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The contamination of drinking water with pharmaceuticals represents a severe health risk. In order to monitor the drinking water quality continuously and enable quick countermeasures in case of contamination, novel sensors are required. Here, immunoanalytical methods based on the binding of the analyte to highly selective antibodies can be helpful. In this work, magnetic bead-based immunoassays (MBBAs) have been developed for the detection of two relevant contaminants of drinking water: diclofenac (DCF) and amoxicillin (AMX). In case of the latter, not only the parent drug is of interest in the risk assessment but also its hydrolysis products (HPs). In a comprehensive study, the influence of external factors and intrinsic properties of the water on the rate of hydrolysis was investigated. As the hydrolysis of AMX further impacts the recognition by the antibody, a strategy to analyze samples with unknown hydrolysis degree of AMX was established employing the enzyme β-lactamase in sample preparation. For both analytes, the MBBAs enable the fast quantification with results obtained in less than one hour which represents a major improvement over conventional immunoassays like the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Compared to the respective ELISAs with the same antibodies, the MBBAs further exhibit improved analytical parameters such as a broader measurement range and lower limits of detection. Due to the magnetic properties of the beads that serve as a platform for the assays, they are suitable for the mobile and automated detection at the point-of-care. An integrated diagnostic system was designed in which electrochemical detection with chronoamperometry on a microfluidic chip allows for further miniaturization of the system to enable monitoring of the drinking water quality online in water supply pipes at waterworks.
Die von der Europäischen Kommission im Jahr 2021 empfohlene, systematische Abwasserüberwachung mittels PCR-Techniken wird als ein wirksames Früh-warnsystem für künftige Pandemien durch Viren und andere Krankheitserreger betrachtet. Ein generelles Problem bei jeder quantitativen Messung von Parametern im Abwasser ist die starke Schwankung des Abwasservolumens und seiner Zusammensetzung im Tages- und Jahreszeitenverlauf. Um die Konzentrationsbestimmungen von Krankheitserregern im Abwasser in Korrelation mit menschlichen Einträgen setzen zu können, könnten sog. "anthropogene Marker" eine herausragende Rolle spielen, deren Eintrag ins Abwasser menschlichen Ursprungs sind. Im Projekt werden mittels ELISA die Konzentrationen ausgewählter anthropogener Marker in deutschlandweit gesammelten Abwasserproben erhoben und analysiert.
Contamination of drinking water with pharmaceuticals is an emerging problem and a potential health threat. Immunochemical methods based on the binding of the analyte to specific antibodies enable fast & cost-effective on-site analyses. Magnetic bead-based immunoassays (MBBAs) allow for implementation into an immunosensor for online testing. Particles are prepared by either coupling the analyte molecule (diclofenac) or the respective antibody (amoxicillin) to the surface. For miniaturization, detection is performed electrochemically (chronoamperometry) on a microfluidic chip. The developed immunosensor will enable detection of pharmaceuticals directly in water supply pipes.
Contamination of drinking water with pharmaceuticals is an emerging problem and a potential health threat. Immunochemical methods based on the binding of the analyte to specific antibodies enable fast & cost-effective on-site analyses. Magnetic bead-based immunoassays (MBBAs) allow for implementation into an immunosensor for online testing. Particles are prepared by either coupling the analyte molecule (diclofenac) or the respective antibody (amoxicillin) to the surface. For miniaturization, detection is performed electrochemically (chronoamperometry) on a microfluidic chip. The developed immunosensor will enable detection of pharmaceuticals directly in water supply pipes.
Increasing contamination of environmental waters with pharmaceuticals represents an emerging threat for the drinking water quality and safety. In this regard, fast and reliable analytical methods are required to allow quick countermeasures in case of contamination. Here, we report the development of a magnetic bead-based immunoassay (MBBA) for the fast and cost-effective determination of the analgesic diclofenac (DCF) in water samples, based on diclofenac-coupled magnetic beads and a robust monoclonal anti-DCF antibody. A novel synthetic strategy for preparation of the beads resulted in an assay that enabled for the determination of diclofenac with a significantly lower limit of detection (400 ng/L) than the respective enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). With shorter incubation times and only one manual washing step required, the assay demands for remarkably shorter time to result (< 45 min) and less equipment than ELISA. Evaluation of assay precision and accuracy with a series of spiked water samples yielded results with low to moderate intra- and inter-assay variations and in good agreement with LC–MS/MS reference analysis. The assay principle can be transferred to other, e.g., microfluidic, formats, as well as applied to other analytes and may replace ELISA as the standard immunochemical method.
Contamination of drinking water with pharmaceuticals is an emerging problem and a potential health threat. Immunochemical methods based on the binding of the analyte to specific antibodies enable fast & cost-effective on-site analyses. Magnetic bead-based immunoassays allow for implementation into an immunosensor for online testing. Particles are prepared by either coupling the analyte molecule (diclofenac) or the respective antibody (amoxicillin) to the surface. For miniaturization, detection is performed electrochemically (chronoamperometry) on a microfluidic chip. The developed immunosensor will enable detection of pharmaceuticals directly in water supply pipes.
Contamination of drinking water with pharmaceuticals is an emerging problem and a potential health threat. Immunochemical methods based on the binding of the analyte to specific antibodies enable fast and cost-effective on-site analyses. Magnetic bead-based immunoassays allow for implementation into an immunosensor for online testing. These particles are prepared by either coupling the analyte molecule (diclofenac) or the respective antibody (amoxicillin) to the surface. For miniaturization, detection is performed electrochemically on a microfluidic chip. The developed immunosensor will enable detection of pharmaceuticals directly in water supply pipes.
Die zunehmende Kontamination von (Trink)-Wasser mit pharmazeutischen Rückständen stellt ein potenzielles Gesundheitsrisiko dar und verlangt nach schnellen und zuverlässigen Analysemethoden. Hierbei können antikörper-basierte Methoden helfen, da sie schnelle und kostengünstige Vor-Ort-Messungen sowie Onlineanalysen ermöglichen.
Der Übergang von konventionellen plattenbasierten Formaten, wie ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay), zu einem Immunosensor für Online-Messungen wird durch den Einsatz magnetischer Mikropartikel als mobile Messplattform ermöglicht.
Die Partikel werden dazu entweder mit dem Antikörper oder dem Analyten gekoppelt. Diese beiden Strategien werden am Beispiel zweier relevanter Kontaminanten des Wassers gezeigt: Diclofenac (DCF) & Amoxicillin (AMX), und sind leicht auf andere Analyten übertragbar. Die magnetpartikelbasierten Assays (MBBAs) weisen niedrigere Nachweisgrenzen, breitere Messbereiche sowie kürzere Analysezeiten als die entsprechenden ELISAs auf und können in einen Immunosensor mit elektrochemischer Detektion auf einem mikrofluidischen Chip integriert werden.
Partikelbasierte Multianalyt- Fluoreszenzimmunoassays für die Unweltanalytik und Biotechnologie
(2021)
Zur Beurteilung der Wasserqualität können Markersubstanzen, wie Carbamazepin, Diclofenac, Koffein und Gallensäuren, verwendet werden. Erhöhte Konzentrationen dieser anthropogenen Marker weisen auf Einleitstellen von Abwasser hin und zeigen somit an, wo Gewässer verschmutzt werden. Diese Arbeit beschreibt deshalb die Etablierung, Optimierung und Validierung eines partikelbasierten Suspensionsarray Fluoreszenzimmunoassays (SAFIA), mit dem diese Substanzen gleichzeitig und parallel in vielen Proben quantitativ bestimmt werden können. Für SAFIA wurde das Format des kompetitiven indirekten Immunoassays gewählt. Als Plattform wurden fluoreszenzintensitätscodierte Polystyrol-Kern/Siliziumdioxid-Schale-Partikel, auf deren Oberfläche Haptene als kompetitive Bindungsstellen für Antikörper immobilisiert wurden, verwendet. Hier zeigte sich, dass eine selektive Erkennung der Haptenstruktur auf der Oberfläche der Partikel durch die Antikörper nur gegeben war, wenn die Partikel zusätzlich mit Polyethylenglykolgruppen funktionalisiert wurden. Zum Auslesen des Fluoreszenzsignals wurde ein Durchflusszytometer verwendet. Kompatibilität mit der Durchführung in Mikrotiterplatten wurde erreicht, indem eine Stopp-lösung für den SAFIA, basierend auf Formaldehyd, entwickelt wurde. Nach der Optimierung der Assayparameter können die oben genannten vier Analyten gleichzeitig in einer Probe mindestens bis zu einer Konzentration von 0.3 μg L-1 nachgewiesen werden. Der Assay kann ohne Wasch-schritte ausgeführt werden und ist somit einfacher als konventionelle Immunoassays, wie z. B. ELISA. Der SAFIA wurde hinsichtlich Interferenzen und Selektivität untersucht. Dabei zeigte sich, dass Matrixbestandteile, die in wässrigen Umweltproben vorkommen, keinen bzw. nur einen ge-ringen Einfluss auf den SAFIA hatten. Im simulierten Umweltscreening eines Flusses und mithilfe der Analyse von Abwasserproben wurde SAFIA validiert; hier zeigte SAFIA eine mit ELISA vergleich-bare Genauigkeit, bei gleichzeitiger Senkung der Analysenzeit und -kosten. Die gleichzeitige Detektion mehrerer anthropogener Marker erlaubte zudem Rückschlüsse auf die Art von Verschmutzungsquellen, im Gegensatz zu ELISA, mit dem nur ein Analyt bestimmt werden kann. Da hochaffine Antikörper für Immunoassays essenziell sind, wurde ein SAFIA zum Screening antikörperproduzierenden Zellen (Hybridomzellen) entwickelt und eingesetzt. Durch die Implementierung eines Sandwichimmunoassays zur IgG Bestimmung und durch Verwendung von homo- und heterologen Haptenstrukturen konnten aus einem Pool von Hybridomzellen diejenigen ausgewählt werden, deren sekretierter Antikörper die geringsten Nachweisgrenzen im Immunoassay erlauben. Damit konnte das Anwendungsspektrum des SAFIA maßgeblich vergrößert werden. Er vereinfacht als biotechnologisches Werkzeug stark sowohl die Produktion von monoklonalen Antikörpern als auch die Analyse von Umweltproben.
Magnetpartikelbasierte Immunoassays für die Bestimmung von Amoxicillin und Diclofenac im Trinkwasser
(2021)
Wir berichten hier über die Entwicklung von magnetpartikelbasierten Immunoassays für die Bestimmung zweier relevanter Kontaminanten des Trinkwassers: Diclofenac (DCF) und Amoxicillin (AMX). Für die beiden Analyten wurden die Assays nach unterschiedlichen Prinzipien entwickelt, die sich auch auf weitere Analyten übertragen lassen. Im Vergleich zum herkömmlichen ELISA weisen die hier entwickelten magnetpartikelbasierten Assays einen größeren Messbereich mit niedrigeren Bestimmungsgrenzen bei gleichzeitig deutlich reduzierter Analysendauer auf. Darüber hinaus können die Immunoassays in ein automatisierbares Onlinesystem zur Analyse in der Trinkwasserversorgung implementiert werden. Strategien hierfür werden erläutert.