Detection of Low Molecular Weight Analytes using Optical Biosensors

Akkoyun, Akin

Der Nachweis von Drogen oder illegalen Substanzen in Nahrungsmitteln oder Trinkwasser spielt zunehmend eine wichtige Rolle in menschlicher Gesundheit und Sicherheitsregelungen. Verschiedene Werkzeuge, die die Überwachung dieser Substanzen ermöglichen, untersucht. Drei unterschiedliche optisch Biosensors (Gitterkoppler, Surface Plasmon Resonance and total internal reflection fluorescence) sowie verschiedene immunoassays wurden untersucht um ein System zu entwickeln. Anfänglich wurde ein System auf der Basis auf total internal reflection fluorescence (TIRF) das die höchsten Sensitivität versprach entwickelt und validiert. Im endgültigen Aufbau konnten oligonucleotide Konzentration von 10 pM (3fmol) durch hybridisation zu ihren komplimentären Sequenzen nachgewiesen werden. Um niedermolekulare Substanzen detektieren zu können wurde dieses System mit immunologischen Methoden kombiniert, um einen spezifischen Nachweis und Quasiechtzeit Messungen zu ermöglichen. Für die Immobilisation der Biomoleküle auf der Biosensoroberfläche und um nicht-spezifische Bindungen zu vermeiden, wurden Modifizierungen der Sensoroberfläche mit Dextran untersucht. Ferner, wurden Nachweismethoden für Sulphamethazine, als ein Modell, System auf einem commerziel verfügbaren optischen SPR- basierendem System (Biacore) untersucht. Die besten Ergebnisse wurden mit einem Inhibirungsassay mit anti-idiotypischen Antikörpern, welcher gute Reproduzierbarkeit und eine Nachweisgrenze von 2µg/L in verdünntem Urin zeigte erhalten. Der Inhibirungsassay wurde auf den Gitterkoppler und das TIRF System übertragen. Das TIRF System zeigte die höchste Sensitivität und Nachweisgrenze (0.4 µg/L). Die entwickelte Biosensor Plattform zeigte Potential Echtzeit Messungen mit einen schnellen und empfindlichen Nachweis, der wichtig für eine unverzügliche Trennung von rückstandhaltigem von sicheren Lebensmitteln ist, durchzuführen und ein screening von Lebensmitteln zu ermöglichen.

Detection of drugs or illegal compounds in food or drinking water increasingly plays an important role in human health and safety regulations. Different tools enabling the monitoring of these compounds were investigated and validated. Three different optical biosensors (grating coupler, Surface Plasmon Resonance and total internal reflection fluorescence) and a variety of immunoassays were investigated to develop a system best suited for this task. Initially, the device based on total internal reflection fluorescence (TIRF) promising the highest sensitivity was developed. In the final set-up oligonucleotides at a concentration as low as 10 pM (3 fmol total) could be detected by hybridisation to their complementary sequences. To enable the detection of low molecular weight analytes this transducer platform was combined with antibodies in order to obtain a specific detection and quasi real time measurements at the same time. For the immobilisation of biomolecules to the biosensor surface and to prevent non-specific binding effects, surface modification with dextran as a surface coating was studied. Further, alternative appropriate detection assays, for a model system with Sulphamethazine (SMZ) as analyte, were investigated on a commercially available optical SPR-based system (Biacore(c)). Best results were obtained with an inhibition assay using anti-idiotype antibodies, witch showed a good reproducibility and a detection limit of 2 µg/l in diluted urine. The inhibition assay was then tested on a grating coupler and the TIRF device. The TIRF device showed the highest sensitivity and detection limit (0.4 µg/l). This biosensor platform showed the potential of a fast and sensitive detection capable of real time measurements, which are indispensable for a prompt separation of infectious from safe material as aiming at a broad screening of animal and farm products.

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Akkoyun, Akin: Detection of Low Molecular Weight Analytes using Optical Biosensors. 2002.

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