Sanitär- und Kommunaltechnik; Umwelttechnik
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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.
Portable, antikörperbasierte Analysenverfahren für die Schadstofferfassung im Wasserkreislauf
(2021)
Die Wasseranalytik wird bestimmt von zwei Hauptbedarfen, einerseits der Erfassung der Gewässergüte und Grundwassergüte als Basis für die Bereitstellung einwandfrei-en Trinkwassers und zum anderen des Monitorings der Wasserqualität in den Prozes-sen der Wasseraufbereitung und der Abwasserreinigung. Für beide Anwendungsbe-reiche ist eine laborbasierte Analytik eher hinderlich, werden die Analysenergebnisse doch eigentlich vor Ort benötigt, um etwa Beprobungskampagnen rasch anpassen zu können. Desweiteren werden die Daten auch schnell benötigt, um zeitnah in die technischen Prozesse einzugreifen. Organische Kontaminanten werden meist über chromatographische Verfahren, häufig gekoppelt mit einer massenspektrometrischen Detektion, in instrumentelle Labormethoden erfasst und die hochauflösende Massen-spektrometrie und die Non-target-Analytik haben viel zum Wissen über das Vorkom-men, insbesondere von sog. „emerging contaminants“, beigetragen, sowie zum Ver-ständnis der beteiligten Eintragspfade und Abbauwege. Moderne, portable Analy-senmethoden und insbesondere Sensoren werden zukünftig aber ihren Platz in der Schadstofferfassung im Wasserkreislauf einnehmen. Dies gilt insbesondere für anti-körperbasierte Analysenverfahren, da erst diese oft die nötige Selektivität und Sensitivität in die Detektionsmethoden einbringen.
A vast number of emerging pollutants has been detected in the environment over the last decades. Analytical methods suitable for trace analysis are needed that are desirably also fast, inexpensive and, if possible, robust and portable. Immunoanalytical, i.e. antibody-based, methods which are available in a broad range of formats, can be profitably used here to analyse for the distribution and the trends of concentration levels of contaminants in the environment. Some of these formats are single-analyte but high-throughput methods. In order to use them wisely, indicator substances, sometimes called anthropogenic markers, should be selected and used in screening approaches. Other methods are suitable to be performed on portable instrumentation in the field (on-site) or in facilities such as wastewater treatment plants for on-line monitoring. Furthermore, there are array technologies that allow for parallel (multiplex) analysis of several analytes of interest.
The microtiter-plate based ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) is the method of choice for the analysis of a large number of samples [1]. ELISAs are available to monitor for anthropogenic markers such as the antiepileptic carbamazepine, the analgesic diclofenac, the antihistaminic cetirizine, the steroid hormone estrone, the antimicrobial sulfamethoxazole, the stimulants caffeine and cocaine, the priority pollutant bisphenol A, and the bile acid isolithocholic acid. For on-site screening and monitoring, simpler formats, like mix-and-read assays, e.g. the Fluorescence Polarization Immunoassay (FPIA) [2] or Lateral-flow Immunoassays (LFIA) [3] are more suitable tools, the latter based on dipsticks or cassettes, that is why they are also called pregnancy test-like assays. The suitability of multi-analyte formats such as immunomicroarrays depends on the choice of a signal-producing system that provides small uncertainties and good reproducibility of the measurements. Bead-based (“suspension”) arrays read out in flow cytometers are a powerful platform for multiplex assays [4]. Electrochemical formats run on portable devices provide additional advantages as no light source is required. They are most promising for stand-alone analysers and biosensors
Portable, antikörperbasierte Analysenverfahren für die Schadstofferfassung im Wasserkreislauf
(2021)
Die Wasseranalytik wird bestimmt von zwei Hauptbedarfen, einerseits der Erfassung der Gewässergüte und Grundwassergüte als Basis für die Bereitstellung einwandfreien Trinkwassers und zum anderen des Monitorings der Wasserqualität in den Prozessen der Wasseraufbereitung und der Abwasserreinigung. Für beide Anwendungsbereiche ist eine laborbasierte Analytik eher hinderlich, werden die Analysenergebnisse doch eigentlich vor Ort benötigt, um etwa Beprobungskampagnen rasch anpassen zu können. Des Weiteren werden die Daten auch schnell benötigt, um zeitnah in die technischen Prozesse einzugreifen. Organische Kontaminanten werden meist über chromatographische Verfahren, häufig gekoppelt mit einer massenspektrometrischen Detektion, in instrumentellen Labormethoden erfasst, und die hochauflösende Massenspektrometrie und die Non-target-Analytik haben viel zum Wissen über das Vorkommen, insbesondere von sogenannten „Emerging Contaminants“, beigetragen, sowie zum Verständnis der beteiligten Eintragspfade und Abbauwege. Moderne, portable Analysenmethoden und insbesondere Sensoren werden zukünftig aber ihren Platz in der Schadstofferfassung im Wasserkreislauf einnehmen. Dies gilt insbesondere für antikörperbasierte Analysenverfahren, da erst diese oft die nötige Selektivität und Sensitivität in die Detektionsmethoden einbringen.
One of the most important chemicals used in the production of polymer plastics and coatings is bisphenol A. However, despite the large number of studies on the toxicity and hormonal activity of BPA, there are still open questions and thus considerable media attention regarding BPA toxicity. Hence, it is necessary to develop a sensitive, simple, cost-efficient, specific, portable, and rapid method for monitoring bisphenol A and for high sample throughput and on-site screening analysis. Lateral flow immunoassays have potential as rapid tests for on-site screening. To meet sensitivity criteria, they must be carefully optimized. A latex microparticle-based LFIA for detection of BPA was developed. The sensitivity of the assay was improved by non-contact printing of spot grids as the control and test lines with careful parameter optimization. Results of the test could be visually evaluated within 10 min with a visual cut-off of 10 µg/L (vLOD). Alternatively, photographs were taken, and image analysis performed to set up a calibration, which allowed for a calculated limit of detection (cLOD) of 0.14 µg/L. The method was validated for thermal paper samples against ELISA and LC–MS/MS as reference methods, showing good agreement with both methods
Antibody-based analytical techniques have gained increasing importance in environmental analysis. Rapid assays, portable devices and formats that require a limited number of steps have a high potential for on-site analysis in outdoor environments or in environmentally relevant facilities such as wastewater treatment plants. Many of these methods have become more sensitive and more versatile due to new, advanced materials, such as novel particles, specifically prepared surfaces, new labels, specifically coated electrodes etc. The talk shows some of our works in this context.
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.
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.
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.
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.