Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Nachweis eines Analyten in einer Probe unter Verwendung eines lumineszierenden Metallkomplexes als Markierungsgruppe und eine dafür geeignete Vorrichtung.

Lumineszierende Metallkomplexe sind aus dem Stand der Technik bekannt.

EP-A-0 178 450 offenbart Rutheniumkomplexe, die an ein immunologisch aktives Material gekoppelt sind, wobei die Rutheniumkomplexe drei gleiche oder verschiedene bi-oder polycyclische Liganden mit mindestens zwei stickstoffhaltigen Heterocyclen enthalten, wobei mindestens einer dieser Liganden mit mindestens einer wasserlöslich machenden Gruppe, wie SO3H oder-COOH, substituiert ist und wobei mindestens einer dieser Liganden mit mindestens einer reaktiven Gruppe wie-COOH direkt oder über eine Spacergruppe substituiert ist und wobei die Liganden über Stickstoffatome an das Ruthenium gebunden sind.

Weiterhin ist die Verwendung von lumineszierenden Metallkomplexen als MarkierungsreagenzienfüreinElektrochemilumineszenz-Nachweis verfahren bekannt (vgl. z. B. EP-A-0 580 979, WO 87/06706, US 5,238, 108 oder US 5,310, 687). Ein solches Elektrochemilumineszenz-Nachweisverfahren beruht darauf, dass in einer geeigneten Messvorrichtung das Zentralatom des Metallkomplexes, z. B. Ruthenium, durch Elektronentransfer in den angeregten MLCT-Triplettzustand überführt wird. Von diesem angeregten Zustand kann es unter Emission eines Photons durch einen verbotenen

Triplett-Singulett-Übergang in den Grundzustand relaxieren (vgl. z. B.

WO/90 05296, Leland und Powell, J. Electrochem. Soc. 137 (1990), 3127-3131 ; Blackburn et al., Clin. Chem. 37 (1991), 1534-1539).

Der in der Literatur beschriebene Reaktionsmechanismus für die Erzeugung von Chemilumineszenz umfasst die Oxidation eines Mediators, wie Tripropylamin, zu einem Radikalkation. Dieses Radikalkation wird unter Protonenverlust zu einem TPA-Radikal. Das TPA-Radikal ist wiederum dasjenige Molekül, welches durch einen weiteren Elektronenübergang einen oxidierten Metallkomplex, z. B. einen Ru3+-Komplex, in den Ru2+-MLCT- Triplettzustand überführt, welcher in der Lage ist, ein Photon zu emittieren.

Mit dem geschilderten Mechanismus lassen sich jedoch einige experimentelle Befunde nicht erklären. So werden nur 40-50 % des theoretischen Stromes gefunden. Weiterhin ist die Erzeugung von Elektrochemilumineszenz in hohem Maße vom Elektrodenmaterial abhängig, was anhand der Funktion der Elektrode als Oxidationsmittel von TPA und dem Metallkomplex eigentlich nicht der Fall sein dürfte. Weiterhin wurden bisher auch keine TPA-Dimere nachgewiesen, die-falls TPA-Radikale gemäß obigem Mechanismus entstehen-in Lösung gebildet werden sollten.

Es wurden daher weitere Untersuchungen zur Erzeugung von Chemilumineszenz bei Metallkomplexen durchgeführt. Dabei wurde überraschenderweise gefunden, dass ein Rutheniumkomplex in Gegenwart von naszierendem Wasserstoff, z. B. erzeugt durch Lithium/Butanol/H2SO4, Chemilumineszenz in hoher Ausbeute zeigt.

Auf Basis dieser neuen Erkenntnisse kann ein neues Verfahren zur Erzeugung von Chemilumineszenz mit einem Metallkomplex als Lumineszenzgenerator bereitgestellt werden, welches die Verwendung von naszierendem Wasserstoff zur Reduktion von oxidierten Metallkomplexen

in den angeregten chemilumineszenzfähigen Zustand umfasst. Dieses Verfahren kann insbesondere zum Nachweis von Analyten in einer Probe eingesetzt werden, wobei gegenüber bisher verwendeten Verfahren eine verbesserte Chemilumineszenzausbeute oder/und eine verringerte Störanfälligkeit erzielt werden kann.

Ein erster Aspekt der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Erzeugung von Chemilumineszenz mit einem lumineszierenden Metallkomplex als Lumineszenzgenerator, umfassend das Oxidieren des Metallkomplexes und das Reduzieren des Metallkomplexes durch naszierenden Wasserstoff, wobei eine chemilumineszenzfähige Form des Metallkomplexes entsteht.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Nachweis eines Analyten in einer Probe unter Verwendung eines lumineszierenden Metallkomplexes als Markierungsgruppe, wobei die Lumineszenz des Metallkomplexes erzeugt wird durch die Schritte : (i) Oxidieren des Metallkomplexes und (ii) Reduzieren des Metallkomplexes durch naszierenden Wasserstoff, wobei eine chemilumineszenzfähige Form des Metallkomplexes entsteht, und (iii) Bestimmen des Analyten über die Chemilumineszenz.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Chemilumineszenz unter Verwendung eines lumineszierenden Metallkomplexes als Lumineszenzgenerator, umfassend : (i) Mittel zum Oxidieren des Metallkomplexes und (ii) Mittel zum Erzeugen von naszierendem Wasserstoff.

Insbesondere ist diese Vorrichtung vorgesehen zum Nachweis eines Analyten in einer Probe unter Verwendung eines lumineszierenden Metallkomplexes als Markierungsgruppe, umfassend : (i) Mittel zum Oxidieren des Metallkomplexes, (ii) Mittel zum Erzeugen von naszierendem Wasserstoff und (iii) Mittel zum Nachweis von Lumineszenz.

Besonders bevorzugt dient das Verfahren für Anwendungen auf dem Gebiet der Diagnostik, d. h. zum Nachweis eines Analyten in einer Probe.

Beispielsweise kann das Verfahren zum Nachweis von physikalischen, chemischen oder biochemischen Parametern in einer Probe, z. B. einer Körperflüssigkeit, einer Gewebeprobe etc. oder einer Umweltprobe, eingesetzt werden.

Der Nachweis eines Analyten umfasst das Inkontaktbringen einer Probe mit einem Nachweisreagenz, das als Markierungsgruppe einen lumineszierenden Metallkomplex trägt. Die Probe ist vorzugsweise eine biologische Probe und liegt in flüssiger Form vor. Sie kann aus menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Geweben, Körperflüssigkeiten, prokaryontischen oder eukaryontischen Zellkulturen etc. stammen.

Das Nachweisreagenz umfasst einen lumineszierenden Metallkomplex als Markierungsgruppe, der vorzugsweise an eine biologische Substanz, z. B.

Biotin, Nukleinsäuren, z. B. Oligonukleotide, DNA oder RNA, Nukleinsäureanaloga, wie etwa peptidische Nukleinsäuren, Antikörper oder Antikörperfragmente, Peptid-oder Polypeptidantigene, d. h. immunologisch reaktive Polypeptide oder Haptene, d. h. organische Moleküle mit einem Molekulargewicht von 150 bis 2000, gekoppelt ist, sowie gegebenenfalls weitere Reagenzien, wie sie dem Fachmann bekannt sind.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Nachweisverfahrens umfasst vorzugsweise eine Inkubation der Probe mit dem Nachweisreagenz, um eine direkte oder indirekte Reaktion des Nachweisreagenz mit in der Probe vorhandenem Analyten zu bewirken. Das Vorhandensein eines Analyten bzw. dessen Menge in der Probe wird auf Basis des von der Markierungsgruppe stammenden Chemilumineszenzsignals qualitativ oder/und quantitativ ermittelt.

Das Verfahren kann als homogener Assay, d. h. Messung der Chemilumineszenz in einer Flüssigphase, durchgeführt werden.

Vorzugsweise wird jedoch ein heterogener Test durchgeführt, bei dem die Chemilumineszenz-Markierung an einer Festphase, z. B. einer partikulären Festphase, wie etwa magnetischen Mikrobeads, z. B. Streptavidin- beschichteten Mikrobeads, oder kolloidalen Partikeln immobilisiert wird. Bei Durchführung eines heterogenen Tests kann das erfindungsgemäße Verfahren sogenannte Einfang-und Waschschritte umfassen, bei denen die Markierung auf der Festphase immobilisiert wird und eine Abtrennung der übrigen Probenbestandteile erfolgt.

Ein bevorzugte Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verwendung von chemilumineszenten Metallkomplexen, die eine Struktur der allgemeinen Formel (1) enthalten : [M (L, L2L3) 1"-Y",- worin M ein zwei-oder dreiwertiges Metallkation ausgewählt aus Seltenerde-oder Übergangsmetallkationen ist, Ll, L2 und L3 gleich oder verschieden sind und Liganden mit mindestens zwei stickstoffhaltigen Heterocyclen bedeuten, wobei Ll, L2 und L3 über Stickstoffatome an das Metallkation gebunden sind,

Y einen an einen der Liganden gebundenen Linker bedeutet, über den der Komplex, z. B. (a) an eine biologische Substanz gekoppelt ist oder (b) an eine biologische Substanz gekoppelt werden kann, m eine ganze Zahl von 1 bis 10, vorzugsweise von 1 bis 4 und besonders bevorzugt von 1 ist und n eine ganze Zahl von 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 3 und besonders bevorzugt von 1 ist.

Das Metallkation in diesem Komplex ist vorzugsweise Ruthenium, Osmium, Rhenium, Iridium, Rhodium, Platin, indium, Palladium, Molybdän, Techneticum, Kupfer, Chrom, Wolfram, Yttrium oder Lutetium. Besonders bevorzugt sind Ruthenium, Iridium, Rhenium, Chrom und Osmium. Am meisten bevorzugt ist Ruthenium. Zum Ladungsausgleich kann der Komplex gegebenenfalls noch Gegenionen, z. B. Anionen, enthalten.

Die Liganden Ll, L, und L3 sind vorzugsweise Liganden mit mindestens 2 stickstoffhaltigen Heterocyclen. Bevorzugt sind aromatische Heterocyclen, wie z. B. Bipyridyl, Bipyrazyl, Terpyridyl und Phenanthronyl. Besonders bevorzugt werden die Liganden aus Bipyridin-und Phenanthrolin- Ringsystemen ausgewählt.

In den erfindungsgemäßen Metallkomplexen sind vorzugsweise hydrophile Gruppen oder/und Ladungsträger vorhanden, die beispielsweise kovalent gebunden, z. B. an den Linker oder an einen anderen Substitutenten der Liganden Ll, L2 oder L3, sind. Derartige hydrophile oder geladene Metallkomplexe sind z. B. aus WO 96/03409 und WO 96/03410 bekannt.

Der Begriff"Ladungsträger"bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Gruppe, die bei einem pH-Wert in einem Bereich von 6 bis 8 überwiegend in ionischer Form vorliegt. Der Komplex enthält vorzugsweise bis zu 10, besonders bevorzugt 2 bis 8 solcher Ladungsträger.

Besonders bevorzugt enthält der Komplex mindestens einen negativen Ladungsträger. Beispiele für geeignete negative Ladungsträger sind Phosphat-, Phosphonat-, Sulfonat-und Carboxylatgruppen, wobei Sulfonat- und Carboxylatgruppen am meisten bevorzugt sind.

Weiterhin sind für das erfindungsgemäße Verfahren Komplexe geeignet, die eine hydrophile Gruppe enthalten. Beispiele für geeignete hydrophile Gruppen sind C2-C3-Alkylenoxy-Einheiten, C2-C3-Alkylenthio-Einheiten und Polyhydroxyeinheiten.

Die Herstellung solcher Metallkomplexe kann nach bekannten Methoden erfolgen, beispielsweise durch Reaktion eines Metallsalzes, z. B. eines Metallhalogenids, und gegebenenfalls anschließendem Austausch des Halogenidions durch Hexafluorophosphat-, Trifluoracetat-oder Tetrafluoroborat-Gruppen. Derartige Verfahren sind bekannt. Der Metallkomplex wird für das erfindungsgemäße Verfahren üblicherweise in Form von Konjugaten mit einer biologischen Substanz eingesetzt, wobei an die biologische Substanz mindestens ein Metallkomplex gekoppelt ist.

Beispiele für geeignete biologische Substanzen sind Zellen, Viren, subzelluläre Teilchen, Proteine, Lipoproteine, Glycoproteine, Peptide, Polypeptide, Nukleinsäuren, Oligosaccharide, Polysaccharide, Lipopolysaccharide, zelluläre Metaboliten, Haptene, Hormone, pharmakologische Wirkstoffe, Alkaloid, Steroide, Vitamine, Aminosäuren und Zucker.

Die Kopplung des Metallkomplexes mit der biologischen Substanz erfolgt vorzugsweise über eine reaktive oder aktivierbare funktionelle Gruppe am Metallkomplex, z. B. ein Carbonsäurehalogenid, ein Carbonsäureanhydrid oder einen Aktivester, wie etwa ein N-Hydroxy-Succinimidester, oder ein Maleimid, die mit einer funktionellen Gruppe der biologischen Substanz kovalent koppeln kann. Wenn die funktionelle Gruppe ein Carbonsäureanhydrid, Carbonsäurehalogenid oder Aktivester ist, kann

beispielsweise eine Kopplung mit freien Aminogruppen der biologischen Substanz erfolgen. Wenn die funktionelle Gruppe ein Maleimidrest ist, kann eine Kopplung mit freien SH-Gruppen der biologischen Substanz erfolgen.

Auf analoge Weise kann auch eine Aktivierung von funktionellen Gruppen der biologischen Substanz erfolgen, die anschließend beispielsweise mit einer freien Carbonsäure-, Amino-oder Thiolfunktion des Metallkomplexes reagieren können.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte (i) Oxidieren des Metallkomplexes und (ii) Reduzieren des Metallkomplexes. Die Oxidation des Zentralatoms des Metallkomplexes kann elektrochemisch oder chemisch erfolgen. Für die elektrochemische Oxidation wird ein für das jeweilige Metallion ausreichendes anodisches Potential an eine Elektrode angelegt. Für den Übergang Ru2+/Ru3+ beträgt dieses Potential vorzugsweise mindestens + 1,2 V, besonders bevorzugt + 1,2 bis + 1,4 V (bezogen auf eine Ag/AgCI-Referenzelektrode). Alternativ kann die Oxidation des Zentralatoms des Metallkomplexes auch chemisch erfolgen.

Beispiele für geeignete chemische Oxidationsmittel sind PbO2, Permanganat, Cer4+-Verbindungen oder/und Peroxodisulfate.

Bei einer vorhergehenden chemischen Oxidation findet die nachfolgende Reduktion vorzugsweise räumlich oder/und zeitlich getrennt statt, beispielsweise in zwei separaten Reaktionskammern, wobei in der ersten Reaktionskammer die Oxidation und in der zweiten Kammer die Reduktion durchgeführt wird. Vor der Reduktion wird vorzugsweise überschüssiges Oxidationsmittel entfernt, z. B. durch Wegführen oder/und-im Falle eines heterogenen Tests mit einer Festphasen-gebundenen Markierungsgruppe- durch Waschen der Festphase. Alternativ kann ein Überschuss des Oxidationsmittels auch von einer dritten Substanz zerstört werden.

Wird eine elektrochemische Oxidation des Metallkomplexes durchgeführt, kann das Verfahren in einer einzigen Kammer durchgeführt werden, in die

während des Reduktionsschrittes naszierender Wasserstoff erzeugt oder/und eingeleitet wird.

Der Reduktionsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Erzeugen von naszierendem Wasserstoff, um den oxidierten Metallkomlex in einen Zustand überzuführen, der die Emission eines Chemilumineszenzphotons erlaubt. Um eine möglichst hohe Effizienz der Reduktion zu erreichen, ist es bevorzugt, dass der naszierende Wasserstoff in unmittelbarer Nachbarschaft des Metallkomplexes, insbesondere in einem Abstand bis maximal 50 nm entsteht. Der naszierende Wasserstoff kann elektrochemisch, chemisch oder/und durch Ultraschall erzeugt werden. Die elektrochemische Erzeugung des naszierenden Wasserstoffs erfolgt vorzugsweise durch Anlegen einer Spannung von'-1, 0 V (bezogen auf eine Ag/AgCI-Referenzelektrode). Die chemische Erzeugung von naszierendem Wasserstoff kann durch bekannte Reagenzien, wie etwa Li/Butanol/H2SO4, Zn-Cu/Ethanol oder Zn/HCI, erfolgen. Die Erzeugung des naszierenden Wasserstoffs mittels Ultraschall erfolgt vorzugsweise durch Ablösen bzw. Herausschlagen von Wasserstoff-Radikalen aus organischen Verbindungen, insbesondere Alkylverbindungen. Die Ultraschallenergie liegt hierbei vorzugsweise im Bereich von 0,1-10 MHz, besonders bevorzugt bei ca. 1 MHz (Suslick & Price, Annu. Rev. Mater. Sci 29 (1999), 295 ; Mizik & Ries, Ann. NY Acad. Sci 899 (2000), 335).

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren umfasst zunächst eine chemische Oxidation des Metallkomplexes und anschließend eine elektrochemische Erzeugung von naszierendem Wasserstoff, z. B. in einer elektrochemischen Zelle, welche den naszierenden Wasserstoff in hoher Konzentration zur Verfügung stellt.

Beispiele für geeignete elektrochemische Zellen sind in EP-A-0 658 760 beschrieben. Auch bei dieser Ausführungsform ist es zweckmäßig, dass Oxidation und Erzeugung von naszierendem Wasserstoff in zwei getrennten Reaktionskammern erfolgen.

Weiterhin soll die vorliegende Erfindung durch das nachfolgende Beispiel erläutert werden : Beispiel Chemilumineszenz durch naszierenden Wasserstoff Ein Ruthenium (bipyridyl) 3-Komplex (mit einem Ru2+-Kation) wurde zu einem Ru3+-Komplex oxidiert. Hierzu wurde ein homogenes System aus Li/ Butanol/H2SO4 genutzt. In ein Gefäß PbO2 (Pulver) wurde konzentrierte Schwefelsäure gegeben. Hierüber wurde Butanol überschichtet. In dem Butanol war der Ru2+-Komplex in einer Konzentration von 1 mmol gelöst.

An der Grenzfläche zwischen H2SO4 und Butanol findet die Oxidation des Ru2+-Komlexes statt. Nach erfolgter Oxidation des Ru2+-Komplexes zu Ru3+ wurde Lithium zugegeben. An der Grenzfläche zwischen H2SO4 und Butanol wird dabei naszierender Wasserstoff gebildet. An dieser Grenzfläche wurde eine ausgeprägte Ruthenium-Chemilumineszenz beobachtet.

Auch bei elektrochemischer Oxidation von Ru3+ aus Ru2+ und anschließender Erzeugung von naszierendem Wasserstoff durch Li/Butanol/H2SO4 konnte Ru-Chemilumineszenz beobachtet werden.