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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.
Der Bedarf nach schnellen und kostengünstigen Analysemethoden in der (Trink-)Wasseranalytik steigt mit dem zunehmenden Eintrag pharmazeutisch aktiver Substanzen in die Umwelt.
Insbesondere die Kontamination mit Antibiotika erscheint neben ökotoxikologischen Effekten vor allem in Hinblick auf die Evolution resistenter Keime im Wasser besorgniserregend.
Wir berichten hier über die Entwicklung eines magnetpartikelbasierten Immunoassays (MBBA) zur Detektion des Breitbandantibiotikums Amoxicillin (AMX) in Wasserproben, der im Vergleich zum entsprechenden Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) eine wesentlich kürzere Analysendauer sowie einen breiteren Messbereich mit niedrigerer Nachweisgrenze aufweist. Das angewendete Assayprinzip ist dabei leicht auf weitere Analyten übertragbar und ermöglicht die Implementierung in einen Immunosensor.
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.
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.
We present the development of magnetic bead-based immunoassays for two potential contaminants of drinking water: the nonsteroidal anti-inflammatory drug diclofenac and the broad-spectrum antibiotic amoxicillin. For these analytes, different assay formats were developed which can generally be transferred to other analytes. The use of magnetic beads not only enables implementation of the assays into an online system since the beads can be reversibly immobilized by applying a magnetic field. Furthermore, our MBBAs hold several advantages over the conventional ELISAs (enzyme-linked immunosorbent assays) for both analytes, such as lower limits of quantification, shorter assay duration and less washing steps required.
Strategies for the setup and miniaturization of an online immunosensor including electrochemical readout on a microfluidic chip will be discussed.
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.
Contamination of waters with pharmaceuticals is an alarming problem as it may support the evolution of antimicrobial resistance. Therefore, fast and cost-effective analytical methods for potential on-site analysis are desired in order to control the water quality and assure the safety of its use as a source of drinking water. Antibody-based methods, such as the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), can be helpful in this regard but can also have certain pitfalls in store, depending on the analyte. As shown here for the class of β-lactam antibiotics, hydrolysis of the β-lactam ring is a key factor in the immunochemical analysis as it influences antibody recognition. With the antibody used in this study, the limit of detection (LOD) in the immunoassay could be significantly reduced by hydrolysis for the five tested penicillins, with the lowest LOD for carbenicillin (0.2 nmol/L) and the greatest impact on penicillins G and V (reduction by 85%). In addition to enhanced quantification, our strategy also provides access to information about the degree of hydrolysis in water samples as shown for the most abundant penicillin amoxicillin.
The demand for quick and reliable online sensors is rising not only in the field of environmental analysis with new and diversifying sources of pollution. A major aspect of this is the contamination of (drinking) water with pharmaceuticals representing a potential health threat and requiring timely countermeasures in case of contamination.
In this regard, antibody-based methods can be helpful as they enable fast and cost-effective on-site and potentially online analyses. The transition from the conventional plate-based formats like ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) to an immunosensor fit for online sensing can be achieved by using magnetic microparticles as a mobile sensing platform.
Beads are prepared by either coupling the antibody or the analyte to the surface. Both these strategies are presented using the example of two relevant contaminants in water: diclofenac (DCF) & amoxicillin (AMX), and can be transferred to other analytes.
The developed magnetic bead-based assays (MBBAs) exhibit lower LODs, enhanced sensitivity as well as shorter time of analysis than the respective ELISAs and can be integrated into an immunosensor with electrochemical detection on a microfluidic chip.