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Homogene Bioassays

Bioassays sind Tests, um bestimmte biologische Substanzen, wie Proteine und Antikörper, in einer Probe nachzuweisen. Die meisten Bioassays sind Marker-basiert, so dass beispielsweise fluoreszierende und radioaktive Marker eingesetzt werden können. Generell wird zwischen heterogenen und homogenen Assays unterschieden. Homogene Assays zeichnen sich dadurch aus, dass keine Auswaschschritte ungebundener Marker erforderlich sind.

Funktionalisierte magnetische Nanopartikel als Marker besitzen die Vorteile, dass sie auch in optisch undurchsichtigen Medien, wie Vollblut, eingesetzt werden können, langzeitstabil und nicht-toxisch (zumindestens Eisenoxyd) sind und durch magnetische Felder manipuliert werden können. Heterogene magnetische Nachweisverfahren werden meist mit magnetoresistiven Sensoren realisiert und erfordern Auswaschschritte der ungebundener Marker. Des Weiteren muss das Substrat, in das der Sensor integriert ist, entsprechend funktionalisiert werden, so dass die gewünschten biologischen Analyten anbinden können.

Am Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik forschen wir an der Realisierung homogener Flüssigphasen-Assays, bei denen ausgenutzt wird, dass sich die Brown-Zeitkonstante des magnetischen Nanopartikels durch die Anbindung von Analyten ändert. Die Messung der Dynamikänderung des magnetischen Nanopartikels durch die Bindung erfordert keine speziell präparierte Substrate, was das Nachweisverfahren deutlich vereinfacht. Zur Messung der veränderten Dynamik der Nanopartikel werden verschiedene Messverfahren verfolgt: In der Magnetrelaxometrie werden die Nanopartikel durch einen Magnetisierungspuls ausgerichtet und nach Abschalten des Magnetfeldes wird das zeitliche Abklingen des magnetischen Moments der Probe analysiert. Das Ablaufschema eines auf der Magnetrelaxometrie (MRX) basierenden Flüssigphasenassays ist in Abbildung 1 dargestellt.


MRX  Flüssigphasenassays
Abbildung 1: Schematischer Ablauf eines MRX-Flüssigphasenassays. Gezeigt ist das Anbinden von magnetischen Nanopartikeln, die mit Antikörpern funktionalisiert sind, an die Antigene der nachzuweisenden Analyten (als violette Ellipsen illustriert).


Bei der Wechselfeld- (oder ac-) Suszeptbilität wird die Frequenz des sinusförmigen Anregungsfeldes variiert und das Suszeptibilitätsspektrum ausgewertet. Wie Abbildung 2 schematisch zeigt, führt eine Vergrößerung des hydrodynamischen Durchmessers des Partikels und damit der Brown-Zeitkonstante zu einer Verschiebung des Maximums im Imaginärteil zu niedrigen Frequenzen.

Verschiebung des Maximums des Imaginärteils der ac-Suszeptibilität zu kleinen Frequenzen bei Vergrößerung der Brown-Zeitkonstante.

Abbildung 2: Verschiebung des Maximums des Imaginärteils der ac-Suszeptibilität zu kleinen Frequenzen bei Vergrößerung der Brown-Zeitkonstante.

Alternativ zum Sinusfeld können die Nanopartikel auch einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt werden, was aufgrund der Trägheit der Nanopartikel zu einem Phasenversatz zwischen Anregungsfeld und Magnetisierung führt. Dieser Phasenversatz ändert sich bei Änderung der hydrodynamischen Größe des Partikels infolge der Anbindung von Analyten. Das Prinzipschema ist in Abbildung 3 dargestellt.

Änderung des Phasenwinkels  durch Anbinden der TargetmoleküleÄnderung des Phasenwinkels als Funktion der Frequenz des Rotationsfeldes


Abbildung 3: Links: Änderung des Phasenwinkels φ durch Anbinden der Targetmoleküle.
Rechts: Änderung des Phasenwinkels als Funktion der Frequenz des Rotationsfeldes.