WO1996035121A1 - Sampling device with integrated dosimeter and function display and sampling process - Google Patents

Sampling device with integrated dosimeter and function display and sampling process Download PDF

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WO1996035121A1 PCT/DE1996/000821 DE9600821W WO9635121A1 WO 1996035121 A1 WO1996035121 A1 WO 1996035121A1 DE 9600821 W DE9600821 W DE 9600821W WO 9635121 A1 WO9635121 A1 WO 9635121A1
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Abstract

The invention relates to a sampling device and a process for the selective collection, enrichment and separation of the materials and/or biological systems (analytes) to be determined from the sample matrix concerned, which permits not only the current functional indication of the state of charge but also a quantification of the analyte on dosimeter-like principles. This is achieved by the invention by specially analyte-selective collection phases on a receptor basis, the analyte binding sites of which are, however, saturated before every use with an easily detected 'indicator substance'. The latter is forced out of the binding sites of the receptor by the analytes to be detected and this can be immediately recognised by the naked eye if the indicator compounds are labelled with bright colours or fluorescence, and in other cases easily detected by means of internal or external sensors. This novel combination of a sampling device and dosimeter has considerable advantages over the prior art devices owing to the recognition of analyte ruptures which become obvious especially in trace analyses or the analysis for extremely dangerous substances.

Description

Vorrichtung zur Probennahme mit integrierter Dosimeter- und Funktionsanzeige und Verfahren zur Probennahme Sampling device with integrated dosimeter and function display and sampling method
Die Erfindung richtet sich auf eine Probenahme-Vor¬ richtung und ein Verfahren zum Sammeln, Anreichern und Abtrennen der zu bestimmenden Stoffe oder komple¬ xen biologischen und nicht-biologischen Systeme (= Analyte) von der Probenmatrix, die auf eine neuartige Weise gleichzeitig eine Funktionsprüfung verbunden mit einer Quantifizierung der zu bestimmenden Sub- stanz(en) (Analyte) ermöglicht.The invention is directed to a sampling device and a method for collecting, enriching and separating the substances to be determined or complex biological and non-biological systems (= analytes) from the sample matrix, which simultaneously perform a functional test in a novel manner combined with a quantification of the substance (s) to be determined (analytes).
Die Nachfrage nach quantitativen Analysen komplexer Stoffgemische ist in den Bereichen Umweltanalytik und in der medizinischen Diagnostik wegen eines gestiege- nen Umweltbewußtseins und großen Interesses an einer raschen und zuverlässigen medizinischen Diagnostik und Vorsorge stark angestiegen. Im Bereich der Umweltanalytik, aber auch auf dem Gebiet der biologi¬ schen und medizinischen Analytik wird die Qualität einer chemischen Analyse entscheidend von der Quali- tat der Probenahme und der Probenvorbereitung im La¬ bor geprägt. Vor allem auf dem Gebiet der Spurenana¬ lyse müssen die Analyte, je nach der Nachweisgrenze der jeweils verwendeten Analysenmethode, in vielen Fällen vor der eigentlichen chemisch-analytischen Bestimmung noch angereichert oder aufkonzentriert werden. Bei diesem Vorgang sollten aber die nicht zu bestimmenden (analysierenden) Bestandteile einer Pro¬ be (= Probenmatrix) nicht mit angereichert werden, da sie dann unter Umständen die eigentliche chemisch¬ analytische Bestimmung der Analyte wegen einer nicht mehr ausreichenden Selektivität der betreffenden Be¬ stimmungsmethode stören können. Daher ist eine ein¬ fache Aufkonzentrierung durch beispielsweises Ver- dampfen (Einrotieren im Rotationsverdampfer) des Lö¬ sungsmittels oder Auflösen der gesamten Gasprobe in einer kleinen Lösungsmittelmenge (im Sinne einer Gas¬ wäsche) nicht die optimale Lösung.The demand for quantitative analyzes of complex mixtures of substances has risen sharply in the fields of environmental analysis and medical diagnostics due to increased environmental awareness and great interest in quick and reliable medical diagnostics and preventive care. In the field of environmental analysis, but also in the field of biological and medical analysis, the quality of a chemical analysis is crucially dependent on the quality the sampling and sample preparation in the laboratory. Especially in the field of trace analysis, the analytes, depending on the detection limit of the analytical method used in each case, must in many cases be enriched or concentrated before the actual chemical analytical determination. In this process, however, the components of a sample (= sample matrix) that are not to be determined (to be analyzed) should not be enriched, since under certain circumstances they can then determine the actual chemical analysis of the analytes because the selectivity of the determination method in question is no longer sufficient can disturb. Therefore, a simple concentration by, for example, evaporating (rotating in a rotary evaporator) the solvent or dissolving the entire gas sample in a small amount of solvent (in the sense of a gas scrubbing) is not the optimal solution.
Optimal ist, wenn die Anreicherung auch mit einerIt is optimal if the enrichment with a
Abtrennung von unerwünschten Probenbestandteilen ver¬ bunden ist. Für eine chemische Analyse von gasförmi¬ gen oder flüssigen Proben haben sich daher verschie¬ dene Probenahmetechniken bewährt.Separation of unwanted sample components is connected. Various sampling techniques have therefore proven successful for chemical analysis of gaseous or liquid samples.
Bei gasförmigen Proben versucht man eine Anreicherung der Analyte verbunden mit einer gleichzeitigen Ab¬ trennung von der Hauptgasmenge dadurch zu erzielen, daß man (wie in vielen DIN-Methoden beschrieben) das Probegas durch mit einem speziellen Ab- oder Adsorp¬ tionsmittel gefüllte Sammelröhrchen leitet, daß die Analyte mit oder ohne eine chemische Veränderung (Ab¬ fangreaktion) bevorzugt zurückhält und die Probenma¬ trix ohne quantitative Ab- oder Adsorption oder chro- matographischer Verzögerung passieren läßt. Zur eigentlichen chemischen Analyse werden die so aufkon¬ zentrierten und mehr oder weniger von der Matrix be¬ freiten Analytmoleküle mittels geeigneter Maßnahmen von der betreffenden Sammelphase heruntergespült, wozu für diese Eluation minimale Mengen von Gas oder Flüssigkeit Anwendung finden sollen.In the case of gaseous samples, an attempt is made to enrich the analytes in conjunction with a simultaneous separation from the main gas quantity by passing the sample gas (as described in many DIN methods) through collecting tubes filled with a special absorption or adsorbent, that the analyte with or without a chemical change (capture reaction) preferably retains and the sample matrix can pass without quantitative absorption or adsorption or chromatographic delay. to In the actual chemical analysis, the analyte molecules so concentrated and more or less freed from the matrix are flushed down from the relevant collection phase by means of suitable measures, for which purpose minimal amounts of gas or liquid are to be used for this elution.
Die bekannten Gas-Sammelröhrchen sind dazu, ähnlich wie im Falle einer gefüllten Chromatographie-Säule, mit einer sog. stationären Phase gefüllt, die die zu bestimmenden Stoffe (Analyte) besonders effektiv bin¬ den. Dazu werden dem derzeitigen Stand der Technik entsprechend bevorzugt Adsorptions- (Grundlage: Ad¬ sorptionsisothermen) oder Absorptionskräfte (Grundla- ge: Nernstscher Verteilungssatz) ausgenutzt. BeideFor this purpose, the known gas collecting tubes are, similar to a filled chromatography column, filled with a so-called stationary phase, which binds the substances (analytes) to be determined particularly effectively. For this purpose, according to the current state of the art, adsorption (basis: adsorption isotherms) or absorption forces (basis: Nernstian distribution theorem) are preferably used. Both
Effekte sind leider nicht molekül- und damit analyt- spezifisch, sondern wirken bevorzugt über die bekann¬ ten schwachen Wechselwirkungskräfte (van der Waals, Dipol-Dipol, hydrophobe Wechselwirkungen, etc.), die z.B. durch die Polarität eines Moleküls vorgegeben sind.Unfortunately, effects are not specific to the molecule and therefore analyte, but act preferentially via the known weak interaction forces (van der Waals, dipole-dipole, hydrophobic interactions, etc.), which e.g. are determined by the polarity of a molecule.
Bei gasförmigen Proben verwendet man dazu vorzugswei¬ se die bekannten stationären Phasen der Gaschromato- graphie, die für die Analyte ein besonders ausgepräg¬ tes Bindungsvermögen aufweisen, während die Probenma¬ trix-Bestandteile nur schwach gebunden werden. Eine mehr oder weniger analyt-selektive Bindung und damit quantitative Trennung von der Matrix kommt aber lei- der durch diese Adsorptions- oder Absorptionskräfte (zwischen einer Gasphase und einem dünnen Flüssig¬ keitsfilm - analog den betreffenden Chromatographie- Arten) nicht zustande. Nach dem Stand der Technik werden in diesem Sammelröhrchen oder Behältern (Waschflaschen, I pinger oder dergl.) entweder gut adsorbierende Stoffe, wie Aktivkohle, Silicagel, Alu¬ miniumoxid, Mg-Silikate (Florasil) , Zeolithe, Moleku¬ larsiebe o.a. verwendet. Die Desorption der Analyte zur nachfolgenden Analyse erfolgt dann vorzugsweise bei erhöhter Temperatur (Thermodesorption) . Eluens kann ein Gas oder auch eine Flüssigkeit mit guter Löslichkeit für die Analytmoleküle sein.In the case of gaseous samples, the known stationary phases of gas chromatography are preferably used, which have a particularly pronounced binding capacity for the analytes, while the sample matrix components are only weakly bound. A more or less analyte-selective binding and thus quantitative separation from the matrix unfortunately does not occur due to these adsorption or absorption forces (between a gas phase and a thin liquid film - analogous to the relevant chromatography types). According to the prior art, this collecting tube or containers (wash bottles, I pinger or the like) are either good adsorbing substances such as activated carbon, silica gel, aluminum oxide, Mg silicates (Florasil), zeolites, molecular sieves or the like are used. The analytes are then desorbed for subsequent analysis, preferably at elevated temperature (thermal desorption). Eluent can be a gas or a liquid with good solubility for the analyte molecules.
Bei flüssigen Proben nutzt man bevorzugt Verteilungs- gleichgewichte aus. Daher werden hier die ent¬ sprechenden typischen stationären Phasen aus der Ver¬ teilungschromatographie (vergleiche: Autorenkollektiv (1981) , Analytikum, VEB Deutscher Verlag für die Grundstoffindustrie, Leipzig), wie z.B. Carbowax 300, Squalan, Apizon, SE 30, SE 52, OV 17 oder auch bevor¬ zugt das hochpolymere Tenax u.a. eingesetzt, die als dünner Flüssigkeitsfilm auf einem inerten, gekörnten Trägermaterial aufgezogen sind. Letzteres befindet sich als Sammelphase in der betreffenden Sammelvor- richtung.Distribution equilibria are preferably used for liquid samples. Therefore, the corresponding typical stationary phases from the distribution chromatography (compare: author collective (1981), analytics, VEB German publisher for the basic material industry, Leipzig), such as e.g. Carbowax 300, Squalan, Apizon, SE 30, SE 52, OV 17 or preferably the high polymer Tenax and others. used, which are drawn up as a thin liquid film on an inert, granular carrier material. The latter is in the collecting device in question as a collecting phase.
Die Auswahl des für den Analyten am besten geeigneten Flüssigkeitsfilm und die Wahl des geeigneten Elua- tionsmittels richtet sich nach dem sog. Chromatogra- phischen Dreieck, das dem Fachmann geläufig ist. Hier wird zunächst die Auswahl der stationären Sammelphase anhand maximaler Wechselwirkungskräfte (polare Analy¬ te benötigen polare Sammelphase, unpolare ent¬ sprechend unpolare Phasen) getroffen.The selection of the liquid film best suited for the analyte and the selection of the suitable eluent depend on the so-called chromatographic triangle, which is familiar to the person skilled in the art. Here, the selection of the stationary collection phase is first made on the basis of maximum interaction forces (polar analytes require polar collection phase, non-polar correspondingly non-polar phases).
Bei der Probenahme von flüssigen Proben hat sich an¬ stelle einer Extraktion mit geeigneten Lösungs¬ mitteln, die nachher zwecks Aufkonzentrierung wieder eingeengt und entsorgt werden müssen, in den letzten Jahren die sog. Festphasen-Extraktion (Solid Phase Extraction, SPE) an festen, stationären Phasen, die der Flüssig-Chromatographie entliehen sind, zur An¬ reicherung und Zurückhaltung der Analyte und einer Matrix-Abtrennung sehr bewährt. Bei dem entsprechen- den Sammeln von Analyten aus flüssigen Proben beruht die erfolgreichste Technik der sog. Festphasen-Ex¬ traktion auf einer Verteilung eines vorzugsweise li- pophilen Analyten in einer entsprechenden Phase nied¬ riger Polarität. Besonders geeignet zum Sammeln und Auftrennen wenig polarer Analytmoleküle sind sog. beispielsweise Reversed-Phase (RP)-Füllmaterialien (z.B. RP-12 oder RP-18) .Instead of extraction with suitable solvents, which subsequently have to be concentrated and disposed of again for the purpose of concentration, the so-called solid phase extraction (solid phase Extraction, SPE) on solid, stationary phases, which are borrowed from liquid chromatography, for enrichment and retention of the analytes and a matrix separation have proven very successful. In the corresponding collection of analytes from liquid samples, the most successful technique of so-called solid phase extraction is based on a distribution of a preferably lipophilic analyte in a corresponding phase of low polarity. So-called, for example, reversed-phase (RP) filling materials (for example RP-12 or RP-18) are particularly suitable for collecting and separating less polar analyte molecules.
Sowohl die Probenahme von Gasen als auch die von flüssigen Proben läßt sich aber erfindungsgemäß inBoth the sampling of gases and that of liquid samples can, however, according to the invention in
Anlehnung an die Affinitäts-Chromatographie besonders vorteilhaft gestalten. Die Idee der vorliegenden Er¬ findung ist, daß man als Analyt-Sammelphase analyt- spezifische oder mindestens -selektive Rezeptoren (biologischer oder nichtbiologischer Art oder Her¬ kunft) verwendet. Als selektiv analyt-bindende Rezep¬ toren sind alle Substanzen geeignet, die analog dem Prinzip der Antigen (= Analyt) - Antikörper Wechsel¬ wirkung (Schlüssel-Schloß-Prinzip oder "Induced-Fit" Handschuh-Prinzip) substanzerkennende Eigenschaften haben. Derzeit sind dazu weiter geeignet und auch bekannt:Design based on the affinity chromatography particularly advantageous. The idea of the present invention is that analyte-specific or at least selective receptors (biological or non-biological type or origin) are used as the analyte collection phase. All substances which have substance-recognizing properties analogous to the principle of the antigen (= analyte) -antibody interaction (key-lock principle or "induced-fit" glove principle) are suitable as selective analyte-binding receptors. At the moment, these are further suitable and also known:
Antigen-Antikörper-Ab-Fragmente, DNA-komplimentäre DNA (Prinzip der DNA-Sonden) oder analoge Systeme auf RNA Basis, Gast-Wirtsmoleküle der sog. supramolekula¬ ren Chemie, oder stationäre Trägermaterialien, in deren Oberfläche das oder die zu sammelnden Analyt- Molekülformen nach der sog. "Molecular Imprinting Technik" eingeformt wurden, so daß dabei die jeweils zur Analyt-Molekülform komplimentäre Form dort als Vertiefungen (Abdruck) auftreten.Antigen-antibody-Ab fragments, DNA-complementary DNA (principle of the DNA probes) or analog systems based on RNA, guest-host molecules of the so-called supramolecular chemistry, or stationary carrier materials, in the surface of which the analyte or analytes to be collected - Molecular forms were molded in according to the so-called "molecular imprinting technique", so that the form complementary to the analyte molecular form there as Depressions (impression) occur.
Wegen der überaus großen Spezifität und sehr starken und selektiven Bindung von Analytmolekülen (z.B. Af- finitätskonstante ca. > 1010) , erlaubt die Verwendung von analytmolekül-spezifischen Rezeptoren als Sammel¬ phase wesentlich bessere Analyt-Isolierungen und - Anreicherungen als alle anderen, bekannten Verfahren.Because of the extremely high specificity and very strong and selective binding of analyte molecules (eg affinity constant approx.> 10 10 ), the use of analyte-molecule-specific receptors as the collection phase allows much better analyte isolations and enrichments than all other known ones Method.
Bei der Sammlung aus gasförmigen Proben muß aller¬ dings bei Verwendung biologischer Rezeptoren (Anti¬ körper, Antikörper-Fragmente, DNA, RNA oder dergl.) eine gewissen Feuchtigkeit vorhanden sein, damit die Funktionsfähigkeit der betreffenden Proteinmoleküle (Tertiär- und Quartär-Struktur) zur selektiven Ana- lyt-Anbindung erhalten bleibt; daher ist in solchen Fällen eine Gaswäsche mit einer wässrigen oder par¬ tiell wässrigen Pufferlösung vorzuschalten. Bei flüs¬ sigen Proben braucht nur ein bestimmter pH-Wert und eine bestimmte Ionenstärke eingehalten werden, damit die Proteinstruktur nicht denauturiert und damit die spezifische Analytbindungseigenschaft verloren geht.When collecting from gaseous samples, however, a certain amount of moisture must be present when using biological receptors (antibodies, antibody fragments, DNA, RNA or the like) so that the protein molecules (tertiary and quaternary structure) function properly. for selective analyte connection is retained; Therefore, in such cases, gas scrubbing with an aqueous or partially aqueous buffer solution is required. In the case of liquid samples, only a certain pH value and a certain ionic strength need be maintained so that the protein structure is not denauturized and the specific analyte binding property is lost.
In allen Fällen, d.h. sowohl bei den erstgenannten Sammelmaterialien auf Basis der Adsorption oder Ab¬ sorption (Verteilung) wie auch bei den Sammelmateria¬ lien auf Analyt-Rezeptor-Basis ist aber der jeweils aktuelle Beladungszustand (Grad der Absättigung mit Analytmolekülen) der betreffenden Sammelvorrichtung und damit auch das sog. Analyt-DurchbruchsvolumenIn all cases, i.e. Both in the case of the first-mentioned collecting materials based on adsorption or absorption (distribution) and also in the case of collecting materials based on analyte-receptor, however, the current loading state (degree of saturation with analyte molecules) of the relevant collecting device and thus also the so-called Analyte breakthrough volume
(verlustbringender, unkontrollierter Austritt aus der betreffenden Sammelvorrichtung wegen Überladung) der so gesammelten Probe zunächst unbekannt. Man muß zur Ermittlung dieses Probevolumens die maximal von der Sammelvorrichtung zurückgehaltene Analytmenge jeweils für jede Sa melVorrichtung einzeln ermitteln. Dies geschieht i.d.R. empirisch aus Versuchen mit synthe¬ tischen Standards. So erhält der Fachmann analytkon- zentrations-abhängige, maximale Probenvolumina, bei denen der Analyt oder die Analyte noch zu 100 % in der Sammel- und Trennvorrichtung zurückgehalten wer¬ den.(loss-causing, uncontrolled exit from the relevant collection device due to overload) of the sample thus collected initially unknown. To determine this sample volume, the maximum amount of analyte retained by the collection device must be used Determine individually for each collection device. This is usually done empirically from experiments with synthetic standards. The person skilled in the art thus receives analyte concentration-dependent, maximum sample volumes at which the analyte or the analytes are still retained 100% in the collection and separation device.
Es ist im Sinne einer richtigen Spurenanalytik von zentraler Bedeutung, daß bei der Sammlung, Anreiche¬ rung und Matrix-Abtrennung des oder der Analyte eine Wiederfindungsrate von 100 % vorliegt. Das Durch¬ bruchsvolumen kennzeichnet jene Probenmenge (Volumen an Probengas oder -flüssigkeit) , die in einer vorge- gebenen Zeit durch die Sammelvorrichtung geleitet werden dürfen, bevor die ersten Analytmoleküle wieder aus der Sammelvorrichtung austreten und daher für eine spätere Quantifizierung nicht mehr zur Verfügung stehen. Dies zieht Minderbefunde nach sich.In terms of correct trace analysis, it is of central importance that the recovery, enrichment and matrix separation of the analyte or analytes have a recovery rate of 100%. The breakthrough volume characterizes the amount of sample (volume of sample gas or liquid) which may be passed through the collecting device in a predetermined time before the first analyte molecules leave the collecting device and are therefore no longer available for later quantification . This leads to minor findings.
Das Durchbruchsvolumen ist aber zusätzlich auch von der Probenmatrix abhängig. Liegen mehr ähnlich gebau¬ te Moleküle wie das Analytmolekül (oder -ion) in der Probenmatrix vor, so wird beispielsweise das Durchbruchsvolumen entscheidend verkleinert, weil die Sammelphase nur eine bestimmte, endliche Kapazität hat. Ähnlich können bei flüssigen Proben auch ober¬ flächenaktive Substanzen in der Matrix wirken. Eine Erwärmung wirkt ebenfalls vermindernd auf das Durch- bruchsvolumen. Wegen dieser starken Abhängigkeit von der individuellen Matrix der betreffenden Probe und der Sammelbedingungen, werden von erfahrenen Fachmän¬ nern i.d.R. besondere Vorsichtsmaßnahmen ergriffen, um einen Durchbruch (= Austritt aus der Sammel-Vor- richtung noch während der Sammelphase) des oder der Analyte zu verhindern bzw. auszuschließen.The breakthrough volume is also dependent on the sample matrix. If there are more molecules of a similar construction to the analyte molecule (or ion) in the sample matrix, the breakthrough volume is significantly reduced, for example, because the collection phase has only a certain, finite capacity. In the case of liquid samples, surface-active substances in the matrix can have a similar effect. Heating also reduces the breakthrough volume. Because of this strong dependence on the individual matrix of the sample in question and the collection conditions, experienced specialists usually take special precautionary measures to ensure a breakthrough (= exit from the collection device while the collection phase is still in progress) To prevent or exclude analytes.
Zur Verhinderung einer sog. Überladung der Sammelpha¬ se in der jeweiligen Sammelvorrichtung und damit ei- nes Durchbruchs des oder der Analyten und damit eines Verlustes schaltet man mindestens ein zweites Gas¬ oder Flüssigkeits-Sammelröhrchen hinter dem ersten und bestimmt auch in dieser und allen weiteren so in Serie geschalteten Sammelvorrichtungen den oder die Analyte und addiert diese Gehalte zu dem Wert, die mit dem Haupt-Sammel-System erhalten wurde.To prevent a so-called overloading of the collecting phase in the respective collecting device and thus a breakthrough of the analyte or analytes and thus a loss, at least one second gas or liquid collecting tube is connected behind the first and also determined in this and all others collection devices connected in series in this way and the analyte (s) and adds these contents to the value obtained with the main collection system.
Nach der Sammel- und Abtrennphase mit Anreicherung des oder der Analyten in der Sammelvorrichtung (Waschflaschen, Röhren, Kartuschen, Kapillaren o.a.) wird bei gasförmigen Proben entweder der oder die Analyte durch Temperaturerhöhung (Thermodesorption) oder durch eine Extraktion mit wenig Lösungsmittel aus der Sammel-Vorrichtung gebracht und eine abgemes- sene Menge chemisch analysiert. Bei der Festphasen- Extraktion von flüssigen Proben, wird das den Analy¬ ten am besten eluierende Lösungsmittel durch die Sam- mel-Vorrichtung geleitet und den oder die Analyte so der eigentlichen Analyse zugeführt. In beiden Fällen ist natürlich die insgesamt durch die Sammelvorrich¬ tung geflossene Probenmenge bekannt.After the collection and separation phase with enrichment of the analyte or analytes in the collection device (wash bottles, tubes, cartridges, capillaries or the like), in the case of gaseous samples, either the analyte or analytes is removed from the collection by increasing the temperature (thermodesorption) or by extraction with a little solvent. Device brought and chemically analyzed a measured amount. In the solid-phase extraction of liquid samples, the solvent which elutes the analyte best is passed through the collecting device and the analyte (s) is thus fed to the actual analysis. In both cases, of course, the total amount of sample that has flowed through the collecting device is known.
Da sowohl bei der oben erwähnten Gasprobennahme-Me- thode wie auch bei der für Flüssigkeiten, jegliche Überladung zu fehlerhaften Analysen führt, besteht das Problem letztere zu erkennen, um sicher zu gehen. Bei stark schwankenden Analyt-Konzentrationen und variierender Matrix, Temperatur und Probe-Sammelge¬ schwindigkeit können selbst die Hintereinanderreihung mehrerer Sammelvorrichtungen nicht mehr ausreichen, Großer Nachteil der letztgenannten, bisher aus¬ schließlich praktizierten Methode ist der ent¬ sprechend vervielfachte Arbeitsaufwand und die starke Widerstandserhöhung für den Probenfluß durch mehrere hintereinandergeschaltete Vorrichtungen. Da die ei¬ gentliche Sammelzone aus Gründen kurzer Diffusions¬ wege der Analyte zu entsprechenden Bindungsstellen auf der Oberfläche des meist pulverför igen Sammelma¬ terials relativ dicht gepackt (geschüttet) ist, wirkt diese Zone als starkes Strömungshindernis, d.h. es können sich dort, je nach Korngröße des Füll-, Trä¬ ger- und Sammelmaterials, beträchtliche Druckverluste aufbauen.Since both the gas sampling method mentioned above and the one for liquids, any overload leads to faulty analyzes, the problem is to recognize the latter in order to be sure. In the case of strongly fluctuating analyte concentrations and a varying matrix, temperature and sample collection speed, even the series connection of several collection devices may no longer be sufficient. A major disadvantage of the last-mentioned, previously practiced method is the correspondingly multiplied workload and the strong increase in resistance for the sample flow through several devices connected in series. Since the actual collection zone is relatively densely packed (poured) for reasons of short diffusion paths of the analytes to corresponding binding sites on the surface of the mostly powdery collection material, this zone acts as a strong flow obstacle, ie it can, depending on Grain size of the filling, carrier and collecting material, build up considerable pressure losses.
Da man aber aus Gründen des Ausschließens von Ein¬ schleppungen von Verunreinigungen die Probenahmepumpe flußmäßig stets hinter den Sammelvorrichtungen plat¬ ziert (Ansaugen der Probe) , können so leicht Grenzen des Probendurchsatzes erreicht werden. Eine ist bei- spielsweise die, daß für eine vernünftige Probenge¬ schwindigkeit ein derartig hohes Vakuum hinter der Sammelvorrichtung erzeugt werden muß, daß die betref¬ fende Probenflüssigkeit zu sieden beginnt. Bei den proteinchemischen Sammelphasen auf Basis analyt-spe- zifischer biologischer Rezeptoren mit entsprechenden Analyt-Bindungsstellen kann das Problem der Protein- Denaturierung durch die verschiedensten Ursachen (Temperatur, Druck, pH-Wert, Ionenstärke, chaotrope Matrix, Schwermetalle o.a. Gifte, etc.) auftreten und zum Versagen der Sammelvorrichtung führen, ohne daß andere, äußere Anzeichen darauf hindeuten. Ein dena¬ turiertes Protein hat alle Antigen (= Analyt) -bin¬ denden Eigenschaften verloren, d.h. es liegt eine verfügbare Sammelkapazität von Null vor. Die betref- fende Sammelvorrichtung ist dadurch zur Probenahme ungeeignet geworden.However, since the sampling pump is always placed behind the collection devices (suction of the sample) for reasons of exclusion of impurities, the limits of the sample throughput can easily be reached. One is, for example, that for a reasonable sample speed such a high vacuum must be created behind the collecting device that the sample liquid in question begins to boil. In the protein-chemical collection phases based on analyte-specific biological receptors with corresponding analyte binding sites, the problem of protein denaturation can be caused by a wide variety of causes (temperature, pressure, pH, ionic strength, chaotropic matrix, heavy metals or the like, poisons, etc.) occur and lead to the failure of the collecting device without any other external signs. A denatured protein has lost all antigen (= analyte) binding properties, ie there is an available collection capacity of zero. The relevant collection device is therefore for sampling become unsuitable.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auch, eine verbesserte Probenahme- und SammelVorrichtung und ein damit auszuführendes Verfahren zu schaffen, das in der Lage ist, den jeweils aktuellen Analyt-Beladungs- (-belegungs)Zustand zu erfassen und eine einfache, automatische Funktionsprüfung einer Sammelvorrichtung für gasförmige und flüssige Proben zu ermöglichen, wobei gleichzeitig im Sinne einer qualitätsteigernden Probenahmetechnik darüber hinaus damit auch noch eine vorprobenartige Analyt-Quantifizierung durchgeführt werden kann.It is also an object of the present invention to provide an improved sampling and collecting device and a method to be carried out with it, which is capable of detecting the current analyte loading (occupancy) state and a simple, automatic functional test of a collecting device for gaseous and liquid samples, whereby, in the sense of a quality-enhancing sampling technique, a pre-sample-like analyte quantification can also be carried out.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die betreffenden, für den oder die Analyte optimale stationäre Sammelphase nicht - wie üblich - unbelegt, also mit freien Ad- oder Absorptionsplätzen, sondern erfindungsgemäß bereits mit einer allerdings schwä- eher ad- oder absorbierten oder rezeptor-gebundenen Verbindung (hier: Verdrängungssubstanz oder Indika¬ tionsverbindung oder -Substanz genannt) belegt (ge¬ sättigt mit dieser zu verdrängenden Substanz) benutzt wird. Die von den zu sammelnden Analyten leicht zu ersetzende Verdrängungssubstanz/Indikationsverbindung ist erfindungsgemäß geeignet markiert, so daß man anhand einer möglichst einfach zu erkennenden Markie¬ rungszone oder eines Integralsignals eines kleinen, nachgeschalteten, auf die durch den oder die Analyten verdrängte, markierte Substanz ansprechenden Durch¬ flußdetektors (oder interner und/oder externer Senso¬ ren leicht feststellen kann, ob die zu sammelnden Analyte diesen Markierungsstoff bzw. diese Indika¬ tionsverbindung) schon vollständig aus dem aktiven Sammelphasenbereich der Vorrichtung verdrängt haben oder nicht, was einem zu vermeidenden Durchbruch mit den bekannten Nachteilen gleich käme. Das Integralsi¬ gnal stellt die Aufsummierung aller Detektor- (Sen¬ sor) signale dar und entspricht der bekannten Gesamt- menge an Indikationsverbindung, die bis zum Zeitpunkt durch die Analyte verdrängt wurde. Da die Gesamt-Ka- pazität der Sammelphase an Analyt-Bindungsstellen bekannt ist, läßt sich so jede restliche Sammelkapa¬ zität ermitteln.The object is achieved according to the invention in that the stationary collection phase in question, which is optimal for the analyte or analytes, is not - as usual - unoccupied, that is to say with free ad or absorption sites, but according to the invention already with a more or less adsorbed or absorbed or receptor bound compound (here: displacement substance or indication compound or substance called) is used (saturated with this substance to be displaced) is used. The displacement substance / indication compound which can be easily replaced by the analytes to be collected is suitably marked according to the invention, so that a small, downstream, responding to the marked substance responding to the marked substance displaced by the analyte or analytes is used by means of a marking zone or an integral signal which is as easy to recognize as possible ¬ flow detector (or internal and / or external sensors can easily determine whether the analytes to be collected have already completely displaced this marking substance or this indicator compound) from the active collecting phase area of the device or not, which would be a breakthrough to avoid with the known disadvantages. The integral signal represents the summation of all detector (sensor) signals and corresponds to the known total amount of indication compound that has been displaced by the analytes up to the point in time. Since the total capacity of the collection phase at analyte binding sites is known, any remaining collection capacity can be determined in this way.
Die durch den Analyten zu verdrängende Indikations¬ verbindung besteht i.d.R. aus einem analytähnlichen Bindungsmolekül mit schlechter Anbindung an die Sam¬ melphase als das oder die Analytmoleküle, welches aber zusätzlich kovalent mit einer geeigneten Markie¬ rung versehen ist oder eine intrinsisch enthält.The indication compound to be displaced by the analyte usually exists. from an analyte-like binding molecule with poor binding to the collection phase as the analyte molecule or molecules, but which is additionally covalently provided with a suitable label or contains one intrinsically.
Die Art der Markierung dieser Indikationssubstanz ist erfindungsgemäß unerheblich. Besonders vorteilhaft sind allerdings solche, die mit bloßen Augen und/oder minimalen Hilfsmitteln, z.B. mittels einfacher inter¬ ner oder externer Sensoren feststellbar sind.The type of marking of this indication substance is irrelevant according to the invention. However, those which are particularly advantageous are those which are visible to the naked eye and / or minimal aids, e.g. can be determined by means of simple internal or external sensors.
Die Auswahl der optimal geeigneten markierten Verbin- düng, die im Verlauf der Probenahme durch die Analyt¬ moleküle zu verdrängen ist, erfolgt bei den chromato¬ graphischen Sammelmaterialien anhand des chromatogra¬ phischen Dreiecks, indem als zu verdrängendes Molekül eine Grundsubstanz verwendet wird, die unter den ge- gebenen Bedingungen kaum oder sehr schlecht auf einer entsprechenden adsorptions- oder verteilungschromato- graphischen Säule zurückgehalten wird. Handelt es sich beispielsweise bei der anzureichernden und zu sammelnden Analytmolekülsorte um eine besonders lipo- phile Verbindung, die bevorzugt von einer RP-Phase festgehalten werden, so muß die markierte Verdrängungssubstanz weniger lipophil sein, was durch einen um den Faktor > 10 unterschiedlichen Ver¬ teilungskoeffizienten ausgedrückt werden kann. In diesem Fall ist die Oberfläche der Sammelphase eben¬ falls lipophil (z.B. RP-18 Phase) . Handelt es sich beispielsweise beim Analyten um eine hydrophile, po¬ lare Verbindung, so wird bevorzugt eine polare Sam- melphasenoberfläche zur Anreicherung und Abtrennung des Analyten gewählt und eine weniger polare Markie¬ rungssubstanz zusammen mit einem ebenfalls weniger polaren Lösungsmittel verwendet.The selection of the optimally suitable labeled compound, which is to be displaced by the analyte molecules in the course of sampling, is carried out in the case of the chromatographic collecting materials on the basis of the chromatographic triangle, in that a basic substance is used as the molecule to be displaced, which is given under the given conditions are hardly or very poorly retained on a corresponding adsorption or distribution chromatographic column. If, for example, the analyte molecule type to be enriched and collected is a particularly lipophilic compound, which preferably has an RP phase are retained, the labeled displacement substance must be less lipophilic, which can be expressed by a distribution coefficient that differs by a factor of> 10. In this case the surface of the collecting phase is also lipophilic (eg RP-18 phase). If, for example, the analyte is a hydrophilic, polar compound, a polar collecting phase surface is preferably chosen for the enrichment and separation of the analyte, and a less polar marking substance is used together with a likewise less polar solvent.
Bei den neuartigen Sammelmaterialien auf Analyt-Re- zeptor-Basis (z.B. immunchemische Bindung mittels Antikörper oder analytbindende Antikörperfragmente sowie Molecular-Imprinting Technik) eignet sich er¬ findungsgemäß das Analyt-Molekül selbst, wenn es bei¬ spielsweise kovalent an molekülmäßig größere Markie- rungsatomgruppen (konjugierte Molekülgruppe mit ge¬ eigneten optischen, elektrochemischen oder anderen, zur Markierung geeigneter Eigenschaften) gebunden ist. In diesem Fall führt die sterische Hinderung des so markierten Analyt-Moleküls zu einer kleineren Affinitätskonstante, was der erfindungsgemäß beab¬ sichtigten, weniger festen Anbindung (oder Assozia¬ tion) an die Rezeptorphase entspricht.In the novel collecting materials based on analyte receptors (for example immunochemical binding by means of antibodies or analyte-binding antibody fragments and molecular imprinting technology), the analyte molecule itself is suitable according to the invention if it is, for example, covalently attached to larger marker atom groups (conjugated group of molecules with suitable optical, electrochemical or other properties suitable for labeling). In this case, the steric hindrance of the analyte molecule labeled in this way leads to a smaller affinity constant, which corresponds to the less rigid connection (or association) intended according to the invention to the receptor phase.
Als geeignete Markierungsmoleküle oder -atomgruppie- rungen haben sich in vielen eigenen Versuchsläufen besonders bewährt: stabile Farbstoff-Moleküle mit besonders hohen, mole¬ kularen Extinktionskoeffizienten, fluoreszierende Mo¬ leküle mit starker Emissions-Intensität im sichtbaren Bereich des Spektrums, Redox-Systeme auf Basis von Molekülen oder Ionen mit besonders hoher Standard- Austauschstromdichte, weiterhin: elektrochemisch aktive (leicht ohne hohe Überspannung reduzier- oder oxidierbare Moleküle) sowie bestimmte Ionophore, Enzyme, massenerhöhende Gruppen, DNA/RNA- Label oder dergl., wie sie von den Immuno-Assays oder DNA-Sonden her bekannt sind.Suitable marker molecules or groupings of atoms have proven particularly useful in many of our own test runs: stable dye molecules with particularly high molecular extinction coefficients, fluorescent molecules with strong emission intensity in the visible range of the spectrum, redox systems based of Molecules or ions with a particularly high standard exchange current density, furthermore: electrochemically active (easily reducible or oxidizable molecules without high overvoltage) as well as certain ionophores, enzymes, mass-increasing groups, DNA / RNA labels or the like, as described by the immunoassays or DNA probes are known.
Bei molekülmäßig zu kleinen Markierungsgruppen, die bei kovalenter Anbindung an das Analyt-Molekül dieIn the case of labeling groups which are too small in molecular terms and which, when covalently linked to the analyte molecule
Affinitätskonstante zu wenig erniedrigen, so daß die¬ se Indikationsverbindung zu schlecht von den Analyten verdrängt wird, kann man erfindungsgemäß auch ein dem Analytmolekül ähnliches mit einem zum betreffenden Rezeptormolekül passenden Epitop nehmen, wenn diese markierte Verbindung dann eine hinreichend schwächere Bindung mit der Bindungsstelle des betreffenden Re¬ zeptors eingeht. Hinreichend bedeutet erfindungsgemäß eine um den Faktor mindestens 2 kleinere Affinitäts- konstante.To lower the affinity constant too little, so that this indicator compound is displaced too poorly by the analytes, it is also possible according to the invention to take a similar analyte molecule with an epitope suitable for the receptor molecule in question, if this labeled compound then has a sufficiently weaker bond with the binding site of the relevant one Re¬ received. Sufficiently according to the invention means an affinity constant which is at least 2 times smaller.
Bei den Sammelmaterialien auf Analyt-Rezeptor-Basis ist die Art des inerten Trägermaterials für die ana- lyterkennenden Rezeptormoleküle unerheblich. Wichtig ist nur, daß das betreffende Trägermaterial packungs¬ mäßig in den meist säulenartigen Sammelvorrichtungen nicht zu einem zu hohen Druckverlust führt.In the case of the collecting materials based on analyte receptors, the type of inert carrier material is irrelevant for the analyte-recognizing receptor molecules. It is only important that the carrier material in question does not lead to an excessively high pressure loss in the mostly column-like collecting devices.
Erfindungsgemäß kann man die Kapazität des Sammelrau- mes auch durch eine Kaskadenanordnung von mit ent¬ sprechenden, analytfangenden Rezeptormolekülen bela- denen Filterpapieren oder probedurchlässigen Kunst¬ stoff-Folien mit entsprechenden größeren Durchmessern erhöhen. Stand der Technik auf dem Gebiet der inerten Trägermaterialien für biologische und nicht biologi- sehe Rezeptoren sind poröse, druckstabile Träger (z.B. controlled pore glass, CPG, Kunststoff-Partikel oder solche auf anorganischer Basis, wie Silicagel o.a.) .According to the invention, the capacity of the collecting space can also be increased by a cascade arrangement of filter papers loaded with corresponding analyte-catching receptor molecules or sample-permeable plastic films with correspondingly larger diameters. State of the art in the field of inert carrier materials for biological and non-biological see receptors are porous, pressure-stable supports (eg controlled pore glass, CPG, plastic particles or those based on inorganic materials, such as silica gel or the like).
Wesentlich geringere Druckverluste treten in einer erfindungsgemäß mit einem aufgerollten planaren Trä¬ ger (z.B. Filterpapier, Dialysierfolien, Cellophan- oder Kunststoffmembranen) gefüllten Probesammelvor- richtung auf.Significantly lower pressure losses occur in a sample collection device filled according to the invention with a rolled-up planar carrier (e.g. filter paper, dialysis foils, cellophane or plastic membranes).
Hier können die analyt-selektiven Rezeptormoleküle auf beiden Seiten des Trägers, der durch Abstandsvor¬ richtungen mit definierten Zwischenräumen operiert, immobilisiert werden. Entsprechende Anordnungen kennt der Fachmann aus dem Gebiet der Entsalzungsanlagen auf Basis der Umkehrosmose oder der Elektrodialyse. Durch die dadurch gegebenen kurzen Diffusionsstrecken der Analyt-Moleküle zu den betreffenden Bindungsstel- len der Rezeptoren wird die Kinetik der Anbindung der Analyt-Moleküle an die betreffenden Bindungsstellen sehr beschleunigt.Here, the analyte-selective receptor molecules can be immobilized on both sides of the carrier, which operates through spacing devices with defined gaps. The person skilled in the art knows corresponding arrangements from the field of desalination plants based on reverse osmosis or electrodialysis. The resulting short diffusion distances of the analyte molecules to the relevant binding sites of the receptors greatly accelerate the kinetics of the binding of the analyte molecules to the relevant binding sites.
Desweiteren können erfindungsgemäß als Sammelvorrich- tung umfunktionierte dialysierschlauch-ähnliche An¬ ordnungen (z.B. aus der Blutwäsche bei Nierenkranken stammend) benutzt werden, wenn die mit der Probe in Kontakt kommenden Oberflächen mit immobilisierten, analyt-bindenden Rezeptoren überzogen sind. Eine sol- ehe Anordnung kann beispielsweise weit über 100 re- zeptorbeladene Schläuche mit Einzeldurchmessern unter einem Millimeter und Längen von über 10 cm enthalten. Die Probeströmung kann sowohl durch die Schläuche als auch um die Schläuche herum wie auch beim Vorliegen geeigneter Strömungs-Charakteristik beides zusammen erfolgen. Wichtig ist eine Längsanströmung. Durch eine solche vorteilhafte Anordnung der Sammelphase wird eine große Beladungskapazität bei einem sehr geringen Druckverlust erreicht. Vorteilhafte Ausfüh- rungsformen bestehen aus durchsichtigen Materialien und lassen die zur einfachen optischen Erkennung not¬ wendigen Wellenlängen durchtreten, was ein einfaches Erkennen des Beladungszustandes mit dem bloßen Auge ermöglicht. Die jeweils andere Oberfläche der Schläu- ehe, die nicht mit der Probe in Kontakt ist, kann bei der Verwendung von Dialysierschläuchen ggfs. auch noch mit einer Lösung höherer Osmolarität gespült werden, so daß die zu sammelnden Analyt-Moleküle zu¬ sätzlich auch noch durch eine Strömung der Lösungs- mittel-Moleküle in die Nähe der Bindungsstellen der Rezeptoren getrieben werden. Müssen niedermolekulare Analyte von hochmolekularen getrennt werden, dann werden die analytbindenden Rezeptoren vorteilhafter¬ weise auf jener Seite der Dialysemembran immobili- siert, die nicht mit der Probe in Kontakt steht, weil so bei einem richtig gewählten molekularen Cut-off hierbei eine doppelt wirkende Abtrennung erzielt wird. Diese Probenahmetechnik ist besonders zur Ge¬ winnung von Analyten aus biologischen oder medizini- sehen Proben geeignet.Furthermore, dialysing tube-like arrangements (for example, originating from the blood wash in kidney patients) that have been converted as a collecting device can be used according to the invention if the surfaces that come into contact with the sample are coated with immobilized, analyte-binding receptors. Such an arrangement can, for example, contain well over 100 receptor-loaded tubes with individual diameters of less than one millimeter and lengths of more than 10 cm. The test flow can combine both through the hoses and around the hoses as well as when suitable flow characteristics are present respectively. A longitudinal flow is important. Such an advantageous arrangement of the collecting phase achieves a large loading capacity with a very low pressure drop. Advantageous embodiments consist of transparent materials and allow the wavelengths necessary for simple optical detection to pass through, which enables the loading state to be easily recognized by the naked eye. The respective other surface of the tubing, which is not in contact with the sample, can, if necessary, also be rinsed with a solution of higher osmolarity when using dialysis tubing, so that the analyte molecules to be collected also get through a flow of the solvent molecules is driven close to the binding sites of the receptors. If low-molecular analytes have to be separated from high-molecular ones, then the analyte-binding receptors are advantageously immobilized on that side of the dialysis membrane which is not in contact with the sample, because in this way a double-acting separation is achieved with a correctly selected molecular cut-off becomes. This sampling technique is particularly suitable for obtaining analytes from biological or medical samples.
Die richtige Orientierung der analyterkennenden Re¬ zeptormoleküle ist die, bei der die spezifische Ana- lyt-Bindungsstelle von der inerten Trägeroberfläche weg zeigt, da dann eine rasche und ungehinderte Bin¬ dung des zu sammelnden Analyten eintritt und so auch eine optimale Bindungsstellen-Dichte gegeben ist. Dazu werden in der Literatur zahlreiche Methoden be¬ schrieben, die hier nicht Gegenstand der Erfindung und dem Fachmann geläufig sind. Die rezeptorbelegten Sammel- und Kollektorphasen für die betreffenden Analyt-Moleküle werden beim erfin¬ dungsgemäßen Verfahren vor jedem neuen Einsatz der Analyt-Sammel- und Abtrennvorrichtung mit der Indika- tionsverbindung abgesättigt (überschußvermeidend be¬ laden) . Der Beladungsvorgang ist entweder an der di¬ rekt oder indirekt (z.B. Bestrahlen mit Licht geeig¬ neter Wellenlänge bei Fluoreszenzmarkern) , sichtbaren Anfärbung der Sammelzone oder bei undurchsichtigen Sammelvorrichtungen und/oder anderer Markierung durch den Durchbruch dieser Indikationsverbindung in den Durchflußdetektor feststellbar. Ebenso ist detektor¬ mäßig das Auswaschen eines Überschusses verfolgbar.The correct orientation of the analyzer-recognizing receptor molecules is that in which the specific analyte binding site points away from the inert support surface, since rapid and unimpeded binding of the analyte to be collected then occurs and thus also an optimal binding site density is given is. For this purpose, numerous methods are described in the literature which are not the subject of the invention and are familiar to the person skilled in the art. In the method according to the invention, the receptor-assigned collection and collector phases for the analyte molecules in question are saturated with the indicator compound before each new use of the analyte collection and separation device (loading to avoid excess). The loading process can be determined either directly or indirectly (eg irradiation with light of a suitable wavelength in the case of fluorescent markers), visible coloring of the collecting zone or in the case of opaque collecting devices and / or other marking by the breakthrough of this indication connection in the flow detector. The washing out of an excess can also be tracked by the detector.
Da die so markierten Indikationssubstanzen im Laufe einer Probenahme sukzessive durch die sich anders verhaltenen Analyt-Moleküle aus der betreffenden Sam¬ melzone verdrängt werden, ergibt sich so erfindungs¬ gemäß eine vielfache und sofortige Kontrollmöglich- keit der jeweils noch vorhandenen Beladungskapazität der Probenahme- oder -Sammelvorrichtung. Damit wird ein bestehendes Problem der Spurenanalyse komplexer Proben besonders effektiv gelöst.Since the indication substances marked in this way are gradually displaced from the collection zone in question in the course of sampling by the differently behaving analyte molecules, the invention thus provides a multiple and immediate possibility of checking the loading capacity of the sampling or loading capacity that is still present. Collecting device. This solves an existing problem of trace analysis of complex samples particularly effectively.
Bei konstanter und reproduzierbarer Packungsdichte der aktiven Sammelzone ergibt sich erfindungsgemäß vorzugsweise bei den besonders selektiv wirkenden Sammelmaterialien auf Rezeptor-Basis durch einfaches Abmessen der durch die zu sammelnden Analyt-Moleküle veränderten Markierungszone (Strecke) nach entspre¬ chender Kalibrierung zusätzlich auch noch ein quanti¬ tativer Hinweis, der als Vorprobe dienen kann. Dieses Dosimeter-Verfahren kann darüber hinaus auch vorteil¬ haft zur Ermittlung der für die nachfolgende analy- tische Bestimmung optimaler Analytkonzentration her- angezogen werden, was überflüssige, zusätzliche Be¬ stimmungen erspart. Gleichzeitig wird durch die da¬ durch gegebene Redundanz der Ergebnisse die Zuverläs¬ sigkeit der betreffenden Analyse gesteigert.With a constant and reproducible packing density of the active collecting zone, according to the invention there is preferably also a quantitative one with the particularly selective acting collecting materials based on the receptor by simply measuring the marking zone (distance) changed by the analyte molecules to be collected after corresponding calibration Note that can serve as a preliminary test. This dosimeter method can also advantageously be used to determine the optimum analyte concentration for the subsequent analytical determination. be attracted, which saves unnecessary additional regulations. At the same time, the reliability of the analysis in question is increased by the redundancy of the results.
Bei der erfindungsgemäß möglichen Verwendung von ge¬ eigneten Rezeptoren, die selektiv bestimmte Substanz¬ klassen binden, ergibt sich darüber hinaus mittels einer derartigen neuen Sammelvorrichtung eine neue und besonders einfache und schnelle Methode zur zu¬ verlässigen Bestimmung einer Vielzahl von ent¬ sprechenden Summenparametern. Es versteht sich für einen Fachmann von selbst, daß eine solche Sammelvor¬ richtung, die erfindungsgemäß mit einer auch als Do- simeter dienenden, Zustandsanzeige kombiniert ist, in den verschiedensten Einheiten, wie beispielsweise Masse oder Molarität kalibrierbar ist.In the case of the use of suitable receptors which selectively bind certain classes of substances, which is possible according to the invention, a new and particularly simple and fast method for the reliable determination of a large number of corresponding sum parameters results by means of such a new collecting device. It goes without saying for a person skilled in the art that such a collecting device, which according to the invention is combined with a status display which also serves as a dosimeter, can be calibrated in a wide variety of units, such as, for example, mass or molarity.
Die vorliegende Erfindung vereinigt dadurch die be- kannten Techniken der Analyt-Anreicherung und Matrix¬ abtrennung bei gasförmigen und flüssigen Proben mit einer neuen Technik der quantitativen Prüfröhrchen- Analyse auf Analyt-Rezeptor-Basis.The present invention thereby combines the known techniques of analyte enrichment and matrix separation in gaseous and liquid samples with a new technique of quantitative test tube analysis based on analyte receptor.
Im Fall eines Sammelmechanismusses auf chromatogra¬ phischer Basis wird, nach dem derzeitigen Stand der Technik zu urteilen, keine Indikationssubstanz zur on-line Sichtkontrolle der Funktionsweise verwendet, die auch quantitative Abschätzungen der Analytkonzen- tration ermöglichen würde. Alle bisher in der Litera¬ tur beschriebenen Probesammeivorrichtungen schlagen die Hintereinanderschaltung derartiger Vorrichtungen zur Vermeidung von Analytverlusten vor. Ähnlich äu¬ ßern sich auch alle standardisierten Verfahren (z.B. DIN-, EPA- u.a. Vorschriften). Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Prufrohrchen oder Dosimeter ist bisher dadurch charakterisiert, daß mehr oder weniger selektive chemische Reaktionen des Analyten mit bestimmten Reagenzien ablaufen, die aber i.d.R. zu einer irreversiblen Veränderung desIn the case of a collection mechanism based on chromatography, judging from the current state of the art, no indication substance is used for on-line visual control of the mode of operation, which would also allow quantitative estimates of the analyte concentration. All of the sample collection devices previously described in the literature propose that such devices be connected in series to avoid analyte losses. All standardized processes (eg DIN, EPA and other regulations) express themselves similarly. The prior art in the field of test tubes or dosimeters has hitherto been characterized in that more or less selective chemical reactions of the analyte with certain reagents take place, but which as a rule lead to an irreversible change in the
Analyten führen. Dadurch sind derartige Vorrichtungen zur Probenahme, Probenanreicherung und Abtrennung von Analyten weniger geeignet. Dosimeter auf dieser Grundlage sind seit langem im Einsatz und lassen sich i.d.R. nicht für weitere Messungen regenerieren.Lead analytes. As a result, such devices are less suitable for sampling, sample enrichment and separation of analytes. Dosimeters based on this have been in use for a long time and can usually be do not regenerate for further measurements.
Im Fall der erfindungsgemäßen Probenahmevorrichtung auf Analyt-Rezeptor-Basis, werden die Analyt-Moleküle unverändert und reversibel an die Rezeptormoleküle gebunden oder assoziiert. Sie können danach durch be¬ kannte, das Rezeptormolekül schonende Verfahren (pH- Wert Veränderung, chaotrope Reagenzien) wieder unver¬ ändert abgespalten und einer chemischen Analyse zu¬ geführt werden. Charakteristisch für die vorliegende Erfindung ist daher auch die Reversibilität der Sam¬ mel-, Anreicherungs- und Abtrennmechanismen sowie die der Regenerierbarkeit der dadurch gegebenen Dosime¬ ter.In the case of the analyzer-receptor-based sampling device according to the invention, the analyte molecules are bound and associated unchanged and reversibly to the receptor molecules. They can then be split off again unchanged by known processes which are gentle on the receptor molecule (change in pH value, chaotropic reagents) and can be subjected to a chemical analysis. Characteristic of the present invention is therefore also the reversibility of the collection, enrichment and separation mechanisms as well as the regenerability of the dosimeters thereby given.
Bekannt sind direkte on-line immunochemische Monitore auf der Grundlage der Verdrängung eines schwächer gebundenen fluoreszenz-markierten Antigens von einer affinitätschromatographischen Säule in Form einer entsprechenden Kartusche. Hier dient aber die Regi- strierung der aus der Kartusche austretenden fluores¬ zierenden Verbindung als direktes Analysensignal (Be¬ stimmungssignal) . In keinem Fall erfolgt die Quanti¬ fizierung durch das Abmessen einer Strecke der Sam¬ melphase. Das optische Detektorsignal geht bei den dem Fachmann bekannten Assay-Verfahren bei Erschöp- fung des "Immuno-Reaktors" gegen Null, was schwer von dem Zustand bei geringen Analytspuren zu unterschei¬ den ist. Demgegenüber bleibt in einem solchen Fall bei der vorliegenden Erfindung die markierte Zone in der SammelVorrichtung nahezu unverändert. Es ist aber trotzdem noch der aktuelle Beladungszustand sofort ablesbar.Direct on-line immunochemical monitors based on the displacement of a weakly bound fluorescence-labeled antigen from an affinity-chromatographic column in the form of a corresponding cartridge are known. Here, however, the registration of the fluorescent compound emerging from the cartridge serves as a direct analysis signal (determination signal). In no case is the quantification carried out by measuring a stretch of the collecting phase. In the assay methods known to the person skilled in the art, the optical detector signal the "immuno-reactor" tends towards zero, which is difficult to distinguish from the state with low analyte traces. In contrast, in such a case in the present invention the marked zone in the collecting device remains almost unchanged. However, the current load status can still be read immediately.
Bekannt sind auch weitere direkte Bestimmungstechni- ken in miniaturisierter Kit-Form, bei denen ein mar¬ kiertes Reagenz-Antigen nach entsprechender Verdrän¬ gung durch das Analyt-Antigen in einen eng benachbar¬ ten Reaktionsraum eindiffundiert und dort beispiels¬ weise mit Hilfe zusätzlicher Reagenzien eine empfind- liehe Chemolumineszenz erzeugt, die direkt gemessen wird. Diese und alle weiteren Verfahren zur direkten Anzeige und Quantifizierung niedermolekularer Molekü¬ le stellen direkte Bestimmungsverfahren auf immuno- chemischer Basis (Im unoassays) und keine Probennah- metechniken, bzw. keine Kombination von Probenahme- mit Dosimetertechnik dar.Further direct determination techniques in miniaturized kit form are also known, in which a marked reagent antigen diffuses into a closely adjacent reaction space after corresponding displacement by the analyte antigen and there, for example with the aid of additional reagents generates a sensitive chemiluminescence that is measured directly. These and all other methods for the direct display and quantification of small molecules are direct determination methods on an immunochemical basis (in unoassays) and no sampling techniques or a combination of sampling and dosimeter techniques.
Die vorliegende Erfindung stellt in erster Linie eine optimierte und besonders vorteilhafte Probenvorberei- tungstechnik dar, die die Sammlung der interessieren¬ den Analyten mit ihrer Anreicherung und Abtrennung von der Probenmatrix verbindet und die die eigentli¬ che hochgenaue Bestimmung des oder der Analyte mit¬ tels beliebiger Methoden gestattet. Dabei ist erfin- dungsgemäß die Art der Analyt-Anbindung durch sehr selektive immunochemische Bindungen oder mehr physi¬ kalisch-chemischer Adsorption oder Verteilung uner¬ heblich. Wichtig ist erfindungsgemäß die Einfachheit der Markierung und ihre Feststellung und damit die zuverlässige Anzeige der jeweils (noch) vorhandenen Analyt-Sammelkapazität, die in vielen Fällen auch noch gleichzeitig als Dosimeter dienen kann.The present invention primarily represents an optimized and particularly advantageous sample preparation technique which combines the collection of the analytes of interest with their enrichment and separation from the sample matrix and which the actual highly precise determination of the analyte or analytes by any means Methods allowed. According to the invention, the type of analyte binding by very selective immunochemical bonds or more physical-chemical adsorption or distribution is irrelevant. What is important according to the invention is the simplicity of the marking and its detection and thus the reliable display of the (still) present Analyte collection capacity, which in many cases can also serve as a dosimeter at the same time.
Wegen der großen Vielzahl der Kombinationsmöglichkei- ten von stationären Sammelphasen mit den unterschied¬ lichsten strömenden Phasen ermöglicht die Erfindung eine nicht naheliegende Erweiterung aller bisher be¬ schriebenen Immuno-Assay Techniken. Die Erfindung betrifft daher eine ideale Kombination von Probenah- metechniken mit Anreicherungs- und Abtrenntechniken, wobei je nach der vorher gewählten Selektivität der Sammelphase, nur ein einziger Analyt oder auch eine bestimmte Stoffklasse (Summenparameter-Bestimmung) gesammelt werden kann.Because of the large number of possible combinations of stationary collection phases with the most diverse flowing phases, the invention enables a not obvious extension of all the immunoassay techniques described so far. The invention therefore relates to an ideal combination of sampling techniques with enrichment and separation techniques, wherein depending on the selectivity of the collection phase selected beforehand, only a single analyte or also a certain class of substance (determination of the sum parameters) can be collected.
Die quantitative Gewinnung des so automatisch ange¬ reicherten und von der oft störenden Probenmatrix abgetrennten Analyten geschieht nach den bekannten Festphasenextraktionsmethoden, wobei die optische Verfolgung des Auswaschens des Restes der Indi¬ kationsverbindung die Extraktionseffektivität zu kon¬ trollieren erlaubt; wenn sie nicht extrahiert wird, dann werden die gesammelten Analytmoleküle es erst recht nicht. Bei immunochemischen Methoden (affini- tätskontrollierte Sammlung von einer Analytmolekül- sorte oder mehrere Sorten) werden die bekannten Tech¬ niken der schonenden Antikörper-Antigen-Dissoziation, wie beispielsweise die Eluation mittels chaotroper Reagenzien (z.B. Harnstoff u.a.) oder einer sauren Pufferlösung (pH zwischen 1 bis 3) dazu verwendet.The analyte thus automatically enriched and separated from the often disruptive sample matrix is obtained quantitatively according to the known solid phase extraction methods, the optical tracking of the washing out of the rest of the indication compound allowing the extraction effectiveness to be controlled; if it is not extracted, the collected analyte molecules will certainly not. In immunochemical methods (affinity-controlled collection of one or more types of analyte molecules), the known techniques of gentle antibody-antigen dissociation, such as elution using chaotropic reagents (eg urea, etc.) or an acidic buffer solution (pH between 1 to 3) used for this.
Die Menge an Eluationsmittel ist so bemessen, daß die Sammelphase dabei auch von der markierten Verbindung' befreit wird.The amount of eluent is dimensioned such that the collection phase is then freed of the labeled compound '.
Umfangreiche Tests im Vorfeld der Erfindung haben 21 ergeben, daß gut (richtige Orientierung) immobili¬ sierte Affinitätsphasen viele dieser Regenerations¬ schritte ohne wesentliche Einbuße an Funktionsfähig¬ keit überstehen. Sie können durch erneute Beladung unter optimalen Bindebedingungen (pH-Wert, Ionenstär¬ ke etc.) mit dem markierten, zu verdrängenden Antigen wieder beladen werden und zur nächsten Probenahme verwendet werden. Auch bei dieser Beladung mit der Indikationsverbindung (markierten Antigen) ist eine leicht sichtbare Markierung von besonderem Vorteil, denn man erkennt sofort den Beladungszustand und da¬ mit den Zeitpunkt, wenn keine überschüssige Markie¬ rungssubstanz beim Spülvorgang mehr aus der Sammelzo¬ ne austritt.Have extensive tests prior to the invention 21 show that well (correct orientation) immobilized affinity phases survive many of these regeneration steps without a significant loss in functionality. They can be reloaded with the marked antigen to be displaced by reloading under optimal binding conditions (pH value, ionic strength, etc.) and used for the next sampling. Even with this loading with the indication compound (marked antigen), an easily visible marking is of particular advantage, because the loading state can be recognized immediately, and therefore the point in time when no excess marking substance leaves the collecting zone during the rinsing process.
Durch die freie Wahl einer optimalen Analysemethode für den erfindungsgemäß abgetrennten und ange¬ reicherten Analyten, ergeben sich bezüglich der ent¬ scheidenden Analysen- und Bestimmungsmethode beson- ders vorteilhafte Freiheitsgrade, die zusätzlich we¬ gen der Abtrennung störender Beimengungen zu beson¬ ders zuverlässigen und richtigen Analysenbefunden führen.The free choice of an optimal analysis method for the analyte separated and enriched according to the invention results in particularly advantageous degrees of freedom with respect to the decisive analysis and determination method, which in addition to the separation of disruptive additions to the particularly reliable and correct ones Lead analytical findings.
Ein Einsatz dieser selbstkontrollierenden Analyt-Sam- mel-Vorrichtung verbessert dadurch die Nachweisgren¬ zen und Richtigkeit von Spurenanalysen in gasförmigen und flüssigen Proben bei gleichzeitiger Vereinfachung und Zeitersparnis. Die Erfindung stellt dadurch eine entscheidende Weiterentwicklung alle bekannten, auf eine Verdrängungsreaktion basierender Bio- oder Immu- no-Assays dar, die demgegenüber keinerlei Bestim¬ mungsmethodenfreiheit aufweisen.Use of this self-controlling analyte collection device thereby improves the detection limits and correctness of trace analyzes in gaseous and liquid samples, while at the same time simplifying and saving time. As a result, the invention represents a decisive further development of all known bio- or immunoassays based on a displacement reaction, which in contrast do not have any freedom from determination methods.
Dementsprechend löst die Erfindung mehrere Probleme der Spurenanalyse von gasförmigen und flüssigen Pro¬ ben, die durch die bekannte Immuno-Assays und Prüf- rohrtechniken allein nicht gelöst werden.Accordingly, the invention solves several problems trace analysis of gaseous and liquid samples which cannot be solved by the known immunoassays and test tube techniques alone.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die folgenden, besonders für die Spurenanalyse extrem bedeutsamen Vorteile erreicht: a) Der aktuelle Beladungszustand der betreffenden SammelVorrichtung kann sofort erkannt werden, d.h. neu und frisch kann von dem Zustand alt, gebraucht oder noch analyt-beladen oder mit an¬ deren Stoffen abgesättigt, auf Anhieb unter¬ schieden werden. b) Es ist erkennbar, ob in der Probematrix der zu analysierende Stoff überhaupt in nennenswertenThe present invention achieves the following advantages, which are extremely important particularly for trace analysis: a) The current loading state of the relevant collecting device can be recognized immediately, i.e. New and fresh can be differentiated from the state old, used or still loaded with analyte or saturated with other substances. b) It can be seen whether in the sample matrix the substance to be analyzed is worth mentioning
Mengen vorhanden ist; denn wenn die Markierungs¬ zone sich nicht während des Durchleitens der Probe verändert, ist nichts vorhanden, was spä¬ ter zu analysieren wäre, was Analysenzeit, -ko- sten und Chemikalien-Abfall spart. Außerdem kann dadurch nahezu automatisch und in-situ und ohne Vorinformation über zu erwartende Analytkonzen- trationen eine optimale Probenmenge gezogen wer¬ den. c) Nach einer geeigneten Kalibrierung kann aus dem Abschnitt, bei dem die Indikationssubstanz durch den Analyten verdrängt wurde, die bis dahin ge¬ sammelte Menge ermittelt werden (Prüfröhrchen- Prinzip) . d) Es ist sofort feststellbar, wenn die Kapazität einer Probenahme-Vorrichtung dem Ende zugeht oder bereits überschritten wurde, was Analysen¬ fehler verhindert, e) Es werden keine weiteren Probenahmevorrichtungen in Serie benötigt, um das Durchbrennen zu ver- hindern, was den Druckverlust in Grenzen hält und Arbeitszeit für die gesonderte Aufarbeitung erspart. f) Die Sammel- und Abtrennvorrichtungen sind weiter miniaturisierbar und benötigen aus Sicherheits¬ gründen nicht eine so lange Durchfluß-Strecke der Sammelphase, sondern können wegen der Kon¬ trollmöglichkeit mit vergrößerten, durchströmten Flächen arbeiten, was zu einem geringeren Druck- verlust führt und weniger Pumpleistung erfor¬ dert. g) Bei der Gewinnung der so gesammlten Analyten durch Eluation der so gleichzeitig von der Pro¬ benmatrix abgetrennten Analyte ist die Menge an Eluationsmittel, die zur verlustlosen Aus¬ waschung der gesamten, gesammelten Analytmenge notwendig ist, diejenige, die auch die noch vor¬ liegende Menge der markierten Verbindung aus der Probenahmevorrichtung verdrängt. Dies verhindert eine überflüssige Verdünnung. h) Die Abmessungen der SammelVorrichtung und damit auch ihre gesamte Sammelkapazität kann der nach¬ folgenden analytischen Bestimmungsmethode genau angepaßt werden, d.h., wenn durch das Verschwin- den der markierten Sammelzone eine für die nach¬ folgende Bestimmung optimale Probemenge gesam¬ melt wurde, kann der Sammelvorgang abgebrochen werden und die genaue Analytbestimmung beginnen, i) Durch die analytkonzentrationsabhängige Probe- nahmezeit werden unnütze Sammelzeiten, die evtl. zu zu hohen Analytanreicherungen führen und wie¬ der einen zusätzlichen Verdünnungsschritt vor der Bestimmung erfordern, vermieden, j) Bei einer stöchiometrisch konstanten Verdrängung von leichter gebundenen, entsprechend markierten Rezeptor-Partnern kann bei gefährlichen Analyten (z.B. Toxinen, Viren, Bakterien oder dergl.) auf eine zu starke Anreicherung und anschließende Eluation verzichtet werden, wenn die Markierung ein DNA/RNA-Label darstellt, das mit der bekann¬ ten PCR-Technik extrem empfindlich bestimmbar ist.Quantities are present; if the marking zone does not change during the passage of the sample, there is nothing to be analyzed later, which saves analysis time, costs and chemical waste. In addition, an optimal amount of sample can be drawn almost automatically and in situ and without prior information about expected analyte concentrations. c) After a suitable calibration, the amount collected up to that point can be determined from the section in which the indicator substance has been displaced by the analyte (test tube principle). d) It can be determined immediately if the capacity of a sampling device is nearing its end or has already been exceeded, which prevents analysis errors. e) No further sampling devices are required in series in order to prevent the burnout. prevent what keeps the pressure loss within limits and saves working time for the separate refurbishment. f) The collecting and separating devices can be further miniaturized and, for safety reasons, do not require such a long flow path of the collecting phase, but can, because of the possibility of checking, work with enlarged, flow-through areas, which leads to less pressure loss and less Pump power required. g) When the analytes collected in this way are obtained by elution of the analytes thus separated from the sample matrix at the same time, the amount of eluent which is necessary for washing out the entire amount of analyte collected without loss is that which is still present Amount of labeled compound displaced from the sampling device. This prevents unnecessary dilution. h) The dimensions of the collecting device and thus also its total collecting capacity can be adapted exactly to the subsequent analytical determination method, ie if an optimal sample quantity for the subsequent determination has been collected by the disappearance of the marked collecting zone, the Collection process is aborted and the precise analyte determination begins, i) the analyte concentration-dependent sampling time avoids unnecessary collection times, which may lead to high analyte concentrations and again require an additional dilution step before the determination, j) with a stoichiometrically constant displacement of more easily bound, appropriately marked In the case of dangerous analytes (eg toxins, viruses, bacteria or the like), receptor partners can dispense with excessive enrichment and subsequent elution if the label represents a DNA / RNA label that is extremely extreme with the known PCR technique is sensitive to determination.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Fi- guren 1 bis 7 erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in FIGS. 1 to 7.
In Fig. 1 ist eine besonders vorteilhafte, weil ein¬ fache optische Version der Erfindung schematisch dar¬ gestellt. Dazu ist ein Glas- oder Quarzrohr (UV- durchlässig) 1 mit der betreffenden analyt-optimier- ten Sammelphase 2 mit einem inerten Material 7, Re¬ zeptoren 6 und Indikationssubstanz 5 unter Verwendung von zwei Fixierungselementen aus Glas- oder Quarzwol¬ le oder entsprechenden Fritten 3 gefüllt. Bei Verwen- düng intensiv gefärbter geeigneter Indikationsstoffe oder Antigen-Konjugaten mit besonders großen moleku¬ laren Extinktionskoeffizienten (wie z.B. Phorphyrine, Carotinoide, Kristallviolett, etc.) kann anhand der entfärbten Zone in der Vorrichtung die jeweils noch aktuell vorhandene Sammelkapazität sofort abgelesen werden. Nach entsprechender Kalibration ist dadurch auch die Dosis zusätzlich errechenbar.A particularly advantageous, because simple optical version of the invention is shown schematically in FIG. 1. For this purpose, a glass or quartz tube (UV-permeable) 1 with the relevant analyte-optimized collection phase 2 with an inert material 7, receptors 6 and indication substance 5 is used using two fixation elements made of glass or quartz wool or equivalent Fries 3 filled. If intensely colored suitable indication substances or antigen conjugates with particularly large molecular extinction coefficients (such as phorphyrins, carotenoids, crystal violet, etc.) are used, the currently decontaminated capacity in the device can be read off immediately using the decolored zone. After appropriate calibration, the dose can also be calculated.
Farbige, durch die Analytmoleküle zu verdrängende Antigene erhält man aus dem Analytmolekül selbst, indem es chemisch mit bekannten, stabilen und inten¬ siv gefärbten Farbstoffen oder chromophoren Gruppen kovalent verbunden wird. Es können aber auch dem Ana¬ lyten ähnliche Moleküle mit eindeutig schwächerer Affinität zur Anreicherungsphase dazu verwendet wer- den. Bei einer nicht immunochemischen Analytbindung kann durch eine geeignete Wahl der chemischen Eigen¬ schaft der chromophoren oder fluorophoren Gruppe die Lipophilie des Markierungsmoleküls (Indikationssub- stanz) eingestellt werden.Colored antigens to be displaced by the analyte molecules are obtained from the analyte molecule itself by covalently linking it chemically with known, stable and intensely colored dyes or chromophoric groups. However, molecules similar to the analyte with a clearly weaker affinity for the enrichment phase can also be used. the. In the case of non-immunochemical analyte binding, the lipophilicity of the labeling molecule (indication substance) can be adjusted by a suitable choice of the chemical property of the chromophoric or fluorophoric group.
Aus Gründen der Empfindlichkeit sind alle bekannten, stabilen Fluoreszenzmarkierungen aus der Immuno-Assay oder Immuno-Sensor-Technik hier besonders gut geeig- net. Die genaue Art spielt hier keine Rolle. Hierzu muß dann das Probenahmeröhrchen 1 mit der betreffen¬ den, bekannten Anregungswellenlänge über eine Strah¬ lungsquelle 4 beleuchtet werden. Vorteilhaft ist hier eine Fluoreszenz im sichtbaren Bereich des Lichtes, da dann die analyt-beladene, nicht-fluoreszierende Zone leicht und einfach zu erkennen ist.For reasons of sensitivity, all known, stable fluorescent labels from the immunoassay or immuno sensor technology are particularly well suited here. The exact type doesn't matter here. For this purpose, the sampling tube 1 must then be illuminated with the relevant known excitation wavelength via a radiation source 4. Fluorescence in the visible range of light is advantageous here, since the analyte-loaded, non-fluorescent zone is then easy and easy to recognize.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mittels einer Detektoranzeige 8, die erfindungsgemäß dann angewandt werden kann, wenn die Probensammelvorrichtung fürFig. 2 shows an embodiment by means of a detector display 8, which can be used according to the invention when the sample collection device for
Licht undurchlässig ist oder wenn eine elektrochemi¬ sche Markierung, wie beispielsweise Ferrocen, oder Moleküle mit einer chinoiden Struktur oder mit ande¬ ren gut zu reduzierenden oder oxidierenden Gruppen bzw. anderer Sensor-Markierung an das Analytmolekül gekoppelt ist. Hier ist zur Anzeige des Beladungszu¬ standes und damit der Funktionsweise entweder an den inneren Gefäßwandungen des Sammelröhrchens ein die gesamte Sammelphase überstreichendes Elektrodenarray oder ein zusätzlicher externer Durchflußdetektor 8 erforderlich. Alternativ kann selbstverständlich an dieser Stelle auch ein entsprechender optischer Durchflußdetektor zur integralen Erfassung der ver¬ drängten Markermoleküle verwendet werden. Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer weiteren Markierungsart. So können beispiels¬ weise auch Enzyme als Marker für die zu verdrängenden Analytmolekül-Konjugat-Verbindung eingesetzt werden. Hier muß allerdings vor dem Detektor über eineIt is opaque to light or if an electrochemical label, such as ferrocene, or molecules with a quinoid structure or with other groups that are easy to reduce or oxidize, or with other sensor labels, is coupled to the analyte molecule. To display the loading state and thus the mode of operation, an electrode array covering the entire collecting phase or an additional external flow detector 8 is required either on the inner walls of the collecting tube. Alternatively, of course, a corresponding optical flow detector can also be used at this point for the integral detection of the displaced marker molecules. 3 shows a further exemplary embodiment with a further type of marking. For example, enzymes can also be used as markers for the analyte molecule conjugate compound to be displaced. Here, however, must be in front of the detector
Zugabevorrichtung 9 ein entsprechendes Substrat, wel¬ ches von der verdrängten enzymmarkierten Verbindung in ein detektionsfähiges Produkt umgewandelt wird, zugeführt werden. Besonders geeignet, da bereits we- gen ihrer Verwendung bei entsprechenden Immuno-Assays kommerziell vorhanden, sind Analytmarkierungen mit beispielsweise Glucoseoxidase (GOD) oder alkalische Peroxidase (POD) oder Phosphatase, bei denen in Ge¬ genwart dieser Enzyme (verdrängt von der Anreiche- rungs- und Sammelzone) aus den zuzusetzenden Substra¬ ten Glucose, resp. Wasserstoffperoxid, resp. p-Amin- obenzoylphosphat, elektrochemisch sehr gut anzuzei¬ gende Verbindungen entstehen, die dem Durchschnitts¬ fachmann geläufig sind.A corresponding substrate, which is converted by the displaced enzyme-labeled compound into a detectable product, is added to the addition device 9. Particularly suitable, since they are already commercially available because of their use in corresponding immunoassays, are analyte markings with, for example, glucose oxidase (GOD) or alkaline peroxidase (POD) or phosphatase, in the presence of which enzymes (displaced from the enrichment) and collecting zone) from the substrates to be added glucose, respectively. Hydrogen peroxide, respectively. p-amine top zoyl phosphate, electrochemically very good to be displayed compounds are known to the average person skilled in the art.
Fig. 4 zeigt ein schematisiertes Ausführungsbeispiel für eine optimale in-situ Probenvorbereitung bei gas¬ förmigen und flüssigen Proben. Bei gasförmigen Proben wird das zu untersuchende Gas vor dem Aufgeben auf die Sammelvorrichtung mittels eines sog. Scrubbers 10 (Gaswäscher) von den Analyten quantitativ befreit und letzterer in eine flüssige Phase überführt. Diese flüssige Phase kann aus einer wäßrigen Pufferlösung, aber auch - je nach Stabilität der Rezeptormoleküle - auch aus einem organischen Lösungsmittel bestehen. Die die Analyte enthaltenden Flüssigkeiten werden dann durch die SammelVorrichtung geleitet, wo eine Abtrennung und selektive Anreicherung der Analyte erfolgt. 274 shows a schematic embodiment for an optimal in-situ sample preparation for gaseous and liquid samples. In the case of gaseous samples, the gas to be examined is freed from the analytes quantitatively by means of a so-called scrubber 10 (gas scrubber) and the latter is converted into a liquid phase before being placed on the collecting device. This liquid phase can consist of an aqueous buffer solution or - depending on the stability of the receptor molecules - also of an organic solvent. The liquids containing the analytes are then passed through the collecting device, where the analytes are separated and selectively enriched. 27
Bei flüssigen Proben wird vorteilhafterweise dem Pro¬ benstrom durch eine immunochemische Sammelvorrichtung auch noch eine kleine Menge einer Pufferlösung mit hoher Pufferkapazität zugemischt. Der pH-Wert soll dem, bei dem eine optimale Anbindung des Analyten an die betreffende Bindungsstelle stattfindet, entspre¬ chen.In the case of liquid samples, a small amount of a buffer solution with a high buffer capacity is advantageously also added to the sample stream by an immunochemical collection device. The pH should correspond to that at which the analyte is optimally bound to the binding site in question.
Fig. 5 zeigt ein Vorrichtungsbeispiel mit kaskaden- artiger Anordnung der Sammelphasenträger, die auch zur gleichzeitigen Sammlung mehrerer Analyte eine unterschiedliche Selektivität haben können.5 shows an example of a device with a cascade-like arrangement of the collecting phase supports, which can also have a different selectivity for the simultaneous collection of several analytes.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Beispiel einer Sammelvor- richtung auf Basis der Dialyseschlauch-Anordnung mit parallelen Einzelschläuchen, was zu hohen Beladungs¬ kapazitäten führt.6 shows a further example of a collecting device based on the dialysis tube arrangement with parallel individual tubes, which leads to high loading capacities.
Fig. 7 zeigt einen biologischen Anwendungsfall, bei dem der oder die Analyte so gefährlich sind, daß nur minimale Mengen davon gesammelt werden und jene auch in einer vor eine Spritze 11 aufzusetzenden Kartusche 12 mit selektiver Sammelphase verbleiben. Hier wird durch Ansaugen über die Nadel 13 die Probe über diese rezeptorbeladene Phase geleitet, wodurch dann eine äquivalente Menge der harmlosen Indikationssubstanz 14 beim Zurückschieben des Spritzenkolbens für eine weitergehende Analyse freigesetzt wird. Besonders vorteilhaft ist in solchen Fällen eine Markierung mittels DNA/RNA-Labeln, da dann die PCR-Technik zur Analyse dieser Spuren eingesetzt werden kann. 7 shows a biological application in which the analyte or analytes are so dangerous that only minimal amounts thereof are collected and those also remain in a cartridge 12 with a selective collection phase to be placed in front of a syringe 11. Here, the sample is passed over this receptor-loaded phase by suction via the needle 13, which then releases an equivalent amount of the harmless indication substance 14 when the syringe plunger is pushed back for further analysis. In such cases, labeling using DNA / RNA labels is particularly advantageous since the PCR technique can then be used to analyze these traces.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Probenahme bei gasförmigen und flüssigen Proben zum Zwecke einer selektiven Anreicherung und Matrixabtrennung von zu bestim¬ menden Stoffen und/oder biologischen Systemen (Analyten) mit integrierter Dosimeter-Anzeige als Funktionsanzeige, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ; daß der jeweils aktuelle Beladungszustand von analyt- und/oder stoffgruppen- oder biosystem- selektiven Sammelphasen mittels Markierung durch eine Indikationssubstanz feststellbar ist, in dem in der Verbindung die Verdrängung der Indi- kationssubstanz aus spezifischen Bindungsstellen der Sammelphasen durch die zu sammelnden Stof¬ fe/Biosysteme als Dosimeter und zu ihrer Funk¬ tionsüberprüfung einsetzbar ist.1. Device for sampling gaseous and liquid samples for the purpose of selective enrichment and matrix separation of substances to be determined and / or biological systems (analytes) with integrated dosimeter display as a function display, that is, a d u r c e g e n e z e i c h n e t; that the current state of loading of analyte- and / or substance group- or biosystem-selective collection phases can be determined by marking with an indication substance, in which the displacement of the indication substance from specific binding sites of the collection phases by the substances to be collected / Biosystems can be used as dosimeters and to check their functions.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in der markierten Sammelzone der Vorrichtung geometrische Formen verwirklicht sind, die eine Quantifizierung über eine Streckenskala oder ein Abzählen von von Indikationssubstanz-freien Zo¬ nen der Sammelböden (ohne Markierung) ermögli¬ chen. 2. Device according to claim 1, characterized in that geometric shapes are realized in the marked collecting zone of the device, which enable quantification over a route scale or a counting of indication substance-free zones of the collecting bases (without marking).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die analyt-selektiven und markierten Sammel¬ phasen auf inerte Träger immobilisiert sind, die als körniges Schüttgut mit mittleren Durchmes¬ sern im Mikrometermaßstab in lichtdurchlässigen, röhren- oder schlauchför igen oder rechteckigen Durchström-Anordnungen einen minimalen Druckver¬ lust ergeben und daß die durch Verdrängung der Indikationssubstanz durch Analytmoleküle ent¬ standene markierungsfreie Zone, die gut sichtbar ist, eine schnelle und einfache, mit dem bloßen Auge feststellbare Quantifizierung ermöglicht.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the analyte-selective and marked collecting phases are immobilized on inert carriers, which as granular bulk material with medium diameter on a micrometer scale in translucent, tubular or hose-shaped or rectangular flow-through Arrangements result in a minimal loss of pressure and that the label-free zone, which is created by displacement of the indication substance by analyte molecules and is clearly visible, enables quick and easy quantification, which can be determined with the naked eye.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die inerten Träger für die analyt-selektiven und markierten Sammelphasen durchlässige und undurchlässige Folien sind, die entweder kaska- denartig mit großem Querschnitt hintereinander geschaltet senkrecht zu ihrer Oberfläche von der Probe durchströmt werden oder die parallel zur Oberfläche in einer aufgerollten Form, mit defi¬ nierten Abstandshaltern versehen, mit der Probe beaufschlagt werden, wobei eine oder beide Trä¬ ger-Oberflächen mit der Sammelphase belegt sind.4. The device according to claim 3, characterized in that the inert supports for the analyte-selective and marked collection phases are permeable and impermeable foils, which are either cascaded with a large cross-section in series, through which the sample flows or perpendicular to which the sample flows Surface in a rolled-up form, provided with defined spacers, to which the sample is applied, one or both carrier surfaces being covered with the collection phase.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei kaskadenförmiger Anordnung der inerten5. Apparatus according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that with a cascade arrangement of the inert
Träger, diese verschiedene, unterschiedliche Analyte bindende Sammel-materialien enthalten und dadurch eine Multi-Dosimeter-Anordnung aus¬ gebildet ist. Carriers which contain different collecting materials which bind different analytes and thereby form a multi-dosimeter arrangement.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die inerten Träger einzeln oder gebündelt angeordnete, schlauch- oder röhrenförmige Mem- branen oder Kapillaren sind, wobei die6. The device according to claim 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the inert carrier individually or bundled arranged, tubular or tubular membranes or capillaries, wherein the
Druchstromung mit der Probe beidseitig simultan oder sequentiell, d.h. erst außen vorbei und danach innen durch die Schläuche, Röhren, Kapil¬ laren oder umgekehrt, erfolgt.Flow through the sample on both sides simultaneously or sequentially, i.e. only on the outside and then on the inside through the hoses, tubes, capillaries or vice versa.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die schlauchförmigen Membranen Dialysier- Anordnungen aus dem medizinischen Bereich sind, die Sammelphasen nach den Methoden der gerichte¬ ten kovalenten Anbindung auf die Oberflächen der Dialysierschläuche immobilisiert sind und daß durch einen zusätzlichen osmotischen Gradienten über der Dialysiermembran ein gesteigerter Lö- sungsmittelfluß senkrecht zur Membranoberfläche erzeugbar ist, der die Analyt-Anbindungskinetik unterstützt.7. The device according to claim 6, characterized in that the tubular membranes are dialysis arrangements from the medical field, the collection phases are immobilized on the surfaces of the dialysis tubing by the methods of the straicht¬ th covalent connection and that by an additional osmotic gradient over the dialysis membrane an increased solvent flow perpendicular to the membrane surface can be generated, which supports the analyte attachment kinetics.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die markierten und selektiv analyt-bindenden Sammelphasen entweder den zu bestimmenden Stoff selektiv binden oder eine zu bestimmende Stoff¬ klasse bzw. das zu sammelnde biologische System selektiv durch Bindung aus dem Probenstromquan- titativ entfernen.8. The device according to claim 1 or 3, characterized in that the marked and selectively analyte-binding collection phases either selectively bind the substance to be determined or selectively remove a substance class to be determined or the biological system to be collected by binding from the sample stream quantitative .
9. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als markierte analyt-bindende Sammelphase den zu sammelnden Stoffen entsprechende selektiv wirkende Rezeptoren in einer molekularen Orien¬ tierung mit zugänglichen Bindungsstellen auf den Trägeroberflächen immobilisiert sind.9. The device according to claim 3 or 6, characterized in that as the marked analyte-binding collection phase selectively acting receptors corresponding to the substances to be collected are immobilized in a molecular orientation with accessible binding sites on the carrier surfaces.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die selektiv analyt-bindende Rezeptoren fol¬ gende Molekül-Klassen oder Mischungen von ver- schiedenen, zu einer Klasse gehörigen oder ver¬ schiedenen Klassen angehörenden Rezeptoren um¬ fassen: a) immunologische Antikörper oder Antikörper- Fragmente mit den zu sammelnden Stoffen oder Biosystemen als Antigen; b) komplimentäre DNA/RNA zu der, die es iso¬ liert oder gebunden zu sammeln gilt (DNA- Sonden-Prinzip) ; c) supra-molekulare Wirts-Gast-Verbindungen; d) durch "Molecular-Imprinting"-Technik gewon¬ nene, selektiv die komplimentäre Analyt- Molekülform-erkennende Oberflächen; e) stationäre Phasen der Chromatographie; wobei bei den Molekül-Klassen a) bis c) ein nicht auf der Trägeroberfläche immobilisierter10. The device according to claim 9, characterized in that the selectively analyte-binding receptors fol¬ following molecule classes or mixtures of different, belonging to a class or ver¬ different classes belonging receptors include: a) immunological antibodies or antibodies - fragments with the substances or biosystems to be collected as antigen; b) complementary DNA / RNA to that which is to be isolated or bound to be collected (DNA probe principle); c) supra-molecular host-guest connections; d) surfaces obtained by "molecular imprinting" technology, selectively recognizing the complementary analyte molecular form; e) stationary phases of chromatography; in the case of molecule classes a) to c), one not immobilized on the support surface
Partner aus den Proben gesammelt wird.Partner is collected from the samples.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rezeptoren mit einer schwächer als der11. The device according to one of claims 9 and 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the receptors with a weaker than the
Analyt gebundenen (assoziierten) und leicht di¬ rekt optisch (mit bloßem Auge) oder mittels ein¬ facher interner oder externer Sensoren anzeigba¬ ren Indikationssubstanz als Markerverbindung abgesättigt sind. 32Indicator-bound (associated) and slightly directly optically (with the naked eye) or by means of simple internal or external sensors displayable indication substance are saturated as a marker compound. 32
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Indikationssubstanz ein dem oder der Analytenstruktur formelmäßig oder physikalisch- chemisch ähnliches Molekül enthält, das die Ei¬ genschaft hat, von den zu sammelnden Stoffen leicht aus der spezifischen Bindung und Assozia¬ tion mit dem Rezeptor verdrängt zu werden und direkt optisch oder indirekt mittels interner oder externer Sensoren feststellbar ist.12. The device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the indication substance contains a formula or the analyte structure or physically-chemically similar molecule which has the property of the substances to be collected easily from the specific binding and association tion with the receptor and can be detected optically or indirectly by means of internal or external sensors.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Indikationssubstanz das Analytmolekül oder die zu sammelnden Stoffe oder biochemischen13. Device according to one of claims 1 to 12, that the indication substance is the analyte molecule or the substances to be collected or biochemical
Systeme selbst, modifiziert durch eine Marker- Atomgruppierung, enhält.Systems themselves, modified by a marker atom grouping, contains.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie einen Durchflußdetektor aufweist, der über das Integral des Durchfluß-Signals von der markierten, von den Analyten verdrängten Indika¬ tionssubstanz den aktuellen Zustand der Sammel- Vorrichtung anzeigt und eine Summendosis angibt.14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that it has a flow detector, which indicates the current state of the collection device and indicates a total dose via the integral of the flow signal from the marked substance displaced by the analytes .
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Quantifizierung der durch die zu sam- melnden Stoffe verdrängten Indikationssubstanzen mittels interner oder externer Sensoren auf op¬ tischer, massensensitiver, kalorimetrischen oder elektrochemischen Basis erfolgt. 15. Device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the quantification of the indication substances displaced by the substances to be collected is carried out by means of internal or external sensors on an optical, mass-sensitive, calorimetric or electrochemical basis.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie ein zur Probenströmung paralleles linea¬ res Sensor-Array enthält, das auf einem ange- schlossenen Rechner eine Zustands-Anzeige (Bele¬ gungsgrad) und Dosis-Quantifizierung ermöglicht.16. The device according to one of claims 1 to 15, which also includes a linear sensor array which is parallel to the sample flow and which enables a status display (degree of occupancy) and dose quantification on a connected computer.
17. Verfahren zur Probenahme bei gasförmigen und flüssigen Proben zum Zwecke einer Selektion An- reicherung und Matrixabtrennung mindestens eines17. Method for sampling gaseous and liquid samples for the purpose of selection enrichment and matrix separation of at least one
Analysen kombiniert mit einer dosimeter-ähnli- chen Quantifizierung. d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß analyt- und/oder Stoffgruppen- oder biosy- stem-selektive Sammelphasen vor jeder Probenahme mit mindestens einer stabilen und leicht fest¬ stellbaren Indikationssubstanz beladen werden, die während eines Sammelvorgangs von den zu sam¬ melnden Stoffen/Biosystemen von der Oberfläche der Sammelphase verdrängt wird, wobei sich dieAnalyzes combined with a dosimeter-like quantification. characterized in that analytical and / or substance group or biosystem selective collection phases are loaded with at least one stable and easily detectable indication substance before each sampling, which during the collection process of the substances / biosystems to be collected from the surface of the Collection phase is displaced, the
Analyt-Dosis aus der Menge der analyt-verdräng- ten Indikationssubstanz (markierungsfreie Zone) ergibt, die durch eine Streckenmessung oder mit¬ tels eines integrierten Detektorsignals erfaßt wird.Analyte dose results from the amount of the analyte-displaced indication substance (label-free zone), which is detected by a distance measurement or by means of an integrated detector signal.
18. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Analyte mittels eines Eluationsmittels aus der Probenahme-Vorrichtung entfernt und ei¬ ner weiteren chemischen Analyse zugeführt wer¬ den. 18. The method according to claim 17, characterized in that the analytes are removed from the sampling device by means of an eluent and supplied to a further chemical analysis.
19. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei gefährlichen (toxischen) Analyten auf eine zu große Anreicherung verzichtet wird, wozu als zu verdrängende Indikationssubstanz ein schwächer gebundener Partner des betreffenden Rezeptors, der mit einem DNA/RNA-Label versehen ist, gewählt wird und die vom Analyten freige- setzte äquivalente Menge der so markierten In¬ dikationssubstanz mittels extrem empfindlichen PCR-Technik gemessen wird.19. The method according to claim 17, characterized in that in the case of dangerous (toxic) analytes, too much enrichment is dispensed with, for which purpose a weakly bound partner of the receptor in question, which is provided with a DNA / RNA label, is chosen as the indication substance to be displaced and the equivalent amount of the indicated indication substance released by the analyte is measured by means of extremely sensitive PCR technology.
20. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Hilfsreagenzien zur Feststellung des Ausma¬ ßes der Markierungsverdrängung in den Proben¬ oder Flüssigkeitsstrom eingespeist werden.20. The method as claimed in claim 17, so that auxiliary reagents are fed into the sample or liquid stream to determine the extent of the marking displacement.
21. Verfahren nach den Ansprüchen 19 oder 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrichtung in Form einer rezeptorge¬ füllten Kartusche an einer medizinischen Nadel oder Spritze positioniert wird und nach dem An- saugen eines bestimmten Probevolumens die vor dem darin enthaltenen Analyten verdrängten DNA/- RNA-gelabelten Indikationssubstanz-Moleküle in einen anderen Behälter zur weiteren PCR-basie- renden Quantifizierung überspült werden. 21. The method according to claims 19 or 20, characterized in that the device is positioned in the form of a receptor-filled cartridge on a medical needle or syringe and, after sucking in a certain sample volume, the DNA / RNA displaced in front of the analyte contained therein -labeled indication substance molecules in another container for further PCR-based quantification.
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