01.02.2019
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Magnetpartikel als Basis für einen elektrochemischen Immunoassay, der in einem Mikrofludik-Chip durchgeführt wird.

Quelle: BAM, Fachbereiche Umweltanalytik; Chemische und optische Sensorik

Eine schnelle und genaue Bestimmung von Kokain in Körperflüssigkeiten wie etwa Speichel und Urin bleibt eine wichtige Aufgabe im Bereich der Kontrolle von Fahrzeugführern im öffentlichen Straßenverkehr und zur Überprüfung von Mitarbeitern in kritischen Arbeitsplatzsituationen (z.B. im Verkehrswesen, am Bau, in der Energieerzeugung). Zahlreiche Schnelltests und portable Geräte wurden dafür in den letzten Jahren auf den Markt gebracht. Viele erfüllen aber nicht die Anforderungen bezüglich hoher Zuverlässigkeit, besonders in sehr niedrigen Konzentrationsbereichen.

Bei der Untersuchung von Oberflächengewässern ist der Nachweis von illegalen Drogen (Kokain, Cannabinoide, Amphetamine, Heroin etc.) ebenfalls schwierig, weil die Konzentrationen im Bereich von Milliardstel Gramm (Nanogramm) je Liter liegen. Die Bestimmung dieser Stoffe, auch als „anthropogene Indikatoren“ bezeichnet, erlaubt aber wichtige Rückschlüsse auf das Konsumverhalten von Bevölkerungsgruppen. Auch hier gibt es den Wunsch nach Geräten oder Tests für eine kostengünstige vor-Ort-Analyse.

Der hier vorgestellte Artikel beschreibt einen von uns entwickelten modularen Ansatz zur Detektion von Kokain, indem ein antikörperbasierter Labortest (ELISA) mit einem mikrofluidischen Ansatz kombiniert wurde. Die Antikörper können im System gezielt aufgrund ihrer Immobilisierung auf magnetischen Partikeln manipuliert werden. Das hybride Mikrofluidik-System besteht aus einer Kombination von (Mikro-)Schläuchen und Pumpen zur Bereitstellung und Vermischung der Reagenzien und einem statischen Detektionschip, der eine Mikroelektrode enthält. An dieser wird in einem elektrochemischen Enzymimmunoassay mittels Cyclovoltammetrie das Messsignal generiert.

Der Prototyp zeigte eine reproduzierbare Korrelation von Signal und Konzentration und erreichte bei einer Messdauer von 25 Minuten eine Nachweisgrenze von 0,15 Nanogramm je Liter in Wasser. In den komplexen Probenmatrizen Speichel und Urin konnten noch Konzentrationen von 1 Nanogramm je Liter detektiert werden bei einem Messbereich bis 1 Milligramm je Liter.

Ein derartiger Biosensor kann leicht über die Belegung der Magnetpartikel mit anderen Antikörpern für verschiedenste Analyten adaptiert werden. Die Kombination von unterschiedlichen Partikeln und Enzym/Substrat-Kombinationen kann zukünftig auch den parallelen Nachweis verschiedener Drogen erlauben, zum Beispiel in mobilen Geräten für die Vollzugsbehörden im Straßenverkehr und in der Wasserwirtschaft.

Microfluidic electrochemical immunosensor for the trace analysis of cocaine in water and body fluids
Nahla A. Abdelshafi, Jérémy Bell, Knut Rurack, Rudolf J. Schneider
Drug Testing and Analysis, 2018, 1–9.
BAM Abteilung Analytische Chemie; Referenzmaterialien, Fachbereich Umweltanalytik