache und quantitative Detektion bestimmter Zielmoleküle erreicht werden. Das Verfahren kann ohne große Umstände direkt für die meisten gängigen ELISA's und jede nachzuweisende DNA-Sequenz sofort eingesetzt werden.
  • (2) In der zweiten Variante können farbstoffgelöschte Proteasesubstrate oder Peptid-Epitope oder DNA-Hairpins auf der Kügelchenoberfläche immobilisiert werden. In Gegenwart des Zielmoleküls kommt es zur Anbindung an die Oberfläche und zu einem Signalanstieg, der quantitativ ausgelesen werden kann.
  • (3) In der dritten Variante kann für den Nachweis bestimmter DNA-Sequenzen die vorher immer durchgeführte PCR-Amplifizierung bspw. mit einem biotinylierten Primer durchgeführt werden. Nach Denaturierung der PCR-Produkte werden sie zu mit Streptavidin beschichteten Kügelchen und DNA-Hairpins (Smart Probes, Gen-Pins, siehe oben) oder normalen farbstoffmarkierten Oligonukleotiden gegeben. Die PCR-Produkte binden auf der Oberfläche der Kügelchen und die Sonden hybridisieren in Gegenwart der komplementären Zielsequenz. Somit kommt es ebenso zu einer Anreicherung der Fluoreszenzsignals auf der Oberfläche, die nach Sedimentation der Kügelchen leicht quantitativ ausgelesen werden kann.
The described method can be characterized as follows:
  • (1) In the first variant, certain non-fluorescently labeled capture molecules are located on the beads. Catcher molecules are antibodies, antigens, peptides, carbohydrates, nucleic acids, etc. Alternatively, however, cells which have certain antigenic surface structures, for. B. erythrocytes for the determination of blood groups, are used. The important thing is that the beads, or cells, are so large that they sediment quickly (seconds to minutes). When using polystyrene beads, an iron core may additionally be used to allow the beads to be manipulated with magnetic forces. On the other hand, the beads or cells can be caught and moved by optical forces. In addition, detector molecules (dye-labeled secondary antibodies or complementary oligonucleotides) are needed which also bind to the target molecules when present. By concentrating the fluorescence signal on the bead surface and sedimentation of the beads, a simple and quantitative detection of certain target molecules can be achieved. The procedure can readily be used immediately for most common ELISA's and any DNA sequence to be detected.
  • (2) In the second variant, dye-deleted protease substrates or peptide epitopes or DNA hairpins can be immobilized on the bead surface. In the presence of the target molecule it comes to the connection to the surface and an increase in signal, which can be read quantitatively.
  • (3) In the third variant, the previously always performed PCR amplification can be carried out, for example, with a biotinylated primer for the detection of specific DNA sequences. After denaturation of the PCR products, they are added to streptavidin-coated beads and DNA hairpins (smart probes, gene pins, supra) or normal dye-labeled oligonucleotides. The PCR products bind to the surface of the beads and the probes hybridize in the presence of the complementary target sequence. Thus, there is also an accumulation of the fluorescence signal on the surface, which can be easily read quantitatively after sedimentation of the beads.

Für die Detektion mindestens eines Moleküls in einer Lösung eignet sich ein Kit mit Kügelchen mit einem Durchmesser von ca. 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise ca. 1 bis 10 μm, insbesondere ca. 2 bis 3 μm, deren Oberfläche mit spezifischen Ankermolekülen für das zu detektierende Molekül modifiziert wurde. Ferner enthält der Kit

  • a) farbstoffmarkierten Sekundärantikörper, und/oder
  • b) Substanzen, die durch die Bindung an das zu detektierende Molekül fluoreszenzfähig werden.
For the detection of at least one molecule in a solution is a kit with beads having a diameter of about 50 nm to 50 .mu.m, preferably about 1 to 10 .mu.m, in particular about 2 to 3 .mu.m, whose surface with specific anchor molecules for the was modified to be detected molecule. Further, the kit contains
  • a) dye-labeled secondary antibodies, and / or
  • b) substances that become fluorescent by binding to the molecule to be detected.

Für die Detektion kann ein Mikrofluidik-Chip mit Reaktionsreservoirs verwendet werden, die folgendes enthalten: Kügelchen mit einem Durchmesser von ca. 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise ca. 1 bis 10 μm, insbesondere ca. 2 bis 3 μm, deren Oberfläche mit spezifischen Ankermolekülen für das zu detektierende Molekül modifiziert wurde. Ferner enthalten die Reaktionsreservoirs

  • a) farbstoffmarkierte Sekundärantikörper, die das zu detektierende Molekül binden können; und/oder
  • b) Substanzen, die durch die Bindung an das zu detektierende Molekül fluoreszenzfähig werden.
For the detection, a microfluidic chip can be used with reaction reservoirs containing the following: beads with a diameter of about 50 nm to 50 .mu.m, preferably about 1 to 10 .mu.m, in particular about 2 to 3 .mu.m, the surface with specific Ankermolekülen was modified for the molecule to be detected. Furthermore, the reaction reservoirs contain
  • a) dye-labeled secondary antibodies that can bind the molecule to be detected; and or
  • b) substances that become fluorescent by binding to the molecule to be detected.

Potentielle Anwendungsfelder sind z. B.:

  • (1) Immunhämatologie (z. B. Blutgruppenbestimmung)
  • (2) Nachweis von Tumormarkern (Proteasen, p53, Antikörper)
  • (3) Bestimmung genetischer Dispositionen (Antibiotika-Resistenz, HIV, HCV)
  • (4) Bestimmung von Blutgerinnung und Kardiakmarkern.
Potential applications are z. B .:
  • (1) Immunohematology (eg, blood group determination)
  • (2) detection of tumor markers (proteases, p53, antibodies)
  • (3) Determination of genetic dispositions (antibiotic resistance, HIV, HCV)
  • (4) Determination of blood coagulation and cardiac markers.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die je weiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein.Further Details and features of the invention will become apparent from the following Description of the representation of the method according to the invention and of preferred Embodiments in Connection with the subclaims. Here you can the respective characteristics for be realized alone or in combination with each other.

In den Abbildungen zeigt:In the pictures shows:

1 eine schematische Darstellung des Mikrofluidik-Chips; 1 a schematic representation of the microfluidic chip;

2 eine schematische Darstellung des Detektionsverfahrens; 2 a schematic representation of the detection method;

3 ein beispielhaftes Messergebnis für die Detektion von Anti-Heparin/PF4-Antikörpern in Blutseren; und 3 an exemplary measurement result for the detection of anti-heparin / PF4 antibodies in blood sera; and

4 eine schematische Darstellung eines farbstoffmarkierten Peptids mit Tryptophanrest; und 4 a schematic representation of a dye-labeled peptide with tryptophan residue; and

5 eine schematische Darstellung des Nachweises einer Protease. 5 a schematic representation of the detection of a protease.

Beispiel 1example 1

Das grundlegende Prinzip des Nachweisverfahrens ist in der 1 für den Nachweis bestimmter Antigene in einem Mikrofluidik-Chip 110 schematisch zusammengefasst.The basic principle of the detection method is in the 1 for the detection of certain antigens in a microfluidic chip 110 schematically summarized.

In den Reaktionsreservoirs 112 befinden sich (getrocknet) Kügelchen 210 (siehe 2) mit einem Durchmesser von 2-3 μm, deren Oberfläche mit spezifischen Ankermolekülen (z. B. Antikörper) so modifiziert wurde, dass die Zielmoleküle 212 (Antigene) bei Vorhandensein spezifisch binden. Zusätzlich befinden sich farbstoffmarkierte Sonden 214 (z. B. Sekundärantikörper) in jedem Reaktionsreservoir 112, die ebenfalls spezifisch an die Zielmoleküle 212 binden.In the reaction reservoirs 112 are (dried) globules 210 (please refer 2 ) with a diameter of 2-3 μm whose surface has been modified with specific anchor molecules (eg antibodies) so that the target molecules 212 (Antigens) specifically bind in the presence. In addition, there are dye-labeled probes 214 (eg, secondary antibodies) in each reaction reservoir 112 which are also specific to the target molecules 212 tie.

Die Mikrofluidik-Chips 110 weisen Befüllreservoirs 114 auf, in die die Probe bzw. zu untersuchende Lösung, z. B. Blutserum, getropft wird. Von den Befüllreservoirs 114 wird die Probe durch Kapillarkräfte durch Befüllungskapillaren 116 zu den Reaktionsreservoirs 112 geleitet. Die Luft im Reaktionsreservoirs 112 entweicht durch Entlüftungskapillare 118. Der Mikrofluidik-Chip ist durch eine Folie 120 abgedeckt.The microfluidic chips 110 have filling reservoirs 114 on, in the sample or solution to be examined, for. B. blood serum, is dropped. From the filling reservoirs 114 is the sample by capillary forces through Füllungskapillaren 116 to the reaction reservoirs 112 directed. The air in the reaction reservoir 112 escapes through vent capillary 118 , The microfluidic chip is through a foil 120 covered.

Beim Befüllen der Reaktionsreservoirs 112 mit der Probe kommt es zu einer starken Durchmischung der Probe mit den vorgelegten Kügelchen 210 und Sonden 214 und bei Vorhandensein der Zielmoleküle 212 zur Anbindung an die Sonden 214 und die Kügelchen 210. Es bildet sich ein „Sandwich"-Komplex 216 aus.When filling the reaction reservoir 112 with the sample, there is a strong mixing of the sample with the beads presented 210 and probes 214 and in the presence of the target molecules 212 for connection to the probes 214 and the beads 210 , It forms a "sandwich" complex 216 out.

Die Kügelchen 210 ebenso wie der Komplex 216 sedimentieren innerhalb weniger Minuten quantitativ auf den Boden des Reaktionsreservoirs, wo sie fluoreszenzmikroskopisch leicht abgebildet werden können (siehe 3 linke Hälfte). Bei einer negativen Probe (siehe 3 rechte Hälfte) zeigen die sedimentierten Kügelchen 210 keine Fluoreszenz. Die aufgrund der farbstoffmarkierten Sonden 214 resultierende Hintergrundfluoreszenz ist bei fluoreszenzmikroskopischer Abbildung der Bodenoberfläche des Reservoirs 112 sehr gering.The beads 210 as well as the complex 216 Within a few minutes, they sediment quantitatively to the bottom of the reaction reservoir, where they can easily be imaged by fluorescence microscopy (see 3 left half). For a negative sample (see 3 right half) show the sedimented beads 210 no fluorescence. The due to the dye-labeled probes 214 resulting background fluorescence is on fluorescence microscopy imaging of the bottom surface of the reservoir 112 very low.

Das Verfahren nutzt

  • (a) die Sedimentation der Kügelchen, d.h. die Möglichkeit der lokalen mikroskopischen Abbildung der Oberfläche und
  • (b) die Aufkonzentrierung des Fluoreszenzsignals auf der Kugeloberfläche zur eindeutigen Diskriminierung vom Hintergrundsignal.
The procedure uses
  • (a) the sedimentation of the beads, ie the possibility of local microscopic imaging of the surface and
  • (b) the concentration of the fluorescence signal on the spherical surface for clear discrimination from the background signal.

3 zeigt als Beispiel das Fluoreszenzbild für die Detektion von Anti-Heparin/PF4-Antikörpern in Blutseren. Hierzu wurde Heparin/PF4 auf 2.7 μm großen Polystyrolkügelchen immobilisiert und ein Sekundärantikörper (goat-anti-human) mit einem im roten Spektralbereich absorbierender Farbstoff (Alexa 633) markiert. 3 shows as an example the fluorescence image for the detection of anti-heparin / PF4 antibodies in blood sera. For this purpose, heparin / PF4 was immobilized on 2.7 μm polystyrene beads and a secondary antibody (goat-anti-human) with a dye absorbing in the red spectral region (Alexa 633) was marked.

Der Sekundärantikörper und die modifizierten Kügelchen wurden anschließend mit verschiedenen Blutseren gemischt und schließlich ein Tropfen der Mischung auf ein Mikroskop-Abdeckgläschen gegeben und mit Hilfe eines Standard-Fluoreszenzmikroskops – mit einer Quecksilber-Lampe als Anregungsquelle – mit einem geeigneten Filtersatz und einer CCD-Kamera die Fluoreszenz am Boden des Abdeckgläschens ohne Waschschritte ausgelesen. In 3 links ist das positiv Ergebnis gezeigt. Die rechte Hälfte von 3 zeigt eine negative Testlösung. Die Fluoreszenz der farbstoffmarkierten Sekundärantikörper im Überstand stört die Detektion nur geringfügig, da es zu einer Aufkonzentrierung des Signals an der Oberfläche der Kügelchen kommt und die Kügelchen in wenigen Minuten quantitativ auf den Boden des Abdeckgläschens fallen. Das Signal/Hintergrund-Verhältnis kann zudem leicht durch den Einsatz der bildgebenden (d.h. Scanning) konfokalen Fluoreszenzmikroskopie, die eine bessere z-Schärfe besitzt erhöht werden. Die gleichen Tests wurden ebenso erfolgreich für die Bestimmung von Blutgruppen und anderen Antigenen eingesetzt.The secondary antibody and the modified beads were then mixed with various blood sera, and finally a drop of the mixture was placed on a microscope cover glass and with a standard fluorescence microscope - with a mercury lamp as excitation source - with a suitable filter set and a CCD camera Fluorescence at the bottom of the coverslip without washing steps. In 3 on the left the positive result is shown. The right half of 3 shows a negative test solution. The fluorescence of the dye-labeled secondary antibodies in the supernatant only marginally interferes with the detection since the signal on the surface of the beads concentrates and the beads fall quantitatively onto the bottom of the cover glass within a few minutes. In addition, the signal / background ratio can be easily increased by the use of imaging (ie, scanning) confocal fluorescence microscopy, which has a better z-sharpness. The same tests were also used successfully for the determination of blood groups and other antigens.

Beispiel 2Example 2

Unter den 20 natürlich vorkommenden Aminosäuren gibt es ähnlich wie bei den DNA-Basen nur eine Aminosäure, nämlich Tryptophan, die die Fluoreszenz ausgewählter Farbstoffe selektiv löscht. Dieses Löschprinzip kann ebenso zur Entwicklung von Sonden auf Peptidbasis zur Detektion von Antikörpern ausgenutzt werden.Under the 20 of course occurring amino acids there are similar as with the DNA bases only one amino acid, namely tryptophan, which fluoresces selected Dyes are selectively deleted. This extinguishing principle may also be used to develop peptide-based probes for detection of antibodies be exploited.

Im folgenden wird auf 4 Bezug genommen. 4 zeigt im oberen Bereich eine Gleichgewichtsreaktion zwischen zwei Konformationen eines Peptids. Das Peptid hat einen ersten fluores zenzmarkierten Teilstrang 412 und einen zweiten Teilstrang 414, der einen Tryptophanrest enthält.The following will be on 4 Referenced. 4 shows in the upper part of an equilibrium reaction between two conformations of a peptide. The peptide has a first fluorescently labeled substrand 412 and a second sub-string 414 containing a tryptophan residue.

Bedingt durch die konformative Flexibilität des Peptides 410 kann der Tryptophanrest in Kontakt mit dem Farbstoff kommen. Dies ist die in 4 rechts oben gezeigte Konformation. In dieser Konformation ist die Fluoreszenzintensität der Peptid-Sonde 410 stark verringert.Due to the conformational flexibility of the peptide 410 the tryptophan residue may come in contact with the dye. This is the in 4 right above conformation. In this conformation is the fluorescence intensity of the peptide probe 410 greatly reduced.

Wenn die Aminosäurensequenz zwischen Farbstoff und Tryptophanrest ein Epitop für einen Antikörper darstellt, wird durch Anbindung des Antikörpers die konformative Flexibilität des Peptids 410 so stark eingeschränkt, dass es zu keiner Kontaktbildung zwischen Farbstoff und Tryptophan mehr kommt, d.h. die Anwesenheit des Antikörpers resultiert in einem Fluoreszenzanstieg. Diese Technik wurde erfolgreich zur Detektion von p53-Autoantikörpern, ein universeller Tumormarker, direkt in Patientenseren eingesetzt (siehe z. B. WO 2003/014742 A2). Werden die farbstoffmarkierten Epitope auf Kügelchen immobilisiert, resultiert das Anbinden der Antikörper an den Peptiden auf der Kügelchenoberfläche in einem starken Fluoreszenzanstieg, der für den Nachweis der Antikörper genutzt werden kann.When the amino acid sequence between dye and tryptophan residue is an epitope for an antibody, binding of the antibody results in the conformational flexibility of the peptide 410 so severely limited that there is no more contact between dye and tryptophan, ie the presence of the antibody results in a fluorescence increase. This technique was successfully used to detect p53 autoantibodies, a universal tumor marker, directly in patient sera (see, for example, WO 2003/014742 A2). When the dye-labeled epitopes are immobilized on beads, binding of the antibodies to the peptides on the bead surface results in a strong increase in fluorescence that can be used to detect the antibodies.

Beispiel 3Example 3

Die selektive Fluoreszenzlöschung einiger Farbstoffe in tryptophanhaltigen Peptiden 410 kann ebenso erfolgreich zur Detektion verschiedener Proteasen, z. B. tumorassoziierter Proteasen, eingesetzt werden, wenn die Aminosäurensequenz zwischen Farbstoff 412 und Tryptophanrest 414 eine Erkennungssequenz für die Protease enthält, die es der Protease ermöglicht, an dieser Erkennungssequenz das Peptid "durchzutrennen", also zu hydrolisieren. Dies ist in 5 verdeutlicht.The selective fluorescence quenching of some dyes in tryptophan-containing peptides 410 can be equally successful for the detection of various proteases, eg. As tumor-associated proteases, are used when the amino acid sequence between dye 412 and tryptophan residue 414 contains a recognition sequence for the protease, which allows the protease to "cut through" the peptide on this recognition sequence, ie to hydrolyze. This is in 5 clarified.

Experimente in homogener Lösung (siehe z. B. WO 02/081509 A2) erlauben die sichere Detektion geringster Proteasekonzentrationen (10-12 – 10-15 M) durch einfaches Auslesen der Fluoreszenzintensität.Experiments in homogeneous solution (see, for example, WO 02/081509 A2) allow reliable detection of very low protease concentrations (10 -12 -10 -15 M) by simply reading out the fluorescence intensity.

In der für das hier vorgestellte Verfahren relevanten Variante werden die Peptide 410 so auf der Kugeloberfläche immobilisiert, dass nach dem Schnitt durch die Protease der den Farbstoff tragende Peptidrest 412 auf der Oberfläche verbleibt und somit die Kügelchen nach Sedimentation eine vergleichsweise starke Fluoreszenzintensität aufweisen.In the variant relevant for the method presented here, the peptides become 410 so immobilized on the spherical surface that after cutting through the protease of the dye carrying peptide residue 412 remains on the surface and thus the beads have a comparatively strong fluorescence intensity after sedimentation.

110110
Mikrofluidik-ChipMicrofluidic chip
112112
Reaktionsreservoirsreaction reservoir
114114
BefüllreservoirBefüllreservoir
116116
BefüllungskapillareBefüllungskapillare
118118
Entlüftungskapillaredeaerating
120120
Foliefoil
210210
Kügelchenglobule
212212
Zielmolekületargets
214214
farbstoffmarkierte Sondedye-labeled probe
216216
„Sandwich"-Komplex"Sandwich" complex
410410
fluoreszenzmarkiertes Peptidfluorescently labeled peptide
412412
erster fluoreszenzmarkierten Teilstrang des fluoreszenzfirst fluorescence-labeled partial strand of the fluorescence
markierten Peptids 410 labeled peptide 410
414414
zweiter Teilstrang des fluoreszenzmarkierten Peptids 410,second substrand of the fluorescently labeled peptide 410 .
der einen Tryptophanrest enthältof the contains a tryptophan residue

Claims (22)

Verfahren zur Detektion mindestens eines Moleküls (212) in einer Lösung in einem Gefäß (112) mit einem Boden, a) wobei das zu detektierende Molekül (212) mit mindestens einer modifizierten ersten Substanz (210) und mindestens einer farbstoffmarkierten zweiten Substanz (214) in Kontakt gebracht wird; b) wobei das zu detektierende Molekül (212) an der modifizierten ersten Substanz (210) und der farbstoffmarkierten zweiten Substanz (214) bindet; c) wobei sich ein Komplex (216) aus zu detektierendem Molekül (212), modifizierter erster Substanz (210) und farbstoffmarkierter zweiter Substanz (214) bildet; und d) wobei dieser Komplex (216) mindestens zum Teil sedimentiert und am Boden nachgewiesen wird.Method for detecting at least one molecule ( 212 ) in a solution in a vessel ( 112 ) with a bottom, a) wherein the molecule to be detected ( 212 ) with at least one modified first substance ( 210 ) and at least one dye-labeled second substance ( 214 ) is brought into contact; b) wherein the molecule to be detected ( 212 ) on the modified first substance ( 210 ) and the dye-labeled second substance ( 214 ) binds; c) where a complex ( 216 ) from the molecule to be detected ( 212 ), modified first substance ( 210 ) and dye-labeled second substance ( 214 ) forms; and d) where this complex ( 216 ) sedimented at least in part and detected on the ground. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zu detektierenden Molekül (212) um ein Biomolekül, insbesondere um eine Nukleinsäure, ein Antigen, einen Antikörper und/oder ein Enzym handelt.Method according to the preceding claim, characterized in that the molecule to be detected ( 212 ) is a biomolecule, in particular a nucleic acid, an antigen, an antibody and / or an enzyme. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der modifizierten ersten Substanz um Kügelchen (210) mit einem Durchmesser von ca. 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise ca. 1 bis 10 μm, insbesondere ca. 2 bis 3 μm, handelt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the modified first substance is beads ( 210 ) having a diameter of about 50 nm to 50 microns, preferably about 1 to 10 microns, in particular about 2 to 3 microns, is. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Kügelchen (210) um Polystyrolkügelchen handelt.Process according to the preceding claim, characterized in that the beads ( 210 ) is polystyrene beads. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Polystyrolkügelchen (210) einen Eisenkern aufweisen.Process according to the preceding claim, characterized in that the polystyrene beads ( 210 ) have an iron core. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der modifizierten ersten Substanz (210) mit spezifischen Ankermolekülen modifiziert wurde.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the modified first substance ( 210 ) was modified with specific anchor molecules. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den spezifischen Ankermolekülen um Antikörper, Antigene, Peptide, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren und/oder Zellen handelt.Method according to the preceding claim, characterized in that the specific anchor molecules are antibodies, antigens, peptides, carbohydrates, nucleic acids and / or cells. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der farbstoffmarkierten zweiten Substanz (214) um a) farbstoffmarkierte Sekundärantikörper, und/oder b) um Substanzen, die durch die Bindung an das zu detektierende Molekül fluoreszenzfähig werden, und/oder c) komplementäre Oligonukleotide handelt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that it is in the dye-labeled second substance ( 214 ) to a) dye-labeled secondary antibodies, and / or b) to substances which become fluorescent by binding to the molecule to be detected, and / or c) complementary oligonucleotides. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Detektion unterschiedlicher zu detektierender Moleküle unterschiedliche, jeweils spezifisch bindende Substan zen verwendet werden, wobei die Substanzen jeweils mit spektroskopisch unterscheidbaren Farbstoffen markierten werden.Method according to one of the preceding claims, thereby in that for the detection of different molecules to be detected different, in each case specific binding substances are used, in which the substances each with spectroscopically distinguishable dyes be marked. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifischen Interaktionen zu mindestens zwei, vorzugsweise mehreren Farbreaktionen führt und diese nach Art der Farbe getrennt erfasst und ausgewertet werden.Method according to the preceding claim, characterized characterized in that the specific interactions are at least two, preferably more color reactions leads and these by type Color can be recorded separately and evaluated. Verfahren nach einem der 3 vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Farbstoff um einen Fluoreszenzfarbstoff handelt; dass für den Nachweis des zu detektierenden Moleküls der Fluoreszenzfarbstoff mittels Laser und/oder Leuchtdioden mindestens einer geeigneten Wellenlänge angeregt wird; und dass eine räumlich begrenzte Anregung des Fluoreszenzfarbstoffes in Richtung senkrecht zum Boden erfolgt.Method according to one of the 3 preceding claims, thereby in that the dye is a fluorescent dye acting; that for the detection of the molecule to be detected, the fluorescent dye by means of laser and / or LEDs at least one suitable wavelength is stimulated; and that a spatially limited suggestion of the Fluorescent dye is carried out in the direction perpendicular to the ground. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachweis des zu detektierenden Moleküls unter Einsatz einer CCD-Kamera und/oder einer optischen Pinzette erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the detection of the molecule to be detected under Use of a CCD camera and / or optical tweezers takes place. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der optischen Pinzette um einen gepulsten Infrarot-Laser handelt.Method according to the preceding claim, characterized in that the optical tweezers are a pulsed infrared laser is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachweis des zu detektierenden Moleküls im roten Spektralbereich erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the detection of the molecule to be detected in the red Spectral range takes place. Kit für die Detektion mindestens eines Moleküls (212) in einer Lösung mit Kügelchen (210) mit einem Durchmesser von ca. 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise ca. 1 bis 10 μm, insbesondere ca. 2 bis 3 μm, deren Oberfläche mit spezifischen Ankermolekülen für das zu detektierende Molekül modifiziert wurde; und mit a) farbstoffmarkierten Sekundärantikörper (214), und/oder mit b) Substanzen, die durch die Bindung an das zu detektierende Molekül fluoreszenzfähig werden.Kit for the detection of at least one molecule ( 212 ) in a solution with beads ( 210 ) having a diameter of about 50 nm to 50 microns, preferably about 1 to 10 microns, in particular about 2 to 3 microns, whose surface has been modified with specific anchor molecules for the molecule to be detected; and with a) dye-labeled secondary antibody ( 214 ), and / or with b) substances which become fluorescent by binding to the molecule to be detected. Mikrofluidik-Chip (110) mit Reaktionsreservoirs (112), die folgendes enthalten: Kügelchen (210) mit einem Durchmesser von ca. 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise ca. 1 bis 10 μm, insbesondere ca. 2 bis 3 μm, deren Oberfläche mit spezifischen Ankermolekülen für das zu detektierende Molekül modifiziert wurde; und a) farbstoffmarkierten Sekundärantikörper (214), die das zu detektierende Molekül binden können, und/oder b) Substanzen, die durch die Bindung an das zu detektierende Molekül fluoreszenzfähig werden.Microfluidic chip ( 110 ) with reaction reservoirs ( 112 ) containing: globules ( 210 ) having a diameter of about 50 nm to 50 microns, preferably about 1 to 10 microns, in particular about 2 to 3 microns, whose surface has been modified with specific anchor molecules for the molecule to be detected; and a) dye-labeled secondary antibodies ( 214 ), which can bind the molecule to be detected, and / or b) substances which become fluorescent by binding to the molecule to be detected. Verfahren zum Nachweis eines Antikörpers in einer Lösung, in einem Gefäß (112) mit einem Boden, a) wobei mindestens ein Epitop eines Antigens derart gewählt wird, dass der nachzuweisende Antikörper und das Epitop aneinander binden können; b) wobei das Epitop und ein Fluorophor derart gewählt werden, dass das Epitop mindestens einen Tryptophanrest (Quencher) aufweist, der die Lumineszenz des Fluorophors bei hinreichender räumlicher Nähe zwischen dem Fluorophor und dem Tryptophanrest quenchen kann; c) wobei das Epitop mit dem Fluorophor markiert wird; d) wobei das Epitop auf einer ersten Substanz immobilisiert wird; e) wobei der Antikörper und das an die erste Substanz gebundene, markierte Epitop in der Lösung in Kontakt gebracht werden; f) wobei der zu detektierende Antikörper an das Epitop bindet; g) wobei sich ein Komplex aus zu detektierendem Antikörper, der erster Substanz und dem farbstoffmarkierten Epitop bildet; h) wobei dieser Komplex mindestens zum Teil sedimentiert und am Boden nachgewiesen wird.Method for detecting an antibody in a solution, in a vessel ( 112 ) with a bottom, a) wherein at least one epitope of an antigen is selected such that the antibody to be detected and the epitope can bind to each other; b) wherein the epitope and a fluorophore are selected such that the epitope has at least one tryptophan residue (quencher) capable of quenching the luminescence of the fluorophore with sufficient spatial proximity between the fluorophore and the tryptophan residue; c) wherein the epitope is labeled with the fluorophore; d) wherein the epitope is immobilized on a first substance; e) wherein the antibody and the first substance bound labeled epitope are contacted in the solution; f) wherein the antibody to be detected binds to the epitope; g) forming a complex of antibody to be detected, the first substance and the dye-labeled epitope; h) wherein this complex is at least partially sedimented and detected on the ground. Kit für die Detektion mindestens eines Antikörpers mit a) mindestens einem Epitop eines Antigens, das derart gewählt ist, dass der nachzuweisende Antikörper und das Epitop aneinander binden können; b) einem Fluorophor, wobei das Epitop und der Fluorophor derart gewählt sind, dass das Epitop mindestens einen Tryptophanrest (Quencher) aufweist, der die Lumineszenz des Fluorophors bei hinreichender räumlicher Nähe zwischen dem Fluorophor und dem Tryptophanrest quenchen kann, wobei das Epitop mit dem Fluorophor markiert wird; und mit c) Kügelchen mit einem Durchmesser von ca. 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise ca. 1 bis 10 μm, insbesondere ca. 2 bis 3 μm, deren Oberfläche mit dem farbstoffmarkierten Epitop modifiziert wurde.A kit for the detection of at least one antibody having a) at least one epitope of an antigen selected such that the antibody to be detected and the epitope can bind to each other; b) a fluorophore, wherein the epitope and the fluorophore are selected such that the epitope has at least one tryptophan residue (quencher) which, when sufficiently close to the space between the fluorophore and the fluorophore, luminesces the fluorophore Quenching tryptophan residue, wherein the epitope is labeled with the fluorophore; and with c) beads having a diameter of about 50 nm to 50 μm, preferably about 1 to 10 μm, in particular about 2 to 3 μm, whose surface has been modified with the dye-labeled epitope. Mikrofluidik-Chip (110) für die Detektion mindestens eines Antikörpers mit Reaktionsreservoirs (112), die den Kit gemäß dem vorhergehenden Anspruch enthalten.Microfluidic chip ( 110 ) for the detection of at least one antibody with reaction reservoirs ( 112 ) containing the kit according to the preceding claim. Kit für die Detektion einer Endopeptidase (Enzym) mit I) einem farbstoffmarkierten Peptid mit den folgenden Eigenschaften: a) das Peptid enthält eine Erkennungssequenz der Endopeptidase (Enzym) und kann daher für das Enzym als Substrat fungieren, wobei sich eine Schnittstelle zwischen zwei Aminosäuren bei der Erkennungssequenz im Peptid ergibt; b) das Peptid enthält mindestens einen Quencher und mindestens einen Fluorophor; c) der Quencher ist die Aminosäure Tryptophan; d) der Fluorophor ist ein Fluoreszenzfarbstoff; e) der Fluoreszenzfarbstoff ist an Peptide oder Proteine kovalent koppelbar; f) die Fluoreszenz des Fluoreszenzfarbstoffs kann durch Tryptophan gelöscht werden; g) die Sequenz des Peptids ist wie folgt ausgebildet: h) der Quencher ist auf einer Seite der Schnittstelle angeordnet; i) der Fluorophor ist auf der anderen Seite der Schnittstelle angeordnet; j) eine hinreichende räumliche Nähe zwischen Quencher und Fluorophor ist gegeben, solange das Substrat noch nicht durch das Enzym an der Schnittstelle zwischen Quencher und Fluorophor geschnitten wurde, um die Möglichkeit einer mindestens teilweisen Löschung der Emission des Fluorophors zu gewährleisten; k) nach dem Schneiden des Substrats durch das Enzym an der Schnittstelle zwischen Quencher und Fluorophor ist ein deutlicher Anstieg der Emission des Fluorophors möglich; und mit II) Kügelchen mit einem Durchmesser von ca. 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise ca. 1 bis 10 μm, insbesondere ca. 2 bis 3 μm, auf deren Oberfläche das Peptid derart immobilisiert ist, dass der Fluorophor nach einem Schnitt durch das nachzuweisende Enzym auf der Oberfläche immobilisiert bleibt, während der Quencher nicht mehr auf der Oberfläche immobilisiert ist.Kit for the detection of an endopeptidase (enzyme) with I) a dye-labeled Peptide with the following properties: a) the peptide contains a Recognition sequence of endopeptidase (enzyme) and therefore can be used for the enzyme act as a substrate, with an interface between two amino acids at the recognition sequence in the peptide; b) the peptide contains at least a quencher and at least one fluorophore; c) the quencher is the amino acid tryptophan; d) the fluorophore is a fluorescent dye; e) the fluorescent dye is covalently coupled to peptides or proteins; f) the fluorescence of the fluorescent dye can be determined by tryptophan deleted become; g) the sequence of the peptide is formed as follows: H) the quencher is located on one side of the interface; i) the fluorophore is located on the other side of the interface; j) a sufficient spatial Close between Quencher and fluorophore is given as long as the substrate is not yet by the enzyme at the interface between quencher and fluorophore was cut to the possibility at least partial deletion to ensure the emission of the fluorophore; k) after the Cutting the substrate by the enzyme at the interface between Quencher and fluorophore is a significant increase in emission the fluorophore possible; and with II) beads with a diameter of about 50 nm to 50 microns, preferably about 1 to 10 microns, in particular about 2 to 3 μm, on their surface the peptide is immobilized in such a way that the fluorophore after a Cut immobilized by the enzyme to be detected on the surface stays while the quencher is no longer immobilized on the surface. Mikrofluidik-Chip (110) für die Detektion einer Endopeptidase mit Reaktionsreservoirs (112), die den Kit gemäß dem vorhergehenden Anspruch enthalten.Microfluidic chip ( 110 ) for the detection of an endopeptidase with reaction reservoirs ( 112 ) containing the kit according to the preceding claim. Verfahren zum Nachweis einer Endopeptidase (Enzym) mit folgenden Schritten: mische den Kit nach Anspruch 20 und das nachzuweisende Enzym in einer Lösung, wobei die Kügelchen mindestens zum Teil sedimentieren und die Stärke des Fluoreszenzsignals auf der Oberfläche der sedimentierten Kügelchen nachgewiesen wird.Method for detecting an endopeptidase (enzyme) with the following steps: mix the kit according to claim 20 and the enzyme to be detected in a solution, the beads sediment at least in part and the strength of the fluorescence signal on the surface the sedimented globules is detected.
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