Top Banner
Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) for the detection of fluoroquinolone antibiotic residues in chicken liver, prawn and milk Author: Zahid, Muhammad Publication Date: 2011 DOI: https://doi.org/10.26190/unsworks/15516 License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/au/ Link to license to see what you are allowed to do with this resource. Downloaded from http://hdl.handle.net/1959.4/51962 in https:// unsworks.unsw.edu.au on 2022-07-27
165

Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

Apr 22, 2023

Download

Documents

Khang Minh
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

Development of a specific enzyme linked immunosorbentassay (ELISA) for the detection of fluoroquinolone antibioticresidues in chicken liver, prawn and milk

Author:Zahid, Muhammad

Publication Date:2011

DOI:https://doi.org/10.26190/unsworks/15516

License:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/au/Link to license to see what you are allowed to do with this resource.

Downloaded from http://hdl.handle.net/1959.4/51962 in https://unsworks.unsw.edu.au on 2022-07-27

Page 2: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

  

 

 

Development of a Specific Enzyme Linked Immunosorbent Assay 

(ELISA) for the Detection of Fluoroquinolone Antibiotic Residues 

in Chicken Liver, Prawn and Milk  

 

Muhammad Zahid 

 

 

Thesis submitted in partial fulfilment of the requirement 

for the Degree of Master of Science (Research) 

 

 

 

 

School of Chemical Engineering 

The University of New South Wales 

April, 2011

Page 3: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

i  

ABSTRACT 

Extensive utilisation of  fluoroquinolones  (FQs)  in agricultural and aquacultural practices 

leads  to  two  major  food  safety  issues:  1)  the  issues  regarding  the  presence  of  FQs 

residues in food and 2) the development of FQs resistant bacteria in animals, which may 

be transferable to humans. This may have an  implication to human health,  in particular 

for the treatment of infection.  

This  thesis describes  the design  and  synthesis of novel haptens  for  (enrofloxacin) ENR, 

ciprofloxacin and norfloxacin,  the production of  specific antibodies, and  the  formatting 

and characterizing of an indirect competitive Enzyme‐Linked ImmunoSorbent Assay (ELISA) 

for  detection  of  ENR.  The  design  and  synthesis  of  FQs  haptens  involved  the  following 

approaches: 1)  synthesising ENR hapten by attaching a  tert‐butyl  linker on a  carboxylic 

group,  and  2)  synthesising  ciprofloxacin  and  norfloxacin  haptens  by  attaching  a  4‐

bromobutane  NHS  ester  and  bromocrotyl  NHS  ester  linkers  respectively  on  the 

piperazinyl moiety.  

Highly  specific  polyclonal  antibodies  were  generated  against  the  ENR‐Keyhole  Limpet 

Haemocyanine  (KLH)  conjugate.  The  optimized  ELISA  exhibited  higher  sensitivity  in  a 

homologous  assay  than  a  heterologous  assay,  suggesting  the  developed  antibody was 

extremely specific to ENR. The ELISA displayed an IC50 value of 11.7 µg L‐1 ± 1.7 with a limit 

of detection  (LOD) value of 2.4 µg L‐1 ± 0.4. High specificity of the developed assay was 

evidenced  by  low  cross‐reactivity  to  seven  structurally  related  FQs  compounds 

(danofloxacin,  enofloxacin,  sarafloxacin,  perfloxacin,  nalidixic  acid,  ciprofloxacin  and 

norfloxacin).  The  effects  of  surfactants  (Tween  20),  water  miscible  organic  solvent 

(methanol,  ethanol,  acetonitrile,  and  acetone)  and  pH  conditions  (5.5‐9.5)  were  also 

evaluated. Briefly, Tween 20 affected considerably on colour development, but not  the 

assay sensitivity. Of the solvents tested, up to 5% methanol showed no significant effects 

on  the  assay  sensitivity.  The  sample preparation were  also optimized  for milk,  chicken 

liver and prawn, yielding the recoveries between 64 (± 3) and 125 (± 8)%.  

This  ELISA will  be  particularly  useful  for  screening  ENR  residues  in  animal  and marine 

derived products to improve antibiotic safety in developing countries such as Indonesia.  

Page 4: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

ii  

ACKNOWLEDGEMENTS 

“In the name of ALLAH, the most gracious and merciful”

First and foremost I would like to express my sincerest gratitude to ALLAH SWT, my Lord 

and Cherisher, for guiding and blessing in every single step of my life. Indeed, without his 

help and will, nothing is accomplished. 

 

I  am  heartily  thankful  to my  supervisor,  Dr.  Nanju  Alice  Lee,  whose  encouragement, 

guidance and support from the very early to the final stage of this research, enabled me 

to develop an understanding of the subject as well as gave me extraordinary experiences 

throughout  the work. Her  encouragement  has  triggered  and  nourished my  intellectual 

maturity that I will benefit from. I am grateful in every possible way and hope to keep up 

our collaboration in the future. 

I gratefully acknowledge my co‐supervisor, A/Prof. Naresh Kumar for his advice, expertise, 

and  supervision.  It  has  been  an  honour  to  have  had  the  opportunity  to  work  in  his 

laboratory.  I  also  would  like  to  express my  gratitude  to  Dr.  George  Iskander  for  his 

involvement,  ideas,  research passion and crucial contribution has made him one of  the 

backbones of this research.  

Many thanks go to Dr. Victor Wong  for the precious time rendered  in proofreading this 

thesis,  including  the  critical  comments  and  scientific  ideas  forwarded.  I would  like  to 

thank Camillo Toraborelli for his technical assistance in the laboratory and his kindness in 

putting every requested chemical on my bench. 

Special  thanks also  to all  fellow researchers  in the Food Science and Nutrition Research 

laboratory,  School  of  Chemical  Engineering;  Eriyanto  Yusnawan, Maria  Veronica  Hoie, 

Karrie Kam, Yang  Lu, Kim‐Yen Phan‐Thien, Ebtihal Khodijah, Chatchaporn Uraipong and 

Norma Karim, as well as those who are affiliated with, the Organic Chemistry laboratory, 

School  of  Chemistry;  Samuel  Kutty,  Hakan  Kandemir,  Kitty  Ho,  Ren  Chen,  Rick  Zhang, 

Raymond  Chen,  Adeline  Lukmantara  and  Asep  Kurnia  Permana,  for  their  support, 

knowledge, sharing,  laughs, and even  tears.  I am  so grateful  to have you guys who are 

always around. You are such wonderful people and always make our  laboratory such an 

incredible place to be. 

Page 5: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

iii  

For financial assistance,  I would  like to express my deepest gratitude to AusAID through 

Australian Development Scholarship  (ADS)  for giving me a great opportunity to study at 

The University of New South Wales, Australia. Without this support, this research project 

would  have  been  impossible.  I  would  like  to  record  my  gratitude  to  the  Indonesian 

government, and more specifically, The National Veterinary Drug Assay Laboratory, The 

Ministry of Agriculture of Republic of Indonesia, for allowing me to improve my skills and 

knowledge through this research project in Australia. 

This  research  project would  not  have  been  possible without  the  support  of  numerous 

other people, so I offer my regards and blessings to all who supported me in any way for 

the duration of the project. 

Lastly,  I would  like  to dedicate  this  thesis  to my beloved  families and especially  for my 

beloved  wife;  Isnindar, my  little  angel; Maura  Thalita  Chairinniswa,  for  their  prayers, 

patience, understanding and endless love, throughout the duration of my studies.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 6: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

iv  

ABBREVIATIONS 

Ab‐ENR1  polyclonal antibody of ENR

Amax  maximum absorbance

APCI  atmospheric pressure chemical ionization

BSA  bovine serum albumin

cBSA  cationised‐bovine serum albumin

CBT  checkerboard titration

CDCl3  deuterated chloroform

CIP  ciprofloxacin

CIP1‐OA a conjugate of ciprofloxacin N‐hydroxysuccinimide ester and ovalbumin 

CIP2‐OA a conjugate of ciprofloxacin butyl N‐hydroxysuccinimide ester and ovalbumin 

CMC 1‐cyclohexyl‐3‐(2‐morphplinyl‐4‐ethyl) carbodiimide methyl p‐toluene sulfonate 

CNS  central nervous system

CV  coefficient of variation

D2O  deuterium oxide

DAD  diode array detection

DAN  danofloxacin

DCC  dicyclohexylcarbodiimide

DCM  dichloromethane

DEPT  distortionless enhancement by polarization transfer 

DIC  diisopropylcarbodiimide

DMAP  4‐dimethylaminopyridine

DMF  dimethylformamide

DMSO  dimethylsulfoxide

DNA  deoxyribonucleic acid

EDC  1‐ethyl‐3‐(3‐dimethyl‐aminopropyl) carbodiimide hydrochloride

Page 7: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

v  

ELISA  enzyme linked immunosorbent assay

ENO  enoxacin 

ENR  enrofloxacin

ENR1‐KLH a conjugate of ENR N‐hydroxysuccinimide ester and keyhole limpet haemocyanin 

ENR1‐OA  a conjugate of ENR N‐hydroxysuccinimide ester and ovalbumin

ENR2‐OA  conjugate of ENR acid and keyhole limpet haemocyanin 

ESI  electrospray ionization

EtOH  ethanol 

EU  European Union

FAO/WHO  Food and Agriculture Organisation/World Health Organisation

FCL  full cream liquid milk 

FCP  full cream milk powder

FG  fish gelatine

FLD  fluorescence detection

FLU  flumequine

FQs  fluoroquinolones

FSANZ  Food Standard Australia New Zealand

GAT  gatifloxacin

GC/MS  gas chromatography/mass spectrometry

GI  gastrointestinal

HAS  human albumin serum

HPLC  high performance liquid chromatography

HRMS  high resolution mass spectrometry

HRP  horseradish peroxidise

IBCF  isobutylchloroformate

Ig  immunoglobulin

IgG  immunoglobulin g

JEFCA  joint expert committee on food additives

Page 8: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

vi  

KLH  keyhole limpet haemocyanin

LC/MS  liquid chromatography mass spectrometry

LC/MS‐MS  liquid chromatography/tandem mass spectrometry 

LOD  limit of detection

LOQ  limit of quantification

LRMS  low resolution mass spectrometry

Lv1  chicken liver from an organic source

Lv2  chicken liver from Coles supermarket

Lv3  chicken liver from butcher

MAb  monoclonal antibody

MAR  marbofloxacin

MeOH  methanol 

MRLs  maximum residue limits

NaH  sodium hydride

NAL  nalidixic acid

NAL‐OA  a conjugate of nalidixic acid and ovalbumin

NHS  N‐hydroxysuccinimide

NMR  nuclear magnetic resonance

NOR  norfloxacin

NOR‐OA  a conjugate of norfloxacin and ovalbumin

NSAID  non steroid anti inflammatory drug

OFL  ofloxacin 

OA  ovalbumin 

OXO  oxolinic acid

PAb  polyclonal antibody

PBS  phosphate buffer saline

PEF  pefloxacin 

PEF‐OA  a conjugate of pefloxacin ovalbumin

Page 9: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

vii  

Pr1  local prawn

Pr2  Thai prawn

Pr3  Malaysian prawn

Rf  retardation factor

RO  reverse osmosis

SAR  sarafloxacin

SAR‐OA  a conjugate of sarafloxacin and ovalbumin

SARs  structure activity relationships

SD  standard deviation

SKL  skim milk liquid

SKP  skim milk powder

TEA  triethylamine

TFA  tetrafluoroacetic acid

TLC  thin layer chromatography

TMB  3,3’,5,5’‐tetramethylbenzidine

USP  the U.S. of pharmacopeia

UV  ultraviolet 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 10: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

viii  

TABLE OF CONTENTS 

ABSTRACT ....................................................................................................... I 

ACKNOWLEDGEMENTS ..................................................................................... II 

ABBREVIATIONS ............................................................................................. IV 

LIST OF FIGURES ........................................................................................... XIII 

LIST OF TABLES ............................................................................................. XX 

CHAPTER 1. INTRODUCTION .............................................................................. 1 

1.1BACKGROUND OF RESEARCH ................................................................................................. 1 

1.2 METHOD DEVELOPMENT FOR FLUOROQUINOLONE RESIDUES ..................................................... 3 

1.3 THE OBJECTIVES AND SIGNIFICANCE OF STUDY ......................................................................... 4 

CHAPTER 2. LITERATURE REVIEW ........................................................................ 5 

2.1. FLUOROQUINOLONE ANTIBACTERIAL AGENTS ......................................................................... 5 

2.1.1. Overview of quinolone .......................................................................................... 5 

Figure 2.1 Structure of 7‐chloro‐4‐quinoline (Nalidixic acid). ............................. 5 

2.1.2. Chemical structure of fluoroquinolone antibiotics ............................................... 5 

2.1.3. Generations of Quinolones ................................................................................... 7 

2.1.4. Mechanism of action ............................................................................................ 9 

2.1.5. Structure activity relationships of fluoroquinolones .......................................... 10 

2.1.6. Clinical use in animal and human ....................................................................... 10 

2.1.7 Fluoroquinolones used in this study .................................................................... 13 

2.1.7.2. ENR .............................................................................................................. 14 

2.1.7.3. Norfloxacin .................................................................................................. 15 

2.1.8. Pharmacokinetics and toxicity ........................................................................... 16 

2.1.7. Adverse effects and drug interactions ................................................................ 16 

2.2. PUBLIC HEALTH CONCERNS ............................................................................................... 18 

2.2.1. Food safety ......................................................................................................... 19 

2.2.2. Maximum residue limits (MRLs) ......................................................................... 19 

2.2.3. Fluoroquinolone resistant bacteria .................................................................... 22 

2.3 ANALYTICAL METHODS FOR DETECTING OF FLUOROQUINOLONES ANTIBIOTIC RESIDUES .................. 23 

2.3.1. Instrument‐based methods ................................................................................ 24 

2.3.1.1. High performance liquid chromatography (HPLC) ...................................... 24 

2.3.1.2. Liquid chromatography / mass spectrometry (LC/MS) and (LC‐MS/MS).... 25 

2.3.1.3. Gas Chromatography / Mass Spectrometry (GC/MS) ................................. 25 

2.3.2. Bioanalytical or immunochemical methods ....................................................... 27 

2.3.2.1. Immunoaffinity chromatography (IAC) ....................................................... 27 

Page 11: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

ix  

2.3.2.2. Biosensors/Immunosensors ........................................................................ 28 

2.3.2.3. Immunoassays ............................................................................................. 28 

2.4. ELISA (ENZYME‐LINKED IMMUNOSORBENT ASSAY) .............................................................. 30 

2.4.1. Principle .............................................................................................................. 30 

2.4.2 ELISA Format ....................................................................................................... 30 

2.5. DEVELOPMENT OF IMMUNOASSAY FOR FLUOROQUINOLONE ANTIBIOTICS .................................. 36 

2.5.1. Hapten design and synthesis .............................................................................. 36 

2.5.1.1. Selection of spacer arm point attachment for fluoroquinolone antibiotics 37 

2.5.1.2. Competing hapten to carrier protein ratio.................................................. 38 

2.5.1.3. Conjugation methods .................................................................................. 39 

2.5.1.3.1. Carboxylic groups .................................................................................. 40 

2.5.1.3.2. Amine groups ........................................................................................ 42 

2.5.2. Antibody production ........................................................................................... 43 

2.5.2.1. Overview ...................................................................................................... 43 

2.5.2.2. Polyclonal antibodies ................................................................................... 43 

2.5.2.3. Monoclonal antibodies ................................................................................ 44 

2.5.3. Immunoassay format ......................................................................................... 45 

2.5.4. Assay characterization ....................................................................................... 46 

2.5.4.1. Calibration curve ......................................................................................... 46 

2.5.4.2. Sensitivity, limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) ....... 46 

2.5.4.3. Specificity and cross reactivity .................................................................... 47 

2.5.4.4. Matrix interference ..................................................................................... 48 

2.5.4.5. Assay accuracy and precision ...................................................................... 49 

2.6 CONCLUSION .................................................................................................................. 49 

CHAPTER 3. HAPTEN SYNTHESIS ....................................................................... 51 

3.1 INTRODUCTION ............................................................................................................... 51 

3.2 MATERIALS AND INSTRUMENTATION ................................................................................... 53 

3.2.1 Materials and chemicals ..................................................................................... 53 

3.2.1.1 Materials ....................................................................................................... 53 

3.2.1.2 Chemicals ...................................................................................................... 53 

3.2.2 Equipment and instrumentation ......................................................................... 54 

3.2.2.1 Thin Layer Chromatography (TLC) ................................................................ 54 

3.2.2.2 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy ..................................... 54 

3.2.2.3 Mass Spectrometry ....................................................................................... 54 

3.3 HAPTEN SYNTHESIS .......................................................................................................... 54 

3.3.1 The attachment via carboxylic group of FQs as a spacer arm for ENR acid hapten

 ...................................................................................................................................... 55 

3.3.1.1 Synthesis of tert‐butyl 3‐(1‐cyclopropyl‐7‐(4‐ethylpiperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐

oxo‐1,4‐dihydroquinoline‐3‐carboxamido)propanoate, [ENRtert‐butyl], compound 

(1), scheme 1 ............................................................................................................ 55 

Page 12: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

x  

3.3.1.2 Synthesis of 3‐(1‐cyclopropyl‐7‐(4‐ethylpiperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐oxo‐1,4‐

dihydroquinoline‐3‐carboxamido)propanoic acid, [ENR acid], compound (2), 

scheme 2 ................................................................................................................... 55 

3.3.2 The spacer arm attachment via the piperazinyl moiety of ciprofloxacin to create 

ciprofloxacinbutyl NHS ester hapten ............................................................................ 57 

3.3.2.1 Synthesis of 4‐bromobutane NHS ester linker, compound (3), scheme 3 ... 57 

3.3.2.2 Synthesis of 1‐cyclopropyl‐7‐(4‐(4‐((2,5‐dioxopyrrolidin‐1‐

yl)oxy)butyl)piperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐oxo‐1,4‐dihydroquinoline‐3‐carboxylic acid, 

[ciprofloxacin butyl NHS ester hapten], compound (4), scheme 4 .......................... 58 

3.3.3 The spacer arm attachment via piperazinyl moiety of norfloxacin to form 

norfloxacin crotyl NHS ester ......................................................................................... 59 

3.3.3.1 Synthesis of 4‐bromocrotonic acid compound (5), scheme 5 ...................... 60 

3.3.3.2 Synthesis of bromocrotyl NHS ester linker, compound (6), scheme 6 ........ 60 

3.3.3.3 Synthesis of (E)‐7‐(4‐(4‐((2,5‐dioxopyrrolidin‐1‐yl)oxy)‐4‐oxobut‐2‐en‐1‐

yl)piperazin‐1‐yl)‐1‐ethyl‐6‐fluoro‐4‐oxo‐1,4‐dihydroquinoline‐3‐carboxylic acid 

[Norfloxacincrotyl NHS ester hapten], compound (7), scheme 7 ............................ 60 

3.4 RESULT AND DISCUSSION ................................................................................................... 62 

3.4.1 Hapten selection and synthesis ........................................................................... 62 

3.4.2 ENR acid hapten synthesis................................................................................... 63 

3.4.2.1 Synthesis of tert‐butyl 3‐(1‐cyclopropyl‐7‐(4‐ethylpiperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐

oxo‐1,4‐dihydroquinoline‐3‐carboxamido)propanoate, ENR tert‐butyl .................. 63 

3.4.2.2 Synthesis of 3‐(1‐cyclopropyl‐7‐(4‐ethylpiperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐oxo‐1,4‐

dihydroquinoline‐3‐carboxamido)propanoic acid, ENR acid hapten ....................... 65 

3.4.3 Ciprofloxacin bromobutane NHS ester hapten synthesis .................................... 65 

3.4.3.1 Synthesis of (1‐(4‐bromobutoxy)pyrrolidine‐2,5‐dione), 4‐bromobutane 

NHS ester linker ........................................................................................................ 66 

3.4.3.2. Synthesis of (1‐cyclopropyl‐7‐(4‐(4‐((2,5‐dioxopyrrolidin‐1‐yl)oxy)butyl) 

piperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐oxo‐1,4‐dihydroquinoline‐3‐carboxylic acid), 

ciprofloxacin butane NHS ester hapten ................................................................... 66 

3.4.4 Norfloxacin crotyl NHS ester hapten synthesis ................................................... 68 

3.4.4.1 Synthesis of 4‐bromocrotonic acid ............................................................... 69 

3.4.4.2 Synthesis of bromocrotyl NHS ester linker ................................................... 69 

3.4.4.3 Synthesis of norfloxacin crotyl NHS ester hapten ........................................ 70 

3.5 CONCLUSION .................................................................................................................. 70 

CHAPTER 4. DEVELOPMENT OF THE SPECIFIC ENR ELISA (ENR‐ELISA) ........................ 71 

4.1 INTRODUCTION ............................................................................................................... 71 

4.2 MATERIALS AND METHODS ................................................................................................ 73 

4.2.1 Materials and Instrumentation ........................................................................... 73 

4.2.1.1 Materials ....................................................................................................... 73 

4.2.1.2 Instruments .................................................................................................. 73 

4.2.2 Antibody production and characterization ......................................................... 73 

Page 13: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xi  

4.2.2.1 Preparation of conjugates of hapten and carrier proteins or enzyme ........ 73 

4.2.2.2 Immunisation and antibody production ...................................................... 74 

4.2.2.3 Purification of Rabbit IgG ............................................................................. 75 

4.2.2.4 Determining antibody concentration ........................................................... 75 

4.2.2.5 Determining optimum working concentration by checkerboard titration .. 75 

4.2.2.6 Determining Sensitivity ................................................................................ 76 

4.2.2.6.1 Preparation of standard solution ........................................................... 76 

4.2.2.6.2 Indirect Competitive ELISA protocol ...................................................... 76 

4.2.2.6.3 Determination of standard curve parameter ........................................ 77 

4.2.2.7 Optimisation of ENR ELISA conditions .......................................................... 78 

4.2.2.7.1 The effect of antiserum diluents ........................................................... 78 

4.2.2.7.2 The effect of organic solvents ................................................................ 78 

4.2.2.7.3. The effect of buffer solutions (pH conditions) ..................................... 78 

4.2.2.8 Determining specificity ................................................................................. 78 

4.2.2.9 Study of Matrix Effects ................................................................................. 79 

4.2.2.9.1 Animal and marine product samples ..................................................... 79 

4.2.2.9.2 Protocol for sample extraction of chicken liver and prawn .................. 79 

4.2.2.9.3 Protocol for matrix effect determination of milk .................................. 80 

4.2.3 Spiking and recovery studies ............................................................................... 80 

4.2.3.1 Protocol for spiking of chicken liver and prawn with ENR ........................... 80 

4.2.3.2 Protocol for spiking of milk with ENR ........................................................... 80 

4.3 RESULTS AND DISCUSSION ................................................................................................. 81 

4.3.1 Antibody production and optimal concentration of ENR1 antiserum ................. 81 

4.3.2 Antibody characterisation ................................................................................... 82 

4.3.2 Assay Sensitivity .................................................................................................. 84 

4.3.3 Evaluation of assay parameters (IC80, IC50, IC20 and maximum absorbance) ..... 85 

4.3.4 Characteristics of ENR ELISA ................................................................................ 87 

4.3.4.1 Assay specificity ............................................................................................ 87 

4.3.4.2 Assay Optimisation ....................................................................................... 90 

4.3.4.2.1 Effects of diluents .................................................................................. 91 

4.3.4.2.2 Effects of organic solvents ................................................................ 93 

4.3.4.2.3 Effect of pH ............................................................................................ 99 

4.3.5 Matrix Interferences .......................................................................................... 100 

4.3.5.1 Effect of matrix in milk ............................................................................... 101 

4.3.5.2 Effect of matrix in chicken liver and shrimp samples ................................. 110 

*Extraction solvent is 50 mM NaOH:MeOH:PBS=1:9:90. Each value represents 

the mean of triplicates (n=3) with a standard deviation (SD). *no significant 

difference with PBS. ^significant difference with extraction solvent (control)

 ......................................................................................................................... 111 

4.3.6 Recovery studies ................................................................................................ 122 

4.3.7 Linear regression of spiking and recoveries ...................................................... 126 

CHAPTER 5. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS ....................................... 130 

Page 14: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xii  

5.1 CONCLUSIONS ............................................................................................................... 130 

5.2. RECOMMENDATIONS ..................................................................................................... 132 

REFERENCES ............................................................................................... 133 

 

   

Page 15: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xiii  

LIST OF FIGURES 

FIGURE 2.1 STRUCTURE OF 7‐CHLORO‐4‐QUINOLINE (NALIDIXIC ACID)...............................5 

FIGURE 2.2 GENERAL CHEMICAL STRUCTURE OF A FQ.........................................................6 

FIGURE 2.3 CHEMICAL STRUCTURE OF CIPROFLOXACIN.....................................................13 

FIGURE 2.4 CHEMICAL STRUCTURE OF ENR........................................................................14 

FIGURE 2.5 CHEMICAL STRUCTURE OF NORFLOXACIN.......................................................15 

FIGURE 2.6 SCHEMATIC PRESENTATION OF AN INDIRECT COMPETITIVE ELISA.................32 

FIGURE  2.7  AN  IMMUNOGEN  IS  MADE  BY  COUPLING  A  HAPTEN  WITH  A  CARRIER 

MOLECULE USING A CONJUGATION REAGENT...................................................................37 

FIGURE  2.8  REACTION  OF  A  CARBOXYLIC  ACID  WITH  A  CHLORFORMATE  FORMS  AN 

AMINE‐REACTIVE MIXED ANHYDRIDE.................................................................................41 

FIGURE  2.9  REACTION  OF  A  CARBOXYLIC  ACID  WITH  CARBODIIMIDE  FORMS  AN  O‐

ACYLISOUREA......................................................................................................................42 

FIGURE 2.10 REACTION OF A CARBOXYLIC ACID GROUP WITH CARBODIIMIDE‐NHS FORMS 

AN ACTIVE‐SUCCINIMIDE ESTER.........................................................................................43 

FIGURE 3.1 FQ DRUGS USED IN SYNTHESISING HAPTENS...................................................53 

FIGURE 3.2 POINT OF THE ATTACHMENT OF LINKERS ON FQ ANTIBIOTICS.......................54 

FIGURE 3.3 THE CHEMICAL STRUCTURE OF TERT‐BUTYL ENR HAPTEN……………………………65 

FIGURE 3.4 THE CHEMICAL STRUCTURE OF ENR ACID HAPTEN..........................................67 

FIGURE 3.5 THE CHEMICAL STRUCTURE OF 4‐BROMOBUTANE NHS ESTER LINKER...........68 

FIGURE 3.6 THE CHEMICAL STRUCTURE OF CIPROFLOXACIN BUTANE NHS ETHER  

HAPTEN...............................................................................................................................68 

FIGURE 3.7 SYNTHESIS OF CIPROFLOXACIN BUTANE NHS ETHER HAPTEN CATALYSED BY 

TEA......................................................................................................................................69 

FIGURE 3.8  SYNTHESIS OF CIPROFLOXACIN BROMO NHS ETHER HAPTEN CATALYSED BY 

K2CO3...................................................................................................................................70 

FIGURE 3.9 THE CHEMICAL STRUCTURE OF 4‐BROMOCROTONIC ACID.............................71 

FIGURE 3.10 THE CHEMICAL STRUCTURE BROMOCROTYL NHS ESTER...............................71 

FIGURE 4.1 THE SCHEMATIC REACTION OF ENR HAPTEN‐PROTEIN CONJUGATION...........76 

FIGURE  4.2  SCHEMATIC  PRESENTATION  OF  AN  INDIRECT  COMPETITIVE  ELISA  FOR 

ENR......................................................................................................................................79 

FIGURE 4.3 TITRATION CURVE OF ABENR1‐KLH AGAINST ENR1‐OA FROM SIX DIFFERENT 

Page 16: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xiv  

BLEEDS (FIRST BLEED TO SIXTH BLEED) BY AN INDIRECT ELISA FORMAT............................84 

FIGURE 4.4 TITRATION CURVES OF ABENR1‐KLH#1 (FROM BLEED#1) AGAINST THE EIGHT 

HAPTEN‐PROTEIN CONJUGATES  (PEF‐OA, SAR‐OA, ENR2‐OA, NOR‐OA, NAL‐OA, CIP2‐OA, 

CIP1‐OA AND ENR1‐OA).....................................................................................................85 

FIGURE 4.5 CALIBRATION CURVES FOR ABENR1‐KLH (AVERAGE OF 25 ANALYSES) BASED 

ON THE ABSORBANCE () VS ENR CONCENTRATION AND THE %  INHIBITION () VS ENR 

CONCENTRATION  USING  THE  OPTIMISED  CONCENTRATIONS  OF  ANTI‐ENR  ANTIBODIES 

AND IMMOBILISED ENRANTIGENWITH AN IC50 VALUE OF 11.8µG L‐1 ± 1.7 AND LOD 2.4 µG 

L‐1± 0.4. ± REPRESENTS STANDARD DEVIATION……………………………………………………………….88 

FIGURE  4.6 %CV OF  THE ABSORBANCE  () AND  THE %  INHIBITION  ()  BASED ON AN 

AVERAGE OF 25 ANALYSES.................................................................................................89 

FIGURE 4.7 PLOT OF IC20 (), IC50 () AND IC80 () VALUES OF THE 25 STANDARD CURVES.. 

THE MIDDLE  SOLID  LINES  INDICATE  THE  AVERAGE  VALUES OF  IC20,  IC50  AND  IC80.  THE 

DOTTED  LINES  INDICATE  THE  UPPER  AND  LOWER  LIMITS  OF  STANDARD  DEVIATION; 

SD........................................................................................................................................89 

FIGURE 4.8 EFFECTS OF DILUENTS (PBS, 1% FG‐PBS, 1% FG‐PBS + 0.05% TWEEN 20 AND 1% 

FG‐PBS  +  0.1%  TWEEN  20)  ON  COLOUR  DEVELOPMENT  OF  THE  ELISA  BASED  ON 

ABENR1‐KLH.  EACH  VALUE  REPRESENTS  A  MEAN  OF  TRIPLICATES  (N=3)  WITH  A 

STANDARD DEVIATION  (SD) VALUE OF PBS, 1%  FG‐PBS, 1%  FG‐PBS + 0.05% TWEEN 20 

AND  1%  FG‐PBS  +  0.1%  TWEEN  20  WAS  0.01,  0.02,  0.02  AND  0.01,  RESPECTIVELY. 

STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST ( = 0.05)...................................94 

FIGURE 4.9 STANDARD CURVES OF ENR IN DIFFERENT DILUENTS (PBS, 1% FG‐PBS, 1% FG‐

PBS + 0.05% TWEEN 20 AND 1% FG‐PBS + 0.1% TWEEN 20). EACH VALUE REPRESENTS THE 

MEAN OF TRIPLICATES (N=3) WITH A STANDARD DEVIATION (SD) VALUE OF PBS, 1% FG‐

PBS, 1% FG‐PBS + 0.05% TWEEN 20 AND 1% FG‐PBS + 0.1% TWEEN 20 WAS 1.5, 3.4, 0.8 

AND  0.7,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL  ANALYSIS WAS  CALCULATED  USING  T‐TEST  (  = 

0.05)....................................................................................................................................95 

FIGURE  4.10  EFFECTS  OF  METHANOL  (5%  MEOH,  10%  MEOH  AND  20%  MEOH)  ON 

COLOUR DEVELOPMENT OF  THE  ENR1‐ELISA.  EACH VALUE  REPRESENTS  THE MEAN OF 

TRIPLICATES  (N=3) WITH A  STANDARD DEVIATION  (SD) VALUE OF PBS, 5% MEOH, 10% 

MEOH  AND  20%  MEOH  WAS  0.01,  0.01,  0.02  AND  0.01,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL 

ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05).......................................................96 

Page 17: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xv  

FIGURE 4.11 STANDARD CURVES OF ENR DISSOLVED IN DIFFERENT CONCENTRATIONS OF 

METHANOL  (5% MEOH,  10% MEOH  AND  20% MEOH).  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE 

MEAN  OF  TRIPLICATES  (N=3) WITH  A  STANDARD  DEVIATION  (SD)  VALUE  OF  PBS,  5% 

MEOH,  10%  MEOH  AND  20%  MEOH  WAS  1.1,  0.9,  4.7  AND  0.8,  RESPECTIVELY. 

STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)...................................96 

FIGURE 4.12 EFFECTS OF ACETONITRILE  (5% ACETONITRILE, 10% ACETONITRILE AND 20% 

ACETONITRILE)  ON  COLOUR  DEVELOPMENT.  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE  MEAN  OF 

TRIPLICATES (N=3) WITH A STANDARD DEVIATION (SD) VALUE OF PBS, 5% ACETONITRILE, 

10% ACETONITRILE AND 20% ACETONITRILE WAS 0.03, 0.03, 0.03 AND 0.02, RESPECTIVELY. 

STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)..................................97 

FIGURE  4.13  STANDARD  CURVES  OF  ENR  IN  DIFFERENT  CONCENTRATIONS  OF 

ACETONITRILE  (5%  ACETONITRILE,  10%  ACETONITRILE  AND  20%  ACETONITRILE).  EACH 

VALUE REPRESENTS THE MEAN OF TRIPLICATES (N=3) WITH A STANDARD DEVIATION (SD) 

OF PBS, 5% ACETONITRILE, 10% ACETONITRILE AND 20% ACETONITRILE WAS 0.2, 12.4, 2.2 

AND  3.6,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL  ANALYSIS WAS  CALCULATED  USING  T‐TEST  (Α  = 

0.05)....................................................................................................................................97 

FIGURE 4.14 EFFECTS OF ACETONE (5% ACETONE, 10% ACETONE AND 20% ACETONE) ON 

COLOUR  DEVELOPMENT.  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE MEAN  OF  TRIPLICATES  (N=3) 

WITH  A  STANDARD  DEVIATION  (SD)  OF  PBS,  5%  ACETONE,  10%  ACETONE  AND  20% 

ACETONE WAS  0.07,  0.03,  0.02  AND  0.04,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL  ANALYSIS WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)................................................................................98 

FIGURE 4.15 STANDARD CURVES OF ENR IN DIFFERENT CONCENTRATIONS OF ACETONE (5% 

ACETONE, 10% ACETONE AND 20% ACETONE). EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF 

TRIPLICATES  (N=3)  WITH  A  STANDARD  DEVIATION  (SD)  OF  PBS,  5%  ACETONE,  10% 

ACETONE  AND  20%  ACETONE WAS  2.2,  3.7,  1.8  AND  5.1,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL 

ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)........................................................98 

FIGURE 4.16 EFFECTS OF ETHANOL (5% ETHANOL, 10% ETHANOL AND 20% ETHANOL) ON 

COLOUR DEVELOPMENT OF  THE  ENR1‐ELISA.  EACH VALUE  REPRESENTS  THE MEAN OF 

TRIPLICATES (N=3) WITH A STANDARD DEVIATION (SD) OF PBS, ETOH 5%, ETOH 10% AND 

ETOH  20% WAS  0.03,  0.01,  0.01 AND  0.03,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL ANALYSIS WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)................................................................................99 

Page 18: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xvi  

FIGURE 4.17 STANDARD CURVES OF ENR IN DIFFERENT CONCENTRATIONS OF ETHANOL (5% 

ETHANOL,  10%  ETHANOL  AND  20%  ETHANOL)  FOR  ENR1‐ELISA  AND  EACH  VALUE 

REPRESENTS THE MEAN OF TRIPLICATES (N=3) WITH A STANDARD DEVIATION (SD) OF PBS, 

ETOH  5%,  ETOH  10%  AND  ETOH  20%  WAS  1.9,  4.1,  2.5  AND  3.4,  RESPECTIVELY. 

STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)...................................99 

FIGURE  4.18  EFFECTS  OF  THE  PH  ON  THE  ENR1‐ELISA.  THE  CIRCLE  INDICATES 

ABSORBANCE AND THE TRIANGLE INDICATES IC50 VALUES AGAINST PH AND EACH VALUE 

REPRESENTS  A MEAN OF  TRIPLICATES  (N=3) OF  PH  5.5,  6.5,  7.5,  8.5  AND  9.5 WITH  A 

STANDARD  DEVIATION  (SD)  VALUE  WAS  4.5,  0.8,  0.1,  4.5  AND  0.6,  RESPECTIVELY. 

STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05).................................102 

FIGURE 4.19 EFFECTS OF SKIM MILK LIQUID (SKL), DILUTED 1:5, 1:10 AND 1:20 WITH PBS 

ON COLOUR DEVELOPMENT. EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF TRIPLICATES (N=3) 

WITH A STANDARD DEVIATION (SD) VALUE OF PBS, DILUTED SKL 1:5, 1:10 AND 1:20 WITH 

PBS  WAS  0.01,  0.04,  0.01  AND  0.04,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL  ANALYSIS  WAS 

CALCULATES USING T‐TEST (Α = 0.05).............................................................................104 

FIGURE 4.20 STANDARD CURVES OF ENR DISSOLVED IN SKIM MILK LIQUID (SKL), DILUTED 

1:5, 1:10 AND 1:20 WITH PBS.EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF TRIPLICATES (N=3) 

WITH STANDARD DEVIATION (SD) VALUE OF PBS, DILUTED SKL 1:5, 1:10 AND 1:20 WITH 

PBS WAS 0.8, 1.7, 1.2 AND 0.6, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED 

USING T‐TEST (Α = 0.05)....................................................................................................104 

FIGURE 4.21 EFFECTS OF SKIM MILK POWDER  (SKP), DILUTED 1:5, 1:10 AND 1:20 WITH 

PBS,  ON  COLOUR  DEVELOPMENT  OF  THE  ENR1‐ELISA.  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE 

MEAN OF TRIPLICATES (N=3) WITH STANDARD DEVIATION (SD) OF PBS, DILUTED SKP 1:5, 

1:10  AND  1:20 WITH  PBS WAS  0.01,  0.04,  0.01  AND  0.04,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL 

ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)......................................................105 

FIGURE 4.22 STANDARD CURVES OF ENR DISSOLVED  IN SKIM MILK POWDER  (SKP), 1:5, 

1:10 AND  1:20 WITH  PBS.  EACH VALUE REPRESENTS  THE MEAN OF  TRIPLICATES  (N=3) 

WITH A STANDARD DEVIATION (SD) OF PBS, DILUTED SKP 1:5, 1:10 AND 1:20 WITH PBS 

WAS  0.7,  1.6,  1.2  AND  0.6,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL  ANALYSIS  WAS  CALCULATED 

USING T‐TEST (Α = 0.05)...................................................................................................105 

FIGURE 4.23 EFFECTS OF  FULL CREAM MILK  LIQUID  (FCL), DILUTED 1:5, 1:10 AND 1:20 

WITH PBS ON COLOUR DEVELOPMENT OF THE ENR1‐ELISA. EACH VALUE REPRESENTS THE 

Page 19: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xvii  

MEAN OF TRIPLICATES (N=3) WITH A STANDARD DEVIATION (SD) OF PBS, DILUTED FCL 1:5, 

1:10  AND  1:20 WITH  PBS WAS  0.01,  0.04,  0.01  AND  0.04,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL 

ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05).....................................................106 

FIGURE 4.24 STANDARD CURVES OF ENR DISSOLVED  IN FULL CREAM MILK LIQUID (FCL), 

DILUTED 1:5, 1:10 AND 1:20. EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF TRIPLICATES (N=3) 

WITH A STANDARD DEVIATION  (SD) OF PBS, DILUTED FCL 1:5, 1:10 AND 1:20 WITH PBS 

WAS  0.8,  1.7,  1.2  AND  0.6,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL  ANALYSIS  WAS  CALCULATED 

USING T‐TEST (Α = 0.05)....................................................................................................106 

FIGURE 4.25 EFFECTS OF FULL CREAM MILK POWDER (FCP), DILUTED 1:5, 1:10 AND 1:20 

WITH  PBS  ON  COLOUR  DEVELOPMENT.  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE  MEAN  OF 

TRIPLICATES  (N=3) WITH A  STANDARD DEVIATION  (SD) OF PBS, DILUTED  FCP  1:5,  1:10 

AND 1:20 WITH PBS WAS 0.01, 0.04, 0.01 AND 0.04, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS 

WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)......................................................................107 

FIGURE 4.26 STANDARD CURVES OF ENR DISSOLVED IN FULL CREAM MILK POWDER (FCP), 

DILUTED  1:5,  1:10  AND  1:20  WITH  PBS.  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE  MEAN  OF 

TRIPLICATES  (N=3) WITH A  STANDARD DEVIATION  (SD) OF PBS, DILUTED  FCP  1:5,  1:10 

AND 1:20 WITH PBS WAS 1.1, 1.2, 0.9, 1.3, RESPECTIVELY.  STATISTICAL ANALYSIS WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)..............................................................................107 

FIGURE  4.27  EFFECTS  OF  SKIM  MILK  LIQUID  (SKL)  AND  SKIM  MILK  POWDER  (SKP), 

DILUTED 1:10 WITH PBS, ON COLOUR DEVELOPMENT OF THE ENR1‐ELISA. EACH VALUE 

REPRESENTS THE MEAN OF FIVE REPLICATES  (N=5) WITH A STANDARD DEVIATION  (SD) 

VALUE OF PBS, DILUTED SKL AND SKP 1:10 WITH PBS WAS 0.1, 0.2 AND 0.2, RESPECTIVELY. 

STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05).................................109 

FIGURE  4.28  STANDARD  CURVES OF  ENR  IN  SKIM MILK  LIQUID  (SKL)  AND  SKIM MILK 

POWDER  (SKP), DILUTED 1:10 WITH PBS. EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF FIVE 

REPLICATES (N=5) WITH A STANDARD DEVIATION (SD) VALUE OF PBS, DILUTED SKL AND 

SKP  1:10 WITH  PBS WAS  1.2,  2.5  AND  2.8,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL ANALYSIS WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)..............................................................................110 

FIGURE 4.29 EFFECT OF FULL CREAM MILK LIQUID (FCL) AND FULL CREAM MILK POWDER 

(FCP), DILUTED 1:10 WITH PBS, ON COLOUR DEVELOPMENT. EACH VALUE REPRESENTS 

THE  MEAN  OF  FIVE  REPLICATES  (N=5)  WITH  A  STANDARD  DEVIATION  (SD)  OF  PBS, 

Page 20: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xviii  

DILUTED SKL AND SKP 1:10 WITH PBS WAS 0.1, 0.2 AND 0.1, RESPECTIVELY. STATISTICAL 

ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)......................................................110 

FIGURE 4.30 STANDARD CURVES OF ENR DISSOLVED  IN FULL CREAM MILK LIQUID  (FCL) 

AND  FULL  CREAM  MILK  POWDER  (FCP),  DILUTED  1:10  WITH  PBS.  EACH  VALUE 

REPRESENTS THE MEAN OF FIVE REPLICATES (N=5) WITH A STANDARD DEVIATION (SD) OF 

PBS,  DILUTED  SKL  AND  SKP  1:10  WITH  PBS  WAS  1.6,  2.0  AND  2.0,  RESPECTIVELY. 

STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05).................................111 

FIGURE  4.31  EFFECTS  OF  CHICKEN  LIVER  (COLES,  LV2),  DILUTED  1:20  WITH  PBS,  ON 

COLOUR  DEVELOPMENT.  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE MEAN  OF  TRIPLICATES  (N=3) 

WITH  A  STANDARD  DEVIATION  (SD)  VALUE  OF  PBS,  EXTRACTION  SOLVENT  AND 

EXTRACTED LIVER WAS 0.03, 0.04 AND 0.03, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)..............................................................................113 

FIGURE 4.32 STANDARD CURVES OF ENR DISSOLVED IN CHICKEN LIVER EXTRACT (COLES, 

LV2).  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE MEAN OF  TRIPLICATES  (N=3) WITH  A  STANDARD 

DEVIATION  (SD) VALUE OF PBS, EXTRACTION SOLVENT AND EXTRACTED LIVER WAS 0.8, 

0.9 AND 0.6, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 

0.05)..................................................................................................................................114 

FIGURE  4.33  EFFECTS  OF  LOCAL  PRAWN  EXTRACT  (PR1)  ON  COLOUR  DEVELOPMENT. 

EACH  VALUE  REPRESENTS  THE  MEAN  OF  TRIPLICATES  (N=3)  WITH  A  STANDARD 

DEVIATION (SD) VALUE OF PBS, EXTRACTION SOLVENT AND EXTRACTED LIVER WAS 0.02, 

0.01 AND 0.01, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α 

= 0.05)...............................................................................................................................114 

FIGURE  4.34  STANDARD  CURVES  OF  ENR  DISSOLVED  IN  THE  LOCAL  PRAWN  EXTRACT 

(PR1).  EACH VALUE REPRESENTS  THE MEAN OF  TRIPLICATES  (N=3) WITH A  STANDARD 

DEVIATION  (SD) VALUE OF PBS, EXTRACTION SOLVENT AND EXTRACTED LIVER WAS 0.7, 

3.1 AND 1.8, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 

0.05)..................................................................................................................................115

FIGURE  4.35  EFFECTS OF ORGANIC  CHICKEN  LIVER  (LV1), DILUTED  1:50 WITH  PBS, ON 

COLOUR DEVELOPMENT. EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF FIVE REPLICATES (N=5) 

WITH  A  STANDARD  DEVIATION  (SD)  VALUE  OF  PBS,  EXTRACTION  SOLVENT,  AND 

EXTRACTED  ORGANIC  CHICKEN  LIVER  (LV1)  WAS  0.2,  0.1  AND  0.2,  RESPECTIVELY. 

STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05).................................117 

Page 21: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xix  

FIGURE 4.36 STANDARD CURVES OF ENR DISSOLVED IN ORGANIC CHICKEN LIVER EXTRACT 

(LV1).  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE MEAN OF  REPLICATES  (N=5) WITH  A  STANDARD 

DEVIATION  (SD)  VALUE  OF  PBS,  EXTRACTION  SOLVENT,  AND  EXTRACTED  ORGANIC 

CHICKEN LIVER  (LV1) WAS 2.2, 0.8 AND 0.8, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)..............................................................................117 

FIGURE  4.37  EFFECTS OF  CHICKEN  LIVER  EXTRACT  (LV2), DILUTED  1:50 WITH  PBS, ON 

COLOUR DEVELOPMENT. EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF FIVE REPLICATES (N=5) 

WITH  A  STANDARD  DEVIATION  (SD)  OF  PBS,  EXTRACTION  SOLVENT,  AND  EXTRACTED 

CHICKEN LIVER  (LV2) WAS 0.2, 0.2 AND 0.2, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)............................................................................118 

FIGURE 4.38  STANDARD CURVES OF ENR DISSOLVED  IN CHICKEN  LIVER EXTRACT  (LV2), 

DILUTED 1:50 WITH PBS. EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF FIVE REPLICATES (N=5) 

WITH  A  STANDARD  DEVIATION  (SD)  OF  PBS,  EXTRACTION  SOLVENT,  AND  EXTRACTED 

CHICKEN LIVER  (LV2) WAS 2.6, 2.9 AND 2.0, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)..............................................................................118 

FIGURE  4.39  EFFECTS OF  CHICKEN  LIVER  EXTRACT  (LV3), DILUTED  1:50 WITH  PBS, ON 

COLOUR DEVELOPMENT. EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF FIVE REPLICATES (N=5) 

WITH  A  STANDARD  DEVIATION  (SD)  OF  PBS,  EXTRACTION  SOLVENT,  AND  EXTRACTED 

CHICKEN LIVER  (LV2) WAS 0.2, 0.2 AND 0.2, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)..............................................................................119 

FIGURE  4.40  STANDARD  CURVES  OF  ENR  DISSOLVED  INA  CHICKEN  LIVER  EXTRACT 

(LV3).EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF FIVE REPLICATES (N=5) WITH A STANDARD 

DEVIATION  (SD) OF PBS,  EXTRACTION  SOLVENT, AND  EXTRACTED CHICKEN  LIVER  (LV3) 

WAS 5.4, 4.7 AND 3.5, RESPECTIVELY. STATISTICAL ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐

TEST (Α = 0.05)...................................................................................................................119 

FIGURE  4.41  EFFECTS OF  LOCAL  PRAWN  EXTRACT  (PR1), DILUTED  1:50 WITH  PBS, ON 

COLOUR DEVELOPMENT. EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF FIVE REPLICATES (N=5) 

WITH  A  STANDARD  DEVIATION  (SD)  OF  PBS,  EXTRACTION  SOLVENT,  AND  EXTRACTED 

PRAWN  (PR1)  WAS  0.2,  0.2  AND  0.2,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL  ANALYSIS  WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)..............................................................................120 

FIGURE 4.42 STANDARD CURVES OF ENR  IN LOCAL PRAWN EXTRACT (PR1). EACH VALUE 

REPRESENTS THE MEAN OF FIVE REPLICATES (N=5) WITH A STANDARD DEVIATION (SD) OF 

Page 22: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xx  

PBS, EXTRACTION SOLVENT, AND EXTRACTED LOCAL PRAWN (PR1) WAS 6.3, 2.7 AND 3.6, 

RESPECTIVELY.  STATISTICAL  ANALYSIS  WAS  CALCULATED  USING  T‐TEST  (Α  = 

0.05)..................................................................................................................................120 

FIGURE 4.43 EFFECTS OF PRAWN FROM COLES SUPERMARKET  (PR2), EXTRACT DILUTED 

1:50 WITH PBS ON COLOUR DEVELOPMENT. EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF FIVE 

REPLICATES  (N=5) WITH A STANDARD DEVIATION  (SD) PBS, EXTRACTION SOLVENT, AND 

EXTRACTED  LOCAL  PRAWN  (PR2)  WAS  0.1,  0.1  AND  0.1  RESPECTIVELY.  STATISTICAL 

ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)......................................................121 

FIGURE 4.44 STANDARD CURVES OF ENR IN AN EXTRACT FROM THE PRAWN PURCHASED 

FROM  COLES  SUPERMARKET  (PR2).  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE  MEAN  OF  FIVE 

REPLICATES  (N=5) WITH A STANDARD DEVIATION  (SD) PBS, EXTRACTION SOLVENT, AND 

EXTRACTED PRAWN  (PR2) WAS 2.2, 1.6 AND 2.5, RESPECTIVELY.  STATISTICAL ANALYSIS 

WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)......................................................................121 

FIGURE  4.45  EFFECTS  OF  EXTRACT  FROM  THE  PRAWN  PURCHASED  FROM  A  LOCAL 

BUTCHER  (PR3) ON  COLOUR DEVELOPMENT.  EACH  VALUE  REPRESENTS  THE MEAN OF 

FIVE REPLICATES  (N=5) WITH A STANDARD DEVIATION  (SD) PBS, EXTRACTION SOLVENT, 

AND  EXTRACTED  PRAWN  (PR3)  WAS  0.1,  0.1  AND  0.1,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL 

ANALYSIS WAS CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)......................................................122 

FIGURE 4.46 STANDARD CURVES OF ENR IN AN EXTRACT FROM THE PRAWN PURCHASED 

FROM A LOCAL BUTCHER (PR3). EACH VALUE REPRESENTS THE MEAN OF FIVE REPLICATES 

(N=5) WITH A STANDARD DEVIATION  (SD) PBS, EXTRACTION SOLVENT, AND EXTRACTED 

PRAWN  (PR3)  WAS  4.4,  1.3  AND  2.3,  RESPECTIVELY.  STATISTICAL  ANALYSIS  WAS 

CALCULATED USING T‐TEST (Α = 0.05)..............................................................................122 

FIGURE 4.47 CORRELATION BETWEEN THE LEVELS OF ENR SPIKING IN SKIM MILK LIQUID 

(SKL),  SKIM MILK  POWDER  (SKP),  FULL  CREAM MILK  LIQUID  (SKL),  FULL  CREAM MILK 

POWDER  (SKP)  AND  ESTIMATES  BY  THE  ENR1‐ELISA.  AVERAGE  VALUES  (µG  L‐1)  OF 

SPIKING AND SPIKING LEVEL (µG L‐1) FROM IN PBS BUFFER.............................................127 

FIGURE 4.48 CORRELATION BETWEEN THE LEVELS OF ENR SPIKING IN SKIM MILK LIQUID 

(SKL),  SKIM MILK  POWDER  (SKP),  FULL  CREAM MILK  LIQUID  (SKL),  FULL  CREAM MILK 

POWDER  (SKP)  AND  ESTIMATES  BY  THE  ENR1‐ELISA.  AVERAGE  VALUES  (µG  L‐1)  OF 

SPIKING AND SPIKING LEVEL (µG L‐1) FROM IN DILUTED SAMPLES...................................128 

Page 23: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xxi  

FIGURE 4.49 CORRELATION BETWEEN THE LEVELS OF ENR SPIKING IN ORGANIC CHICKEN 

LIVER  (LV1), CHICKEN  LIVER  FORM COLES  (LV2), CHICKEN  LIVER  FROM BUTCHER  (LV3), 

LOCAL PRAWN (PR1), THAI PRAWN (PR2) AND MALAYSIAN PRAWN (PR3) AND ESTIMATES 

BY THE ENR1‐ELISA. AVERAGE VALUES  (µG  L‐1) OF SPIKING AND SPIKING  LEVEL  (µG  L‐1) 

FROM IN EXTRACTION SOLVENT.......................................................................................128 

FIGURE 4.50 CORRELATION BETWEEN THE LEVELS OF ENR SPIKING IN ORGANIC CHICKEN 

LIVER  (LV1), CHICKEN  LIVER  FORM COLES  (LV2), CHICKEN  LIVER  FROM BUTCHER  (LV3), 

LOCAL PRAWN (PR1), THAI PRAWN (PR2) AND MALAYSIAN PRAWN (PR3) AND ESTIMATES 

BY THE ENR1‐ELISA. AVERAGE VALUES  (µG  L‐1) OF SPIKING AND SPIKING  LEVEL  (µG  L‐1) 

FROM IN EXTRACTED SAMPLES.........................................................................................129 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 24: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xxii  

LIST OF TABLES 

TABLE 2.1 GENERATIONS OF FQS..........................................................................................7 

TABLE 2.1 GENERATIONS OF FQS (CONTINUED)...................................................................8 

TABLE 2.2 FQ ANTIBIOTIC USED IN VETERINARY MEDICINES................................................8 

TABLE 2.3 OLDER FQS MARKETED FOR BOTH HUMAN AND VETERINARY USES.................10 

TABLE  2.4  MODERN  FLUOROQUINOLONES  MARKETED  FOR  BOTH  HUMAN  AND 

VETERINARY USES...............................................................................................................11 

TABLE  2.5  PROPOSED  AND/OR  APPROVED  DOSAGES  OF  VARIOUS  FQS  USED  IN 

VETERINARY MEDICINE.......................................................................................................12 

TABLE 2.6 COMMON ADVERSE REACTIONS ASSOCIATED WITH SOME FQS.......................16 

TABLE 2.7 MRL VALUES ESTABLISHED BY THE EU AND JECFA FOR RESIDUES OF FQS AND 

QUINOLONES USED IN VETERINARY MEDICINE……………………………………………………………….20 

TABLE 2.7 MRL VALUES ESTABLISHED BY THE EU AND JECFA FOR RESIDUES OF FQS AND 

QUINOLONES USED IN VETERINARY MEDICINE(CONTINUED)...........................................21 

TABLE 2.7 MRL VALUES ESTABLISHED BY THE EU AND JECFA FOR RESIDUES OF FQS AND 

QUINOLONES USED IN VETERINARY MEDICINE(CONTINUED)............................................22 

TABLE 2.8 ELISAS DEVELOPED FOR FQ ANTIBIOTICS...........................................................32 

TABLE 2.8 ELISAS DEVELOPED FOR FQ ANTIBIOTICS (CONTINUED)....................................33 

TABLE 2.8 ELISAS DEVELOPED FOR FQ ANTIBIOTICS (CONTINUED)....................................34 

TABLE 2.8 ELISAS DEVELOPED FOR FQ ANTIBIOTICS (CONTINUED)....................................35 

TABLE 2.8 ELISAS DEVELOPED FOR FQ ANTIBIOTICS (CONTINUED)....................................36 

TABLE 2.8 ELISAS DEVELOPED FOR FQ ANTIBIOTICS (CONTINUED)....................................37 

TABLE 4.1 THE CONCENTRATIONS OF ENR USED TO SPIKE SAMPLES.................................83 

TABLE 4.2 THE IC50 VALUES (µG L‐1) OF THE ASSAYS BASED ON THE COMBINATION OF 14 

FQ HAPTEN‐OA CONJUGATES COMPETED WITH ENR FOR ABENR1‐KLH BY INDIRECT COMPETITIVE ELISA.............................................................................................................86 

TABLE 4.3 STANDARD CURVE PARAMETERS AND PRECISION OF ENR ASSAY......................88 

TABLE 4.4 THE IC50 (µG L‐1) AND CROSS REACTIVITY (%CR) FOR FQS RELATED 

COMPOUNDS.......................................................................................................................91 

Page 25: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

xxiii  

TABLE 4.4 THE IC50 (µG L‐1) AND CROSS REACTIVITY (%CR) FOR FQS RELATED COMPOUNDS 

(CONTINUED)......................................................................................................................92 

TABLE 4.5 EFFECT OF DILUENTS ON ANTIBODY’S SENSITIVITY...........................................93 

TABLE 4.6 EFFECTS OF WATER MISCIBLE ORGANIC SOLVENTS ON THE PERFORMANCE OF 

THE ENR ELISA...................................................................................................................100 

TABLE  4.7  EFFECTS  OF MILK MATRIX  ON  COLOUR  DEVELOPMENT  (AMAX)  AND  ASSAY 

SENSITIVITY (IC50)..............................................................................................................108 

TABLE 4.8 MATRIX EFFECTS OF PRE‐TREATED MILK, DILUTED 1:10 WITH PBS, ON COLOUR 

DEVELOPMENT (AMAX) AND ASSAY SENSITIVITY (IC50)......................................................111 

TABLE 4.9 EFFECTS OF CHICKEN LIVER  (LV2) AND PRAWN  (PR1) SAMPLES,  IN A 20‐FOLD 

DILUTION  WITH  PBS  ON  COLOUR  DEVELOPMENT  (AMAX)  AND  ASSAY  SENSITIVITY 

(IC50)..................................................................................................................................112 

TABLE  4.10  EFFECTS  OF  CHICKEN  LIVER  AND  PRAWN  EXTRACTS,  ON  COLOUR 

DEVELOPMENT (AMAX) AND ASSAY SENSITIVITY (IC50).......................................................115 

TABLE 4.11 % RECOVERIES ENR SPIKED IN MILK AS DETECTED BY ELISA..........................124 

TABLE  4.12  %RECOVERIES  OF  ENR  SPIKED  IN  CHICKEN  LIVER  AS  DETECTED  BY 

ELISA..................................................................................................................................125 

TABLE  4.13  %  RECOVERIES  OF  ENR  SPIKED  IN  PRAWN  AS  DETECTED  BY 

ELISA..................................................................................................................................126 

Page 26: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

1  

CHAPTER 1. INTRODUCTION 

1.1 Background of research 

An antibiotic is defined as any substance produced by a microorganism that inhibits or kills 

other microorganisms, primarily bacteria (Klotins, 2005). Antibiotics can also be produced 

synthetically.  The main  function  of  antibiotics  is  for  treatment  of  diseases,  as  well  as 

prophylaxis to prevent illness before the development of clinical signs (Smith et al., 1999). 

 

Fluoroquinolones (FQs) belong to a class of synthetic antibiotics that have broad‐spectrum 

biological mechanisms  for  the  treatment  and  prevention  of  a  wide  range  of  bacterial 

infections  in  both  humans  and  veterinary  animals.  They  act  through  the  inhibition  of 

essential bacterial enzymes,  namely DNA gyrase and topoisomerase IV, by interfering the 

DNA  rejoining  reaction  (Huet  et  al.,  2006).  FQs  are  highly  effective  against most Gram‐

negative  bacteria, mycoplasma,  and  some Gram‐positive  bacteria,  but  are  less  effective 

against the Streptococci group and obligate anaerobic bacteria (Brown, 1996). 

 

ENR,  ciprofloxacin,  and  norfloxacin  are  the  most  frequently  used  FQs  in  veterinary 

medicines, particularly in poultry, and are also often administered to large animals, such as 

cattle and pigs, as well as pets, cats and dogs. According to the sample entry data of the 

pharmaceutical products from the National Veterinary Drug Assay Laboratory, the Ministry 

of Agriculture, Gunungsindur‐Bogor, West Java Province, Indonesia, FQs totaled 30% of the 

pharmaceutical  products  used  between  2004  and  2007.  ENR  has  the  largest  number  of 

brand names among  the  single active  ingredient products. Currently  there are about 54 

brand  names  of  ENR  being  distributed  in  Indonesian.  The  Ministry  of  Agriculture  of 

Indonesia also has approved ENR for use in aquaculture since 2005. 

 

Recently,  there are about 44 generic names of quinolones and FQs are being distributed 

worldwide  for  use  as  human  and  animal medicines, with  some  being  banned,  such  as 

trovafloaxcin, grepafloxacin, clinafloxacin and gatifloxacin, due to severe adverse effects in 

humans  and  animals  (i.e.  crystalluria,  lethal  hepatic  damage,  cardiovascular  disorder, 

Page 27: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

2  

hypoglycaemia)  (Bertino  and  Fish,  2000,  Neu,  1992,  Sárközy,  2001).  Ciprofloxacin, 

danofloxacin,  difloxacin,  marbofloxacin,  orbifloxacin,  norfloxacin,  ofloxacin,  levofloxacin 

and moxifloxacin are amongst FQs still approved for clinical uses in veterinary and humans 

in Canada, USA and European countries (Mandell and Tillotson, 2002), and are listed in the 

U.S. of Pharmacopeia USP(2007). 

 

In  Australia,  none  of  these  compounds  are  permitted  for  use  in  aquaculture without  a 

specific permit or prescription. According to the Australia and New Zealand Food Standards 

Code (FSANZ), quinolones and FQs residues must not be detectable in any animal‐derived 

foods  for  human  consumption.  Since  oxolinic  acid  is  still  regularly  used  in  veterinary 

medicine, a maximum residue limits (MRLs) of 0.01 mg kg‐1 is permitted in pacific salmon. 

The newest memberof this family is orbifloxacin which is currently registered for use in cats 

and dogs (Johnston et al., 2002). 

 

Even though FQs have been effective in controlling various infections in the agriculture and 

aquaculture  industries,  administrating  these  drugs  above  the  levels  recommended,  or 

using  intensively  for a  long period,  could  lead  to accumulation of  FQ  residues  in animal 

products.  Prolong  exposure,  and  hencebioaccumulation  of  FQ  residues  in  livestock 

products  has  been  suggested  as  a  potential  route  for  the  development  of  antibiotic 

resistant bacteria  in humans,  leading  to  increase  in  treatment  failure  (Huet et al., 2006). 

Subsequently,  the  U.S.  Food  Drug  Administration  (FDA)  had  banned  the  use  of  ENR  in 

poultry soon after the emergence of FQs‐resistant Campylobacter species  in both poultry 

and humans was discovered (Zhao et al., 2009). 

 

To minimise the risk of human exposure FQthrough food consumption, and to regulate FQ 

residues in marine and animal‐derived products to safe levels, it is crucial to establish MRLs. 

The regulatory authorities in U.S. (FDA, 2005), European (European Union, 1990), Japanese 

(Ministry of Agriculture, Forestry and Fishery, 2000) and Chinese  (Ministry of Agriculture, 

2003) have established MRLs for ENR, ciprofloxacin and their metabolites between 30 and 

300 µg kg‐1 in marine and animal derived products (Brás Gomes et al., 2010).   Meanwhile, 

the  National  Standardization  Agency  of  Indonesia  still  refers  to  FAO/WHO  Expert 

Page 28: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

3  

Committee on Food Authority (JECFA) for guidance in establishing MRLs for FQ residues in 

Indonesia. The MRLs  for ENR, ciprofloxacin and their active metabolites have been set at 

between 100 µg kg‐1 and 300 µg kg‐1 in milk, muscle and edible tissues, in Indonesia. While 

much  lower  MRL  of  30  µg  kg‐1for  ENR  and  its  metabolites  is  set  by  the  European 

commission,  Regulation  2377/90  (Volmer  et  al.,  1997),  causing  some  conflicts  for 

international trade.  

1.2 Method Development for Fluoroquinolone Residues 

Generally, there are two main analytical techniques used to identify and quantify antibiotic 

residues  in  food, namely conventional methods using  instrumentation and  immunoassay 

methods  based  on  antigen‐antibody  binding  interaction.  Instrument‐based  methods 

include high performance  liquid  chromatography  (HPLC) with UV/fluorescence detection 

(Carlucci, 1998, Yorke and Froc, 2000, Espinosa‐Mansilla et al., 2006,Hung, 2007,),  liquid 

chromatography‐mass  spectrometry  (LC/MS)  (Marchesini  et  al.,  2007),  liquid 

chromatography‐tandem mass spectrometry (LC‐MS/MS) (Johnston et al., 2002, Bogialli et 

al.,  2008),  capillary  electrophoresis  (Fierens  et  al.,  2000)  gas  chromatography  (GC) 

(Takatsuki,  1991)  and  thin  layer  chromatography  (TLC)  and  high  performance  thin  layer 

chromatography (HPTLC) (Choma et al., 2004, Gaugin and Abjean, 1998). 

 

Although  the  instrument‐based methods are very sensitive and highly accurate,  they are 

also  laborious  often  involving  extensive  sample  preparation  and  sample  interference 

removing  steps. Hence,  these methods are not  sufficiently  cost‐effective, are  technically 

complex, and requires highly skilled operators,  in many  instances not suited to analytical 

environment of the developing countries. In view of the above, the immunoassay method 

is preferred as    complement  to  instrument‐based methods,  since  it  is  simple and  faster, 

with high  sample  throughput  for a  single analyte,  shows high  sensitivity, high  specificity, 

greater cost‐effectiveness, require  little training on the technique, available  in convenient 

kits  for analyses of  specific  compounds and  for  families of compounds  (Toldra and Reig, 

2006). 

 

Page 29: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

4  

A  variety  of  immunoassay methods  have  been  successfully  developed  for  FQ  residues: 

ciprofloxacin  (Duan  and  Yuan,  2001),  sarafloxacin  (Holtzapple  et  al.,  1997,  Huet  et  al., 

2006), ENR(Watanabe H. et al., 2002, Hammer and Heeschen, 1995, Bucknall et al., 2003), 

norfloxacin  (Bucknall  et  al.,  2003,  Huet  et  al.,  2006),  flumequine  (Coillie  et  al.,  2004), 

pefloxacin  (Lu et al., 2006), marbofloxacin  (Sheng et al., 2009a), gatifloxacin  (Zhao et al., 

2007), nalidixic acid (Bucknall et al., 2003), danofloxacin (Sheng et al., 2009b)  and ofloxacin 

(Sun et al., 2007). Some researchers have also attempted to develop generic assay or class 

specific assays  to detect  FQ multi‐residues  in a  single  test  (Wang et al., 2007a,  Li et al., 

2008, Huet et al., 2006, Tittlemier et al., 2008, Kato et al., 2007). Others have developed 

compound specific assays that are useful as a quantitative analytical tool  (Bucknall et al., 

2003, Coillie et al., 2004, Zhao et al., 2007, Lu et al., 2006).  

1.3 The objectives and significance of study 

This  research  project,  therefore,  aims  to  improve  the  sensitivity  and  specificity  of 

antibodies  for  the detection FQ  residues  in marine and animal‐derived products  through 

novel hapten design and synthesis. Since  immunoassay provides  low operating costs, this 

method  is  suitable  to  be  developed  and  applied  as  a  complement  to  instrument‐based 

method  for detecting  FQs  residues  in  food, particularly  in developing  countries,  such  as 

Indonesia.  

 

 

 

 

 

 

 

Page 30: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

5  

CHAPTER 2. LITERATURE REVIEW 

2.1. Fluoroquinolone antibacterial agents 

2.1.1. Overview of quinolone 

George  Lesher  and  his  coworkers discovered  the  first  quinolone,  nalidixic  acid,  in  1962. 

Since then it had been medically important as an antimicrobial agent for the treatment of 

urinary tract infections in humans. Nowadays a wide range of antibiotics has been derived 

based  on  the  core  unit  of  the  quinolone  structure  (Wagman  and Wentland,  2007).  For 

example, nalidixic acid, as shown on Figure 2.1, was derived from a recrystallisation of 7‐

chloro‐4‐quinoline  during  the  synthesis  of  chloroquine which was  used  to  treat malaria 

during World War  II.  The majority  of  quionolones  in  clinical  use  belong  to  a  subset  of 

fluoroquinolones  (FQs), which have a  fluorine atom attached  to  the  central  ring  system, 

typically at the C‐6 position or C‐7 position.  

 

 

Figure 2.1 Structure of 7‐chloro‐4‐quinoline (Nalidixic acid). 

 

Several  quinolone  antibiotics,  such  as  oxolinic  acid,  cinoxacin  and  pipemidic  acid, 

introduced  in  the  1970s,  had  a  narrow  spectrum  of  antibacterial  activity,  frequent 

incidence  of  adverse  effects,  poor  tissue  penetration  and  distribution,  and  subsequent 

inadequate serum concentration. Further development work led to a more powerful class 

of agents known as FQs. Norfloxacin was the first FQs synthesized, which exhibited better 

spectrum of bacterial activity (Wagman and Wentland, 2007). 

2.1.2. Chemical structure of fluoroquinolone antibiotics 

The  6‐fluoroquinolones  are  also  known  as  4‐quinolones  or  quinolones  and  are  derived 

from or related to nalidixic acid and oxolinic acid. Some substitutions on the FQ structural 

backbone  (Figure  2.2),  such  as  the  R1  substitutions,  are  usually  alkyl  groups  (e.g. 

Page 31: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

6  

cyclopropyl, ethyl,  fluorethyl, methylamino),  fluorophenyl group, thiazine or oxazine ring. 

The R2substitutions are often piperazine derivatives (piperazin‐1‐yl, 4‐methylpiperazin‐1‐yl, 

3‐methylpiperazin‐1‐yl) and X substitutions are either carbon or nitrogen atom (Figure 2.2).  

 

Figure 2.2 General chemical structure of a FQ. 

 

The basic backbone of FQ has the following features: A nitrogen atom at position 1 on the 

bicyclic  aromatic  ring  structure,  a  carboxylic  acid  group  at  position  3  is  important  for 

antimicrobial activity. A  fluorine atom at position 6 enhances  the efficacy and  spectrum 

activity against Gram negative and positive bacterial pathogens (Brown, 1996). Moreover, 

the  carboxylic  group  at  position  3  renders  these  compounds  acidic,  whereas  the  7‐

piperazinylquinolones  include additional amine groups which are basic. Therefore,  the 7‐

piperazinylquinolones in an aqueous solution may be present as three different species, i.e. 

cationic, zwitterionic and anionic, while the other FQs and quinolones are either neutral or 

anionic (Hernandez‐Arteseros et al., 2002).  

 

FQs and quinolones with a piperazinyl moiety have two pKa values: pKa1≈6 and pKa2≈9, thus 

they are always charged. They exist mostly in cationic forms at acidic pH, anionic forms at 

basic pH and as zwitterionic at neutral pH. The carboxylic acid group have a pKa of ≈6 and 

present as a neutral compound at acidic pH and as an anionic form at neutral and basic pH 

(Yorke and Froc, 2000). Most FQs are highly  soluble  in both acidic and alkaline aqueous 

solutions.  Water  solubility  at  physiological  pH  varies  widely  across  these  compounds, 

depending  on  the  substitutions  on  the  FQs  or  quinolones’  carboxylic  acid  nucleus.  Salt 

forms of  the FQs are  freely soluble and are generally stable  in aqueous solution  (Brown, 

1996).   

Page 32: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

7  

2.1.3. Generations of Quinolones 

The quinolones are divided and grouped based on features such as antibacterial spectrum 

(either  narrow  or  broad  spectrum  activity),  fluorinated  compounds  (is  known  as 

fluoroquinolones;  FQs),  the  methods  employed  (to  synthesise  and  develop  new 

generation),  patent  dates,  specific  decade  (i.e.  60s,  70s,  80s  etc.)  and  the  structural 

modification  (to  enhance  biological  and  pharmacological  activities)  (Blondeau,  2004). 

However, there is no standard used to determine which drugs belong to which generation. 

Generally, the first generation drugs exhibit narrower spectrum activity than the later ones.  

Nowadays,  the  first  generation  drug  is  rarely  used  due  to  severe  toxicity.  For  instance, 

nalidixic acid was  the  first quinolone drug  listed as a carcinogen  in 1998,  including some 

other generations being banned  from clinical practice due to the same reason. The most 

frequently prescribed drugs  today are moxifloxacin,  ciprofloxacin,  levofloxacin and  some 

generic equivalents (Oliphant and Green, 2002). Table 2.1 shows FQ antibiotics have been 

produced  based  on  their  generations  and  Table  2.2  presents  FQ  antibiotics  used  in 

veterinary medicines  (Oliphant and Green, 2002, Mella M et al., 2000, King et al., 2000, 

Beneš, 2005, Ball, 2000).  

Table 2.1 Generations of FQs 

Generation  Drugs  Status 

First generation  Cinoxacin (Cinobac®) 

Flumequine (Flubactin®) 

Nalidixic acid (NegGam®, Wintomylon®) 

Oxolinic acid (Uroxin®) 

Piromidic acid (Panacid®) 

Pipemidic acid (Dolcol®) 

Rosoxacin (Eradacil®) 

Removed from clinical use 

Carcinogenic  

Carcinogenic 

Unavailable  

Unavailable 

Unavailable 

Restricted use 

Second generation  Ciprofloxacin (Ciprobay®, Cipro®) 

Enoxacin (Enroxil®, Penetrex®) 

Fleroxacin (Megalone®, Roquinol®) 

Lomefloxacin (Maxaquin®) 

Nadifloxacin (Acuatim®, Nadoxin®) 

Available  

Removed from clinical use 

Removed from clinical use 

Discontinued 

Unavailable  

Page 33: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

8  

Norfloxacin (Lexinor®, Noroxin®)  

Ofloxacin (Floxin®, Oxaldin®) 

Pefloxacin (Peflacine®) 

Rufloxacin (Uroflox®)  

Restricted use 

Discontinued 

Unavailable  

Unavailable  

 

Table 2.1 Generations of FQs (continued) 

Generation  Drugs Status

Third generation  Balofloxacin (Baloxin®)

Gatifloxacin (Tequin®) 

Grepafloxacin (Raxar®) 

Levofloxacin (Cravit®, Levaquin®) 

Moxifloxacin (Avelox®, Vigamox®) 

Pazufloxacin (Pasil®, Pazucross®) 

Sparfloxacin (Zagam®) 

Temafloxacin (Omniflox®) 

Tosufloxacin (Ozex®, Tosacin®) 

Unavailable 

Removed from clinical use 

Removed from clinical use 

Available  

Restricted use 

Unavailable 

Restricted use 

Removed from clinical use 

Unavailable 

Fourth generation  Clinafloxacin

Gemifloxacin (Fractive®) 

Sitafloxacin (Gracevit®) 

Trovafloxacin (Trovan®) 

Prulifloxacin (Quisnon®) 

Unavailable 

Available  

Unavailable 

Removed from clinical use 

Unavailable 

In development  Garenoxacin (geninax®)

Ecinofloxacin 

Delafloxacin 

Withdrawn due to toxicity issues

 

   

Page 34: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

9  

Table 2.2 FQ antibiotic used in veterinary medicines 

FQ antibiotics  Brand names  Status 

Danofloxacin 

Difloxacin 

ENR 

Ibafloxacin 

Marbofloxacin 

Orbifloxacin 

Sarafloxacin 

Dicural®, Vetequinon® 

Dicural®, Vetequinon®) 

Baytril® 

Ibaflin® 

Marbocyl®, Zenequin® 

Orbax®, Victas® 

Saraflox®, Sarafin® 

Available  

Available  

Available  

Available  

Available  

Available  

Available 

 

2.1.4. Mechanism of action 

There are  two enzymes, namely DNA gyrase and  topoisomerase  IV,  that have  important 

roles  in DNA  replication  and  proliferation  (Blondeau,  2004). DNA  gyrase  is  an  essential 

enzyme  required  for  bacterial  life.  Bacterial  DNA  is  generally  in  equilibrium  between  a 

closed  circular  double  DNA  strand  conformation  and  a  highly  negatively  supercoiled 

structure. The  role of DNA gyrase  is  to control bacterial DNA  topology and chromosome 

function  by  maintaining  DNA  negative  supercoiling.  Besides  being  crucial  for  DNA 

replication and is also responsible for relieving the negative supercoiling, DNA gyrase helps 

in bending and  folding DNA and  removes knots. Topoisomerase  IV on  the other hand,  is 

responsible  for  separating  the  product  of  DNA  replication,  which  is  the  catenated 

(interlinked) circular DNA daughter molecule (Higgins et al., 2003).  

 

FQs act by inhibiting DNA gyrase and topoisomerase IV enzymes by irreversibly binding to 

the  enzyme‐DNA  complex  and  generating  a  double‐stranded  break,  resulting  in  enzyme 

denaturation (Hooper, 2001). In terms of FQs’ spectrum activity, these antibacterial agents 

show  excellent  efficacy  against  Enterobacteriaceae,  Pseudomonas  aeruginosa,  good  to 

moderate  activity  against  Staphylococci,  Mycbacteria,  Chlamydia,  mycoplasma  and 

ureaplasma and little or no activity against Streptococci (particularly group D. streptococci), 

enterococci and anaerobic bacteria (Brown, 1996). 

Page 35: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

10  

2.1.5. Structure activity relationships of fluoroquinolones 

Structure  activity  relationships  (SARs) of  FQ  antibiotics have been  studied  intensively  to 

enhance  the  efficacy  and broaden  the  antibacterial  spectrum  activity. An  alkyl  group  at 

position 1 (R1) helps  in antimicrobial activity. Optimization of the alkyl substitution  in the 

quinolone structure (i.e. ethyl group in norfloxacin and cyclopropyl group of ciprofloxacin) 

has  improved  antibacterial  activity  in  terms  of  sensitivity  and  minimum  inhibitor 

concentration  (MIC)  against  bacteria.  A  fluorine  atom  at  position  6  has  been  shown  to 

improve  the efficacy against Gram negative bacteria and broadens  the  spectrum activity 

against  Gram  positive  bacteria.  A  basic  nitrogen‐containing  moiety  enhances  tissue 

penetration  and  minimises  central  nervous  system  toxicity.  Furthermore,  alteration  of 

pharmacokinetics  of  compounds  could  be  done  by  modifying  substitution  groups  at 

positions 2, 5 and 7 of the basic structure (Brown, 1996, Wagman and Wentland, 2007).   

2.1.6. Clinical use in animal and human 

FQs are synthetic antibacterial agents that are broadly employed for human and veterinary 

administration against a variety of bacterial  infections (Brown, 1996). There are about 50 

FQs used in veterinary and human medicine worldwide. In veterinary medicine, amifloxacin, 

ciprofloxacin,  danofloxacin,  ENR,  gatifloxacin, marbofloxacin,  norfloxacin  are  used.  The 

major FQs used in human medicine include ciprofloxacin, enoxacin, ofloxacin, sparfloxacin, 

temafloxacin  and  tosufloxacin  (Brown,  1996).  FQs  have  general  pharmacokinetic 

characteristics  such as good oral absorption  (Hooper and Wolfson, 1991), well absorbed 

from parenteral injection sites (Gyrd‐Hansen and Nielsen, 1994) and readily distributed to 

various  tissues  in  the  body  (Brown,  1996).  The  older  and modern  FQs  available  in  the 

market are used in both human and animal medicines, as presented in Tables 2.3 and 2.4.   

   

Page 36: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

11  

Table 2.3 Older FQs marketed for both human and veterinary uses 

Generic name  Brand name  First introduced  Company 

Norfloxacin  Noroxin  1983  Kyorin/Merck 

Pefloxacin  Peflacine  1985  Roger Bellon 

Ofloxacin  Floxin  1985  Daiichi/Ortho 

Ciprofloxacin   Cipro  1986  Bayer 

Enoxacin  Penetrex  1986  Dainippon/RPR 

Lomafloxacin  Maxaquin  1989  Hokuriku/Unimed 

Tosufloxacin  Tosuxacin  1990  Abbott/Toyama 

Temafloxacin*  Omniflox  1992  Abbott

Fleroxacin  Quinodic  1992  Roche

Nadifloxacin  Acutim  1992  Otsuka

Rufloxacin  Qari  1992  Mediolanum 

*withdrawn from market 

Table 2.4 Modern fluoroquinolones marketed for both human and veterinary uses 

Generic name  Brand name  First introduced  Company 

Levofloxacin   Levaquin  1993  Daiichi/Ortho 

Sparfloxacin  Zagam  1993  Dainippon/RPR 

Grepafloxacin  Raxar  1997  Otsuka/GW 

Trovafloxacin  Trovan  1997  Pfizer 

Gatifloxacin  Tequin  1999  Kyorin/BMS 

Moxifloxacin  Avelox  1999  Bayer 

Gemifloxacin  Factive  2003  GeneSoft/LG Life Science

 

FQs have better potency  and  activity  against most  Enterobacteriaceae,  fastidious Gram‐

negative  species  such  Haemophillus,  including  Gram  negative  cocci,  such  as  Neisseria 

gonorrhoeae, Neisseria meningitides, Moraxellacatarrhalis. Ciprofloxacin is the most active 

of the available FQs, and inhibits 90% of Enterobacteriaceae at concentrations that are <0.5 

Page 37: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

12  

µg  mL‐1.  Among  all  FQs  agents,  nalidixic  acid  has  the  highest  minimum  inhibition 

concentration (MICs) value against these organisms (Hooper and Wolfson, 1991). 

In human beings, FQs are highly effective against the majority of bacteria responsible for 

urinary tract  infection with cure rates of between 90 to 100%  in general, with treatment 

periods between 7  and 10 days. Norfloxacin, enoxacin  and  ciprofloxacin  can  reduce  the 

symptoms of traveler’s diarrhea in gastrointestinal infections caused by organisms such as 

Salmonella,  Shigella  and  phatogenic  E.  coli  and  Vibrio  species, with  a  typical  treatment 

duration being approximately 24  to 90 hours. Ciprofloxacin and ofloxacin have also been 

proven  to  cure  skin  and  soft  tissue  infections  such  as  cellulitis,  superficial wounds  and 

ischemic ulcers. With  regard  to  lower  respiratory  tract  infections,  in which Haemophilus 

influenza  is  the primary pathogen, FQs are better  than ampicillin and are comparable or 

superior to amoxicillin (Neu, 1992). 

   

For therapeutic uses in animals, only ENR and sarafloxacin are approved in the US; in other 

countries such as Indonesia, ENR, norfloxacin and ciprofloxacin are also permitted for use. 

ENR  is used for complicated and uncomplicated urinary tract  infection  in dogs with doses 

up  to  11 mg/kg  every  12  hours.  ENR  is  also  effective  for  acute  salmonella  infections  in 

calves, colibacillosis in swine, colibacillosis and mycobacterial disease in poultry. Other FQs 

such  as  danofloxacin,  has  been  effective  against  bovine  respiratory  disease  and 

myoplasmosis in poultry (Jordan et al., 1993). Table 2.4 describes the dosages of different 

FQs antibiotics for animal medication (Brown, 1996).   

   

Page 38: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

13  

Table 2.5 Proposed and/or approved dosages of various FQs used in veterinary medicine 

Drugs  Doses

ENR  2.5 mg/kg every 12 hour, oral  for dogs and cats  (up to 11 mg/kg  for some infections) 

5 mg/kg every 24 hour, oral and subcutaneous for pigs 

Norfloxacin  22 mg/kg every 12 hour, oral for dogs and cats (deep infections)

Ciprofloxacin   10‐15 mg/kg every 12 hour, oral/slow intravenous for dogs and cats

Danofloxacin  1.25 mg/kg every 24 hour, intramuscular for calves 

Flumequine  8 mg/kg/day, oral for one week old calves

15 mg/kg/day, oral for over six weeks old calves 

Sarafloxacin  20‐40 ug/mL in drinking water for 5 days (chickens) 

30‐50 ug/mL in drinking water for 5 days (turkeys) 

 

2.1.7 Fluoroquinolones used in this study 

2.1.7.1. Ciprofloxacin 

Ciprofloxacin is a second generation FQ antibacterial that is the most potent against Gram‐

positive  bacteria;  however,  it  is  less  active  against  Gram‐negative  bacteria.  It  disrupts 

bacterial  enzymes, DNA  gyrase  and  topoisomerase  IV  enzymes,  in  synthesising bacterial 

DNA (Wagman and Wentland, 2007).  

Ciprofloxacin  was  first  introduced  and  patented  by  Bayer  A.G.  in  1983  before  being 

approved by the US Food and Drug Administration (FDA) in 1987. Ciprofloxacin is available 

as more  than  three  hundred  different  brand  names  and  is marketed  in more  than  a 

hundred  countries  worldwide.  It  is  formulated  into  oral  dosage  forms,  intravenous 

formulations  and  external  uses  (i.e.  eye  and  ear  drops).  All  formulations  must  be 

prescribed by a medical doctor in most countries.   

Ciprofloxacin  is  chemically  known  as  1‐cyclopropyl‐6‐fluoro‐1,4‐dihydro‐4‐oxo‐7‐(1‐

piperazinyl)‐3  quinoline  carboxylic  acid, with  an  empirical  formula  of C17H18FN3O3  and  a 

molecular  weight  of  331.4  g/mol.  It  is  a  faintly  yellowish  to  light  yellow  crystalline 

Page 39: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

14  

substance. Ciprofloxacin hydrochloride  (as  listed  in The U.S. of Pharmacopeia USP, 2007) 

exists as the monohydrochloride monohydrate salt of ciprofloxacin. It is a faintly yellowish 

to  light  yellow  crystalline  substance  with  a  molecular  weight  of  385.8  g/mol  and  an 

empirical formula of C17H18FN3O3HCl.H2O (Figure 2.3) (Kuijper et al., 2007). 

 

Figure 2.3 Chemical structure of ciprofloxacin. 

2.1.7.2. Enrofloxacin 

ENR  is  a  synthetic  antibacterial  agent  from  the  carboxylic  acid  family  of  FQs.  It  has 

antibacterial  activity  against  a  broad  spectrum  of  Gram‐negative  and  Gram‐positive 

bacteria  and  is  active  in  both  stationary  and  growth  phases  of  bacterial  replication.  Its 

mechanism  of  action  is  not  thoroughly  understood,  however,  it  is  believed  to  act  by 

inhibiting bacterial DNA gyrase,  thereby preventing DNA supercoiling and DNA synthesis. 

The bactericidal activity of ENR occurs within 20‐30 min of exposure.  

ENR  is  chemically  known  as  3‐quinolinecarboxylic  acid,  1‐cycloprpyl‐7‐(4‐ethyl‐1‐

piperazinyl)‐6‐fluoro‐1,4‐dihydro‐4‐oxo,  with  an  empirical  formula  C9H22FN3O3  of  and  a 

molecular weight  of  359.4  g/mol,  as  shown  in  Figure  2.4.  It  is white  or  slightly  yellow 

needle‐like  crystalline  powder,  odorless  and  tasteless  and  available  in  hydrochloride, 

lactate, and sodium salts. ENR is very soluble in acid or alkaline media, soluble in dimethyl 

formamide, slightly soluble in chloroform, methanol and insoluble in water (as listed in the 

US  of  Pharmacopeia  USP,  2007).  ENR  is  sold  under  the  trade  name  Baytril  by  Bayer 

Corporation. It is approved by the U.S. FDA to treat pets and domestic animals. It could be 

dissolved  in water to treat  flocks of poultry; however, due to FQs resistant strains of the 

Campylobacter bacteria, it has been withdrawn in September 2005.  

Page 40: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

15  

 

Figure 2.4 Chemical structure of ENR 

2.1.7.3. Norfloxacin 

Norfloxacin is a second generation FQs and has a similar mode of action to other FQs drugs. 

Norfloxacin  was  developed  by  Kyorin  Seiyaku  K.K  from  the  Japanese  Society  of 

Chemotherapy and patented  in 1979. Kyorin  later granted Merck and Company,  Inc., an 

exclusive license in Japan on September 4th 1980. It was then imported in certain countries 

including  European  countries  and  the  U.S.  and  distributed  under  the  brand  name  of 

Noroxin. Noroxin was approved by the U.S. Food and Drug Administration on October 31, 

1986.  

Norfloxacin was the first quinolone antibacterial agent with a fluorine atom substituted at 

the C‐6 position and a piperazine at C‐7. This substitution enhanced antibacterial activity 

compared  to  the  previous  quinolone  (nalidixic  acid)  (Carlucci,  1998). Norfloxacin  is  a  1‐

ethyl‐6‐fluoro‐1,4‐dihydro‐4‐oxo‐7‐(1‐piperazinyl)‐3quinoline  carboxylic  acid  with  an 

empirical  formula  of  C16H18FN3O3,  as  shown  in  Figure  2.5.  It  is  a white  to  pale  yellow 

crystalline powder with a molecular weight of 319.34 g/mol and a melting point of about 

221°C.  It  is  freely  soluble  in  glacial  acetic  acid,  and  very  sparingly  soluble  in  ethanol, 

methanol and water (as listed in The U.S. of Pharmacopeia, 2007).  

 

Figure 2.5 Chemical structure of norfloxacin. 

Page 41: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

16  

2.1.8. Pharmacokinetics and toxicity 

All of  the FQs are absorbed  through  the gastrointestinal  tract. The degree of absorption 

however, remains variable,  from a  low absorption rate of 55%  for norfloxacin to 95%  for 

ofloxacin,  lomefloxacin,  temafloxacin,  and  pefloxacin.  Peak  serum  concentrations  are 

achieved  1‐4h  after  the  drug  is  ingested  before  a meal, while  it  reaches maximal  peak 

serum  concentration  approximately 2h  after  a meal.  Elderly or patients with poor  renal 

function will absorb the drug slowly, resulting in delaying peak serum concentration.  

Peak serum level after ingestion of 400 mg of norfloxacin and pefloxacin are 1.5 µg mL‐1, 4 

µg mL‐1, and 3 µg mL‐1after enoxacin. A 500 mg dose of ciprofloxacin induces a blood level 

of approximately 2.5 µg mL‐1 and from 3.5 to 4 µg mL‐1for the 750 mg dose.  The half‐lives 

of FQs are as  follows: norfloxacin 3‐4 h, ciprofloxacin 4 h, ofloxacin 6‐7 h, enoxacin 6 h, 

pefloxacin 10 h, lomefloxacin 8 h, temafloxacin 8 h, fleroxacin 8‐10 h, and sparfloxacin 18 h  

(Neu, 1992). 

Following  intravenous  administration  of  FQs  such  ciprofloxacin,  ofloxacin,  enoxacin, 

fleroxacin,  lomefloxacin and pefloxacin,  there are no differences  in  the pharmacokinetics 

profile when  compare  to  oral  administration.  Also,  half‐lives  of  elimination,  volume  of 

distribution, extra renal elimination, and metabolism are the same with oral administration.   

FQs, once absorbed into a body, are widely distributed within body tissues and fluids, and 

reach high concentrations in many tissues. Interstitial fluid concentrations range from 50 to 

100% of the peak serum concentration in the first a few hours, and then it exceeds serum 

concentrations.  There  are  different  clearance  pathways  for  FQs.  Renal  mechanism  is 

important  for pefloxacin and  lomefloxacin, whereas, hepatic mechanism  is  important  for 

pefloxacin. Both  renal and hepatic mechanisms are utilised by norfloxacin,  ciprofloxacin, 

enoxacin, tosufloxacin and sparfloxacin (Neu, 1992). 

2.1.7. Adverse effects and drug interactions 

FQs are generally well  tolerated and  the adverse effects are  fairly  similar among various 

quinolone‐based  agents. Generally,  the overall percentage of  adverse  reaction occurs  in 

human  is 2  to 4%  (Neu, 1992). The most common adverse effect associated with FQs  in 

human are gastrointestinal (GI) effects such as nausea, vomiting and diarrhea (about 1 to 

5%), skin disorder  (<2.5%) and central nervous system  (CNS) effects,  including headaches 

Page 42: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

17  

and dizziness (1‐2%). CNS effects such as sleep disturbances, hallucinations, depression and 

seizure  are  less  common.  Generally,  these  adverse  effects  are  mild  and  self‐limiting 

(Mandell and Tillotson, 2002).  

Some  FQs  are  highly  toxic,  such  as  temafloxacin,  grepafloxacin  and  trovafloxacin.  The 

‘temafloxacin’  syndrome  was  characterized  by  hemolyticanemia,  renal  impairment, 

hepatotoxicity,  disseminated  intravascular  coagulation  and  hypoglycemia  (Mandell  and 

Tillotson, 2002). Grepafloxacin resulted  in serious cardiovascular effects and other severe 

adverse effects, such as hepatic eosinophilia and hypoglycemia associated with the use of 

trovafloxacin are reported among patients taking those drugs. Due to the severe adverse 

effects of  those drugs,  they are now withdrawn  from  the market  (Mandell and Tillotson, 

2002). Table 2.5 shows the incidences of the most common FQs related adverse effects in 

human (Neu, 1992). 

Table 2.5 Common adverse reactions associated with some FQs 

Events (%)  Ciprofloxacin  Levofloxacin  Sparfloxacin  Trovafloxacin  Lomefloxacin

Nausea 

Diarrhea 

Taste perversion 

Headache 

Dizziness 

Phototoxicity 

5.2 

2.3 

0.02 

1.2 

<1.0 

0.4 

1.2 

1.2 

0.2 

0.1 

0.3 

<0.1 

4.3 

4.6 

1.4 

4.2 

2.0 

7.9 

8.0 

2.0 

‐ 

5.0 

11.0 

<0.03 

3.7 

1.4 

1.0 

3.2 

2.3 

2.4 

 

All  FQs  interact  with  multivalent  cation‐containing  products  such  as  aluminium  or 

magnesium  containing  antacids,  and  products  containing  calcium,  iron  or  zinc,  such  as 

supplements  (Bertino  and  Fish,  2000).  Hence,  FQs‐related  toxicity  can  be  treated  by 

administering multivalent  cation‐containing  products  2  to  4  h  after  antibiotic  ingestion. 

Another interaction relates to NSAID‐FQs, in which enoxacin or ciprofloxacin and fenbufen 

cause seizures. This interaction occurs because the NSAID of the FQs competitively inhibite 

γ‐aminobutyric  acid  receptors  (Hooper  and  Wolfson,  1991).    FQs  also  interact  with 

theophylline  and  other methyl‐xanthines  such  as  caffeine.  FQs  induce  inhibition  of  the 

hepatic  CYP‐450  enzyme  system,  significantly  reduce  the  metabolism  of  xanthenes, 

Page 43: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

18  

resulting in increasing elimination half‐lives of theophylline and caffeine (Bertino and Fish, 

2000,  Brown,  1996).  This  increases  the  toxicity  of  xanthenes,  especially  for  patients  or 

elderly  population  with  renal  and  hepatic  impairment  (Wagman  and Wentland,  2007).   

Moreover,  ciprofloxacin  can  result  in  nephrotoxicity  when  it  is  administered  with 

cyclosporine (Bertino and Fish, 2000).   

2.2. Public health concerns 

Many  zoonotic  foodborne  pathogens  such  as  Salmonella,  Campylobacter,  shiga  toxin‐

producing  E.  coli,  Listeria  and  Yersinia  are  generally  transferred  from  food  animals  to 

humans  (Tollefson  and Karp, 2004).  FQ  antibiotics  are  currently  administered  in  feed  to 

treat,  prevent,  and  control  infectious  diseases  and  to  enhance  feed  efficiency  and 

productivity.  The  use  of  antibiotics  in  food‐producing  animals  could  represent  a  serious 

public health  concern because  it promotes  the  selection and dissemination of  antibiotic 

resistant  bacteria  to  humans.  The  spread  of  resistant  pathogens  from  food  animals  to 

humans  has  serious  implication  to  human  health,  in  particular  for  the  treatment  of 

infection. Many antimicrobial agents including FQs administered to food animals are either 

identical  or  chemically  related  drugs  used  in  human  medicine  such  as  penicillin, 

tetracycline  and  cephalosporins. Once  a  resistant pathogen occurs,  there  is  a possibility 

that genes will encode resistance not just to a particular antibiotic, but to an entire class of 

antimicrobials  or  may  cause  cross‐resistance  to  structurally  related  compounds.  This 

problem  may  lead  to  limitations  in  treatment  choice,  resulting  in  long  term  medical 

complications and high costs, and even treatment failure (Angulo et al., 2000).   

The evidence of public health consequences of  the use of FQs  in  food animals has been 

documented.  Wegener,  in  2009,  reported  that  10  %  of  459  Danish  patients  with 

Campylobacter jejuni infections were untreatable with FQs. Study conducted in Minnesota, 

US, showed that patients who were  infected with resistant C.  jejuni and treated with FQs 

were  found  to have a  longer duration of diarrhea  that  lasted almost 3 days. Three extra 

days  of  diarrhea  indicated  a  mild  complication  of  treatment.  More  importantly, 

Campylobacter  infections  can  be  serious  in  vulnerable  patients  with  underlying  health 

problems.  For  immune‐compromised  patients  who  have  invasive  Campylobacter 

infections, treatment failure could be fatal (Nelson et al., 2007). 

Page 44: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

19  

2.2.1. Food safety 

Veterinary  medicines  including  antimicrobial  agents  have  been  widely  used  to  treat 

infectious diseases as well as to improve the health of livestock. A variety of drugs such as 

antibiotics and feed additives are also being given to animals to artificially enhance weight 

gain,  improve  feed  efficiency  and  productivity.  Over  the  last  decade,  antibiotic  growth 

promoters have been intensively administered in animal farming worldwide. In the U.S., for 

instance, approximately 80% of the poultry, 75% of the swine, 60% of the beef cattle, and 

75% of the dairy calves receive antibiotics at some time in their life.  

In terms of human safety, use of FQs in food‐producing animals could lead to presence of 

FQs  residues  in  animal  derived  products.  Gips  et  al.,  1994,  reported  that  after 

administration of 10 mg norfloxacin/kg body weight  at  an  intramuscular dose  to  calves, 

norfloxacin residue was found in the liver at a concentration of 50‐100 µg kg‐1 after 72‐120 

h. Moreover, administering ENR intramuscularly at a dose of 8 mg kg‐1 daily for 4 days led 

to  both  parent  drug  and  oxometabolite  persisting  in  kidney  and  liver  for  12  days  at  a 

concentration of 0.015 µg g‐1 (Anadon et al., 1995).  

2.2.2. Maximum residue limits (MRLs) 

To  protect  consumers  against  unacceptably  high  residues  and  to  ensure  the  chemical 

safety of  food  commodities, MRLs must be  set by  regulatory authorities at national and 

international  levels. Over  the  last  three  decades,  two  joint  FAO/WHO  committees  have 

evaluated a large number of food chemicals, food additives, contaminants, veterinary drug 

and pesticide residues. A residue  is defined as drug and/or  its metabolites still present  in 

edible  tissue of  the  treated animal at  the  time of slaughter or  that have been passed  to 

other edible products  such  as milk  and eggs  (Heidjen  et al., 1999). MRLs  are  regulatory 

tools to specify the maximum amount of a residue of the active ingredients of a particular 

veterinary drug that is acceptable in a particular food commodity (Heidjen et al., 1999).  

Residue  studies  provide  information  about  presence  and  persistence  of  veterinary  drug 

residues  in edible tissues of the target organs such as muscle tissue, fat,  liver and kidney. 

Important information reported in residue studies is the method of drug administration (i.e. 

in  feed  or  drinking  water,  per  injection  or  other  routes)  and  the  duration  of  drug 

Page 45: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

20  

administration  that  should  be  identical  with  the  intended  route  of  administration  and 

period of treatment (Heidjen et al., 1999). 

With regard to FQ antibiotic residues  in animal‐derived food products which might affect 

public  health,  some  authorities  have  established  maximum  residue  limits  (MRLs).  For 

example, the maximum residue  limit for ENR  in the European Union (EU)  is 30 µg kg‐1 for 

kidney,  liver and muscle  in swine, cattle and poultry, which  is calculated by summing the 

residues  of  ENR  and  its major  active metabolite,  ciprofloxacin  (Brown,  1996).  In  1998, 

European Agency for the Evaluation of Medicinal Products has made a recommendationon 

MRL for ENR of 200 µg kg‐1  in ovine kidney and 100 µg kg‐1 in bovine milk (Bucknall et al., 

2003). The MRL values established by  the European Union  (EU) and  the  joint FAO/WHO 

Expert Committee on Food Additives (JECFA) for FQs and quinolones of veterinary use are 

presented in Table 2.6 (Hernandez‐Arteseros et al., 2002).  

Table 2.7 MRL values established by the EU and JECFA for residues of FQs and quinolones 

used in veterinary medicine(Hernandez‐Arteseros et al., 2002) 

Fluoroquinolones  Animal species  Target tissues MRLs (EU) 

(µg kg‐1) 

MRLs (JEFCA) 

(µg kg‐1) 

Danofloxacin  Bovine, chicken 

 

 

 

 

 

Porcine  

Muscle 

Fat 

Liver, Kidney 

Milk 

Muscle 

Skin, fat 

Fat  

Liver 

Kidney 

200 

100 

400 

30 

100 

50 

‐ 

200 

200 

200 

100 

400 

‐ 

100 

‐ 

100 

50 

200 

Difloxacin  Bovine, porcine 

 

 

 

Chicken, turkey 

Muscle 

Fat, skin, fat 

Liver 

Kidney 

Muscle 

400 

100 

1400 

800 

300 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

Page 46: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

21  

Skin, fat 

Liver 

Kidney  

400 

1900 

600 

‐ 

‐ 

‐ 

ENR  and 

ciprofloxacin  

Bovine, ovine 

 

 

Porcine, 

poultry, rabbit 

Muscle, fat 

Liver 

Kidney 

Milk 

Muscle, fat 

Liver 

Kidney  

100 

300 

200 

100 

100 

200 

300 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

 

Table 2.7 MRL values established by the EU and JECFA for residues of FQs and quinolones 

used in veterinary medicine (continued) (Hernandez‐Arteseros et al., 2002) 

Fluoroquinolones  Animal species  Target tissues MRLs (EU) 

(µg kg‐1) 

MRLs (JEFCA) 

(µg kg‐1) 

Flumequine  Bovine, ovine, 

Porcine 

 

 

 

Chicken, turkey 

 

 

 

 

Salmonidae 

Muscle 

Skin, fat 

Liver 

Kidney 

Milk 

Muscle 

Skin, fat 

Fat 

Liver 

Kidney 

Muscle + skin in  

Natural proportions 

200 

300 

500 

1500 

50 

400 

250 

‐ 

800 

1000 

600 

500 

1000 

1000 

3000 

‐ 

500 

‐ 

1000 

1000 

3000 

500 

Marbofloxacin  Bovine, porcine  Muscle, liver, kidney 

Fat 

Milk 

150 

50 

75 

‐ 

‐ 

‐ 

Page 47: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

22  

Oxolinic acid  Bovine, porcine, 

Chicken 

 

 

Fin fish 

Muscle 

Fat, skin+fat 

Liver, kidney 

Eggs 

Muscle + skin in  

Natural proportions 

100 

50 

150 

50 

300 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

 

Table 2.7 MRL values established by the EU and JECFA for residues of FQs and quinolones 

used in veterinary medicine (continued) (Hernandez‐Arteseros et al., 2002) 

Fluoroquinolones  Animal species  Target tissues MRLs (EU) 

(µg kg‐1) 

MRLs (JEFCA) 

(µg kg‐1) 

Sarafloxacin  Chicken  

 

 

 

Turkey 

 

 

Salmonidae 

Muscle 

Skin + fat 

Fat 

Liver 

Kidney 

Muscle 

Fat 

Liver, kidney 

Muscle + skin in  

Natural proportions 

‐ 

10 

‐ 

100 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

30 

10 

‐ 

20 

80 

80 

10 

20 

80 

‐ 

 

2.2.3. Fluoroquinolone resistant bacteria 

Resistance to antimicrobial drugs drastically diminish control of many bacterial pathogens. 

For highly prevalent foodborne pathogens, such as Salmonella, E. coli and Campylobacter, 

the most  likely  source of  resistance  is  the use of antimicrobial agents  in  food‐producing 

animals (Tollefson, L., 2000). Resistance is usually chromosomally mediated, involving two 

enzyme  targets  of  FQs, which  are  DNA  gyrase  and  topoisomerase  IV.  DNA  gyrase  and 

topoisomerase IV composed of four subunits (two A and two B) encoded by gyrA and gyrB, 

and  parC  and  pare  respectively.  FQs  resistant  isolates  usually  contain  one  or  more 

mutations in a small section of gyrA or parC, while gyrB and parE are rare (Piddock, 1998).   

Page 48: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

23  

Bacterial  resistance  to FQs can also be  triggered by a non‐specific mechanism, known as 

up‐regulation of drug efflux pumps, and alteration in bacterial membrane that reduces the 

drug’s permeation  into  the  cell(Hooper and Wolfson, 1991). Efflux pumps are a primary 

mechanism of resistance  in Gram negative species such P. aeruginosa  in resulting at  least 

one of  the multiple efflux pumps.  In  contrast,  the efflux pumps  in Grampositive  species 

such as P. pneumoniae seems to be limited.   

More  recently,  increased  incidence  of  antibiotic  resistance  has  been  reported  for 

P.aeruginosa,  Serratia  marcescens  and  Staphylococci  in  chronic  infections  or  chronic 

bacterial exposure (e.g. inner venous catheter or urinary catheter). FQs resistance to other 

antimicrobial agents also may occur, for instance, cross resistance with β‐lactam antibiotics, 

aminoglycosides,  tetracyclines, macrolide  and  polypeptide  antibiotics,  sulfonamides  and 

diaminopyrimidines (Hooper and Wolfson, 1991).  

2.3 Analytical methods for detecting of fluoroquinolones antibiotic residues 

There  are  two main  analytical methods  to  identify  and  quantify  contaminant  in  foods, 

namely  instrumental  and  bioanalytical  methods.  Instrumental  methods  include  high 

performance  liquid chromatography (HPLC) with UV/fluorescence detectors   (Hung, 2007, 

Carlucci, 1998, Espinosa‐Mansilla et al., 2006, Gigosos et al., 2000, Hassonuan et al., 2007a, 

Hassonuan et al., 2007b, Holtzapple et al., 2000, Yorke and Froc, 2000, Zheng et al., 2005, 

Holtzapple et al., 2001, Holtzapple and Stanker, 1998, Pena et al., 2010, Shim et al., 2003, 

Cinquina et al., 2003, Idowu and Peggins, 2004), liquid chromatography mass spectrometry 

(LC‐MS)  (Marchesini et al., 2007),  liquid chromatography tandem mass spectrometry  (LC‐

MS/MS) (Bogialli et al., 2008, Ikegawa, 1998, Johnston et al., 2002, Toussaint et al., 2005a, 

Toussaint et al., 2005b, Van Vyncht et al., 2002, Dufresne et al., 2007, Volmer et al., 1997), 

capillary electrophoresis  (Fierens et al., 2000) gas chromatography  (GC)  (Takatsuki, 1991) 

and  thin  layer  chromatography  (TLC)  and  high  performance  thin  layer  chromatography 

(HPTLC) (Choma et al., 1999, Choma et al., 2004, Choma et al., 2002, Gaugin and Abjean, 

1998,  Simonovska  et  al.,  1999).  Example  of  bioanalytical  techniques  is 

immunochromatography (Sun et al., 2007, Zhu et al., 2008, Watanabe H. et al., 2002), and 

immunosensors(Cao et al., 2007, Giroud et al., 2009, Marchesini et al., 2007, Haasnoot et 

al.,  2007, Huet  et  al.,  2008,  Tsekenis G.  et  al.,  2008). Another  immunochemically based 

Page 49: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

24  

method is immunoassays, which rely on specific antigen and antibody interaction. Coupling 

of  the  two  methods  is  high  performance  immunoaffinity  chromatography  (HPIAC) 

(Holtzapple and Stanker, 1998, Holtzapple et al., 1999, Holtzapple et al., 2000, Holtzapple 

et al., 2001, Zhao et al., 2009). 

Immunoassays  are  a method  based  on  antibody‐antigen  binding  properties,  commonly 

used to determine low molecular weight contaminants, including veterinary drugs, in food. 

Immunoassay  plays  an  important  role  in  ensuring  food  safety,  due  to  the  increasing 

number of contaminants  in  food  (Chen et al., 2009a, Chen et al., 2009b). Recently, many 

immunoassay  as  screening  tools  have  been  successfully  developed  as  alternatives  or 

complement  to  instrument‐based  methods  for  detecting  FQs  contaminants  in  food 

commodities(Wang et al., 2007a, Bucknall et al., 2003, Burkin, 2008, Li et al., 2008, Huet et 

al., 2006, Kato et al., 2008, Tittlemier et al., 2008). 

2.3.1. Instrument‐based methods 

Instrumental techniques offer high sensitivity and selectivity analyses, and provide highly 

accurate  and  precise  results,  but  this  method  requires  extensive  sample  preparation, 

sample  clean‐up  which  is  often  time‐consuming,  needs  large  volumes  of  solvent  or 

chemical  reagents.  In  addition,  they  cannot  be  used with  high  efficiency  in  the  routine 

screening  of  a  large  number  of  sample  specimens  (Kato  et  al.,  2007),    also  need  highly 

trained  and  experienced  individual  to  operate  sophisticated  instruments  and  interpret 

complicated results (Beier et al., 1996), and furthermore, it can be very expensive. 

2.3.1.1. High performance liquid chromatography (HPLC) 

A  reversed‐phase  high‐performance  liquid  chromatography  has  been  developed  for  the 

detection of FQs residues in animal derived products in the last two decades. Separation is 

usually  performed  using  silica‐based  reversed‐phased  columns, mainly  C18  or  C8,  but  in 

some  cases phenyl and amides phases have been employed. Due  to  the  residual  silanol 

groups  and metal  ions  as  impurities  in  column‐packing material,  conventional  reversed‐

phase columns lead to severe tailing peaks. Therefore, end capped columns or ultra purity 

silica columns, such as  Inertsil, Kromasil, Puresil, LUNA or Zorbax RX, which are relatively 

free  of  trace metals  to  strengthen  the  acidic  properties  of  silanol  groups  (Hernandez‐

Arteseros et al., 2002) have been encouraged. For acidic quinolone group (AQ), excitation 

Page 50: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

25  

and  emission  wavelengths  are  set  around  325  and  360  nm  respectively,  while  for 

piperazinyl  quinolone  groups,  they  are  at  275‐280  nm  and  440‐450  nm,  respectively 

(Hernandez‐Arteseros et al., 2002).  

Fluorescence detection (FLD) is most commonly employed in HPLC since it is more sensitive 

and selective than UV or diode array detection (DAD) (Shim et al., 2003, Hung, 2007, Yorke 

and Froc, 2000, Idowu and Peggins, 2004). For instance the limit of detection (LOD) and the 

limit  of  quantification  (LOQ)  values  obtained  using  FLD were  0.5‐30  µg  L‐1and  1µg  L‐1, 

respectively  (Yorke  and  Froc,  2000,  Idowu  and  Peggins,  2004), which were  significantly 

lower  compared  to  those  established  by  DAD  i.e.  50  µg  L‐1and  20  µg  L‐1,  respectively 

(Cinquina et al., 2003). Lower LOD values using FLD were also exhibited, at 25 µg kg‐1   in 

chicken tissues (Maraschiello et al., 2001), from 5 to 20 µg kg‐1 in chicken eggs (Zeng et al., 

2005), and LOQ value at 2.4 to 10 µg L‐1 in milk (Marazuela and Moreno‐Bondi, 2004). 

2.3.1.2. Liquid chromatography / mass spectrometry (LC‐MS) and (LC‐MS/MS) 

Liquid  chromatography  coupled  with  mass  spectrometry  (LC‐MS)  is  a  technique  that 

merges the physical separation technique of liquid chromatography with the mass analysis 

capabilities of mass spectrometry. It is a powerful tool which was developed to overcome 

the  limitation  of  HPLC  (Toldra  and  Reig,  2006).  This  technique  has  high  sensitivity  and 

specificity, and is used for analysis of compounds that are highly polar, thermally labile and 

relatively high molecular weight (Yoon et al., 2003).  

Vyncht  et  al.,  2002  determined  multi‐residues  of  FQs  in  swine  kidney  with  limits  of 

detection (LOD) that was much lower than the respective residue limits (MRL) by HPLC. LC‐

MS‐MS  is  another  powerful  analytical  technique  that  has  higher  sensitivity  and  greater 

selectivity for determining FQs residues in foods. Toussaint et al., 2005 have demonstrated 

the capability of LC‐MS‐MS with LOQ from 1 to 7 µg kg‐1 and LOD from 0.3 to 2.1 µg kg‐1 

for11 FQs antibiotics  in pig kidney, which were much  lower  than  the MRL values  (200 – 

1500 µg kg‐1). 

2.3.1.3. Gas Chromatography / Mass Spectrometry (GC/MS) 

Since  FQs  are  relatively polar  and  non‐volatile  in  character,  volatile derivatives must be 

prepared prior to GC analysis. The most common derivatisation method used  is reduction 

with  NaBH4leading  to  more  volatile  properties.  Most  researchers  applied  a  DB‐5  or 

Page 51: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

26  

equivalent column for the separation with a temperature gradient from 100 to 270oC. In all 

cases, detection was carried out by MS  in the positive  ion mode and signal monitoring  is 

performed in the SIM mode. GC‐MS is used as a confirmatory tool after determination by 

LC‐FLD  (liquid  chromatography‐fluorescence  detector)  and  also  for  quantification  of 

analytes  (Hernandez  et  al.,  2002).  Takatsuki  (1991)  developed  GC methods  to  analyse 

nalidixic acid, oxolinic acid and piromidic acid in fish and animal edible tissues, resulting in 

better sensitivity with the LOD of 1µg kg‐1.  

2.3.1.4  Thin  Layer  Chromatography  (TLC)  and  High  Performance  Thin  Layer 

Chromatography (HPTLC) 

TLC  and  HPTLC  have  been  applied  successfully  for  the  qualitative  and  quantitative 

detection on multi‐residues in food samples even though their use have rapidly decreased 

during  the  last  decade  (Toldra  and  Reig,  2006).  These  methods  are  based  on 

chromatography  principle  followed  by  visualization  of  the  separated  components  bya 

means of chromogenic reagent or illuminating with UV light (Toldra and Reig, 2006). Native 

fluorescence, indirect fluorescence and terbium sensitized luminescence are other several 

detection  systems  have  been  used  (Hernandez‐Arteseros  et  al.,  2002).  The  relative 

intensity  of  the  spot  on  the  plate  can  be  measured  against  the  internal  standard  by 

scanning densitometry for quantitative analysis, such as detection of clenbuterol and other 

agonist drug residues  in meat  (Toldra and Reig, 2006). The advantages of these methods 

are a high  throughput, automatisation  for higher productivity and  that separated sample 

can be recovered for further confirmation. However, they have some drawbacks, such as 

require skilled and experienced personal, need sample preparation,  in some cases, which 

can be time consuming, and high false positives.  

The above mentioned methods have been used for detecting different FQ residues such as 

flumequine  in milk  samples  (Choma  et  al.,  2002),  and  ciproflaxacin,  danofloxacin,  ENR, 

flumequine, nalidixic acid, norfloxacin and oxolinic acid  in pig muscle  (Juhel‐Gaugain and 

Abjean, 1998) and flumequine and oxolinic acid in edible muscle tissue and fish (Vega et al., 

1995). Gaugain and Abjean  (1998) determined seven FQs simultaneously  in pork and the 

developed method exhibited  the  IC50 value at 0.96µg kg‐1. Vega et al., 1995 were able  to 

quantify flumequine and oxolinic acid in edible muscle tissue and fish with a LOD of 0.2 µg 

Page 52: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

27  

kg‐1 and 8‐9 µg kg‐1, respectively. A TLC‐bioautography consisted of a combination of TLC 

and microbiological detections directly on the plate has also been developed for detecting 

flumequine in milk sample, resulting in an enhanced sensitivity (Choma et al., 2002). 

2.3.2. Bioanalytical or immunochemical methods 

Food is a complex mixture of lipids, carbohydrates, proteins, vitamins, organic compounds, 

and other naturally occurring substances  (Van Emon, 2010).  It sometimes get exposed to 

residues  of  pesticides,  veterinary  and  human  drugs,  microbial  toxins,  preservatives, 

contaminants  from  food  processing  and  packaging,  and  other  residues.  These 

contaminants can cause difficulties  in the analysis of  food. Therefore, there  is a need  for 

rapid, simple, and cost‐effective methods for contaminant analysis to secure reliable food 

supply. Bioanalytical or immunochemical methods are the method of choice for many food 

contaminants  (Van Emon, 2010).These methods  include  immunoaffinity chromatography, 

immunosensors,  and  immunoassays,  and  are  providing  important  information  regarding 

the presence of contaminants in food that may impact human health and the environment 

(Van Emon et al., 2007). 

2.3.2.1. Immunoaffinity chromatography (IAC) 

Immunoaffinity chromatography requires sample extraction and cleanup prior to analysis. 

The resultant extracts can be coupled with immunochemical assay or instrumentation. Sol‐

gel  IAC  is a method where  the antibodies are  trapped  in a ceramic SiO2 sol‐gel matrix  to 

bind  target  analytes  in  the  samples,  and  samples  are  loaded  onto  a  sol‐gel  based 

immunoaffinity purification  (IAP) column. An elution  step  releases  the analytes  from  the 

antibody  binding  and  the  analytes  are  then  detected  using  either  an  immunoassay  or 

instrumentation (Van Emon, 2010). The advantages of this technique is utilizing low levels 

of  organic  solvent  and  small  volumes  of  samples,  thus  effective  in  removing  interfering 

components resulting in high recovery rates with low intereference. 

IAC has been applied by many researchers to detect FQ residues in food (Holtzapple et al., 

2001, Sun et al., 2007, Zhao et al., 2009, Watanabe H. et al., 2002). Zhao and coworkers 

(2009)  successfully  developed  an  IAC method  that  is  coupled  to HPLC  equipped with  a 

fluorescence detector  for  the  isolation and purification of 10 FQs  in chicken muscle. This 

assay provided an analysis with a limit of detection at 0.1 µg kg‐1 for danofloxacin and 0.15 

Page 53: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

28  

µg kg‐1 for other FQs tested. High recoveries from chicken liver muscle, and milk were also 

obtained employing this technique, with the mean recovery values being 77 – 96 %, 72 ‐92 % 

and 84 ‐ 99%, respectively (Watanabe H. et al., 2002).   

2.3.2.2. Biosensors/Immunosensors 

Biosensors employ a method composed of a recognition element (e.g. an antibody) and a 

transducer  that  converts  binding  of  an  antibody  with  an  antigen  into  a  measureable 

physical  signal.  Such  a  system  is  able  to  detect  analyte  continuously  and  selectively, 

yielding a response  in real time (Van Emon, 2010). Several types of  immunosensors have 

been used for pesticide and FQ residues detections in foods, including optical, evanescent 

wave,  surface‐plasmon  resonance,  fluorescence  and  electrochemical  impedance 

spectroscopy  (Van  Emon,  2010,  Cao  et  al.,  2007, Marchesini  et  al.,  2007, Giroud  et  al., 

2009).  This  technique  provides  higher  productivity  and  shorter  cycle  times  which  can 

analyse multiple residues in one analytical run and up to 120 samples per hour (Toldra and 

Reig, 2006). The technique also possesses extremely low detection limit at 1 x 10‐12 g mL‐1 

or  3  pmol  L‐1,  where  the  signals  were  detected  and  characterised  by  electrochemical 

impendance  spectroscopy  (Giroud  et  al.,  2009). However,  the  number  of  biochip  arrays 

ready to use  is still commercially  limited.  In any case,  it requires high operative costs and 

initial investment for equipment. 

Cao and coworkers  (2007) developed a DNA‐based surface plasmon resonance biosensor 

for  the  detection  of  ENR  residue  in  milk  samples.  This  surface  plasmon  resonance 

biosensor based‐DNA assay works where heating denatured DNA immobilised on the gold‐

coated glass surface.  The immobilization was performed by a layer‐by‐layer co‐deposition 

with a cationic polymer. The  sensor performance was  tested with  real biological probes. 

The  detection  limit  delivered was  3  µg  L‐1in milk.  Another  plasma  resonance  biosensor 

developed for FQ residues able to generate an IC50 values between 2 and 10 µg L‐1 and % 

cross‐reactivity between 30 and 100% for five FQs evaluated in chicken muscle (Marchesini 

et al., 2007).  

2.3.2.3. Immunoassays 

Immunoassays  are  based  on  the  specificity  of  the  antibody  and  antigen  reaction.  The 

technique  has  the  ability  to measure  analytes  at  low  concentrations without  extensive 

Page 54: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

29  

sample preparation. This method proves to be advantageous for environmental monitoring 

where contaminants are  typically present at very  low  levels and  theycannot be detected 

accurately by other  conventional methods without  investing on  extensive  cleanup  time. 

Hence,  this method has been used as a  complement  to  instrumental methods  for many 

years  to  detect  a wide  range  of  food  constituents  including  substances  responsible  for 

adulterations and from accidental contaminations (Toldra and Reig, 2006).   

Specificity  electivity  is  a  factor  dependent  on  the  complementary  nature  of  an  antigen 

surface and an antibody binding site. This governs the specificity of an  immunoassay. The 

affinity  constant  (Keq), which  the  ratio  of  bound  and  unbound  antigen  and  antibody  at 

equilibrium as shown  in Eq  (1),  is a measure of how well an antibody can  function  in an 

immunoassay. For food contaminant  immunoassay, Keq  is typically  in the order of 10‐4 to 

10‐12 L/mol (Lee and Kennedy, 2007). 

Ab + Ag Ab – Ag complex…..(Eq. 1) 

Keq (Lmol‐1) = [Ab – Ag] / [Ab][Ag] 

Ab = antibody 

Ag = antigen 

Keq = equilibrium constant or affinity constant 

[Ab – Ag] = concentration of bound antigen 

[Ab] = concentration of free antibody 

[Ag] = concentration of free antigen 

An  immunoassay  provides  a  fast,  simple  and  cost‐effective  method  of  analysis,  with 

sensitivity  and  specificity  comparable  to  or  better  (in  some  cases)  than  the  chemical 

instrumentation method.  One  of  the  key  advantages  of  immunoassay  is  the  speed  of 

analysis.  Immunoassay  does  not  need  the  laborious  sample  preparation  step,  such  as 

extensive sample clean‐up, to remove interferences. Also, the technique can often handle 

numerous samples simultaneously, thereby greatly enhancing sample throughput (Lee and 

Kennedy, 2007).  

Page 55: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

30  

2.4. ELISA (Enzyme‐Linked Immunosorbent Assay) 

Many  immunoassays  have  been  reported  for  detecting  FQs  residues  and  other 

contaminants  in  food matrixes;  the most  common  is  the  Enzyme  Linked‐ImmunSorbent 

Assay  (ELISA)  (Van  Emon,  2010).  ELISA  is  a  detection  system  based  on  enzyme‐labelled 

reagents. ELISAs have shown good performance for the analysis of FQ antibiotic residues in 

animal meat (Kato et al., 2007, Li et al., 2008, Burkin, 2008, Kato et al., 2008), animal edible 

tissues  (Duan and Yuan, 2001, Watanabe et al., 2002, Huet et al., 2006, Zhu et al., 2008) 

milk (Coillie et al., 2004, Zhao et al., 2007, Kato et al., 2008, Bucknall et al., 2003, Huang et 

al., 2010, Duan  and  Yuan, 2001), eggs  (Wang et  al., 2007a, Huet et  al., 2006),  in honey 

(Wang et al., 2007a), in shrimp (Tittlemier et al., 2008, Wang et al., 2007a) and eel (Cao et 

al., 2011). 

2.4.1. Principle 

An  ELISA  involves  an  enzyme,  a  protein  that  catalyses  a  biochemical  reaction  and  an 

antibody or antigen as  immunologic molecules. ELISA also  requires  the stepwise addition 

and  reaction  of  reagents  to  a  solid  phase  bound  substance,  through  incubation  and 

separation of bound and unbound molecules using washing steps. An enzymatic reaction is 

utilised to produce a colour for quantification purposes.  

2.4.2 ELISA Format 

The key feature of an ELISA is flexibility, as more than one assay format can be formatted 

to measure the same analyte.  In general, ELISA  is divided  into three formats; competitive 

ELISA,  non‐competitive  ELISA  and  double  antibody  sandwich  ELISA.  A  double  antibody 

sandwich ELISA is usually employed to measure larger molecular analytes such as proteins, 

viruses,  and  bacteria.  A  competitive  ELISA  has  been  widely  employed  to  detect  small 

molecular  contaminants  in  food  such  as  mycotoxin,  pesticides,  and  antibiotics.    A 

competitive ELISA may be either direct  (immobilised    antibody) or  indirect  (immobilised  

hapten  conjugate  or  antigen)  competitive  ELISA  (Wang  et  al.,  2007a).    Whereas,  the 

principle of a non‐competitive ELISA method is where antigen is bound to the solid phase, 

then  labelled antibody  is  then bound  to  the antigen.  The  amount of  labelled antibody  is 

then measured. Unlike  the  competitive  format,  the  results of  the non‐competitive assay 

are  directly  proportional  to  the  concentration  of  the antigen.  This  is  because 

Page 56: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

31  

labelled antibody will not bind  if the antigen is not present  in the unknown sample  (Price 

and Newman, 1991). 

A direct competitive ELISA  refers  to an assay  in which antibodies are attached  to a solid 

phase. Then, an analyte and an enzyme‐labelled competing antigen are added together to 

compete for the limited antibody binding sites. After incubation, any unbound reagents are 

removed by washing. A substrate solution is added to produce a colour for measurement.   

As  shown  on  Figure  2.6,  an  indirect  competitive  ELISA  (based  on  a  solid  phase  antigen 

format) works by which an antigen is attached to a solid phase. After washing of plate, an 

analyte and an antibody are added in the test wells. A secondary labelled antibody is used 

to detect the antibody that has bound to the solid phase antigen. After an incubation and 

washing, a substrate (chromophore solution) is added to develop the colour. 

         

 

Figure 2.6 Schematic presentation of an indirect competitive ELISA. 

 

The major advantage of a competitive ELISA is the ability to provide specific binding of an 

antigen by an antibodyin crude samples. Many matrix constituents co‐present in the crude 

sample do not generally affect  the antibody’s ability  to bind  to  its antigen  (analyte). The 

principle of this format is that if more (free) antigens are present in the sample, the fewer 

antibodies are available to bind to the antigen immobilised in the well, hence the reference 

is  termed  "competition”  (Figure  2.6).  Table  2.6  lists  ELISA methods  developed  for  the 

detection of FQ antibiotics in animal and marine derived products. 

Page 57: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

32  

Table 2.8 ELISAs developed for FQ antibiotics 

FQs Antibiotics Limit of detection (LOD) 

in µg kg‐1 or µg L‐1 

Sensitivity (IC50) in 

µg kg‐1 or µg L‐1 Samples  References 

Sarafloxacin, 

difloxacin, 

trovafloxacin, 

norfloxacin, ENR, 

and nalidixic acid 

2  7.3 ‐ 48.3  Chicken 

liver 

(Holtzapple et 

al., 1997) 

Ciprofloxacin   0.32  n/a*  Milk, 

chicken, 

pork meats 

(Duan  and 

Yuan, 2001) 

ENR, 

ciprofloxacin, 

ofloxacin 

0.3 ‐ 0.95  2 ‐ 6  Chicken 

kidney, and 

milk 

(Bucknall  et 

al., 2003) 

ofloxacin, 

danofloxacin, 

flumequine, 

nalidixic acid, 

oxolinic acid, 

enoxacin and 

lomefloxacin 

0.21  0.21 ‐ 25  Pig kidney, 

muscle, 

egg, fish, 

and shrimp 

(Huet  et  al., 

2006) 

Gatifloxacin  0.05  2.6  Milk   (Zhao  et  al., 

2007) 

ENR  0.7  n/a*  Milk   (Kato  et  al., 

2008) 

Flumequine  12.5  90  Milk   (Coillie  et  al., 

2004) 

Ciprofloxacin,   0.095  1.47  Milk   (Huang  et  al., 

2010) 

 

 

Page 58: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

33  

Table 2.8 ELISAs developed for FQ antibiotics (continued) 

FQs Antibiotics  Limit of detection (LOD) 

in µg kg‐1 or µg L‐1 

Sensitivity (IC50) in 

µg kg‐1 or µg L‐1 

Samples  References 

Ciprofloxacin, 

ENR, 

norlfoxacin, 

ofloxacin, 

danofloxacin, 

pefloxacin, 

amifloxacin, 

lomefloxacin, 

enoxacin, 

flumequine, 

oxolinic acid, 

marbofloxacin, 

difloxacin, and 

sarafloxacin 

0.2 ‐ 3.4  2.1 ‐ 23  Chicken 

liver, 

muscle, 

eggs 

shrimp, 

honey 

(Wang  et  al., 

2007b) 

Norfloxacin, 

ENR, 

ciprofloxacin, 

difloxacin, 

sarafloxacin, 

ofloxacin, 

danofloxacin, 

flumequine, 

nalidixic acid 

and oxolinic acid 

0.1 – 17  n/a*  Shrimp   (Tittlemier  et 

al., 2008) 

 

 

Page 59: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

34  

Table 2.8ELISAs developed for FQ antibiotics (continued) 

FQs Antibiotics Limit of detection (LOD) 

in µg kg‐1 or µg L‐1 

Sensitivity (IC50) in 

µg kg‐1 or µg L‐1 Samples  References 

Norfloxacin, 

ENR, 

ciprofloxacin, 

difloxacin, 

sarafloxacin, 

ofloxacin, 

danofloxacin, 

flumequine, 

nalidixic acid 

and oxolinic acid 

0.1 ‐ 17  n/a*  Shrimp   (Tittlemier  et 

al., 2008) 

Norfloxacin, 

ENR, 

ciprofloxacin, 

difloxacin, 

pefloxacin, 

cinoxacin, 

sarafloxacin, 

marbofloxacin, 

ofloxacin, 

danofloxacin, 

flumequine, 

nalidixic acid, 

oxolinic acid, 

enoxacin, 

lomefloxacin, 

pipemidic acid, 

difloxacin, and 

orbifloxacin 

0.01   0.04 – 10.2  Pork and 

chicken 

meats  

(Li  et  al., 

2008) 

Page 60: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

35  

Table 2.8ELISAs developed for FQ antibiotics (continued) 

FQs Antibiotics Limit of detection (LOD) 

in µg kg‐1 or µg L‐1 

Sensitivity (IC50) 

in µg kg‐1 or µg L‐1Samples  References

Pefloxacin, 

fleroxacin, ENR, 

ofloxacin, 

enoxacin, 

norfloxacin, 

lomefloxacin, 

ciprofloxacin, 

sarafloxacin, 

gatifloxacin, 

pipemidic acid 

0.16  6.7  Chicken 

liver 

(Lu  et  al., 

2006) 

Marbofloxacin 

Ofloxacin, ENR, 

ciprofloxacin, 

and difloxacin 

0.6  4.6  Beef and 

pork 

meats 

(Sheng  et 

al., 2009a) 

Danofloxacin, 

ENR, 

ciprofloxacin, 

difloxacin, 

norfloxacin, 

marbofloxacin, 

ofloxacin, 

oxolinic acid, 

and flumequine 

0.1  5.4  Beef, 

chicken 

and pork 

meats 

(Sheng  et 

al., 2009b) 

 

 

 

Page 61: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

36  

Table 2.8 ELISAs developed for FQ antibiotics (continued) 

FQs Antibiotics Limit of detection (LOD) 

in µg kg‐1 or µg L‐1 

Sensitivity (IC50) 

in µg kg‐1 or µg L‐1Samples  References 

ENR, 

ciprofloxacin, 

norfloxacin, 

ofloxacin, 

sarfloxacin, 

enoxacin, 

levofloxacin, 

sparfloxacin, 

and pefloxacin 

2.5  8.3  Chicken 

muscle 

tissue 

(Chen  et 

al., 2009a) 

 

2.5. Development of immunoassay for fluoroquinolone antibiotics 

2.5.1. Hapten design and synthesis 

The  initial  step  in  the  immunoassay development  for  FQs  is  the design and  synthesis of 

haptens. As FQs have  low molecular weight of  less than a few thousand daltons, they are 

not  immunogenic  and  unable  to  elicit  immune  responses  in  animals.  In  order  to  cause 

immunogenicity or to produce antibodies against these molecules, they must be coupled 

to suitable larger carrier molecules, usually proteins, so that they can stimulate the cellular 

immune system. These molecules are called haptens and when coupled to carrier proteins, 

they can act as immunogens (Beier et al., 1996), as shown in Figure 2.7 (Hermanson, 1996). 

 

Figure  2.7  An  immunogen  is made  by  coupling  a  hapten  to  a  carrier molecule  using  a 

conjugation reagent. 

Page 62: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

37  

Antigens are usually macromolecules  that  contain distinct antigenic  sites  called epitopes 

that  recognize  and  interact with  the  various  immune  system  components  (Hermanson, 

1996). Antigens are composed of synthetic organic chemicals,  lipoproteins, glycoproteins, 

RNA, DNA, or polysaccharides as an  individual molecule or antigens are parts of  cellular 

structure such as bacteria, fungi or viruses (Harlow and Lane, 1988).  

There  are  some  general  criteria  in  designing  haptens  for  antibody  production.  The 

optimum hapten for a selected target analyte should be a near perfect mimic of the target 

structure  in  size,  shape,  electronic  and  hydrogen  bonding  capabilities  and  in  its 

hydrophobic  properties  (Lee  and  Kennedy,  2007,  Sheng  et  al.,  2009a).  An  appropriate 

functional  group  for  covalent  attachment  to  the  protein must  be  compatible with  the 

chemistry  of  the  functional  group  on  the  target. Moreover,  the  chemistry  of  the  target 

molecule must be understood, and evaluated for methods of  insertion of the attachment 

handle by established  chemistry  (Goodrow and Hammock, 1998). Hence, an appropriate 

hapten design and synthesis  is  important  in manipulating the specificity and sensitivity of 

an antibody (Crowther, 2001, Lee and Kennedy, 2007).  

2.5.1.1. Selection of spacer arm point attachment for fluoroquinolone antibiotics 

Generally, there are two common selection points of attachment on FQ structure to design 

FQ haptens, attached to either a carboxylic group or a piperazynil moiety. Formation of an 

active  ester  of  N‐hydroxysuccinimide  (NHS)  in  the  presence  of  carbodiimide  is  often 

employed as a coupling procedure of FQs to the carrier protein. A carboxylate group of FQ 

is a  target attachment  to  the carrier protein. This coupling procedure has  the advantage 

that the active ester acquired is relatively stable under acidic condition, so it is possible to 

purify  and  store  the  compound.  The  active ester of NHS  reacts quickly with  amino  acid 

groups of proteins, particularly with lysine(Lee and Kennedy, 2007). 

A spacer arm of haptens containing 3 to 6 carbons is preferred. A  long spacer arm (Lee and 

Kennedy 2007, Tittlemier et al., 2008) generally containing more than 6 carbons may lead 

to unstable protein or hapten conjugate. Moreover, using bulky functional groups such as 

aromatic, cyclic  rings or conjugated double bonds could minimise  the  recognition of  this 

region by the antibodies (Lee and Kennedy, 2007). 

Page 63: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

38  

From the structural point of view, attaching a secondary amine on the piperazinyl moiety 

of FQs to a carrier protein allows the carboxylic acid group to remain unchanged; and this 

approach helps  to extend  the variable moiety away  from  the point of attachment  to  the 

carrier  protein,  resulting  in  good  specificity  of  antibodies  (Bucknall  et  al.,2003; Huet  et 

al.,2006; Wang et al.,2007; Tittlemieret al.,2008; Li et al., 2008; Burkin, 2008). In addition, 

this  design  exposes  4‐quinolone  carboxylic  acid  common  to  FQ  antibiotics  as  an 

immunodominant region. Consequently, the antibody has high cross‐reactivity of between 

10%  and 100%  (Huet et  al., 2006)  and between 35‐100%  (Wang et  al., 2007a)  for most 

related compounds, making this a useful screening tool. 

On the other hand, the carboxylic group on the FQs may be linked to an amino group of the 

carrier protein, which enhances the sensitivity and specificity of the antibody. For instance, 

Zhao  et  al.,  2007  developed  an  ELISA  test  kit  using  the method  which  has  a  limit  of 

detection  of  0.05  µg  L‐1  in milk.  The  results  also  showed  that  anti‐gatifloxacin  antibody 

produced  a  high  specificity  towards  gatifloxacin.  This  is  due  to  that  gatifloxacin  hasa 

uniquemethoxy  group  located  in  position  8  that  may  contribute  to  better  specificity. 

Coillieet  al.  (2004)  also  employed  this  attachment  point  to  improve  specificity  of  their 

antibody.  The  resulting  cross‐reactivity with  ENR,  ciprofloxacin,  difloxacin,  danofloxacin, 

marbofloxacin and oxolinic acid was less than 0.1%. 

In order to obtain better specificity with low cross‐reaction, coupling of a carboxylic acid to 

a  carrier  protein  is  generally  preferred. While  a  piperazynil moiety  coupled  to  a  carrier 

protein  is more useful when detection of  a wide  range of  FQs  is preferred. Apparently, 

there is little difference between LOD values of the both approaches. The LOD values of the 

carboxylic acid and a piperazynil moeity attachments were 0.32 µg kg‐1 (Duan and Yuan, 

2001) and 0.2 µg kg‐1 (Wang et al., 2007a), respectively.  

2.5.1.2. Competing hapten to carrier protein ratio 

There  is  a  number  of  proteins  used  as  carriers,  e.g.  bovine  serum  albumin  (BSA; MW 

67,000), ovalbumin (OVA; MW 43,000), keyhole limpet hemocyanin (KLH; MW 4.5 x 105 to 

1.3 x 107), aminoethylated (or cationized) BSA (cBSA), human serum albumin (HAS) and co‐

albumin. Generally, BSA and OVA are used as carrier proteinsbecause of  their numerous 

Page 64: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

39  

functional  groups  and  high  solubility  during  cross‐linking  or  even  after  extensive 

modification with hapten molecules (Hermanson, 1996).  

DMSO  is generally used  to solubilize hapten molecules containing bovine serum albumin 

(BSA)  or  ovalbumin  (OVA).  To maintain  the  solubility  of  haptens,  a  solvent  or  aqueous 

phase mixture may be used in conjugation reactions. BSA remains soluble in the presence 

of up to 35% DMSO and precipitates in 45% and above. In contrast, OVA is soluble in up to 

70% and precipitates in 80% and above (Hermanson, 1996). 

KLH  is  derived  from  the mollusk Megathuracrenulata,  an  extremely  large multi‐subunit 

protein that contains chelated copper of non‐heme origin. When KLH  is dissolved  in basic 

solution,  it  produces  blue  colour  solution, while,  the  solution  turns  to  green when  it  is 

dissolved  in  an  acidic  solution.  KLH  also  should  not  be  frozen  as  the  protein  denatured 

easily,  increasing  in  insolubility,  and making  conjugation  reactions  difficult.  Stability  and 

solubility of KLH is preserved in buffers containing 0.9M NaCl, not in buffers containing 0.9% 

NaCl. When  the concentration of NaCl  is  less  than approximately 0.6 M,  the protein will 

start  to denature and precipitate. Hence, conjugation reaction using KLH should be done 

under high‐salt conditions to maintain solubility of the hapten‐carrier complex (Hermanson, 

1996). 

There are specific requirements for carrier proteins; they must be highly immunogenic and 

sufficiently  large  in  size  so  that  they  can  impart  immunogenicity  to  covalently  coupled 

haptens. Another criteria for carrier proteins  is the presence of suitable functional groups 

for  conjugation with  haptens, maintain  high  solubility  even  after  extensive modification 

with hapten molecules and also present low toxicity in animals’ body (Hermanson, 1996).  

2.5.1.3. Conjugation methods 

There  is a number of conjugation methods employed. They are chosen according  to  the 

functional  groups  of  a  hapten,  such  as  hydroxyl,  carbonyl,  phenol,  thiol  and  sulfhydryl 

groups. However, coupling through carboxylic and amine groups remain the most popular 

procedure due  to  the high success  rate and high stability of  the  resulting conjugates(Lee 

and Kennedy, 2007).  

Page 65: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

40  

2.5.1.3.1. Carboxylic groups 

A  carboxylic  acid  of  a  hapten  is  generally  conjugated  to  a  protein  using  either  the 

anhydride  or  carbodiimide with N‐hydroxysuccinimide  (NHS). Carboxylic  groups  – mixed 

function anhydride is a simple method since it does not require isolation of an active ester. 

A  carboxylic  group  of  a  hapten  is  converted  to  an  anhydride  acid which  reacts with  an 

amino  group of  a  carrier protein  in  aqueous‐water miscible  solvent mixture or  reagents 

such  as  isobutylchloroformate  (IBCF)  with  tributyl  or  triethylamine  (Lee  and  Kennedy, 

2007), as shown in Figure 2.8 (Hermanson, 1996).   

 

Figure 2.8 Reaction of a carboxylic acid with a chlorformate forms an amine‐reactive mixed 

anhydride. 

Carbodiimides  are  zero‐length  cross‐linking  agents  used  to  mediate  hapten‐carrier 

conjugation via carboxylic groups. It is called zero‐length cross‐linking agents, as there is no 

additional  carbon  in  forming  bonds  between  the  conjugation molecules.  N‐substituted 

carbodiimides  react  with  carboxylic  acids  to  form  highly  reactive  O‐acylisourea 

intermediate which reacts with a primary amine to form an amide bond, soluble isoureais 

released as a by‐product (Figure 2.9;Hermanson, 1996). 

Figure 2.9 Reaction of a carboxylic acid with carbodiimide forms an O‐acylisourea. 

Page 66: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

41  

There are two basic types of carbodiimides: water soluble carbodiimides, such as 1‐ethyl‐3‐

(3‐dimethyl‐aminopropyl)  carbodiimide  hydrochloride  (EDC),  dicyclohexylcarbodiimide 

(DCC),  1‐cyclohexyl‐3‐(2‐morphplinyl‐4‐ethyl)  carbodiimide  methyl  p‐toluene  sulfonate 

(CMC), and water insoluble carbodiimides; such as diisopropylcarbodiimide (DIC). EDC and 

DCC are the most common water soluble carbodiimides used for FQ hapten‐carrier protein 

conjugation.  

Carbodiimide  formation  effectively  occurs  between  pH  4.5  and  7.5  (Hermanson,  1996). 

EDC and CMC are stable  in acidic condition  (pH 5.5), whereas, DCC  is stable  in a neutral 

environment  (pH 7.2). MES  (2‐(N‐morpholino)ethanesulfonic acid) or phosphate buffer  is 

usually used to stabilize the pH during the reactions. In general, the reaction is performed 

by derivatizing small molecules with carbodiimides in a water‐miscible organic solvent and 

the  product  is  added  to  an  aqueous  protein  solution  for  the  coupling  stage.  Organic 

solvents may prevent isourea formation in the conugation solution (Wild, 2001). 

A  carboxylate  group  conjugated with  carbodiimide‐NHS  to  a  protein  is  often  used  as  a 

coupling procedure  to develop  immunoassays  for  food  contaminants. Many  researchers 

have employed this coupling procedure to develop better sensitivity and specificity for the 

detection FQ residues in seafood and animal‐derived products (Bucknall et al., 2003, Wang 

et al., 2007a, Coillie et al., 2004, Duan and Yuan, 2001, Huang et al., 2010).  

The active ester obtained from this coupling method is stable under acidic conditions. It is 

also highly reactive towards amine  functional groups on proteins and other molecules to 

form  stable amide bonds. Moreover,  the  conjugation  reaction  is  complete within 2 h at 

room  temperature and  the active ester  reacts quickly with  the amino groups of proteins 

resulting in good yield (i.e., higher epitope density) (Lee and Kennedy, 2007).  

The reaction is carried out by activating a carboxylic acid group in an organic solvent with a 

mixture of DCC and NHS, and the active ester  is added to an aqueous protein solution as 

shown in (Figure 2.10;Hermanson, 1996). 

Page 67: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

42  

 

Figure  2.10 Reaction of  a  carboxylic  acid  group with  carbodiimide‐NHS  forms  an  active‐

succinimide ester. 

2.5.1.3.2. Amine groups 

There  is a number of ways  to conjugate an amine group  to a carrier protein.  In general, 

aromatic  amine  is  converted with  nitrous  acid  to  form  a  diazonium  salt.  The  coupling 

reaction  is carried out by mixing  the diazonium salt and a protein at an alkaline pH. The 

reaction  mainly  occurs  with  tyrosine,  histidine  and  tryptophan  residues  of  the  carrier 

protein (Garden and Sporns, 1994). This coupling method produces bonds which are easily 

dissociated and has been successfully employed  in pesticide  immunoassays. For  instance, 

parathion was converted  to a diazonium salt and coupled with bovine serum albumin  to 

produce specific antibodies (Lee and Kennedy, 2007).  

Following  the  coupling  reaction  is  the  conversion  of  the  aliphatic  amines with  succinic 

anhydride carboxylic group  to protein. Coupling of aliphatic amines can also be achieved 

using 4,4’‐difluoro‐3,3’dinitrophenyl sulfone, cyanuric chloride or toluene 2,4‐diisocyanate. 

However, using  these  reagents  attracts  some drawbacks;  they  are hydrophobic,  so  they 

must be dissolved in a solvent before adding to the protein solution, generally resulting in 

low conjugation. Hydrolysis may also occur simultaneously, and  the active ester of  these 

Page 68: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

43  

reagents  becomes  less  available  for  conjugation.  In  addition,  under  alkaline  conditions, 

these reagents will react with other amino groups containing hydrogen such as sulfhydryl 

group of  cysteine, phenolic  group of  tyrosine  and  imidazole  group of histidine  (Lee  and 

Kennedy, 2007).  

An  alternative  approach  is  available  through  reacting  aromatic  amines  with  succinic 

anhydride  in pyridine  to provide  the ester of  succinic acid  (Wang et al., 1998). Coupling 

through succinic acid provides advantages over diazonium  salts coupling due  to a bridge 

group  introduced  at  the  same  time  between  hapten  and  protein,  resulting  in  a more 

sensitive  assay  (Wang  et  al.,  1998). Diazonium  salts  linking  leads  to  the  loss  of  enzyme 

activity as histidine and  lysine are present near or  in the most active sites of the enzyme 

(Lee and Kennedy, 2007). Also, there are no spacer arms between diazonium salts and the 

protein, this may result in low assay sensitivity (Wang et al., 1998). 

2.5.2. Antibody production 

2.5.2.1. Overview 

The availability of antibodies with the desired affinity and specificity is the most important 

factor  governing  immunoassay  performance.  Antibodies  are  primarily  synthesised  and 

produced by  specialized plasma  cell  lymphocytes  (Wild, 1994),  its primary  function  is  to 

bind  antigen  specifically  or  neutralize  foreign matters  (e.g.,  on  bacterial  toxin  or  viral 

penetration of  cells)  (Deshpande,  1996). A hapten‐protein  conjugate  (an  immunogen)  is 

used  to produce antibody by  immunizing an animal  (Lee and Kennedy, 2007). There are 

generally  two  techniques  for  production  of  antibody,  namely  polyclonal  (via  in  vivo 

technique) and monoclonal antibody (in vitro technique).  

2.5.2.2. Polyclonal antibodies 

Polyclonal antibodies , sometimes called antisera, are antibodies derived from different B‐

cell lines, a mixture of immunoglobulin molecules secreted against a specific antigen (Beier 

et  al.,  1996).  These  antibodies  are  typically  produced  by immunisation of  a 

suitable mammal,  such  as  a mouse,  rabbit  or  goat.  This  induces  the  B‐lymphocytes to 

produce IgG (immunoglobulin  G)  specific  for  the  antigen.  Animals  frequently  used  for 

polyclonal antibody production include chickens, goats, guinea pigs, hamsters, horses, mice, 

Page 69: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

44  

rats, and sheep. However, rabbit is the most commonly used laboratory animal due to the 

ease of handling (Lee and Kennedy, 2007). 

Most of  the sensitive  immunoassays developed  for detection of  food contaminants have 

been based on polyclonal  antibodies  (Lee and Kennedy, 2007). Many  researchers  (Duan 

and Yuan, 2001, Bucknall et al., 2003, Coillie et al., 2004, Zhao et al., 2009, Tittlemier et al., 

2008,  Huet  et  al.,  2006)    applied  polyclonal  antibodies  for  detection  of  FQ  antibiotic 

residues  in edible  animal  tissues with high  sensitivity.  For  example  an  immunoassay  for 

ciprofloxacin (Duan and Yuan, 2001) has a detection limit of 0.32 µg kg‐1. Another sensitive 

immunoassay was developed  for gatifloxacin  (Zhao et al., 2007) has  a detection  limit of 

0.05 µg kg‐1 with an IC50 value of 2.6 µg kg‐1.  

There  is no standardised protocol  for  immunization.  Injection of  the  immunogen  is done 

via two steps, beginning with an initial injection and then followed by subsequent boosting 

injections  according  to  a  regular  schedule  (Lee  and  Kennedy,  2007).  Immunogens  are 

prepared  by  emulsifying  hapten  conjugated  protein  with  0.9%  NaCl  (saline)  and  an 

adjuvant. The optimal initial boosting dose for rabbit is about 100 µg per mL, whereas for 

subsequent boosting  a much  lower  immunogen  level  is  required;  about 5‐20 µg per mL 

(Wild, 1994). In terms of blood collections, the first bleed is taken about 14 days after the 

booster  immunization,  while  subsequent  bleeds  are  taken  at  regular  intervals,  usually 

monthly. The main  routes of  immunization  for polyclonal antibody production  for  rabbit 

are generally either subcutaneous, intradermal or intramuscular routes or a combination of 

these (Lee and Kennedy, 2007).  

2.5.2.3. Monoclonal antibodies 

Monoclonal antibodies are those produced by one  type of  immune‐cell  clones originated 

from a single parent cell, called hybridoma cell. Mice are the most commonly animal used 

to  produce monoclonal  antibodies. Hybridomas  are  cell  lines  produced  by  fusion  of  an 

immunized  B‐lymphocyte  and myeloma  (tumor)  cell  (Lee  and  Kennedy,  2007).  Since  an 

individual  lymphocyte produces only a single antibody type, all of the antibody molecules 

produced by a hybridoma cell  line are  identical. Thus all of the antibodies have the same 

amino  acid  sequence  and  binding  properties.  In  contrast,  polyclonal  antibodies  are 

produced  by  immunizing  with  a  hapten  protein  conjugate,  resulting  in  a  mixture  of 

Page 70: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

45  

antibodies with different binding properties. For example, antibodies produced by binding 

specifically with  the  hapten‐linkage  chemistry  complex will  have  different  affinities  and 

cross‐reactivities (Beier et al., 1996).  

Some reseachers have reported sensitive immunoassays based on monoclonal antibodies. 

For example, immunoassay for ENR (Kato et al., 2007) exhibited a detection limit of 0.76 µg 

kg‐1.  Another  sensitive  immunoassay  using  monoclonal  antibody  was  developed  for 

norfloxacin  (Li  et  al.,  2008)  and  had  a  detection  limit  of  0.01‐1  µg  kg‐1  which  was 

comparable  to  other  immunoassay  based  on  polyclonal  antibodies.  Some  monoclonal 

antibodies displayed  lower sensitivity and higher  limit of detection values compared with 

polyclonal  antibodies.  Bucknall  et  al.  (1997)  used  monoclonal  antibodies  to  develop 

sarafloxacin, difloxacin,  troflavoxacin, norfloxacin,  ENR  and nalidixic  acid  and  reported  a 

limit of detection of 10 to 100 µg kg‐1. Monoclonal antibodies were also used by Zhu and 

coworkers (2008) to develop assays for norfloxacin and perfloxacin. The assay showed the 

sensitivity  at  25  µg  kg‐1  for  the  targeted  FQs  and  for  other  FQs  (ENR,  ciprofloxacin, 

flumequine,  ofloxacin,  lomefloxacin,  enoxacin,  danoxacin  and  marbofloxacin,)  the 

sensitivity was at 100 µg kg‐1. 

2.5.3. Immunoassay format 

There are two classifications of immunoassays; the homogeneous immunoassay where the 

detection system is measured without separation of free and antibody bound components, 

and heterogeneous immunoassay where the measurement is conducted after a separation 

of  free  and  antibody  bound  components  (Lee  and  Kennedy,  2007).  The  heterogeneous 

immunoassays  are  often  employed  to  generate  sensitive  immunoassays  by  utilizing  an 

enzyme  as  a  detection  system.  The  sensitivity  of  immunoassay  determined  by  antibody 

affinity, type of label or detection system used for the label, type of format employed and 

manipulation of reagents in a given format (Deshpande, 1996).  

Heterogeneous immunoassays can be formatted as either competitive or non‐competitive. 

In  a competitive immunoassay  format,  free  analytes  compete  with  labelled antigens for 

limited  antibody  binding  sites.  The  amount  of  labelled antigen bound  to  antibody site  is 

inversely  proportional  to  antigen  concentration.  In non‐competitive immunoassays 

format,in  contrast  to a  competitive  format, antibody‐antigen binding occurs  in excess of 

Page 71: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

46  

antibody (labelled). The amount of  labelled antibody  measured  is directly proportional to 

antigen concentration (Crowther, 2001). 

2.5.4. Assay characterization 

In order to determine the efficacy of an ELISA test kit for detecting FQs  in animal‐derived 

products, it  is important to fully characterise a competitive immunoassay for its analytical 

parameters. Antibody  characterization  includes  the  determination  of  sensitivity,  limit  of 

detection,  specificity,  matrix  interferences,  data  precision  and  accuracy  and  reagent 

stability.  In  competitive  immunoassays,  presence  of  analyte  is  reflected  as  inhibition  of 

colour  development  with  a  log‐linear  relationship  between  analyte  concentration  and 

colour  development.  Thus,  the  curve  is  typically  sigmoidal  in  shape,  when  plotted 

absorbance vs concentration in a log‐scale format (Lee and Kennedy, 2007). 

The %  control  absorbance  is  determined  by  Eq.  (2) where  it  is  determined  by  adding  a 

sample matrix without FQs with enzyme conjugate as maximum colour generated by the 

assay. The blank  is usually generated for determination of background (Lee and Kennedy, 

2007). 

2..........100/% Eq

AA

AABoB

blankcontrol

blank

 

A = absorbance 

Acontrol = absorbance of analyte at zero concentration 

Ablank = absorbance of blank wells 

2.5.4.1. Calibration curve 

The  calibration  curves  (dose‐response)  of  the  analytes  in  the  immunoassay  are  usually 

obtained  by  plotting  concentration  on  the  X‐axis  against  either  absorbance  (A)  or  % 

inhibition on the Y‐axis.  

2.5.4.2. Sensitivity, limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) 

Sensitivity is the competence of an assay to detect the smallest amount of a target analyte 

under  defined  conditions  (Crowther,  2001).  Sensitivity  of  animmunoassay  is  generally 

determined by an  IC50 value, which  is the concentration of an analyte required to reduce 

Page 72: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

47  

the  colour development by 50%. Equation 3  shows  the determination of %Inhibition  for 

each standard:  

3..........1001% Eq

AA

AAInhibition

blankcontrol

blank

 

Where: 

A = average absorbance for each standard and sample 

Ablank = average absorbance for blank 

Acontrol = average absorbance for control 

Blank  =  matrix  with  no  analyte,  containing  only  solvents,  with  enzyme 

conjugate  

Control  = matrix  with  no  analyte,  containing  solvents  and  diluents,  with 

enzyme conjugate  

A  limit  of  detection  is  determined  by  the  concentration  of  analyte  that  reproducibly 

provides either 15% or 20%  inhibition of colour development (IC15 or  IC20) which must  lie 

within the linear portion of the curve(Lee and Kennedy, 2007).  

Sensitive immunoassays have been described for FQ antibiotics, with the limit of detection 

ranging from 0.05 µg kg‐1 to 50 µg kg‐1. The required assay sensitivity and limit of detection 

vary  depending  on  intended  use  or  the  legal  requirement.  For  example,  the maximum 

residue limits (MRLs) for various FQs in meat products, poultry, fish and milk is established 

by  the  European  Union  (CR  ECC,  1990)  from  10  to  1900  µg  kg‐1.  However,  some 

immunoassays are designed to detect lower concentrations, for example, in environmental 

water to meet  legal requirements at very  low part‐per‐billion or high part‐per‐trillion(Lee 

and Kennedy, 2007). 

2.5.4.3. Specificity and cross reactivity 

Specificity  of  the  immunoassay  can  be  defined  as  the  ability  of  the  assay  to  detect  the 

analyte of interest in a heterogeneous mixture (Wang et al., 1999). The ability depends on 

the properties of the antibodies as well as the properties of each set of immuno‐reagents 

Page 73: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

48  

used for the assay. Generally, better specificity can be obtained by employing monoclonal 

antibodies  than polyclonal antibodies since  they  react as a single population of antibody 

with a single affinity (Crowther, 2001).  

Cross‐reactivity  is  defined  as  the  ability  of  a  population  of  antibodies  to  bind  different 

molecules  other  than  the  analyte(s)  of  interest. Hence,  cross‐reactivity  is  a measure  of 

antibody responses to substances other than the analyte of interest and is directly related 

to the specificity of immunoassay. The specificity can be determined by cross‐reactivity of 

an antibody using compounds of structural similarity. The cross‐reactivity of FQs antibiotics 

is calculated using the following formula:  

%CrossReactivity IC50ofENR

IC50ofotherfluoroquinolonesx100… . . . 4 

2.5.4.4. Matrix interference 

One key advantage of immunoassay is that it does not need extensive sample preparation. 

Hence, immunoassay is generally less affected by sample matrix than the instrument‐based 

methods. Generally, water samples are analysed as  is or diluted  form. For example, milk 

samples are diluted with purified water or buffer, and animal food or edible tissues derived 

from animal  sources are extracted with a water miscible  solvent and  the extract  is  then 

analysed after simple dilution with purified water or buffer.  

It  is  known  that  various  substances  present  in  complex  biological  system  can  affect 

antigen‐antibody  interaction  in  an  immunoassay  and  can  reduce  the  sensitivity  and 

reliability  of  the  immunoassay.  There  are  a  number  of  ways  to  reduce matrix  effects; 

perform  either  sample  interfering  removal  procedure,  sample  extraction  or  dilute  the 

sample solution. Zhao et al., (2007) employed the latter method to maintain the sensitivity 

of the assay, by diluting defatted milk with PBS buffer.  

The matrix effects can be determined by comparing the standard curve of the analyte‐free 

matrix and the standard curve prepared  in certain pH buffers or solvent system (Wang et 

al., 1998;  Lee  and Kennedy, 2007) or by  contracting dose‐response  curves with  the  real 

sample spiked, including a blank (Henniona and Barcelo, 1998; Lee and Kennedy, 2007). If 

these  two  curves  are  superimposed  on  one  another,  it means  that  the matrix  effect  is 

Page 74: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

49  

insignificant. However  if the curves shift either to  left or right,  it corresponds to a  loss or 

increase in the sensitivity of the assay.    

2.5.4.5. Assay accuracy and precision 

The accuracy of an immunoassay is generally determined by two ways. First, immunoassay 

data are compared to the  levels of analyte spiked  into a food matrix. This  is usually used 

when the performance of the immunoassay is initially validated. Second, by comparing the 

results obtained in immunoassay data with those obtained from instrument‐based analysis 

methods  such  HPLC,  GC  or  MS.  There  are  three  parameters  to  correlate  between 

immunoassay  data  and  instrument‐based  analysis;  these  include:  1)  determining  the 

correlation  coefficient  as either  r or  r2;  the  value  should usually be  greater  than 0.99 ± 

0.001, 2) the slope of the regression line should be 1, and 3) how close the plot is from the 

origin and generally  the  regression plot  should pass above  the origin  (Lee and Kennedy, 

2007). 

2.6 Conclusion 

Infectious diseases are now becoming a major problem for the livestock industries and may 

affect the productivity, which may result in a decrease of food‐producing animals. Hence, a 

wide variety of antibacterial drugs  is administered to prevent and treat diesease. FQs are 

one family of synthetic antibiotics with broad spectrum antibacterial activity, which has an 

important application  in veterinary medicine for the treatment of antibacterial  infections. 

FQ antibiotics have been intensively used in animal treatment. This has led to the presence 

and accumulation of FQ residues in food, posing potential risks in the development of FQs 

resistant bacteria  in animals. This may have an  implication to human health,  in particular 

for the treatment of human infection. 

Maximum  residue  limits  (MRLs)  are  one  food  safety  parameter  usedto  ensure  the 

antibiotic  safety  and  protect  consumers  from  unacceptably  high  residue  levels  in  food 

commodities. The maximum  residue  limits  (MRLs) of FQs  in  seafood and animal‐derived 

products have been established by various authorities  such as  the European Union  (EU), 

the  joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives  (JECFA). These authorities have 

established MRLs  values  for  FQs  and  their metabolite  between  100  and  300  µg  L‐1  in 

muscle tissues, fat and milk for all species (Hernandez‐Arteseros et al., 2002). 

Page 75: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

50  

There  are  two  common  analytical  methods  applied  to  monitoring  and  determine  FQ 

residues  in  foodstuffs  of  animal  origin.  These  are  instrument‐based methods  (i.e. HPLC, 

LC/MS,  LC‐MS/MS  GC/MS,  and  HPTLC)  and  bioanalytical  or  immunochemical  methods 

(immunoaffinity  chromatography,  immunosensors  and  immunoassays).  Instrumentation 

methods  suffer  from  drawbacks  such  as  extensive  samples  preparation  which  is  time 

consuming and  laborious. They also need  trained personnel  to run  instruments properly, 

require high operating costs and require very expensive equipment. An  immunochemical 

assay,  such  as  immunoassay  is  an  alternative  method  that  complements  instrumental 

methods. The advantages of immunoassays are low operating costs, minimise reliance for 

highly  trained  staff, and moreover,  it  is convenient and  rapid performance  for  screening 

purposes. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 76: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

51  

CHAPTER 3. HAPTEN SYNTHESIS 

3.1 Introduction 

The  key  step  in  developing  the  immunoassay  for  fluoroquinolone  (FQ)  antibiotics  is  the 

design and synthesis of optimum haptens  (Figure 3.1). Several general criteria have been 

established  in  designing  ideal  haptens  for  antibody  production.  For  a  selected  target 

analyte, an optimum hapten should be a near perfect mimic of the target structure in size, 

shape,  electronic  and  hydrogen  bonding  capabilities  as well  as  hydrophobic  properties 

(Skerritt et al., 1995, Goodrow et al., 1995). Another criterion is the selection of functional 

groups for a covalent attachment to a carrier protein, which must be compatible with the 

chemistry  of  the  functional  groups  on  the  targets  (Goodrow  and Hammock,  1998b).  In 

general, a spacer arm length of three to six carbons is preferable, and the use of the bulky 

functional  groups  such  as  aromatic,  cyclic  rings  or  conjugated  double  bonds  should  be 

avoided  to minimise  the  recognition of  this  region by  the  antibodies  (Lee and Kennedy, 

2007).  

 

Figure 3.1 FQ drugs used in synthesising haptens 

There  are  two  common  selection  points  for  the  attachment  of  linkers  onto  the  FQ 

structures, namely the carboxylic acid group or piperazynil group (Figure 3.2). Treatment of 

the carboxyl group with N‐hydroxysuccinimide (NHS) in the presence of carbodiimide as a 

coupling  reagent has often been used  to  link FQs  to carrier proteins via a peptide bond. 

This gives advantages such as the resulting active ester is stable under acidic conditions, so 

it is possible to purify and store the compound. An active ester of NHS reacts quickly with 

amino  groups  of  proteins  resulting  in  good  epitope  density  (Lee  and  Kennedy,  2007). 

Authors who have synthesised FQs by using the carboxylic acid moiety as a point of linker 

attachment, have reported  highly specific antibody with cross‐reactivity of less than 0.1% 

Page 77: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

52  

for danofloxacin and flumequine, respectively (Sheng et al., 2009b, Yu et al., 2010, Coillie et 

al., 2004). This hapten design is useful to develop a specific single FQ assay which is called a 

specific assay. 

 

Figure 3.2 Point of the attachment of linkers on FQ antibiotics 

Others believed by designing FQ haptens using the secondary amine group  located  in the 

piperazinyl moiety as  the point of attachment would  result  in antibodies  that are highly 

cross‐reactive to other FQs. The cross‐reactivity of antibodies obtained by employing this 

approach was between 10 and 100% for most structurally related FQ compounds (Huet et 

al., 2006, Wang et al., 2007a, Burkin, 2008). Such assays are only useful as a screening tool 

to detect several FQ antibiotics simultaneously (this is termed a generic assay).  

With  regard  to  conjugating  a  hapten  either  directly  or  indirectly  to  a  carrier  protein  to 

produce  a  specific  or  generic  assay,  there  are many  studies  have  been  reported.  ENR 

haptens were synthesised by directly conjugating the analyte to a carrier protein (Wang et 

al., 2007b, Bucknall et al., 2003, Kato et al., 2007, Cao et al., 2009), which resulted in ELISAs 

with high  cross‐reactivity  to other  FQ drugs  and  generated  cross  reactive  assays.  In  this 

study, indirect conjugating hapten to a carrier protein was introduced to develop a specific 

assay for a specific single compound of FQs. 

Several antibodies and immunoassays have been developed for ciprofloxacin (Burkin, 2008, 

Bucknall et al., 2003, Wang et al., 2007a, Duan and Yuan, 2001) and norfloxacin (Wang et 

al., 2007a, Huet et al., 2006) based on direct conjugation of the targets to carrier proteins. 

The generated assays exhibited broad specificity for the FQs and were capable of detecting 

multiple targets simultaneously.  

Tittlemier et al.  (2008) developed a generic ELISA by  introducing a 6‐bromohexanoic acid 

linker to the piperazynil group of norfloxacin. The resulting assay had little moderate cross‐

Page 78: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

53  

reactivity, i.e., detected 4 out of 11 FQs tested and had limit detection values from 1 to 17 

µg L‐1 for the four FQs. The criticism about this approach is that this hapten design formed 

another carboxylic acid group on the spacer arm, resulting in two carboxyl groups in space 

before the conjugation to a carrier protein. Both of these carboxyl groups could attach to 

the carrier protein, potentially  forming a cyclic structure on  the protein surface. As well, 

long  spacer  arm  leads  to  unstable  hapten  and  protein  conjugates  (Li  et  al.,  2008). 

Meanwhile,  Li et al.,  (2008)  introduced a  suitable  spacer arm  in  length(two  carbons)  for 

synthesising a norfloxacin hapten, which resulted in a sensitive assay with an IC50 value at 

0.6 µg L‐1 and high cross‐reactivity between 10 and 100% for 13 out of 17 FQs tested.  

In  this  study, we approached conjugation of FQ haptens  to carrier proteins by designing 

novel  ENR,  ciprofloxacin  and  norfloxacin  haptens.  We  employed  both  piperazinyl  and 

carboxyl moieties of the FQs for spacer arm attachment but took different synthesis routes 

to compare the cross reactivity and specificity of different conjugates. The carboxyl group 

of ENR was attached  to a  four carbon  linker of  tert‐butyl  β‐alanine,  to generate a highly 

specific  assay.  Conversely,  the  piperazinyl moiety  of  ciprofloxacin  and  norfloxacin  was 

linked with 1,4‐dibromobutane and 4‐bromocrotonic acid,  respectively  to generate assay 

with broader  specificity. Preparation of  conjugates of derivatives  ENR,  ciprofloxacin  and 

norfloxacin haptens  to  carrier proteins was  carried out by employing a NHS active ester 

coupling method.  

3.2 Materials and instrumentation 

3.2.1 Materials and chemicals 

3.2.1.1 Materials 

TLC  plates were  purchased  from Merck  Chemical  Ltd.,  silica  gel  H  (TLC  grade),  neutral 

alumina and celite were bought  from Sigma Aldrich, USA. Silica gel H was obtained  from 

Merck, Darmstadt, Germany and solvents  for NMR such as dimethylsulfoxide  (DMSO‐d6), 

deuteriochloroform  (CD3Cl)  and  deuterium  oxide  (D2O) were  obtained  from  Cambridge 

Isotope Laboratories, Inc. USA. 

3.2.1.2 Chemicals 

ENR, ciprofloxacin, norfloxacin, methyl 4‐bromocrotonate, dicyclohexylcarbodiimide (DCC), 

N‐hydroxysuccinimide  (NHS),  tert‐butyl  β‐alanine,  4‐di‐(methylamino)  pyridine  (DMAP) 

Page 79: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

54  

were bought from Sigma Aldrich, USA. ENR HCl, ciprofloxacin HCl and norfloxacin HCl were 

obtained  from Ruland Chemistry Company Ltd., China. 1.4‐dibromobutanewas purchased 

from  Aldrich  Chemical  Company,  inc.  1‐Ethyl‐3‐(3‐dimethylaminopropyl)  carbodiimide 

hydrochloride (EDC) was purchased from Alfa‐Aesar.  

3.2.2 Equipment and instrumentation 

3.2.2.1 Thin Layer Chromatography (TLC) 

The  Rf  values  refer  to  TLC  on  alumina  or  silica  gel  60  F254  pre‐coated  plates  with 

visualisation under UV light.  

3.2.2.2 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy 

Proton (1H), carbon (13C) and 135DEPT‐NMR were recorded on Bruker DPX 300 Instrument 

(300 MHz). Chemical shifts were reported  in δ  (ppm), coupling constants  in  J  (hertz) and 

the  following  abbreviations were  used  to  describe multiplicities:  s,  singlet;  t,  triplet;  q: 

quartet;  dd,  doublet  of  doublet;  dt,  doublet  of  triplet;  m,  multiplet.  DEPT  stands  for 

Distortion  less  Enhancement  by  Polarization  Transfer,  and  was  used  to  determine  the 

presence of primary, secondary and tertiary carbon atoms. The DEPT method differentiates 

between CH, CH2 and CH3 groups by variation of the selection angle parameter (45 o, 90 o 

and 135o). 135DEPT gives all CH and CH3 in a phase opposite to CH2. 

3.2.2.3 Mass Spectrometry 

All electrospray ionization (ESI) mass spectrometry (MS) spectra were carried out using an 

Agilent MD‐1100 ESI/APCI LC‐MS (Bioanalytical Mass Spectrometry Facility, the University 

of New South Wales (UNSW)) and using Bruker‐FTMS 4.7T LC‐MS/MS (Monash University). 

The following abbreviations were used for MS: HRMS; high resolution mass spectrometry, 

LRMS; low resolution mass spectrometry.   

3.3 Hapten Synthesis 

There are two main synthetic routes of spacer arm attachment to FQ hapten employed in 

this study. These protocols are described as follows: 

Page 80: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

55  

3.3.1 The attachment via carboxylic group of FQs as a spacer arm for ENR acid hapten 

ENR was first attached to a linker of tert‐butyl β‐alanine via the carboxylic group of ENR to 

give the compound 1 (scheme 1) which was treated with trifluoroacetic acid (TFA) to yield 

acid2 (scheme 2) without further purification. 

3.3.1.1  Synthesis  of  tert‐butyl  3‐(1‐cyclopropyl‐7‐(4‐ethylpiperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐oxo‐

1,4‐dihydroquinoline‐3‐carboxamido)propanoate,  [ENRtert‐butyl],  compound  (1), 

scheme 1 

ENR (500 mg, 1.39 mmol) was dissolved in dry dichloromethane, DCM (20 mL) and cooled 

in  an  icebath  for  15  min.  Dicyclohexylcarbodiimide,  (DCC,  574  mg,  2.78  mmol)  and 

dimethylaminopyridine,  (DMAP,  20 mg) were  added  and  the mixture was  stirred  for  a 

further 15 min. Tert‐butyl β‐alanine (404 mg, 2.78 mmol) was then added and the mixture 

was  stirred  overnight  at  room  temperature. A white  precipitate  of  dicyclohexylurea  by‐

product was removed by  filtration through celite. The crude reaction mixture  (1.5 g) was 

purified by gravity column (i.e. packed with neutral alumina; column size; diameter: 30 mm, 

length:  20  cm;  flow  rate:  5 mL/min)  using  ethyl  acetate  as  an  elution  solvent  and  the 

fraction was evaporated to dryness under vacuum, giving a white compound (808 mg, 55%). 

The purified product  (compound  1) was  then  confirmed by  TLC  (Al2O3), Rf  =  0.45  (ethyl 

acetate).  1H‐NMR  (300  MHz,  DMSO‐d6):  δ  1.43‐1.58  (m,  3H,  [CH3],  1.43‐1.58(m,  4H, 

[N(CH2)2]‐1) 1.86  (s, 9H,  [3CH3], tert‐butyl group), 2.84‐2.95  (m, 2H,  [CH2]‐5’), 3.02  (s, 4H, 

[CH2]‐2’3’), 3.60‐3.67 (m, 4H, [N(CH2)2]‐1’,4’), 3.95 (q, J = 6.0 Hz, 2H [CH2]‐4’), 4.18 (t, J = 4.5 

Hz, 1H, [N(CH)]‐1), 4.48 (q, J = 7.5 Hz, 2H [CH2]‐3”), 7.03 (q, J = 3.0 Hz, 1H, [CH]‐8), 7.93 (d, J 

= 6.0 Hz, 1H [NH]‐2”)., 8.29 (d, J = 6.0 Hz, 1H, [CH]‐5), 8.54 (s, 1H, [CH]‐2).13C‐NMR (75 MHz, 

DMSO‐d6):δ 7.89 (C‐1), 12.29 (C‐6’), 29.07 (C‐4”), 30.70 (N‐C‐1), 33.71 (C‐7”), 47.86 (C‐1’,4’), 

49.82 (C‐2’,3’), 51.90 (C‐5’), 80.37 (O‐C‐6”), 107.80 (C‐5), 110.33 (C‐8), 139.31 (C‐3), 146.98 

(C‐2), 149.17 (C‐6), 154.41 (C‐7), 156.96 (C‐1”), 167.20 (C‐5”), 171.11 (C‐4).  

3.3.1.2  Synthesis  of  3‐(1‐cyclopropyl‐7‐(4‐ethylpiperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐oxo‐1,4‐

dihydroquinoline‐3‐carboxamido)propanoic acid, [ENR acid], compound (2), scheme 2 

Compound 1 (808 mg, 1.66 mmol) was treated with trifluoroacetic acid (TFA) 1 mL at room 

temperature for 30 min. The excess TFA was removed under vacuum to yield a crude acid 

as an oily yellow product with a yield of 395 mg  (49%) which was used  in  the next  step 

without  further  purification.  The  cleavage  of  the  tert‐butyl  group  (compound  2)  was 

confirmed by TLC (Al2O3), Rf = 0.13 (ethyl acetate).1H‐NMR (300 Hz, DMSO‐d6): δ 0.60‐0.09 

Page 81: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

56  

(m, 3H  [CH3], 0.60‐0.09  (m, 4H  [N(CH2)2]‐1) 1.82‐1.86  (m, 2H  [CH2]‐5’), 2.60‐2.72  (m, 4H 

[CH2]‐2’3’), 2.78‐2.90  (m, 4H,  [N(CH2)2]‐1’,4’), 2.99  (s, 2H  [CH2]‐4’’), 3.10  (t,  J = 3 Hz, 1H, 

[N(CH)]‐1), 3.19‐3.36 (m, 2H [CH2]‐3”), 6.38 (d, J = 9 Hz, 1H, [CH]‐8), 6.99 (d, J = 9 Hz, 1H 

[NH]‐2”)., 7.26  (d,  J = 12 Hz, 1H,  [CH]‐5), 8.00  (s, 1H,  [CH]‐2), 9.33  (t,  J = 6, 1H  [COOH]‐

6”).13C‐NMR  (75 Hz, DMSO‐d6):  δ 7.92  (C‐1), 9.28  (C‐6’), 30.07  (C‐4”), 31.85  (C‐3”), 33.68 

(N‐C‐1), 47.89 (C‐1’,4’), 50.46 (C‐2’,3’), 55.73 (C‐5’), 107.20 (d, J = 15.75 Hz, C‐8), 110.49 (C‐

3),  138.66  (C‐5),  139.47  (C‐9),  147.32  (C‐10),  149.92  (C‐2),  156.99  (C‐7),  158.47  (C‐6), 

158.96  (C‐1”), 164.23  (C‐5”), 173.42  (C‐4). ESI‐LRMS:  calculated  for C22H27FN4O4: 430.20, 

found m/z  431.30  [M  + Na]+;  and  for  relative  abundance  (%):  430.20  (100.0%),  431.20 

(25.3%), 432.21 (3.6%), found m/z 431.30 (100.0%), 432.30 (26.5%), 433.30 (3.5%). 

 

 

Scheme 1. Synthesis of compound 1 (denoted as tert‐butyl ENR hapten) 

NN

N

F

H

O O

+

OH

H2N

O

O

DCM, DCC, DMAP

NN

N

F

H

O O

NH

O

O

H3C

H3C

Enrofloxacin

tert-butyl beta alanine

tert-butyl 3-(1-cyclopropyl-7-(4-ethylpiperazin-1-yl)-6-fluoro-4-oxo-1,4-dihydroquinoline-3-carboxamido)propanoate(enrofloxacin tert-butyl)

RT, 24 hrs

Page 82: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

57  

 

Scheme 2. Synthesis of compound 2 (denoted as ENR acid hapten) 

3.3.2  The  spacer  arm  attachment  via  the piperazinyl moiety of  ciprofloxacin  to  create 

ciprofloxacinbutyl NHS ester hapten 

The  ciprofloxacin  butyl  NHS  ester  hapten  was  derived  via  the  conjugation  of  4‐

bromobutane  NHS  ester  linker  to  the  piperazynil  group  on  ciprofloxacin.  1,4‐

Dibromobutane was attached to NHS under basic condition (pH 9.5) to give a  linker of 4‐

bromobutane  NHS  (1‐[4‐bromobutoxy]pyrrolidine‐2,5‐dione),  compound  3  (scheme  3). 

Compound  3  was  then  coupled  via  the  piperazinyl  group  of  ciprofloxacin  to  form 

compound  4  (scheme  4).  The  product was  purified  using  flash  column  chromatography 

packed with silica gel (column size; diameter: 30 mm, length: 20 cm; flow rate: 1 mL/min; 

eluent: ethyl acetate/MeOH = 8:2). 

3.3.2.1 Synthesis of 4‐bromobutane NHS ester linker, compound (3), scheme 3 

1,4‐Dibromobutane (1032 mg, 4.78 mmol) was added to N‐Hydroxysuccinimide (NHS; 500 

mg,  4.34 mmol)  dissolved  in  dried  dimethylsulfoxide  (DMSO;  10 mL),=The mixture was 

stirred  for  15 min.  Anhydrous  potassium  carbonate(K2CO3;  500 mg)  was  added  to  the 

reaction mixture and  stirred  for 36 h at  room  temperature  (approximately at 25oC). The 

crude reaction mixture was washed with saturated brine solution (3 x 15 mL) and extracted 

with ethyl acetate  (30 mL). The aqueous  layer was  removed and ethyl acetate  layer was 

filtered  through  anhydrous  sodium  sulphate.  The  organic  layer  (ethyl  acetate)  was 

Page 83: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

58  

evaporated  to  dryness  under  vacuum,  yielding  a  brown  viscous  product  (700mg,  35%). 

Compound 3 was then confirmed by TLC, Rf = 0.67 (ethyl acetate) 1H‐NMR (300 Hz, CDCl3): 

δ 1.88‐1.92 (m, 2H, CH2), 2.06‐2.11 (m, 2H, CH2), 2.70 (s, 4H, 2CH2, cyclopentana), 3.50 (t, J 

= 6 Hz, 2H, CH2‐Br), 4.11 (t, J = 6 Hz, 2H, O‐CH2). 

3.3.2.2  Synthesis  of  1‐cyclopropyl‐7‐(4‐(4‐((2,5‐dioxopyrrolidin‐1‐yl)oxy)butyl)piperazin‐

1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐oxo‐1,4‐dihydroquinoline‐3‐carboxylic  acid,  [ciprofloxacin  butyl  NHS 

ester hapten], compound (4), scheme 4 

Ciprofloxacin HCl (250 mg, 0.78 mmol) was dissolved in dried dimethysulfoxide (5 mL), and 

compound  3  (375 mg,  1.55 mmol) was  added  and  stirred  for  30 min.  Sodium  hydride, 

(NaH,45 mg, 1.88 mol) was added and the mixture was refluxed in a flask immersed an oil 

bath at 60‐70oC for 36 h. The reaction mixture was washed with petroleum ether (3 x 10 

mL) and extracted with DCM (10 mL). The organic layer (DCM) was evaporated to dryness 

under vacuum. The crude product was purified by the chromatography column(i.e. packed 

with silica gel; column size; diameter: 30 mm, length: 20 cm; flow rate: 1 mL/min; eluent: 

ethyl acetate/MeOH = 8:2) and evaporated  to dryness under high vacuum, giving a pale 

brown product  (430 mg, 65%).Compound 4 was  then  confirmed by TLC, Rf = 0.26  (ethyl 

acetate/MeOH = 8:2)  1H‐NMR  (300 Hz, DMSO‐d6):  δ 1.52‐1.60  (m, 4H,  [N(2CH2)]‐1) 2.31‐

2.44 (m, 2H, [CH2]‐6’), 2.31‐2.44 (m, 2H, [CH2]‐7’), 2.67 (s, 4H,  [2(CH2)]‐3”4”), 2.73 (m, 2H 

[CH2]‐5’), 3.73 (q, J = 4.5 Hz, 4H [2CH2]‐2’3’), 3.81‐3.89 (q, J = 10.5 Hz, 4H, [N(2CH2)]‐1’,4’), 

3.97 (s, 2H [CH2]‐8’), 4.05‐4.17 (m, 1H, [N(CH)]‐1), 7.72 (d, J = 6 Hz, 1H, [CH]‐8), 8.04 (d, J = 

3 Hz, 1H [NH]‐5)., 8.26 (s, 1H, [CH]‐2), 8.78 (s, 1H, [COOH]‐2).13C‐NMR (300 Hz, DMSO‐d6): δ 

7.97  (d,  [N(CH2CH3)]‐1),  25.83  (C‐3”,4”),  29.19  (C‐6’,7’),  34.34  (C‐5’),  36.32  (C‐8’),  39.31 

([N(CH2CH3)]‐1),  40.74  (C‐2’3’),  49.45  (C‐1’,4’),  107.11  (C‐8),  111.51  (C‐3),  119.29  (C‐5), 

139.46 (C‐9), 145.30 (d, J = 10.5 Hz, C‐10), 148.43 (C‐2’), 161.43 (C‐7), 166.27 (C‐6), 172.59 

(C‐3), 173.94  (C‐2”,5”), 176.70  (C‐4).ESI‐HRMS: calculated  for C25H29FN4O6: 500.21,  found 

m/z 501.2142 [M+H]+. 

 

Page 84: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

59  

 

Scheme 3. Synthesis of compound 3 (4‐bromobutyl NHS ester) 

 

Scheme 4. Synthesis of compound 4 (denoted as ciprofloxacin butyl NHS ester hapten) 

3.3.3  The  spacer  arm  attachment  via  piperazinyl  moiety  of  norfloxacin  to  form 

norfloxacin crotyl NHS ester 

Norfloxacin  crotyl  NHS  ester  hapten  was  derived  from  the  indirect  conjugation  of  a 

bromocrotyl NHS ester  to  the piperazynil group on norfloxacin.  Initially, 4‐bromocrotonic 

acid was prepared by hydrolysing 4‐bromocrotonate with dilute sodium hydroxide solution 

and acidifying with diluted hydrochloride acid solution to give compound 5 (scheme 5). To 

Page 85: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

60  

form a bromocrotyl NHS ester linker, 4‐bromocrotonic acid was reacted with DCC and NHS 

in dimethoxy ethanol and DME  to give  compound 6  (scheme 6). Bromocrotyl NHS ester 

was then attached through the piperazinyl group of norfloxacin in the presence of NHS to 

make norfloxacin crotyl NHS ester hapten, compound 7  (scheme 7). Product was washed 

with water and extracted with ethyl acetate. No further purification was performed. 

3.3.3.1 Synthesis of 4‐bromocrotonic acid compound (5), scheme 5 

Sodium hydroxide solution (1M, 10 mL) was added to methyl 4‐bromocrotonate (3000 mg, 

17.0 mmol). The mixture was stirred at 0‐5oC for 5 h and  left to stand at 4oC for 12‐24 h. 

The mixture was acidified with hydrochloride acid (1M, 20 mL) and extracted with ether (3 

x 25 mL). The organic layer was dried with anhydrous sodium sulphate and evaporated to 

dryness under high vacuum. The product was purified by a flash column chromatography 

(i.e.  packed with  silica  gel;  column  size;  diameter:  30 mm,  length:  20  cm;  flow  rate:  1 

mL/min; eluent: ethyl acetate/MeOH = 19:1) and the fraction containing the product was 

evaporated to dryness under vacuum, giving a light yellow solid product (850 mg, 30%). 1H‐

NMR  (300 Hz, CDCl3):  δ 4.03  (dd,  J= 3 Hz, 2H,  [(CH2)Br]‐4), 6.05  (dt,  J = 3 Hz, 15 Hz, 1H, 

[(CH)]‐2), 7.07‐7.17 (m, 1H,[(CH)]‐3).   

3.3.3.2 Synthesis of bromocrotyl NHS ester linker, compound (6), scheme 6 

NHS  (430 mg, 5.7 mmol)  and DCC  (1189 mg, 5.7 mmol) were added  to  a  solution of 4‐

bromocrotonic acid (850 mg, 5.15 mmol)  in DME (4 mL). The mixture was stirred at 0‐5oC 

for 5 h and allowed to stand at 4oC for 12‐24 h. The product was purified by a flash column 

chromatography (silica; column size; diameter: 30 mm, length: 20 cm; flow rate: 1 mL/min; 

DCM/n‐hexane = 1:2) and evaporated to dryness under vacuum, giving a white solid (1000 

mg,  41%).  1H‐NMR  (300  Hz,  CDCl3):δ  2.86  (s,  4H  [(2CH2)]‐2’,3’),  4.07  (dd,  J=  3  Hz,  2H, 

[(CH2)Br]‐4), 6.25 (dt, J = 3 Hz, 15 Hz, 1H, [(CH)]‐2), 7.23‐7.33 (m, 1H, [(CH)]‐3).  

3.3.3.3  Synthesis  of  (E)‐7‐(4‐(4‐((2,5‐dioxopyrrolidin‐1‐yl)oxy)‐4‐oxobut‐2‐en‐1‐

yl)piperazin‐1‐yl)‐1‐ethyl‐6‐fluoro‐4‐oxo‐1,4‐dihydroquinoline‐3‐carboxylic  acid 

[Norfloxacincrotyl NHS ester hapten], compound (7), scheme 7 

To a dry DMSO (5mL), sodium hydride (NaH; 25.4 mg, 1.06 mmol) was added and stirred at 

room  temperature  (approximately 25oC)  for 10min. Norfloxacin  (200 mg, 0.6 mmol) was 

added and the mixture was stirred at room temperature for another 10 min. Bromocrotyl 

NHS ester was then added and the mixture was stirred at room temperature for 24 h. The 

Page 86: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

61  

mixture was washed with water (25mL) and extracted with ethyl acetate (4 x 20mL). The 

organic layer was evaporated to dryness under vacuum, giving a brown solid product (100 

mg, 50%), mp = 170‐174oC (decomposition). 1H‐NMR (300 Hz, CDCl3): δ 1.60 (q, J = 7.5, 3H, 

[N(CH2CH3)]‐1), 2.62 (s, 4H, [(2CH2)],‐3”,4”), 2.72 (t, J = 4.5 Hz, 4H, [(2CH2)]‐2,3‐piperazinyl), 

3.36 (t, J = 4.5 Hz, 2H, [(CH2)]‐1,4‐piperazinyl), 4.22 (q, J = 9 Hz, 2H, [(CH2)]‐4’), 4.34 (q, J = 

7.5 Hz, 2H  [N(CH2)]‐1), 6.05,  (dd,  J = 15 Hz, 1H  [(CH)]‐2’), 6.85  (d,  J = 9 Hz, 1H  [(CH)]‐8), 

6.93‐7.02 (m, 1H, [(CH)]‐3’), 8.04 (d, J= 12 Hz, 1H, [(CH)]‐5,), 8.68 (s, 1H, [(CH)]‐2). 13C‐NMR 

(75 Hz, CDCl3): δ 14.35 (d, J = 15 Hz, [N(CH2CH3)]‐1), 40.97 (C‐3”,4”), 49.83 (d, J = 5.25 Hz, 

[N(CH2CH3]‐1), 52.81 (C‐1,4‐piperazinyl), 59.00 (C‐2,3‐piperazinyl), 60.52 (C‐4’), 103.83 (C‐8), 

108.34 (C‐3), 112.62 (C‐5), 120.579(d, J = 7.5 Hz, C‐9), 123.83 (C‐2’), 137.11 (C‐10), 144.24 

(C‐3’), 146.05 (C‐7), 147.13 (C‐2), 151.86 (C‐6), 155.19 (COOH), 166.11 (C‐2”,5”), 166.24 (C‐

1’), 176.96 (d, J = 3 Hz, C‐4). 

 

 

Scheme 5.Synthesis of compound 5 (4‐bromocrotonic acid). 

 

 

Scheme 6.Synthesis of compound 6 (bromocrotyl NHS ester). 

 

 

 

 

 

 

Page 87: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

62  

 

 

Scheme 7. Synthesis of compound 7 (denoted as norfloxacin crotyl NHS ester hapten). 

3.4 Result and discussion 

3.4.1 Hapten selection and synthesis 

Two points of attachment of a  linker can be considered  for designing FQ haptens; 1) the 

carboxylic  acid  group  and  2)  the  piperazinyl  group  (Figure  3.2).  From  the  antibody 

production  view,  attaching  a  linker  to  a  carboxylic  acid  group  will  lead  to  enhanced 

specificity of  the antibody  towards  its  specific  target. This approach helps  to extend  the 

variable moiety away from the point of attachment to a carrier protein, which may lead to 

antibodies  that  have  better  recognition  for  the  variable  portion  of  the molecule. While 

conjugating a  linker  to  the piperazinyl group and exposing  the carboxylic acid group will 

lead to antibodies with cross reactive because the moiety that is extended away from the 

point of attachment would be part of the FQ backbone structure. 

Almost all of the previous studies focused on ENR hapten that was directly conjugated to a 

carrier protein without a linker (Wang et al., 2007b, Bucknall et al., 2003, Kato et al., 2007, 

Cao et al., 2009). The assay resulted antibodies having broader cross‐reactivity with other 

FQ drugs.  In  this  study,  a  four  carbon  linker of  tert‐butyl  β‐alanine was  attached  to  the 

carboxylic group of ENR, producing a compound denoted as tert‐butyl ENR. The tert‐butyl 

Page 88: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

63  

group was then cleaved by TFA to give ENR acid hapten containing a carboxylic acid on its 

structure. The purpose of a  linker was to provide some distance between the hapten and 

the carrier protein and give better exposure of the whole structure to  immune system.  It 

was  postulated  that  the  polyclonal  antibodies  produced  against  this  hapten  may 

differentiate  ENR  from  other  FQ  drugs,  i.e.,  the  cross‐reactivity  with  the  related  FQ 

compounds would be significantly reduced.  

Meanwhile, the ciprofloxacin butyl NHS ester hapten was successfully synthesised with 4‐

bromobutane NHS ester containing four carbons to the piperazinyl group of ciprofloxacin, 

and was  expected  to  generate  class  specific  antibodies. Another  FQ hapten  successfully 

synthesised  was  the  norfloxacin  crotyl  NHS  ester  hapten.  Bromocrotyl  NHS  ester  was 

attached  to  the  piperazinyl moiety  of  norfloxacin  and was  also  expected  to  produce  a 

generic ELISA for detecting multiple targets of FQs.  

3.4.2 ENR acid hapten synthesis 

FQ  antibiotics  are  soluble  particularly  in  polar  organic  solvents  (i.e.  methanol  and 

dichloromethane) and are soluble in hydro‐organic or aqueous acidic and basic buffer, but 

are not soluble in non polar solvents (Brown, 1996). The solubility of FQs base form was an 

issue  in  hapten  synthesis.  To  increase  solubility  of  the  target  FQs,  FQ  salts  (ENR  HCl, 

ciprofloxacin HCl and norfloxacin HCl) were prepared as well as obtained from commercial 

sources  i.e.,  Ruland Chemistry Company  Ltd.,  for  comparison with  synthesised  standards. 

Many FQs such as ENR are very sensitive to moisture,  light and temperature. Hence, ENR 

hapten synthesis was carried out at low temperatures, in dark and in anhydrous conditions 

wherever possible. 

3.4.2.1  Synthesis  of  tert‐butyl  3‐(1‐cyclopropyl‐7‐(4‐ethylpiperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐oxo‐

1,4‐dihydroquinoline‐3‐carboxamido)propanoate, ENR tert‐butyl 

 

 

Figure 3.3 The chemical structure of tert‐butyl ENR hapten. 

Page 89: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

64  

Tert‐butyl ENR strongly  interacted with silica (<20% recovery) and upon  interaction  it was 

very  susceptible  to degradation on  silica  chromatography.  Initial attempts  to purify  tert‐

butyl ENR were performed by  flash column chromatography using silica gel. The 1H‐NMR 

spectrum of the purified tert‐butyl ENR  indicated that  it decomposed since there was no 

cyclopropyl group on the primary amine at 4.18 ppm, no aromatic group at 7.03 and 8.29 

ppm, and no tert‐butyl group at 1.38 ppm (Figure 3.6). The purification was then optimized 

using a basic eluent system consisting of a mixture of ethyl acetate and triethylamine (TEA) 

to neutralize the acidity of the silica gel on a flash chromatography system. However, this 

condition  did  not  prevent  degradation  of  the  product.  To  overcome  this  problem, 

preparative  thin  layer  chromatography  (PTLC)  was  carried  out,  but  was  unsuccessful. 

Consequently, conjugation of  the ENR hapten  to a carrier protein via  two  step  reactions 

was conducted without purification of the NHS active ester. 

After putting considerable efforts on silica column without much success, gravity column 

chromatography using neutral alumina was  investigated, using ethyl acetate as an elution 

solvent. Characterization by  1H‐NMR,  as  shown  in Appendix A,  confirmed an  intact  tert‐

butyl ENR hapten with no significant decomposition. A signal at 1.86 ppm corresponded to 

the  tert‐butyl group containing nine hydrogen atoms. More characteristic  signals were a 

doublet at 7.93 ppm that corresponds to the proton at position 2” and the quartet signals 

at  3.95  and  4.48  ppm  that  belong  to  the  tert‐butyl  side  chain  at  position  4”  and  3”, 

respectively. However, a dicyclohexylcarbodiimide urea by product was still visible  in  the 

NMR spectra, showing several broad peaks with multiplets at 1.62 to 2.46 ppm. The signals 

of dicyclohexylcarbodiimide urea by‐product usually can be detected at around 1.70 ppm 

(multiplet), 2.46  and 3.38 ppm  (triplet)  and 2.26 ppm  (single), which  corresponds  to  six 

hydrogen atoms on  its structure  (Mock and Ochwat, 2002). The singlet at 2.44 ppm was 

also  present  on  the  tert‐butyl  ENR1H‐NMR  spectrum.  This  impurity,  however,  was  not 

removed  to avoid potential decomposition of  the product.  13C‐NMR and 135 DEPT‐NMR 

characterizations  were  also  performed  to  confirm  the  backbone  of  tert‐butyl  ENR 

(Appendix B and C). 

Page 90: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

65  

3.4.2.2  Synthesis  of  3‐(1‐cyclopropyl‐7‐(4‐ethylpiperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐oxo‐1,4‐

dihydroquinoline‐3‐carboxamido)propanoic acid, ENR acid hapten 

Tert‐butyl ENR was treated with TFA to form the ENR butyric acid hapten (Figure 3.8). The 

cleavage of tert‐butyl was confirmed to occur during TLC as determined using 1H‐NMR, 13C‐

NMR and LC/MS. Therefore, no purification was performed 

 

Figure 3.4 The chemical structure of ENR acid hapten. 

 

Based  on  the  TLC,  there were  three  spots which were  subsequently  eluted with  ethyl 

acetate namely, ENR, tert‐butyl ENR, and ENR acid hapten. All spots were intensely visible 

under UV  light  at  different  Rf.  The 1H‐NMR  spectrum  of  ENR  acid  hapten  (Appendix D) 

confirmed  the  absence  of  hydrogen  atoms  belonging  to  a  tert‐butyl  group  (9H,  3CH3), 

which indicated the successful  cleavage of the tert‐butyl group. Other characteristic signals 

determined using1H‐NMR were the number of protons that correspond to the side chain of 

ENR acid hapten structure at positions 2”, 3” and 4”. Further confirmation was conducted 

using 13C‐NMR and 135 DEPT‐NMR to evaluate ENR acid hapten (Appendix E and F). 

As  shown  in  Appendix  G,  low  resolution  mass  spectrometry  (LRMS)  confirmed  the 

formation  of  ENR  acid  hapten,  with  the  m/z  431.30  [M  +  Na]+  being  consistent  with 

C22H27FN4O4.  An  exact  mass  measurement  verified  the  presence  of  m/z  peaks 

corresponding to the molecular weight of ENR acid hapten of 430.47.  

3.4.3 Ciprofloxacin bromobutane NHS ester hapten synthesis 

Another attachment point for a spacer arm was used for the ciprofloxacin hapten synthesis 

which was through a piperazinyl group of the FQ structure. This hapten was expected to 

generate  a  class  specific  assay  by  exposing  a  carboxylic moiety  as  an  immunodominant 

region of  FQs  structures.  To prepare  ciprofloxacin bromobutane NHS  ester hapten,  a  4‐

bromobutane NHS ester linker was first formed by an attachment to the piperazinyl group 

of ciprofloxacin as described below. 

Page 91: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

66  

3.4.3.1 Synthesis of (1‐(4‐bromobutoxy)pyrrolidine‐2,5‐dione), 4‐bromobutane NHS ester 

linker 

 

 

Figure 3.5 The chemical structure of 4‐bromobutane NHS ester linker. 

1,4‐Dibromobutane was selected as a linker with four carbons. It proved to be sufficiently 

reactive  to  a  hydroxyl  group  of  NHS  to  form  an  active  ester.  The  final  brown  viscous 

product  was  confirmed  by  TLC  (ethyl  acetate,  Rf  =  0.67)  under  UV  light;  no  further 

purification  was  conducted.  There  were  three  spot  regions  where  compounds  eluted, 

namely 1,4‐dibromobutane, NHS and the ester linker. The TLC showed an intense spot at a 

different Rf value indicated that 1,4‐dibromobutane was successfully linked to NHS. Further 

characterization  using1H  NMR  confirmed  the  identity  of  the  product  which  was  4‐

bromobutane NHS ester (Appendix H). 

3.4.3.2.  Synthesis  of  (1‐cyclopropyl‐7‐(4‐(4‐((2,5‐dioxopyrrolidin‐1‐yl)oxy)butyl) 

piperazin‐1‐yl)‐6‐fluoro‐4‐oxo‐1,4‐dihydroquinoline‐3‐carboxylic  acid),  ciprofloxacin 

butane NHS ester hapten 

 

Figure 3.6 The chemical structure of ciprofloxacin butane NHS ether hapten. 

Once 4‐bromobutane NHS ester was  formed,  it was  reacted  to  the piperazinyl moiety of 

ciprofloxacin to give a ciprofloxacin hapten. A few variants of the experiment were carried 

out  to  form  ciprofloxacin  hapten  using  triethylamine  (TEA),  anhydrous  potassium 

carbonate (K2CO3) or sodium hydrate (NaH) as catalysts. The first reaction using DMF as a 

solvent  and  TEA  as  a  catalyst  to  form  ciprofloxacin  hapten  (Figure  3.9)  failed  to  allow 

bromobutane  NHS  ester  to  react  with  ciprofloxacin.  Also,  there  was  a  breakdown  of 

piperazinyl moiety at position C‐1’ to C‐5’ of ciprofloxacin. 

Page 92: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

67  

 

Figure 3.7 Synthesis of ciprofloxacin butane NHS ether hapten catalysed by TEA. 

 

A  mild  catalyst,  K2CO3,  was  attempted  to  form  a  ciprofloxacin  haptensinceK2CO3 was 

successfully used  in the reaction of 4‐bromobutane NHS ester. The reaction  (Figure 3.10) 

was again periodically monitored by TLC and 1H‐NMR, but the 1H‐NMR spectrum indicated 

no success. Therefore, a more harsh condition using NaH as a catalyst and dry DMSO was 

conducted. NaH is a strong base and reacts easily with an amine of the piperazinyl moiety. 

The TLC showing an intense spot at a different Rf value indicated that 4‐bromobutane NHS 

ester  was  successfully  linking  to  ciprofloxacin  to  form  ciprofloxacin  bromo  NHS  ester 

hapten 

Page 93: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

68  

 

Figure 3.8 Synthesis of ciprofloxacin bromo NHS ether hapten catalysed by K2CO3. 

 

Further  characterization  by  1H‐NMR  showed  that  proton  corresponded  to  proton  at 

position C‐5’ which was the triplet at 2.73 ppm (methylene group attached to piperazinyl 

moiety), and other protons  that corresponded  to  the  five member  ring of ester  linker at 

position C‐6’, C‐7’, C‐8’ were present  (Appendix  I). However,  the proton at position C‐8’ 

(methylene group attached to oxygen of the ester  linker) showed a broad singlet at 3.97 

ppm, which was expected to be a triplet. This was likely due to the proximity to an oxygen 

group  resulting  in  merging  of  anion  and  thus  broadening  of  the  signal.  The13C‐NMR 

spectrum also confirmed the backbone of ciprofloxacin hapten. The ESI‐HRMS (Appendix L) 

confirmed  the  presence  of  m/z  peaks  corresponding  to  the  molecular  weight  of 

ciprofloxacin butane NHS ester hapten of 500.52. 

3.4.4 Norfloxacin crotyl NHS ester hapten synthesis 

Norfloxacin crotyl NHS ester hapten was formed by attaching bromocrotyl NHS ester to the 

piperazinyl group of norfloxacin so that the spacer arm could then be attached. Norfloxacin 

hapten was synthesised using bromocrotyl NHS ester as a  linker to develop a broad cross 

reactive assay. Bromocrotyl NHS ester was chosen because  it was an active electrophile, 

and was  sufficiently  reactive  to  an  amine  on  the  piperazinyl  group  of  norfloxacin. Also, 

Page 94: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

69  

bromocrotyl NHS ester yields four carbon  in  length, which  is considered  ideal as a spacer 

arm.  Presence  of  a  double  bond  in  a  bromocrotyl  NHS  ester  usually  is  not  preferred. 

However,  a  double  bound  on  its  structure would  increase  binding  differentiation when 

used  as  a  competitor  (hapten‐protein  conjugate)  in  a  competitive  assay,  therefore may 

lead to better sensitivity towards the target analyte. 

3.4.4.1 Synthesis of 4‐bromocrotonic acid 

 

Figure 3.9 The chemical structure of 4‐bromocrotonic acid. 

 

4‐Bromocrotonic acid was prepared by alkaline hydrolysis of methyl 4‐bromocrotonate at 

0oC.  The  final  product  was  characterized  by  1H‐NMR  and  the  spectrum  is  shown  in 

Appendix  M.  In  the  1H‐NMR  spectrum,  signals  at  6.05  and  7.07‐7.17  ppm  which 

corresponded to the double bond at position 2 and 3, respectively, were present. Also, a 

doublet of doublet at 4.03 ppm  corresponded  to  the proton at position C‐4  (methylene 

group attached to bromine). 

3.4.4.2 Synthesis of bromocrotyl NHS ester linker 

 

Figure 3.10 The chemical structure bromocrotyl NHS ester. 

 

Once  4‐bromocrotonic was  formed,  it was  reacted with NHS  and DCC  at  0oC  to  yield  a 

bromocrotyl NHS ester. The white solid product was characterized by  1H‐NMR  (Appendix 

N).The  signals  at  6.25  ppm  and  7.23‐7.33  ppm  belonging  to  the  double  bond,  and  the 

proton at 4.07 ppm were present. In addition to that, a singlet at 2.86 ppm corresponded 

to the protons of the five member ring of the linker.  

Page 95: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

70  

3.4.4.3 Synthesis of norfloxacin crotyl NHS ester hapten 

The1H‐NMR  spectrum of  the  final product of norfloxacin hapten  indicated  that  the ester 

linker was attached  (Appendix O). This  is evidenced by the presence of a quartet at 4.11 

ppm,  the  protons  corresponded  to  the  methylene  group  attached  to  an  amine  on 

piperazinyl group of norfloxacin. The protons belonging  to  the double bond at 6.05 and 

6.80‐6.89 ppm and  the  five member  ring of  the NHS moiety at 2.59 ppm were present. 

Furthermore, 13C‐NMR and 135 DEPT‐NMR confirmed the backbone of norfloxacin hapten, 

as shown in Appendix P and Q. 

3.5 Conclusion 

In  this  study,  three  new  FQ  haptens were  synthesised,  namely  ENR  acid,  ciprofloxacin 

butane NHS  ester  and  norfloxacin  crotyl NHS  ester  haptens,  using  different  attachment 

point of  the  linkers onto  the  FQ  structures  (i.e.,  carboxylic  acid or piperazinyl  group). A 

carboxylic acid group was attached with a β‐alanine linker in synthesising ENR acid hapten. 

Whereas,  piperazynil moiety was  attached with  a  4‐bromobutane NHS  ester  linker  and 

bromocrotyl NHS ester  linker  in forming the ciprofloxacin butyl NHS ester and norfloxacin 

crotyl  NHS  ester  haptens,  respectively.  In  regard  to  the  antibody  production,  ENR  acid 

hapten‐protein conjugate was expected to generate antibodies for a specific assay. While, 

ciprofloxacin butane NHS ester‐protein and norfloxacin crotyl NHS ester‐protein conjugates 

were expected to produce antibodies for a generic assay (broad specificity).  

The reaction condition and purification method were optimised for FQs hapten synthesis. 

Selection  of  suitable  solvents,  performing  at  ambient  temperature,  in  the  dark  and 

anhydrous  conditions  and using  gravity  column purification method using  alumina were 

crucial parts for the successful synthesis of ENR hapten.  

Ciprofloxacin and norfloxacin haptens were  carried out employing more harsh  condition 

(i.e.  NaH  catalyst  and  reflux).  The  linkers  containing  a  four‐carbon  atom  were  firstly 

synthesised  to  prepare  ciprofloxacin  and  norfloxacin  haptens.  The  4‐Bromobutane  NHS 

ester  linker  was  conjugated  to  the  piperazynil  group  on  ciprofloxacin  to  form  the 

ciprofloxacin butyl NHS ester hapten. Also, the bromocrotyl NHS ester linker was linked to 

the piperazinyl group of norfloxacin to produce norfloxacin crotyl NHS ester hapten.  

Page 96: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

71  

CHAPTER 4. DEVELOPMENT OF THE SPECIFIC ENR ELISA (ENR‐ELISA) 

4.1 Introduction 

ENR (ENR) is a member of the FQ family of antibiotics, with high bactericidal action. It was 

the first FQs drug used in veterinary medicine and for pets and domestic animals treatment 

since 1995 (Nelson et al., 2007). It is also used frequently in cattle and poultry to eliminate 

Salmonella  infection (Mitchell, 2006). However, due to  increases  in the resistant strain of 

Campylobacter  sp.,  it has been withdrawn  from  the U.S. market  in 2005,  (Nelson et  al., 

2007), Zhao et al., 2009). The use of ENR as a veterinary drug in many countries (other than 

the U.S.)  leads  to  the  concern about  the presence and accumulation of ENR  residues  in 

food. Residues of ENR  in animal edible tissues entering  into the human  food chain could 

pose a serious hazard to human health and a potential risk for an emergence and spread of 

FQ resistant bacteria (Sheng et al., 2009a).  

To prevent  the negative  impact of  FQ  residues on human health,  the maximum  residue 

limits  (MRLs) of FQs  in  seafood and animal‐derived products have been established and 

regulated by various agencies such as the European Union (EU) and, and the Regulation for 

Usage Veterinary Medicines in Japan. The EU and the joint FAO/WHO Expert Committee on 

Food  Additives  (JECFA)  have  established  MRLs  for  ENR,  ciprofloxacin  and  their  active 

metabolites  between  100  and  300 µg  kg‐1 in muscle  tissues,  fat  and milk  for  all  species 

(Hernandez‐Arteseros  et  al.,  2002).  The  National  Standardization  Agency  of  Indonesia 

refers  to  FAO/WHO  Expert  Committee  on  Food  Authority  (JECFA)  for  guidance  in 

establishing  MRLs  for  FQ  residues.  Meanwhile,  in  Australia,  FQ  antibiotics  are  not 

permitted for use in agriculture or aquaculture without a specific permit or prescription.  

 

In order to regulate FQs residues  in foodstuffs of animal origin, a wide range of analytical 

methods  have  been  applied.  Analytical  methods  used  for  the  determination  of  FQs 

residues  include  high  performance  liquid  chromatography  (HPLC) with  UV/fluorescence 

detectors  (Hung, 2007, Carlucci, 1998, Espinosa‐Mansilla et al., 2006, Gigosos et al., 2000, 

Hassonuan et al., 2007a, Hassonuan et al., 2007b, Holtzapple et al., 2000, Yorke and Froc, 

2000, Zheng et al., 2005, Holtzapple et al., 2001, Holtzapple and Stanker, 1998, Pena et al., 

Page 97: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

72  

2010),  liquid chromatography mass spectrometry (LC‐MS) (Marchesini et al., 2007),  liquid 

chromatography  tandem mass  spectrometry  (LC‐MS/MS)  (Bogialli  et  al.,  2008,  Ikegawa, 

1998, Johnston et al., 2002, Toussaint et al., 2005a, Toussaint et al., 2005b, Van Vyncht et 

al.,  2002),  capillary  electrophoresis  (Fierens  et  al.,  2000)  gas  chromatography  (GC) 

(Takatsuki, 1991), thin  layer chromatography (TLC) /  immuno‐chromatography (Sun et al., 

2007,  Zhu  et  al.,  2008). More  recently,  bio  sensors  for  FQ  detection, which  require  no 

separation steps, have been reported (Cao et al., 2007, Giroud et al., 2009, Marchesini et 

al., 2007).  

These  instrumental methods  often  required  extensive  sample  preparation  that  involves 

interference removal and concentration, which is a time‐consuming and laborious process. 

These  methods  also  require  technically  skilled  personnel  to  maintain  instruments  and 

interpret instrument outputs. Moreover, many of these instruments are very expensive in 

both setting up and running costs. Therefore, developing simple, rapid and cost‐effective 

methods,  such  as  immunoassays,  that  provide  advantages  over  the  instrumentation 

techniques  would  be  beneficial  for  laboratories  that  cannot  afford  such  expensive 

instruments, such as those regulatory laboratories in Indonesia. 

Immunoassays  are  a method  principally  based  on  antibody‐antigen  binding  properties. 

They have been applied to determine a wide range of contaminants,  including pesticides 

and  veterinary drugs  in  food.  The  technique  increasingly play  an  important  role  in  food 

analysis by  improving analytical  capacity,  thus ensuring  food  safety  (Chen et al., 2009b). 

Many  immunoassays  as  screening  methods  also  have  been  successfully  used  as 

alternatives  or  complementary  to  instrument‐based  methods  for  detecting  FQs 

contaminants  in  food commodities  ( Bucknall et al., 2003, Huet et al., 2006, Wang et al., 

2007a, Li et al., 2008). 

Most  of  the  ENR  immunoassays  also  detect  other  FQs  to  certain  degrees  (Wang  et  al., 

2007b, Bucknall et al., 2003, Kato et al., 2007, Cao et al., 2009). To our best knowledge, 

there have been no  reports on an assay  that  is highly  specific  to ENR. Hence,  this  study 

reports, for this first time, the synthesis of novel haptens of ENR with a suitable spacer arm 

and the development of an indirect competitive ELISA highly specific to ENR. The validation 

Page 98: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

73  

of  the  developed  assay  against  potential  interference  from  animal  or  marine  derived 

products, and analytical performance using spike and recovery study are also reported. 

4.2 Materials and methods 

4.2.1 Materials and Instrumentation 

4.2.1.1 Materials 

Bovine  serum  albumin  (BSA),  ovalbumin  (OA),  keyhole  limpet  hemocyanin  (KLH),  and 

horseradish  peroxidase  (HRP)  were  purchased  from  Sigma  Aldrich,  US.  Dialysis  tubing, 

Tween 20, secondary goat anti‐rabbit IgG‐HRP antibody, and Freund incomplete adjuvants 

were  also  bought  from  Sigma  Aldrich,  US.  Salts  of  FQ  antibiotics  were  obtained  from 

Ruland Chemistry Company  Ltd., China.  FQ  antibiotics were bought  from  Sigma Aldrich, 

USA. Maxisorp polystyrene 96‐well microtitre plates were from Nunc, Denmark. Silica gel H 

was obtained from Merck (Darmstadt, Germany) and deuterated solvents for NMR such as 

dimethylsulfoxide,  chloroform  and  water  were  obtained  from  Cambridge  Isotope 

Laboratories (CIL), Inc. (US). 

4.2.1.2 Instruments 

Antibody  concentrations  and  immunoassay  absorbance were measured  by  SpectraMax® 

M2,  a multi‐detection microplate  reader  from Molecular Devices  (Sunnyvale,  California, 

USA). A digital pH meter was obtained from TPS Pty. Ltd. (Brisbane, Australia).  

4.2.2 Antibody production and characterization 

4.2.2.1 Preparation of conjugates of hapten and carrier proteins or enzyme 

For the antibody production,  immunogens were prepared by conjugating the synthesised 

haptens (in active ester forms) to the carrier protein, KLH. For ELISA, antigens are prepared 

by  conjugating  haptens  to  BSA  or  OA.  All  conjugations  were  performed  via  the 

carbodiimide/NHS active ester method. 

Coupling protocol: ENR hapten  (ENR1, 0.03 mmol) was dissolved  in 1 mL of dried DMF, 

containing DCC (0.04mmol) and NHS (0.04mmol) before adding to the ENR‐1 solution. The 

precipitate of the by‐product, dicyclohexyl urea, was filtered through a cotton filter, leaving 

a  clear  supernatant  for  the  subsequent  conjugation. After  the  filtration,  the  ENR  active 

Page 99: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

74  

ester  solution was  added  dropwise  to  each  protein  (BSA, OA  or  KLH)  dissolved  in  pre‐

cooled coupling buffer (50mM phosphate buffer, pH 9.1). The schematic reaction is shown 

in  Figure  4.1.  The  reaction  solution was  gently  stirred  and was  allowed  to  stand  at  4C 

overnight. The conjugated solution was  then dialysed against 50mM phosphate buffered 

saline  (PBS, pH 7.4) with  several buffer  changes and  the protein  conjugate  solution was 

stored at 4C until use. 

 

 

Figure 4.1 The schematic reaction of ENR hapten‐protein conjugation. 

4.2.2.2 Immunisation and antibody production 

An  immunogen  was  prepared  by  emulsifying  ENR‐1‐KLH  with  0.9%  NaCl  (saline)  and 

TitreMax Gold adjuvantor Freund’s  incomplete adjuvant. The New Zealand white  rabbits 

were  immunised with  the  immunogen  by  subcutaneous  injections.  Subsequent  booster 

injections were given at monthly intervals for six months. The blood was collected from the 

marginal ear vein on a monthly basis and  the antiserum was  isolated  from  the blood by 

centrifugation.  

Page 100: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

75  

4.2.2.3 Purification of Rabbit IgG 

Sera were purified by an affinity chromatography on protein A/G Sepharose (Pharmacia‐GE 

healthcare). Firstly, the serum was diluted with an equal volume of phosphate buffer and 

the  mixture  was  loaded  onto  the  protein  A/G  column  (protein  A/G  Sepharose, 

size/volume/capacity = 5 mL,  flow  rate = 1.5 mL/min). The  IgG was eluted with  acetate 

buffer at pH 4. The eluent which contained the  IgG  fraction was  immediately neutralised 

with 1 M Tris base  (pH 11). The purified antibody was then dialysed against PBS, pH 7.4, 

before storing at 4°C.  

4.2.2.4 Determining antibody concentration 

The concentration of purified polyclonal antibodies  (pAbs) was determined by measuring 

the absorbance at 280 nm. The absorbance was measured against PBS as a reference. The 

concentration of antibody was calculated using Equation 1: 

Antibody concentration (mg/mL) =  1........EqdA

 

Where: A = absorbance at 280 nm 

d = dilution factor 

ε = IgG extinction coefficient, which is 1.35 (Nikolayenko et al., 2005). 

4.2.2.5 Determining optimum working concentration by checkerboard titration 

The  checkerboard  titration  (CBT)  was  performed  to  determine  the  optimum  working 

concentrations of each antibody and enzyme‐conjugate pair. The CBT was carried out as 

follows: 

1. A coating conjugate  (e.g., either OA‐ or BSA‐hapten conjugate) was  immobilised on a 

96‐microwell  plate  by  incubating  a  coating  antigen  at  10  µg  mL‐1  (1  µg  per  well) 

dissolved  in  the coating buffer  (50mM carbonate buffer, pH 9.6). After  the plate was 

left  to  stand  overnight  at  room  temperature,  it  was  washed  for  three  times  with 

deionized water and dried by tapping on an absorbent paper towel. 

Page 101: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

76  

2. For blocking of the unoccupied space in the microwells, the plate was incubated with 3% 

skim milk  solution  at  200  µL  per well  for  1  h  at  room  temperature,  prior  to  being 

washed three times with deionized water.  

3. Antibodies  were  diluted  in  1%  fish  gelatine  in  PBS  (denoted  as  FG/PBS)  and  were 

titrated  in  3‐fold  serial  dilutions.  The  plate  was  incubated  for  1h  and  washed  as 

previously described.  

4. A solution of anti‐rabbit IgG‐HRP conjugate (1:2000 in 1% FG/PBS‐0.05% Tween 20, 100 

µL per well) was incubated for an additional 1h at room temperature. 

5. The colour reaction was developed by incubating with a substrate/chromogen solution 

(1.25mM 3,3’5,5’‐tetramethylbenzidine(TMB)in acetate buffer (pH 5.0) containing urea 

hydrogen peroxide, 100 µL per well) for 30 min. 

6. The reaction was stopped by adding the stop solution  (1.25M sulfuric acid, 50 µL per 

well).  

7. The absorbance was measured at 450 nm and 650 nm.   

4.2.2.6 Determining Sensitivity 

4.2.2.6.1 Preparation of standard solution 

A 1000 µg L‐1 stock solution of ENR was prepared and diluted in 50 mM NaOH (0.5%) in PBS 

(pH 7.4). A serial dilution of working standards at 1000, 300, 100, 30, 10, 3, 1, 0.3 and 0.1 

ng L‐1 was prepared from the 1000µg L‐1stock solution. 

4.2.2.6.2 Indirect Competitive ELISA protocol 

The ENR‐ovalbumin conjugate  (ENR‐OA) was  immobilised onto a microwell plate at 1 ng 

per well. The plate was washed three times with deionized water and dried. The unbound 

sites  on  the microtitre  plates were  blocked with  3%  skim milk  (200  µL  of  per well)  by 

incubating for 1 h at room temperature, prior to washing and drying of the plate. 

For the blank, the respective wells were loaded with 100 µL of deionized water and100 µL 

of 50mMNaOH  (0.5%)  in PBS  (pH 7.4). For  the control,  the  respective wells were  loaded 

with 100 µL of 50mMNaOH 0.5% in PBS and 100 µL of 1% FG/PBS (as an antiserum diluent). 

ENR standard solutions (100 µL per well) were added to the respective wells, followed by 

Page 102: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

77  

an  antiserum  solution  (100  µL  per  well).  The mixture  was  incubated  for  1  h  at  room 

temperature.  The microwells were washed  again  and  a  solution  of  anti‐rabbit  IgG‐HRP 

conjugate solution was incubated for 1h (100 µL per well). After washing the plate, colour 

reaction was developed by  incubating the substrate solution  for 30 min and the reaction 

was  stopped with1.25M  H2SO4.  The  absorbance was measured  at  450nm  and  650  nm. 

Figure 4.2 illustrates the above procedure diagrammatically. 

         

 

Figure 4.2 Schematic presentation of an indirect competitive ELISA for ENR. 

4.2.2.6.3 Determination of standard curve parameter 

A  calibration  curve  (dose‐response)  of  an  analyte  was  constructed  by  plotting 

concentration  on  the  x‐axis  versus  absorbance  on  the  y‐axis.  Percent  inhibition  (%I)  for 

each  standard point  and  sample were  calculated  according  to  the  Equation  2.The  assay 

sensitivity,  calculated as an  IC50, and a  limit of detection  (LOD), were obtained  from  the 

calibration  curves.  An  IC50  is  a  concentration  of  an  analyte  required  to  inhibit  antigen‐

antibody  interaction by 50%. The  LOD  for  the assay was determined by a  concentration 

that reproducibly producing 20% inhibition of colour development. 

Page 103: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

78  

4.2.2.7 Optimisation of ENR ELISA conditions 

4.2.2.7.1 The effect of antiserum diluents 

Tween 20 is commonly used in an assay diluent buffer to reduce non‐specific interactions, 

especially  for  the  synthetically prepared hapten‐protein  conjugates.  In order  to optimise 

ELISA conditions using Tween 20 as a buffer additive to reduce non‐specific binding, three 

diluent  solutions were examined; 1%FG/PBS, 1%FG/PBS+0.05%Tween 20, and 1%FG/PBS 

+0.1%Tween 20. 

4.2.2.7.2 The effect of organic solvents 

Aqueous  solubility  of  analytes  could  affect  immunoassay  performance.  Fluoroquinolone 

antibiotics  are  only  soluble  in  certain  solvents,  such  as methanol,  and  highly  acidic  and 

basic  solutions.  Therefore,  several  solvent  systems,  containing  acetone,  acetonitrile, 

methanol  and  ethanol  between  5%  and  20%  in  aqueous  solutions,  and  mixtures  of 

methanol with glacial acetic acid or NaOH were tested to improve their aqueous solubility 

and still maintain compatibility with an ELISA. 

4.2.2.7.3. The effect of buffer solutions (pH conditions) 

The stability of antibodies in different pH conditions, how pH may influence ionic states of 

ENR  and  antibody  binding  affinity  towards  different  ionic  states  of  ENR  were  studied. 

Buffer solutions with different pH ranging from 5.5 to 9.6 were used in this study. The pH 

5.5 was made from citrate buffer, buffers at pH 6.5, 7.4, and 8.5 were obtained from PBS 

and  a  buffer  at  pH  9.6 was  prepared  from  carbonate  buffer.  All  buffer  solutions were 

adjusted to the desired pH with either 1M HCl or NaOH  solution.  

4.2.2.8 Determining specificity 

Assay specificity was evaluated using a set of fluoroquinolone antibiotics, i.e., norfloxacin, 

ciprofloxacin, sarafloxacin, pefloxacin, nalidixic acid, enoxacin, and danoxacin (ranging from 

0.1 to 100,000 µg L‐1). Assay specificities are expressed by the degree of cross‐reactivity of 

an antibody to similarly structured compounds. Cross‐reactivity is calculated as the ratio of 

an IC50 of the test compound and an IC50 of ENR (Equation 4). 

Page 104: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

79  

4.2.2.9 Study of Matrix Effects 

An ELISA  is usually affected by  the physical, biological, and  chemical  components  in  the 

matrices  such  as  protein,  fat,  sugar,  pigments  and  tannins  (Lee  and  Kenney,  2007).  To 

minimise matrix  interferences, a number of  techniques,  such as extraction of an analyte 

into a water miscible solvent, dilution, preheating to denature protein or a combination of 

these techniques, was employed. As ENR is frequently used in farm animal and aquaculture, 

edible tissue and animal‐derived products, such as  liver, milk and prawn were chosen for 

matrix effect studies.  

4.2.2.9.1 Animal and marine product samples 

Animal‐derived products  (such  as milk  and  chicken  liver)  and  seafood products  (such  as 

prawn) were obtained  from various  local sources,  from Coles supermarket,  local markets 

and  butchers  in  Kensington,  Kingsford  and  Randwick,  New  South Wales. Milk  samples 

consisted  of  full  cream milk,  full  cream milk  powder,  skim milk  and  skim milk  powder. 

Samples were also obtained from organic food markets (e.g., chicken  liver) and  imported 

sources (e.g., prawn).  

4.2.2.9.2 Protocol for sample extraction of chicken liver and prawn 

Chicken  liver and prawn samples were homogenised using a homogeniser. Homogenised 

chicken liver or prawn (2.0 g) was mixed with 2 mL of 10% 50 mM NaOH in MeOH in a 50 

mL polypropylene centrifuge tube, prior to being vortexed for 2 min. The PBS (18mL) was 

added  to  the sample mixture and  the solution was vortexed  for 30 sec. The sample was 

allowed to stand for 30 min and they were placed in a water‐bath shaker at 40oC for 15 min. 

The  solution  was  centrifuged  at  4500  rpm  (2268  g)  for  10 min.  The  supernatant  was 

transferred  into another centrifuge tube, and the sample was re‐extracted with 15 mL of 

the extraction buffer  twice  and  centrifuged using  the  same  condition.  The  supernatants 

were combined. Together with the blank solution, the extracted samples were spiked with 

ENR for the matrix effect study.  

Page 105: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

80  

4.2.2.9.3 Protocol for matrix effect determination of milk 

Milk samples were preheated to 80oC for 5 min; 30 min heating was required for skim and 

full cream milk samples. Samples were diluted by 5, 10 and 20‐fold (v/v) with PBS and were 

centrifuged at 4500 rpm (2268 g) for 10 min. 

4.2.3 Spiking and recovery studies 

The recovery was determined by spiking ENR into milk, chicken liver and prawn samples to 

the final concentrations of 5, 10, 20 and 50 µg L‐1, and the spiked samples were analysed by 

ENR1 ELISA using AbαENR1‐KLH against ENR1‐OA.  

4.2.3.1 Protocol for spiking of chicken liver and prawn with ENR 

Chicken  liver and prawn  samples were  spiked with various  concentrations of ENR above 

and below  the MRL values prior  to  the extraction. Homogenised  samples were weighed 

(approximately 2.0  g)  and placed  into  a 50 mL polypropylene  centrifuge  tube.  ENR  (not 

exceeding 100 µL for a 2 g sample) at 250, 500, 1000 and 2500 µg L‐1 were spiked into the 

homogenised samples to give the final concentrations of 5, 10, 20 and 50 µg L‐1 in the test 

samples.  The  spiked  samples  were  allowed  to  stand  for  30 min  at  room  temperature 

before proceeding with the extraction.  

4.2.3.2 Protocol for spiking of milk with ENR 

Milk samples were spiked with ENR to achieve concentrations above and below the MRL 

values for milk (between 10 and 3000 µg L‐1). ENR (not exceeding 100 µL) was spiked to the 

final concentrations of 5, 10, 20 and 50 µg L‐1. Samples were allowed to stand for 30 min at 

room temperature prior to the thermal treatment.  

Table 4.1 shows the concentrations of ENR that were spiked into food samples and dilution 

factors  that  were  applied  to  the  sample  extraction.  The  recovery  was  calculated  by 

interpolating the ENR concentration from a % inhibition calibration curve. 

 

 

Page 106: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

81  

Table 4.1 The concentrations of ENR used to spike samples 

Spike 

No. 

The concentration of 

spiked ENR (µg L‐1) 

Dilution 

Factor 

The final concentration of 

ENR in samples  

(µg L‐1) 

Samples 

50 

100 

200 

500 

1 : 10 

5

10 

20 

50 

Milk 

250 

500 

1000 

5000 

1 : 50 

5

10 

20 

50 

Chicken 

liver and 

Prawn 

 

4.3 Results and Discussion 

4.3.1 Antibody production and optimal concentration of ENR1 antiserum 

Titre  is  defined,  in  our  laboratory,  as  a  titration  factor  of  an  antiserum  that  produces 

“detectable”  colour  above  the  background  (i.e.,  0.1‐0.2  absorbance  unit).  An  optimum 

concentration  ofeach  bleed was  assessed  by  conducting  a  checker  board  titration  (CBT) 

against an immobilised antigen and selecting a concentration of an antiserum that yielded 

approximately 1‐1.5 absorbance units. 

Page 107: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

82  

 

Figure 4.3 Titration curve of AbENR1‐KLH against ENR1‐OA from six different bleeds (first 

bleed to sixth bleed) by an indirect ELISA format. 

 

The  Figure  4.3  presents  titration  curves  of  antisera  from  the  first  to  the  sixth  collection 

(defined  as  bleed).  Each  antiserum was  titrated  against  ENR1‐OA  antigen  in  an  indirect 

ELISA  to allow  selection of  the optimum  serum dilutions  for  further characterization  in a 

competitive  format. The optimum concentration of  first bleed  (B#1), second bleed  (B#2), 

third bleed (B#3), forth bleed (B#4), fifth bleed (B#5) and sixth bleed (B#6) were 1/15,000, 

1/10,000, 1/10,000, 1/5,000,1/5,000 and 1/2500, respectively. As shown in Figure 4.3, the 

first bleed of AbENR1‐KLH yielded the highest titre of ENR specific antibody with a gradual 

decrease in the titre values of the subsequent bleeds. This was unexpected and may be due 

to  the  hydrolysis  of  the  immunogen  ENR1‐KLH  conjugate,  resulting  in  cleavage  of  the 

hapten from the carrier protein during the storage at 4oC. Further immunization with newly 

prepared immunogens, however, did not improve the immune response of the animals.  

4.3.2 Antibody characterisation 

The coating antigens were prepared by conjugating various FQ haptens to OA via the NHS 

active ester method, yielding eight different FQ haptens‐OA conjugates. To evaluate assay 

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

500 5000 50000 500000 5000000 50000000

Absorban

ce (450 nm)

Antisera dilution factor

B#1

B#2

B#3

B#4

B#5

B#6

Page 108: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

83  

sensitivity  of  the  heterologous  system,  FQ  haptens with  the  linkers,  such  as  ENR‐t‐butyl 

(ENR2‐OA) and ciprofloxacin‐bromobutane (CIP2‐OA) were synthesised. Hapten heterology 

was also evaluated using various FQs  that are directly  conjugated  to  the  carrier proteins 

(i.e., haptens with no  linker). These were ENR‐OA  (ENR1‐OA), ciprofloxacin‐OA  (CIP1‐OA), 

norfloxacin‐OA (NOR‐OA), sarafloxacin‐OA (SAR‐OA), pefloxacin‐OA (PEF‐OA), nalidixic acid‐

OA  (NAL‐OA).  Using  the  first  bleed  (B#1)  of  the  ENR1‐KLH  antibody,  the  sensitivity  of 

homologous  (i.e.,  ENR1‐AO)  versus  heterologous  systems were  evaluated  in  an  indirect 

competitive ELISA format. 

 

Figure  4.4  Titration  curves  of  AbENR1‐KLH#1(from  bleed#1)  against  the  eight  hapten‐

protein  conjugates  (PEF‐OA, SAR‐OA, ENR2‐OA, NOR‐OA, NAL‐OA, CIP2‐OA, CIP1‐OA and 

ENR1‐OA). 

 

As  can  be  seen  from  Figure  4.4,  the  highest  titre  of  AbENR1‐KLH#1and  ENR1‐OApair, 

suggested high specificity to ENR, evident by decrease in the titre values (30‐fold decrease). 

To be more practical in an immunoassay, the dilution factor of the antiserum that resulted 

in 1‐1.5AU should be >5,000. Below this figure, there  is a higher  likelihood of an elevated 

background  colour  due  to  non‐specific  binding  of  the  serum  constituents.  Thus,  the 

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

500 5000 50000 500000

Absorban

ce (450 nm)

Antisera Dilution Factor

PEF‐OA

SAR‐OA

ENR2‐OA

NOR‐OA

NAL‐OA

CIP2‐OA

CIP1‐OA

ENR1‐OA

Page 109: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

84  

homologous assay utilising AbENR1‐KLH (antibody) and ENR1‐OA as a competing antigen 

was selected for further characterisation. 

4.3.2 Assay Sensitivity 

Assay sensitivity was defined by running standard curves of ENR  in the homologous assay 

using AbENR1‐KLH and ENR1‐OApair. The seven antigens derived from FQs‐OA conjugates 

againstthe first and second bleeds of AbENR1‐KLH (B#1 and B#2) were evaluated (Table 

4.2). The homologous assay generated better sensitivity than heterologous system, with an 

IC50 value of 15 µg L‐1. The antibodies from the first bleed (B#1,  IC50= 15 µg L

‐1) exhibited 

better sensitivity than those from the second bleed (B#2, IC50 = 100 µg L‐1). The assay with 

the hapten homology and  linker heterology  (i.e., using ENR2‐OA as a competing antigen) 

gave very poor sensitivity (>1000 µg L‐1). While the hapten heterologous assays which were 

based  on  other  FQs‐OA  conjugates  exhibited  very  low  colour  development  and  poor 

sigmoidal dose‐response curves. 

Table 4.2 The IC50 values (µg L‐1) of the assays based on the combination of 14 FQ hapten‐

OA conjugates competed with ENR for AbENR1‐KLH by the indirect competitive ELISA 

OA‐Conjugates 

(Coating antigens) 

IC50(µg L‐1) 

First Bleed (B#1)  Second Bleed (B#2) 

ENR‐1‐OA 

ENR‐2‐OA 

CIP‐OA 

NOR‐OA 

SAR‐OA 

NAL‐OA 

PEF‐OA 

15 

>1000 

ND* 

ND* 

ND* 

ND* 

ND* 

100 

>1000 

ND* 

ND* 

ND* 

ND* 

ND* 

ND* the assay exhibited very low colour, and did not show the ideal standard curves. 

In this study, the absolute homologous assays using a combination of AbENR1‐KLH‐#1 as 

an antibody and ENR‐1‐OA as an immobilised antigen (i.e., both hapten and linkage are the 

Page 110: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

85  

same for the immunogen and the competing antigen) gave the best sensitivity of 15 µg L‐1. 

A  calibration  curve using ENR‐1‐BSA as a  solid phase antigen also did not  show an  ideal 

dose‐response relationship. This was probably due to an interaction between BSA with ENR, 

resulting  in  less available competing hapten  (or epitope) on ENR1‐BSA conjugates or  free 

ENR  (analyte)  for  binding  with  the  antibody.  BSA  has  been  reported  to  increase  non‐

specific binding of ciprofloxacin, resulting in lower sensitivity and specific and sensitivity in 

an immunoassay (Snitkoff et al., 1998. Duan and Yuan, 2001). 

4.3.3 Evaluation of assay parameters (IC80, IC50, IC20 and maximum absorbance) 

Nine point calibration curves of ENR are shown  in Figure 4.5. The  results were averaged 

over 25 analyses carried out on different days. The % CV of %  inhibition decreased as the 

concentration  of  ENR  increased  as  shown  in  Figure  4.6.  This  curve  indicates  a  typical 

precision of a sigmoidal dose‐response relationship of an immunoassay (Lee and Kennedy, 

2007). As shown in Table 4.3, the IC50 value was 11.8± 1.7 µg L‐1 (%CV = 14%). An IC20 value 

refers to,  in this study, as the LOD, was 2.4 ± 0.4 µg L‐1 (%CV = 17%). An  IC80 value, which 

referred  to a concentration of ENR  to  inhibit 80% of colour development and defined as 

upper detection limit of the detection range, was 91.4 ± 6.1 µg L‐1 (%CV = 7%). The average 

maximum absorbance was 1.6± 0.1, with a %CV of 6%. The %CV of the absorbance of nine 

ENR concentrations ranged from 5 to 35% (Figure 4.6). 

Table 4.3 Standard curve parameters and precision of ENR assay 

Parameters Concentration 

(µg L‐1) S.D.a  %CVb 

IC50 

IC20 

IC80 

Maximum absorbance 

11.7 

2.4 

91.41 

1.6 

1.7 

0.4 

6.1 

0.1 

14 

17 

a standard deviation 

b%coefficient variation 

 

Page 111: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

86  

 

Figure  4.5  Calibration  curves  for  AbENR1‐KLH  (average  of  25  analyses)  based  on  the 

absorbance () vs ENR concentration and the %  inhibition () vs ENR concentrationusing 

the optimised concentrations of anti‐ENR antibodies and  immobilised ENRantigenwith an 

IC50 value of 11.8µg L‐1± 1.7 and LOD 2.4 µg L‐1± 0.4. ± represents standard deviation 

 

Figure 4.6 %CV of the absorbance () and the % inhibition () based on an average of 25 

analyses. 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

0

10

20

30

40

50

60

0.1 1 10 100 1000

% CV

ENR (µg L‐1)

Page 112: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

87  

 

Figure  4.7  Plot  of  IC20 (),  IC50 ()  and  IC80 ()  values  of  the  25  standard  curves..  The 

middle solid lines indicate the average values of IC20, IC50 and IC80. The dotted lines indicate 

the upper and lower limits of standard deviation; SD. 

4.3.4 Characteristics of ENR ELISA 

4.3.4.1 Assay specificity 

Wang et al., (2007a) and Bucknall et al., (2003) designed an immunogen for ENR using the 

secondary amino group located on the piperazynil moiety of ENR as a point of attachment 

with a carboxylic acid group on a carrier protein. This design of hapten‐protein conjugates 

displayed the 3‐quinolinecarboxylic acid moiety which was the common structure of FQs. 

As a result, the antibody raised showed higher cross‐reactivity with other FQ compounds. 

Moreover, a substitution or an addition of an amine on FQs and secondary amines on some 

of the FQs played an important role in generating a broad cross‐reactive assay. The major 

changes at the secondary amine of sarafloxacin, for instance, only contributed to a five‐fold 

decrease in the antibody binding to ENR (Holtzapple et al., 1997). Consequently, this assay 

showed a high cross‐reactivity for some structurally related FQ drugs. Hence, in this project 

which aimed to develop antibodies highly specific to ENR, the hapten was synthesised by 

conjugating a carboxylic acid group of ENR with an amino group of a carrier protein. The 

1.00

10.00

100.00

0 5 10 15 20 25

ENR (µg L‐1)

number of assay (25 analyses) 

Page 113: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

88  

absence  of  a  carboxylic  acid  group  at  position  3 would  direct  the  immune  response  to 

antibodies that are highly specific to ENR.  

Inspection of the cross‐reactivity data provides clues to which  immunodominant moieties 

of the hapten/analyte. The specificity of the antibody was evaluated by the cross‐reactivity 

study against seven structurally related FQs and quinolones. These are danofloxacin (DAN), 

enoxacin (ENO), sarafloxacin (SAR), pefloxacin (PEF), nalidixic acid(NAL) ciprofloxacin (CIP), 

and norfloxacin (NOR). As shown in Table 4.5, little cross‐reaction was observed for the test 

compounds,  indicating  that AbENR1‐KLH was  indeed highly specific  for ENR, confirming 

the titration results. 

AbENR1‐KLH showed low cross‐reactivity to DAN probably due to its diazobicyclo moiety 

located on the secondary amine that was different from ENR. AbENR1‐KLH also resulted 

in low cross‐reaction to SAR and NAL because of their apparent structural differences. For 

instance,  the  fluorophenyl  ring  on  the  primary  amine  group  of  SAR  drastically  reduced 

conformational  similarity  with  ENR  and  hence  resulted  in  poor  antibody  binding. 

Meanwhile for NAL, the absence of piperazynil moiety and consisting of a ring substitutes 

with a methyl group also  contributed  to poor  recognition by AbENR1‐KLH. Despite  the 

high degree of structural similarity between ENO, PEF, CIP and NOR to ENR, very low cross‐

reactivity  against  these  compounds was  observed with %  cross–reactivity  (%CR)  values 

being <0.1%. Only PEF showed a slight cross‐reaction of 1.3%, probably due to a similarity 

in  the  substituted group on  the piperazynil group  (i.e., a methyl group on PEF versus an 

ethyl group on ENR). 

   

Page 114: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

89  

Table 4.4 The IC50 (µg L‐1) and cross reactivity (%CR) for FQs related compounds 

Compound  Chemical structure IC 

parameters µg L‐1 

%CR 

(µg L‐1) mol L‐1 

%CR 

(mol L‐1) 

Enrofloxacin 

(ENR) 

  

IC50  27.31  100  7.6 x 10‐8  100 

IC20  4.53  100  1.3  x 10‐8 100 

IC80  232.06  100  6.5 x 10‐7  100 

Danofloxacin 

(DAN) 

  

IC50  >1000  0.1  7.8 x 10‐5  0.1 

IC20  >1000  0.2  8.4 x 10‐6  0.1 

IC80  >1000  0.1  4.8 x 10‐4  0.1 

Enoxacin 

(ENO) 

  

IC50  >1000  <0.1  4.6  x 10‐4 <0.1 

IC20  >1000  <0.1  7.0 x 10‐5  <0.1 

IC80  >1000  <0.1  4.6  x 10‐3 <0.1 

 

Pefloxacin 

(PEF) 

 

IC50  >1000  1.3  7.2  x 10‐6 1.2 

IC20  >1000  0.3  1.0  x 10‐6 0.3 

IC80  >1000  1.8  6.0  x 10‐5 1.2 

 

 

 

 

   

Page 115: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

90  

Table 4.4The IC50 (µg L‐1) and cross reactivity (%CR) for FQs related compounds (continued) 

Compound  Chemical structure 

IC 

parameter

µg L‐1 %CR 

(µg L‐1) mol L‐1 

%CR 

(mol L‐1) 

Nalidixic acid 

(NAL) 

  

IC50  >1000  <0.1  0.64  <0.1 

IC20  >1000  <0.1  3.9 x 10‐3  <0.1 

IC80  >1000  <0.1  106.53  <0.1 

Ciprofloxacin 

(CIP) 

 

IC50  >1000  <0.1  2.7 x 10‐4  <0.1 

IC20  >1000  <0.1  1.9 x 10‐5  <0.1 

IC80  >1000  <0.1  1.4 x 10‐3  <0.1 

Norfloxacin 

(NOR) 

  

IC50  >1000  <0.1  6.9 x 10‐4  <0.1 

IC20  >1000  <0.1  3.7 x 10‐5  <0.1 

IC80  >1000  <0.1  4.2  x 10‐3  <0.1 

Sarafloxacin 

(SAR) 

 

 

IC50  >1000  <0.1  6.2  x 10‐4  <0.1 

IC20  >1000  <0.1  8.7  x 10‐5  <0.1 

IC80  >1000  <0.1  3.6 x 10‐3  <0.1 

 

4.3.4.2 Assay Optimisation 

Immunoassay performance may be affected by  surfactants, organic  solvents, pH,  sample 

matrices or salt concentrations (Lee and Kennedy, 2007; Sheng et al., 2009b). The effects of 

these variables on the assay were tested by analysing changes in the maximum absorbance 

values at zero concentration of ENR (denoted as the maximum absorbance, Amax), and IC50 

Page 116: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

91  

values of standard curves of diluents containing Tween 20, organic solvents and varying pH 

values. 

4.3.4.2.1 Effects of diluents 

Tween 20  is a non‐ionic  surfactant and  is commonly added  to assay buffers  to minimise 

non‐specific  binding  (Lee  and  Kennedy,  2007).  In  order  to  determine  the  effect  of  this 

surfactant on assay performance, four serum diluents consisting of PBS, 1% FG‐PBS, 1% FG‐

PBS + 0.05% Tween 20, 1% FG‐PBS + 0.1% Tween 20 were evaluated. As can be  seen  in 

Table  4.6,  these  diluents,  except  for  PBS,  did  not  affect  significantly  on  the  assay 

performance,  with  regards  to  both  assay  sensitivity  and  colour  development.  Briefly, 

addition  of  fish  gelatine  enhanced  both  colour  development  and  assay  sensitivity  as 

measured by %I. An addition of Tween 20 enhanced colour development slightly, but did 

not alter the sensitivity.  

Table 4.5 Effect of diluents on antibody’s sensitivity 

Assay diluents  PBS ± SD (n=3) 1% FG‐PBS (control) ± SD (n=3) 

1% FG‐PBS + 0.05%Tween 20 

± SD (n=3) 

1% FG‐PBS + 0.1% Tween 20 

± SD (n=3) 

Absorbance 

maximum (Amax) ^0.8 ± 0.01  1.3 ± 0.02  ^1.6 ± 0.02  ^1.6 ± 0.01 

%CV (Amax)  1.6  1.2  1.3  0.4 

IC50 (µg L‐1)  ^18.9 ± 1.5  11.0 ± 3.4  *11.5 ± 0.8  *13.4 ± 0.7 

%CV (IC50)  7.9  30.7  7.0  5.6 

Each value represents the mean of triplicates (n=3) with standard deviation (SD). Statistical 

analysis was calculated using t‐test  (α = 0.05). *no significant difference with control (1% 

FG‐PBS). ^significant difference with control (1% FG‐PBS). 

When PBS was used alone as a serum diluent without 1%FG and Tween 20, the IC50 values 

increased  approximately  by  two‐folds  and  the  Amax  values  decreased  by  almost  50% 

compared  with  1%FG‐PBS  as  a  control.  Diluents  containing  Tween  20  affected  colour 

development considerably, by showing 0.2‐0.3 AU  increase  in Amax values. However, there 

was no difference among the IC50 values of the assay diluents with and without Tween 20. 

Page 117: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

92  

Hence Tween 20 up to 0.05% was concluded to not significantly affecting the antibody and 

antigen binding. From  these  results, 1%FG‐PBS was  suggested  to be  the best diluent  for 

this assay. 

 

Figure 4.8 Effects of diluents (PBS, 1% FG‐PBS, 1% FG‐PBS + 0.05% Tween 20 and 1% FG‐

PBS + 0.1% Tween 20) on colour development of the ELISA based on AbENR1‐KLH. Each 

value represents a mean of triplicates (n=3) with a standard deviation (SD) value of PBS, 1% 

FG‐PBS, 1% FG‐PBS + 0.05% Tween 20 and 1% FG‐PBS + 0.1% Tween 20 was 0.01, 0.02, 0.02 

and 0.01, respectively. Statistical Analysis was calculated using t‐test ( = 0.05). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

PBS

1% FG‐PBS

1% FG‐PBS + 0.05% Tween 20

1% FG‐PBS + 0.1% Tween 20

Page 118: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

93  

 

Figure 4.9 Standard curves of ENR in different diluents (PBS, 1% FG‐PBS, 1% FG‐PBS + 0.05% 

Tween 20 and 1% FG‐PBS + 0.1% Tween 20). Each value represents the mean of triplicates 

(n=3) with a standard deviation (SD) value of PBS, 1% FG‐PBS, 1% FG‐PBS + 0.05% Tween 20 

and 1% FG‐PBS + 0.1% Tween 20 was 1.5, 3.4, 0.8 and 0.7, respectively. Statistical Analysis 

was calculated using t‐test ( = 0.05). 

4.3.4.2.2 Effects of organic solvents 

Most FQ antibiotics are highly soluble  in aqueous solutions either at high or  low pHs, and 

insoluble  in many water miscible  organic  solvents. Amongst  FQs,  only  ENR  is  soluble  in 

methanol. The solubility of an analyte  is an aqueous solution can directly affect the assay 

sensitivity. For this reason, various organic solvents at different concentrations were tested 

for ENR solubility and their effects on the assay sensitivity. Colour development (Amax) and % 

inhibition (IC50) reflecting the antibody binding to the immobilised antigen are presented in 

Figures 4.10 to 4.17. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

Inhibition (%)

ENR (µg L‐1)

PBS

1% FG‐PBS

1% FG‐PBS + 0.05% Tween 20

1% FG‐PBS + 0.1% Tween 20

Page 119: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

94  

 

Figure  4.10  Effects  of  methanol  (5%  MeOH,  10%  MeOH  and  20%  MeOH)  on  colour 

development of the ENR1‐ELISA.Each value represents the mean of triplicates (n=3) with a 

standard deviation (SD) value of PBS, 5% MeOH, 10% MeOH and 20% MeOH was 0.01, 0.01, 

0.02 and 0.01, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α= 0.05) 

 

Figure 4.11 Standard curves of ENR dissolved  in different concentrations of methanol (5% 

MeOH, 10% MeOH and 20% MeOH).Each value  represents  the mean of  triplicates  (n=3) 

with a standard deviation (SD) value of PBS, 5% MeOH, 10% MeOH and 20% MeOH was 1.1, 

0.9, 4.7 and 0.8, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α= 0.05) 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

PBS

5% MeOH

10% MeOH

20% MeOH

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

PBS5% MeOH10% MeOH20% MeOH

Page 120: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

95  

 

Figure 4.12 Effects of acetonitrile (5% acetonitrile, 10% acetonitrile and 20% acetonitrile) on 

colour development. Each  value  represents  the mean of  triplicates  (n=3) with  a  standard 

deviation (SD)value of PBS, 5% acetonitrile, 10% acetonitrile and 20% acetonitrile was 0.03, 

0.03, 0.03 and 0.02, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α= 0.05). 

 

Figure  4.13  Standard  curves  of  ENR  in  different  concentrations  of  acetonitrile  (5% 

acetonitrile,  10%  acetonitrile  and  20%  acetonitrile).  Each  value  represents  the mean  of 

triplicates (n=3) with a standard deviation (SD) of PBS, 5% acetonitrile, 10% acetonitrile and 

20% acetonitrile was 0.2, 12.4, 2.2 and 3.6, respectively. Statistical analysis was calculated 

using t‐test (α= 0.05). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

PBS

Acetonitrile 5%

Acetonitrile 10%

Acetonitrile 20%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

PBS

Acetonitrile 5%

Acetonitrile 10%

Acetonitrile 20%

Page 121: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

96  

 

Figure  4.14  Effects  of  acetone  (5%  acetone,  10%  acetone  and  20%  acetone)  on  colour 

development.  Each  value  represents  the  mean  of  triplicates  (n=3)  with  a  standard 

deviation (SD) of PBS, 5% acetone, 10% acetone and 20% acetone was 0.07, 0.03, 0.02 and 

0.04, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α= 0.05). 

 

Figure 4.15 Standard curves of ENR in different concentrations of acetone (5% acetone, 10% 

acetone  and  20%  acetone).  Each  value  represents  the mean  of  triplicates  (n=3) with  a 

standard deviation  (SD) of PBS, 5% acetone, 10% acetone and 20% acetone was 2.2, 3.7, 

1.8 and 5.1, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α= 0.05). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

PBS

Acetone 5%

Acetone 10%

Acetone 20%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

PBS

Acetone 5%

Acetone 10%

Acetone 20%

Page 122: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

97  

 

Figure  4.16  Effects  of  ethanol  (5%  ethanol,  10%  ethanol  and  20%  ethanol)  on  colour 

development of the ENR1‐ELISA. Each value represents the mean of triplicates (n=3) with a 

standard deviation (SD) of PBS, EtOH 5%, EtOH 10% and EtOH 20% was 0.03, 0.01, 0.01 and 

0.03, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α= 0.05). 

 

Figure 4.17 Standard curves of ENR in different concentrations of ethanol (5% ethanol, 10% 

ethanol and 20% ethanol) for ENR1‐ELISA and each value represents the mean of triplicates 

(n=3) with a standard deviation (SD) of PBS, EtOH 5%, EtOH 10% and EtOH 20% was 1.9, 4.1, 

2.5 and 3.4, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α= 0.05). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

PBS

EtOH 5%

EtOH 10%

EtOH 20%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition 

ENR (µg L‐1)

PBS

EtOH 5%

EtOH 10%

EtOH 20%

Page 123: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

98  

Table 4.6 Effects of water miscible organic solvents on the performance of the ENRELISA 

Conc. of solvent (%v/v) 

Methanol  Acetonitrile  Acetone  Ethanol 

Amax 

± SD  (n =3) 

IC50 (µg L‐1) ±SD  (n =3) 

Amax 

± SD  (n =3) 

IC50 (µg L‐1) ±SD  (n =3) 

Amax 

± SD  (n =3) 

IC50 (µg L‐1) ±SD  (n =3) 

Amax 

± SD  (n =3) 

IC50 (µg L‐1) ±SD  (n =3) 

0% 1.4± 

0.01 

12.8± 

1.1 

1.5± 

0.03 

11.0± 

0.2 

1.3± 

0.07 

11.1± 

2.2 

1.4± 

0.03 

14.7± 

1.9 

%CV (0%)  0.7  8.6  2.0  1.8  5.4  19.8  2.1  12.9 

5% *1.4± 

0.01 

*13.3± 

0.9 

^1.0± 

0.03 

^26.3± 

12.4 

^0.9± 

0.03 

^107.8± 

3.7 

^0.9± 

0.01 

^79.7± 

4.1 

%CV (5%)  0.7  6.8  3.0  47.1  3.3  3.4  1.1  5.1 

10% *1.6± 

0.01 

*17.0± 

4.7 

^1.1± 

0.03 

^19.2± 

2.2 

^1.1± 

0.02 

^126.5± 

1.8 

^1.0± 

0.01 

^104.7± 

2.5  

%CV 

(10%) 0.6  27.6  2.7  11.5  1.8  1.4  1  3.4 

20% ^1.9± 

0.01 

^22.4± 

0.8 

^1.3± 

0.02 

^18.9± 

3.6 

^1.1± 

0.04 

^157.1± 

5.1 

^1.2± 

0.03 

^128.9± 

13.4 

%CV 

(20%) 0.5  3.6  1.5  19.0  3.6  3.2  2.5  10.4 

Each value represents a mean of triplicates (n=3) with a standard deviation (SD). Statistical 

analysis  was  calculated  using  t‐test  (α  =  0.05).  *no  significant  difference  with  PBS. 

^significant difference with PBS. 

The effects of organic solvents  (methanol, ethanol, acetone and acetonitrile between 5% 

and 20% in PBS) on ELISA are shown in Table 4.7. Methanol and acetonitrile had little or no 

effects on the sensitivity, compared to ethanol and acetonitrile. The  IC50 values  increased 

gradually  from 13.1  to 22.4 µg L‐1 as methanol concentration  increased  from 5  to 20%.In 

contrast,  the  IC50  values  decreased  gradually  from  26.3  to  18.9  µg  L‐1  as  acetonitrile 

concentration increased from 5 to 20%. Meanwhile, the IC50 values increased dramatically 

to more than ten‐folds when ethanol or acetone was present in the assay buffer. Methanol 

at 5 and 10% did not significantly affect  the colour development. For other solvents,  the 

Amax  was affected considerably as their concentrations increased.  

Page 124: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

99  

In  summary,  methanol  up  to  10%  and  acetonitrile  up  to  20%  have  no  considerable 

interference on the assay performance and are still able to maintain the same sensitivity. 

Hence methanol up to 10 % was used routinely in the ENR‐1‐ELISA. 

4.3.4.2.3 Effect of pH 

Antibodies and enzymes are susceptible to extreme pHs. They generally have an optimum 

pH  range within which  they  function optimally. They are normally stable at a neutral pH 

tolow  alkaline  conditions,  ranging  between  pH  7  and  9. Acidic  pH  lower  than  pH  5  can 

irreversibly  inhibit  the  protein  or  enzyme  activity  (Hermanson,  1996).    The  pH  of  an 

aqueous  environment  also  influences  ionic  states  of  both  the  analytes  and  antibodies, 

hence  they may  affect  sensitivity  and  specificity  of  the  assay  (Sheng  et  al.,  2009b).  To 

investigate  the effects of pH on assay performance,  standard  curves of ENR prepared  in 

pH5.5, 6.5, 8.5 and 9.5 were compared with that of a curve generated using PBS at pH 7.4, 

as a control.  

Figure 4.18  illustrates  the effects of pH on assay performance. There were no significant 

changes  in the  IC50 values  in a pH range of 6.5 and 8.5. This  indicated that the assay was 

stable in the pH range tested. At pHs 5.5 and 9.5, the IC50 values increased by 3‐ and 2‐folds, 

respectively. With  regard  to  the  colour  development,  Amax gradually  decreased  at  pHs 

above and below 7.5.The optimum pH for this assay was atneutral (pH 7), hence, PBS (pH 

7.4) solution was employed for further characterisation.   

Page 125: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

100  

 

Figure 4.18 Effects of the pH on the ENR1‐ELISA. The circle  indicates absorbance and the 

triangle  indicates  IC50 values against pH and each value  represents a mean of  triplicates 

(n=3) of pH 5.5, 6.5, 7.5, 8.5 and 9.5 with a standard deviation (SD) value was 4.5, 0.8, 0.1, 

4.5 and 0.6, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

4.3.5 Matrix Interferences 

An ELISA  is usually affected by  the  chemical, physical and biological  components on  the 

matrices  such  as  pigments,  tannins,  protein  and  fat  (Lee  and  Kennedy,  2007).  Matrix 

interference of the samples may affect either assay sensitivity or the colour development 

or  both  of  these.  There  are  a  number  of ways  to  remove  or minimise  the  influence  of 

matrix  interference on an ELISA. Common procedures for ELISA are extraction with water 

miscible  solvents,  acidic  or  enzymatic  hydrolysis,  or  simple  dilution.  Extraction  of  an 

analyte  from  a  sample matrix  is  influenced  by many  factors  including  solubility  of  an 

analyte and interfering substances, diffusion rate of  solvent into a sample matrix, partition 

of  the analyte between sample matrix and extraction solvent  (mass  transfer)and particle 

size  to which matrix  is  ground  (Mitra,  2003).  Solid  samples  are  generally  prepared  by 

grinding  into  finer  size  particles  first,  followed  by  liquid  extraction  using  appropriate 

solvents  and  then  the  extract  is  either  concentrated  or  undergoing  an  additional 

interference  removal  procedures  (Ridgway  et  al.,  2007). Moist  or wet  samples,  such  as 

animal or fish tissues are generally prepared by mincing or homogenising. Liquid samples, 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

5.5 6.5 7.5 8.5 9.5

Absorban

ce (450 nm)

IC50(µg L‐1)

pH

Page 126: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

101  

such as syrups, soft drinks, milks or other liquid drinks can be prepared by a simple dilution 

with  aqueous  solutions,  extraction  using  water  immiscible  solvents  to  remove  specific 

matrix  interference(e.g.,  fat  in milk or pigment  in  vegetables),  and  addition of  chelating 

agents (e.g.,  interfering ions in soft drinks). 

In  this  study  solid  samples  (chicken  liver  and  prawn)  were  homogenised  using  a 

homogeniser and the homogenised sample was extracted three times with 50mM NaOH : 

methanol  :  PBS  =  1:9:90  in  a  shaking  waterbath  at  40oC  for  15  min  without  further 

treatment. Meanwhile,  liquid samples  (milk) were diluted with PBS  (1:5, 1:10, and 1:20), 

followed by heating  in a waterbath at 80oC  for 5 min and 30 min  for  skim milk and  full 

cream milk  samples,  respectively. The matrix effects were examined by  running  a  serial 

dilution of ENR  in  the extracts or diluted  samples and  comparing  the  results with  those 

obtained  in PBS buffer as a control. The matrix  interference was evaluated by comparing 

the maximum  absorbance  (Amax)  and  the  sensitivity  (IC50)  as  the  indicators  of  antibody‐

antigen binding and enzyme activity. 

4.3.5.1 Effect of matrix in milk 

Skim milk  has much  lower  fat  contents  (0.3%)  than  full  cream milk  (3.3%  to  5%).  To 

evaluate the effects of fat contents  in various milk samples on the ELISA, the fat globules 

were dispersed by preheating the sample  in a waterbath at 80oC for 5 min.  In this study, 

three dilutions  (1:5, 1:10 and 1:20) were examined to compare the effects on the colour 

development (Amax) and % inhibition (IC50) (Figures 4.19 to 4.26). 

   

Page 127: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

102  

 

Figure 4.19 Effects of skim milk  liquid (SKL), diluted 1:5, 1:10 and 1:20 with PBS on colour 

development.  Each  value  represents  the  mean  of  triplicates  (n=3)  with  a  standard 

deviation  (SD) value of PBS, diluted SKL 1:5, 1:10 and 1:20 with PBS was 0.01, 0.04, 0.01 

and 0.04, respectively. Statistical analysis was calculates using t‐test (α = 0.05). 

 

Figure 4.20 Standard curves of ENR dissolved in skim milk liquid (SKL), diluted 1:5, 1:10 and 

1:20 with PBS. Each value represents the mean of triplicates (n=3) with standard deviation 

(SD)  value  of  PBS,  diluted  SKL  1:5,  1:10  and  1:20 with  PBS was  0.8,  1.7,  1.2  and  0.6, 

respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

1 in 5

1 in 10

1 in 20

PBS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

1 in 5

1 in 10

1 in 20

PBS

Page 128: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

103  

 

Figure  4.21  Effects  of  skim milk  powder  (SKP),  diluted  1:5,  1:10  and  1:20 with  PBS,  on 

colour development of the ENR1‐ELISA. Each value represents the mean of triplicates (n=3) 

with standard deviation (SD) of PBS, diluted SKP 1:5, 1:10 and 1:20 with PBS was 0.01, 0.04, 

0.01 and 0.04, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

 

Figure 4.22 Standard curves of ENR dissolved in skim milk powder (SKP), 1:5, 1:10 and 1:20 

with PBS. Each value represents the mean of triplicates (n=3) with a standard deviation (SD) 

of  PBS,  diluted  SKP  1:5,  1:10  and  1:20 with  PBS was  0.7,  1.6,  1.2  and  0.6,  respectively. 

Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

1 in 5

1 in 10

1 in 20

PBS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibtion

ENR (µg L‐1)

1 in 5

1 in 10

1 in 20

PBS

Page 129: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

104  

 

Figure 4.23 Effects of  full cream milk  liquid  (FCL), diluted 1:5, 1:10 and 1:20 with PBS on 

colour development of the ENR1‐ELISA. Each value represents the mean of triplicates (n=3) 

with a standard deviation  (SD) of PBS, diluted FCL 1:5, 1:10 and 1:20 with PBS was 0.01, 

0.04, 0.01 and 0.04, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

 

Figure 4.24  Standard  curves of ENR dissolved  in  full  cream milk  liquid  (FCL), diluted 1:5, 

1:10  and  1:20.  Each  value  represents  the  mean  of  triplicates  (n=3)  with  a  standard 

deviation  (SD) of PBS, diluted FCL 1:5, 1:10 and 1:20 with PBS was 0.8, 1.7, 1.2 and 0.6, 

respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05).  

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

1 in 5

1 in 10

1 in 20

PBS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

1 in 51 in 101 in 20PBS

Page 130: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

105  

 

Figure 4.25 Effects of full cream milk powder (FCP), diluted 1:5, 1:10 and 1:20 with PBS on 

colour development. Each value represents the mean of triplicates  (n=3) with a standard 

deviation (SD) of PBS, diluted FCP 1:5, 1:10 and 1:20 with PBS was 0.01, 0.04, 0.01 and 0.04, 

respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05).  

 

Figure 4.26 Standard curves of ENR dissolved in full cream milk powder (FCP), diluted 1:5, 

1:10 and 1:20 with PBS. Each value represents the mean of triplicates (n=3) with a standard 

deviation  (SD)  of  PBS,  diluted  FCP  1:5,  1:10  and  1:20 with  PBS was  1.1,  1.2,  0.9,  1.3, 

respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05).  

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

1 in 5

1 in 10

1 in 20

PBS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

1 in 51 in 101 in 20PBS

Page 131: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

106  

Table 4.7 Effects of milk matrix on colour development (Amax) and assay sensitivity (IC50). 

Dilution 

factor 

(in PBS) 

*SKL  SKP  FCL  FCP 

Amax 

± SD 

(n=3) 

IC50 

(µg L‐1)  

±SD (n=3) 

Amax 

± SD 

(n=3) 

IC50 

(µg L‐1) 

±SD 

(n=3) 

Amax 

± SD 

(n=3) 

IC50 

(µg L‐1) 

±SD 

(n=3) 

Amax 

± SD 

(n=3) 

IC50 

(µg L‐1) 

±SD 

(n=3) 

1:5 ^1.4± 

0.04 

^19.3± 

1.7 

^1.3± 

0.04  

^14.2± 

1.6 

^1.2± 

0.04  

^19.3± 

1.7 

^1.1± 

0.04 

^18.8± 

1.2 

%CV (1:5)  3.3  8.9  3.3  11.3  3.3  8.8  3.3  6.4 

1:10 ^1.5± 

0.01 

*12.6± 

1.2  

*1.4± 

0.01 

*12.4± 

1.2 

*1.4± 

0.01 

*13.9± 

1.2 

*1.4± 

0.01 

*12.9± 

0.9 

%CV(1:10)  0.7  8.4  0.7  9.5  0.7  8.3  *0.7  6.9 

1:20 *1.6± 

0.04 

*12.7± 

0.6 

*1.5± 

0.04 

*9.0± 

1.5 

*1.4± 

0.04 

*12.7± 

0.6 

*1.4± 

0.04 

*12.4± 

1.3 

%CV (1:20)  0.7  4.7  0.7  16.7  0.7  4.7  0.7  10.5 

PBS 1.6± 

0.01 

11.7± 

0.8 

1.5± 

0.01 

10.3± 

0.7 

1.4± 

0.01 

11.7± 

0.8 

1.5± 

0.01 

10.7± 

1.1 

%CV (PBS)  0.7  6.4  0.7  7.3  0.7  6.8  0.7  10.3 

*SKL=  skim milk  liquid;  SKP=  skim milk  powder;  FCL=  full  cream  liquid;  FCP=  full  cream 

powder. Each value represents the mean of triplicates (n=3) with standard deviation (SD). 

Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05).*no significant difference with PBS 

(control). ^significant difference with PBS (control). 

As shown  in Table 4.8, when dilution of milk  increased  from 1:5 to 1:20, the absorbance 

gradually  approached  that  of  PBS  buffer,  indicating  that  increasing  dilution  decreased 

matrix effects. The Amax values of skim milk and full cream milk at different dilutions did not 

superimpose, larger differences were seen at dilutions lower than 5‐folds. The 10‐ and 20‐

fold dilutions did not significantly change Amax.  It was apparent  from  the  IC50 values  that 

the milk matrix  inhibited  the  antibody‐antigen  interaction. More  analytically  acceptable 

results  were  obtained  when  the  sample  was  diluted  by  10‐folds  or  more  with  PBS. 

Furthermore, the 10 and 20‐fold dilutions did not considerably affect the assay sensitivity. 

Page 132: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

107  

While dilution  is a solution to matrix  interference,  it also reduces assay sensitivity by the 

same degree. To improve the sensitivity for diluted milk but still maintain low interference 

of antibody‐antigen interaction, pre‐treatment was increased to 30 min, then followed by 

centrifugation  for  10 min  before  diluting with  PBS.  The  results  suggest  that  a  ten‐fold 

dilution would provide acceptable results (Figure 4.27 to 4.30). 

 

Figure 4.27 Effects of skim milk liquid (SKL) and skim milk powder (SKP), diluted 1:10 with 

PBS,  on  colour  development  of  the  ENR1‐ELISA.Each  value  represents  the mean  of  five 

replicates (n=5) with a standard deviation (SD) value of PBS, diluted SKL and SKP 1:10 with 

PBS was 0.1, 0.2 and 0.2, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test  (α = 

0.05). 

 

 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

PBS

SKL

SKP

Page 133: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

108  

 

Figure 4.28 Standard curves of ENR  in skim milk  liquid  (SKL) and skim milk powder  (SKP), 

diluted  1:10 with  PBS.  Each  value  represents  the mean  of  five  replicates  (n=5) with  a 

standard deviation (SD) value of PBS, diluted SKL and SKP 1:10 with PBS was 1.2, 2.5 and 

2.8, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

 

Figure 4.29 Effect of full cream milk liquid (FCL) and full cream milk powder (FCP), diluted 

1:10 with PBS, on colour development. Each value represents the mean of five replicates 

(n=5) with a standard deviation (SD) of PBS, diluted SKL and SKP 1:10 with PBS was 0.1, 0.2 

and 0.1, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition 

ENR (µg L‐1)

PBS

SKL

SKP

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

PBS

FCL

FCP

Page 134: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

109  

 

Figure 4.30 Standard curves of ENR dissolved in full cream milk liquid (FCL) and full cream 

milk powder (FCP), diluted 1:10 with PBS. Each value represents the mean of five replicates 

(n=5) with a standard deviation (SD) of PBS, diluted SKL and SKP 1:10 with PBS was 1.6, 2.0 

and 2.0, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

Table 4.8 Matrix effects of pre‐treated milk, diluted 1:10 with PBS, on colour development 

(Amax) and assay sensitivity (IC50) 

Milk samples Skim milk ±  SD (n=5)  Full cream milk ±  SD (n=5) 

PBS  SKL  SKP  PBS  FCL  FCP 

Amax  1.6 ± 0.1  1.4 ± 0.2 1.4 ± 0.2 1.6 ± 0.1 1.5 ± 0.2  1.4 ± 0.1

%CV(Amax)  0.7  11.3 10.8 3.7 10.4  9.4

IC50 (µg L‐1)  10 ± 1.2  13 ± 2.5 14 ± 2.8 9 ± 1.6 12 ± 2.0  12 ± 2.0

%CV(IC50)  16.8  19.4 23.8 12.0 17.8  16.6

Each value represents the mean of five replicates (n=5) with standard deviation (SD).  

   

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% inhibition

ENR (µg L‐1)

PBS

FCL

FCP

Page 135: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

110  

4.3.5.2 Effect of matrix in chicken liver and shrimp samples 

FQ  antibiotics  are  only  soluble  in  certain  organic  solvents,  hydro‐organic  (a mixture  of 

organic  solvent  and  aqueous  acidic  or  basic  solution),  aqueous  acidic  or  basic  media. 

Therefore, adding organic solvent or basic aqueous solution or a mixture of those solvents 

to PBS would help to  increase the solubility of FQ residues and subsequent extractability 

during sample extraction.  

To reduce matrix  interference from chicken  liver and prawn, both extraction and dilution 

were employed. Briefly, chicken liver from a local butcher (Lv3) and local prawn (Pr1) were 

extracted with  a mixture  of  50mM  sodium  hydroxide, methanol,  PBS  (1:9:90)  and  the 

extracts were diluted in 1:20 with PBS. As shown in Table 4.10, a 20‐fold dilution increased 

the sensitivity by approximately two‐fold for both chicken liver and prawn samples. It can 

be seen from the IC50 values that the extracts of blank samples diluted in 1:20 with PBS still 

showed  interfering  and  inhibiting  effects  on  antibody‐antigen  binding.  Moreover,  the 

extracts  diluted  in  1:20 with  PBS  did  not  yield  curves  that  are  super  imposable  on  the 

curves of PBS and extraction solvents (50 mM NaOH, methanol, PBS = 1:9:90) (Figures 4.31 

to 4.34). Therefore, to  improve the sensitivity and maximise antibody‐antigen  interaction, 

the dilution factor was increased to 1:50 with PBS. 

   

Page 136: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

111  

Table 4.9 Effects of chicken  liver (Lv2) and prawn (Pr1) samples,  in a 20‐fold dilution with 

PBS on colour development (Amax) and assay sensitivity (IC50). 

Samples 

Absorbance maximum (Amax)  IC50 (µg L‐1) 

PBS ± 

SD (n=3) 

*Extraction solvent (control) 

± SD (n=3) 

Extracted samples 

± SD (n=3) 

PBS ± 

SD (n=3) 

*Extraction solvent (control) 

± SD (n=3) 

Extracted samples 

± SD (n=3) 

Liver 

(Coles, Lv2) 1.5 ± 0.03  *1.5 ± 0.04  ^1.8 ± 0.03  13.8 ± 0.8  *12.8 ± 0.9  ^22.8 ± 0.6 

%CV (Lv2)  1.4 2.6  1.7 5.7 7.1  2.6

Prawn 

(raw, local, 

Pr1) 

1.9± 0.02  *1.8 ± 0.01  ^2.2 ± 0.01  10.9 ± 0.7  *12.2 ± 3.1  ^27.1 ± 1.8 

%CV (Pr1)  1.0 0.3  0.6 6.6 25.2  6.8

*Extraction solvent is 50 mM NaOH:MeOH:PBS=1:9:90.Each value represents the mean of 

triplicates  (n=3)  with  a  standard  deviation  (SD).*no  significant  difference  with  PBS. 

^significant difference with extraction solvent (control) 

   

Page 137: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

112  

 

Figure  4.31  Effects  of  chicken  liver  (Coles,  Lv2),  diluted  1:20  with  PBS,  on  colour 

development.  Each  value  represents  the  mean  of  triplicates  (n=3)  with  a  standard 

deviation (SD) value of PBS, extraction solvent and extracted liver was 0.03, 0.04 and 0.03, 

respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

 

Figure 4.32 Standard curves of ENR dissolved in chicken liver extract (Coles, Lv2).Each value 

represents  the mean  of  triplicates  (n=3)  with  a  standard  deviation  (SD)  value  of  PBS, 

extraction solvent and extracted liver was 0.8, 0.9 and 0.6, respectively. Statistical analysis 

was calculated using t‐test (α = 0.05). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.1 1 10 100

Absorban

ce

ENR (µg L‐1)

extracted liver (Lv1)

Extraction solvent

PBS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

extracted liver (Lv1)

Extraction solvent

PBS

Page 138: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

113  

 

Figure  4.33  Effects  of  local  prawn  extract  (Pr1)  on  colour  development.  Each  value 

represents  the mean  of  triplicates  (n=3)  with  a  standard  deviation  (SD)  value  of  PBS, 

extraction  solvent  and  extracted  liver  was  0.02,  0.01  and  0.01,  respectively.  Statistical 

analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

 

Figure 4.34 Standard curves of ENR dissolved  in  the  local prawn extract  (Pr1).Each value 

represents  the mean  of  triplicates  (n=3)  with  a  standard  deviation  (SD)  value  of  PBS, 

extraction solvent and extracted liver was 0.7, 3.1 and 1.8, respectively. Statistical analysis 

was calculated using t‐test (α = 0.05). 

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce 

ENR (µg L‐1)

Extraction solvent

Extracted prawn (Pr1)

PBS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

Extraction solvent

Extracted prawn (Pr1)

PBS

Page 139: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

114  

Table 4.10 Effects of chicken  liver and prawn extracts, on colour development  (Amax) and 

assay sensitivity (IC50). 

Samples 

Amax ±  S.D. (n=5)  IC50 (µg L‐1)  ±  S.D. (n=5) 

PBS Extraction solvent 

Extracted samples 

PBS Extraction solvent 

Extracted samples 

Liver 

(Organic, Lv1) 1.2 ± 0.2  1.2 ± 0.1  *1.2 ± 0.1  9 ± 2.2  11 ± 0.8  *11 ± 0.8 

%CV (Lv1)  13.8  8.7  7.9  23.6  7.7  7.5 

Liver 

(Coles, Lv2) 1.2 ± 0.2  1.4 ± 0.2  *1.3 ± 0.2  11 ± 2.6  13 ± 2.9  *13 ± 2.0 

%CV (Lv2)  17.9  11.8  12.7  24.6  21.5  15.4 

Liver 

(Butcher, Lv3) 1.2 ± 0.2  1.4 ± 0.2  *1.4 ± 0.2  13 ± 5.4  14 ± 4.7  *15 ± 3.5 

%CV (Lv3)  16.6  12.0  11.8  42.2  31.5  24.7 

Prawn 

(raw, local, Pr1) 1.9 ± 0.2  1.8 ± 0.2  *1.8 ± 0.2  12 ± 6.3  14 ± 2.7  *15 ± 3.6 

%CV (Pr1)  12.7  9.3  9.0  53.4  18.8  23.9 

Prawn 

(cooked, imported‐

Thailand, Pr2) 

1.5 ± 0.1  1.5 ± 0.1  *1.5 ± 0.1  9 ± 2.2  14 ± 1.6  *15 ± 2.5 

%CV (Pr2)  2.5  0.6  1.8  23.6  13.8  14.8 

Prawn 

(peeled off, imported‐

Malaysia, Pr3) 

1.5 ± 0.1  1.5 ± 0.1  *1.5 ± 0.1  12 ± 4.4  14 ± 1.3  *16 ± 2.3 

%CV (Pr3)  2.4  0.6  1.1  37.6  9.2  14.0 

Extracts were  prepared  by  diluting  1:50 with  PBS.  Each  value  represents  the mean  of 

triplicates (n=3) with a standard deviation (SD). Statistical analysis was calculated using t‐

test (α = 0.05). *no significant difference with PBS and control. 

Page 140: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

115  

As shown in Table 4.11, an improved sample extraction by increasing the dilution factor to 

50‐fold showed apparent removal of matrix effects  in all solid samples  (chicken  liver and 

prawn),  resulting  in a better assay sensitivity of about 13 µg L‐1.   The  IC50 values of 1:50 

dilution decreased by approximately two‐fold compared to that obtained in 1:20 dilution. A 

50‐fold dilution yielded  the  IC50 values between 11 ± 0.8 µg L‐1 and 13 ± 5.4 µg L‐1in  the 

extraction solvents and 11 ± 0.8 µg L‐1 and 16 ± 2.3 µg L‐1 in liver and prawn sample extracts, 

respectively. Also, there was no significant difference in the IC50 values obtained from the 

extraction solvent and food sample extracts compared to that of PBS buffer (matrix free).  

Evidently, a 50‐fold dilution was adequate  to remove  interferences  from  liver and prawn 

matrices.   Therefore, a mixture of 50mM sodium hydroxide, methanol, PBS  (1:9:90) as a 

solvent extraction followed by a 50‐fold dilution with PBS were then adopted  in the spike 

and recovery studies (Figures 4.35 to 4.46). 

   

Page 141: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

116  

 

Figure  4.35  Effects  of  organic  chicken  liver  (Lv1),  diluted  1:50  with  PBS,  on  colour 

development.  Each  value  represents  the mean  of  five  replicates  (n=5) with  a  standard 

deviation  (SD) value of PBS, extraction  solvent, and extracted organic  chicken  liver  (Lv1) 

was 0.2, 0.1 and 0.2, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05) 

 

Figure  4.36  Standard  curves  of  ENR  dissolved  inorganic  chicken  liver  extract  (Lv1).Each 

value represents the mean of replicates (n=5) with a standard deviation (SD) value of PBS, 

extraction  solvent,  and  extracted  organic  chicken  liver  (Lv1)  was  2.2,  0.8  and  0.8, 

respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05) 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0.1 1 10 100 1000

Ab

sorb

ance

(45

0 n

m)

ENR (µg L-1)

Extraction solvent

Extracted liver (Lv1)

PBS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

Extraction solvent

Extracted liver (Lv1)

PBS

Page 142: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

117  

 

Figure  4.37  Effects  of  chicken  liver  extract  (Lv2),  diluted  1:50  with  PBS,  on  colour 

development.  Each  value  represents  the mean  of  five  replicates  (n=5) with  a  standard 

deviation (SD) of PBS, extraction solvent, and extracted chicken liver (Lv2) was 0.2, 0.2 and 

0.2, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05) 

 

Figure  4.38  Standard  curves of  ENR dissolved  in  chicken  liver  extract  (Lv2), diluted  1:50 

with PBS. Each value represents the mean of five replicates (n=5) with a standard deviation 

(SD)  of  PBS,  extraction  solvent,  and  extracted  chicken  liver  (Lv2) was  2.6,  2.9  and  2.0, 

respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

Extraction solvent

Extracted liver (Lv2)

PBS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

Extraction solvent

Extracted liver (Lv2)

PBS

Page 143: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

118  

 

Figure  4.39  Effects  of  chicken  liver  extract  (Lv3),  diluted  1:50  with  PBS,  on  colour 

development.  Each  value  represents  the mean  of  five  replicates  (n=5) with  a  standard 

deviation (SD) of PBS, extraction solvent, and extracted chicken liver (Lv2) was 0.2, 0.2 and 

0.2, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05) 

 

Figure  4.40  Standard  curves  of  ENR  dissolved  in  a  chicken  liver  extract  (Lv3).Each  value 

represents  the  mean  of  five  replicates  (n=5)  with  a  standard  deviation  (SD)  of  PBS, 

extraction  solvent,  and  extracted  chicken  liver  (Lv3) was  5.4,  4.7  and  3.5,  respectively. 

Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05) 

 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

Extraction solvent

Extracted liver (Lv3)

PBS

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

Extraction solvent

Extracted liver (Lv3)

PBS

Page 144: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

119  

 

Figure  4.41  Effects  of  local  prawn  extract  (Pr1),  diluted  1:50  with  PBS,  on  colour 

development.  Each  value  represents  the mean  of  five  replicates  (n=5) with  a  standard 

deviation (SD) of PBS, extraction solvent, and extracted prawn (Pr1) was 0.2, 0.2 and 0.2, 

respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

 

Figure 4.42 Standard curves of ENR  in  local prawn extract (Pr1).Each value represents the 

mean of five replicates (n=5) with a standard deviation (SD) of PBS, extraction solvent, and 

extracted  local  prawn  (Pr1)  was  6.3,  2.7  and  3.6,  respectively.  Statistical  analysis  was 

calculated using t‐test (α = 0.05). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

PBS

Extraction Solvent

Extracted prawn (Pr1)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

PBS

Extraction Solvent

Extracted prawn (Pr1)

Page 145: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

 

Figur

colou

stand

0.1 a

Figur

supe

devia

respe

re 4.43 Effe

ur  develop

dard deviat

and 0.1 resp

re 4.44  Sta

ermarket (P

ation  (SD)P

ectively. Sta

cts of praw

ment.  Each

tion  (SD) PB

pectively. St

ndard  curv

r2).Each va

PBS,  extract

atistical ana

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1

Absorban

ce (450 nm)

n from Cole

h  value  rep

BS, extractio

tatistical ana

es of ENR 

lue represe

tion  solvent

alysis was ca

1

120

es superma

presents  th

on solvent,

alysis was c

in an extra

ents the me

t,  and  extr

alculated us

10ENR (µg

rket (Pr2), e

he  mean  o

, and extrac

calculated u

act  from  th

ean of five r

racted  praw

sing t‐test (α

100g L‐1)

PBS

Extraction

Extracted 

extract dilut

of  five  repl

cted  local p

sing t‐test (

e prawn pu

replicates (n

wn  (Pr2) w

α = 0.05). 

1000

n Solvent

prawn (Pr2)

 

ted 1:50 wi

licates  (n=5

prawn  (Pr2)

(α = 0.05). 

 

urchased  fr

n=5) with a

as  2.2,  1.6

th PBS on 

5)  with  a 

) was 0.1, 

rom Coles 

 standard 

  and  2.5, 

Page 146: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

121  

 

Figure  4.45  Effects  of  extract  from  the  prawn  purchased  from  a  local  butcher  (Pr3)  on 

colour  development.  Each  value  represents  the  mean  of  five  replicates  (n=5)  with  a 

standard deviation (SD) PBS, extraction solvent, and extracted prawn (Pr3) was 0.1, 0.1 and 

0.1, respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

 

Figure 4.46 Standard curves of ENR  in an extract  from the prawn purchased  from a  local 

butcher  (Pr3).  Each  value  represents  the mean  of  five  replicates  (n=5) with  a  standard 

deviation  (SD)  PBS,  extraction  solvent,  and  extracted  prawn  (Pr3) was  4.4,  1.3  and  2.3, 

respectively. Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05). 

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0.1 1 10 100 1000

Absorban

ce (450 nm)

ENR (µg L‐1)

PBS

Extraction Solvent

Extracted prawn (Pr3)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

% In

hibition

ENR (µg L‐1)

PBS

Extraction Solvent

Extracted prawn (Pr3)

Page 147: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

122  

4.3.6 Recovery studies 

The MRLs  for  FQ  residues  in  food  are  in  the  range  of  50  to  1000  µg  kg‐1  (Hernandez‐

Arteseros et al., 2002). For ENR and  its metabolites  in particular,  the MRLs are between 

100  and  300  µg  kg‐1in  edible  animal  tissues,  muscle,  seafood,  and  milk  (Hernandez‐

Arteseros et al., 2002). Three food samples (milk, chicken liver and prawn) were chosen to 

evaluate anayte recovery by the ELISA. ENR was spiked in PBS buffer or extraction solvent 

and  in milk samples  (skim and  full cream milk) each at  four concentrations  (50, 100, 200 

and 500 µg L‐1).Chicken  liver and prawn samples were spiked at 250, 500, 1000 and 2500 

µg L‐1 (Table 4.1). Spiking ENR  in the tested samples were based on their respective MRL 

ideally covering a range that was ten times  lower and higher than the MRL values(10 and 

3000 µg kg‐1). The  final concentrations of ENR  in  samples after  the dilution  (a 10‐fold  in 

milk and a 50‐fold  in  chicken  liver and prawn  samples) were5, 10, 20 and 50 µg  L‐1.The 

spiked  samples  were  analysed  by  ENR1‐ELISA  using  AbENR1‐KLH  and  ENR1‐OA 

combination. 

 

   

Page 148: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

123  

Table 4.11 %Recoveries ENR spiked in milk as detected by ELISA. 

Samples (liquid) 

Spiked concentration

(µg L‐1) 

Detected concentration (µg L‐1)  ±  SD (n=3) 

Recovery (%) ± SD (n=3) 

in PBS in diluted samples 

in PBS in diluted samples 

Skim milk (liquid) (SKL) 

50 

100 

200 

500 

54.4 ± 4.2

122.9 ± 8.2 

201.8 ± 8.8 

445.1 ± 30.6 

59.7 ± 4.2

125.1 ± 8.3 

204.5 ± 8.8 

462.7 ± 33.9 

109 ± 8 

123 ± 8 

101 ± 4 

89 ± 6 

119 ± 8

125 ± 8 

102 ± 4 

93 ± 7 

Skim milk powder 

(SKP) 

50 

100 

200 

500 

55.9 ± 3.5

130.4 ± 7.3 

225.6 ± 9.4 

439.6 ± 26.7 

52.9 ± 2.9

124.0 ± 7.2 

219.0 ± 9.5 

494.8 ± 41.2 

112 ± 7 

130 ± 7 

113 ± 5 

88 ± 5 

106 ± 6

124 ± 7 

110 ± 5 

99 ± 8 

Full cream milk (liquid) 

(FCL) 

50 

100 

200 

500 

32.7 ± 2.0

79.8 ± 10.2 

143.0 ± 8.0 

541.2 ± 26.0 

34.0 ± 1.8

71.4 ± 7.6 

137.7 ± 8.6 

559.6 ± 25.4 

65 ± 4 

80 ± 10 

72 ± 4 

108 ± 5 

68 ± 4

71 ± 8 

69 ± 4 

112 ± 5 

Full cream milk(powder) 

(FCP) 

50 

100 

200 

500 

39.7 ± 4.3

71.0 ± 5.2 

140.4 ± 3.6 

594.9 ± 20.5 

35.3 ± 3.6

60.7 ± 4.2 

130.8 ± 3.4 

577.4 ± 20.5 

79 ± 9 

71 ± 11 

70 ± 5 

119 ± 8 

71 ± 7

61 ± 9 

65 ± 4 

116 ± 8 

Each  value  represents  the  mean  of  triplicates  (n=3)  with  a  standard  deviation  (SD). 

Statistical analysis was calculated using t‐test (α = 0.05) 

As can been seen on Table 4.12, the % recovery by the ELISA ranged between 89 (± 6) and 

119 (± 8)% for skim milk liquid, 65 (±  4)% and 130 (± 7)% for skim milk powder, 69 (± 4)% 

and 112 (± 5)% for full cream milk, 61 (±   9)% and 116 (± 8)% for full cream  liquid. While 

the %  recovery  of  ENR  by  the  ENR1‐ELISA was  acceptable,  generally, milk with  low  fat 

contents  will  relatively  higher  recovery.  For  the  later  samples,  the  recovery  rate  was 

dependent of concentration. That is, lower recovery was observed at lower concentrations 

Page 149: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

124  

of ENR. Overall, good recoveries of ENR in milk samples were obtained.  It can therefore be 

concluded  that  the  optimised  sample  preparation  procedure with  increasing  preheating 

time and centrifuging the sample to remove large particulates prior to further diluting with 

PBS minimised significant matrix interference from milk. 

Table 4.12% Recoveries of ENR spiked in chicken liver as detected by ELISA. 

Solid samples (chicken liver) 

Spiked  conc. (µg L‐1) 

Detected concentration (µg L‐1)  ±  SD (n=3) 

Recovery (%)   ±  SD (n=3) 

ENR spiked in extraction solvent 

ENR spiked in extracted sample 

ENR  spiked in extraction solvent 

ENR spiked in extracted sample 

Chicken liver 

(Organic,  

Lv1) 

250 

500 

1000 

2500 

147.7 ± 14.5

431.8 ± 40.0 

683.8 ± 49.4 

1553.2 ± 109.9 

155.0 ± 15.1

541.9 ± 48.9 

764.0 ± 54.4 

1759.0 ± 128.9 

59 ± 6 

86 ± 8 

68 ± 5 

62 ± 4 

62 ± 6

108 ± 10 

76 ± 5 

70 ± 5 

Chicken liver 

(Coles,  

Lv2) 

250 

500 

1000 

2500 

290 ± 23.1

678.8 ± 28.1 

760.6 ± 44.1 

1736.3 ± 134.2 

257.5 ± 18.4

571.6 ± 28.6 

690.7 ± 42.6 

1599.2 ± 119.1 

116 ± 9 

136 ± 6 

76 ± 4 

70 ± 5 

103 ± 7

114 ± 6 

69 ± 4 

64 ± 5 

Chicken liver 

(Butcher,  

Lv3) 

250 

500 

1000 

2500 

288.2 ± 14.6

370.3 ± 27.6 

1173.6 ± 107.8 

1847.5 ± 154.3 

216.4 ± 17.9

321.9 ± 36.3 

1057.8 ± 77.1 

1521.0 ± 245.4 

115 ± 9 

74 ± 9 

117 ± 9 

74 ± 6 

87 ± 10

64 ± 12 

106 ± 7 

61 ± 5 

Each value represents the mean of triplicates (n=3) with standard deviation (SD). Statistical 

analysis was calculated using t‐test (α = 0.05) 

 

 

 

 

Page 150: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

125  

Table 4.13% Recoveries of ENR spiked in prawn as detected by ELISA 

Solid 

samples 

(prawn) 

Spiked  

conc. 

(µg L‐1) 

Detected concentration 

(µg L‐1)  ±  SD (n=3) 

Recovery (%) 

±  SD (n=3) 

ENR spiked in 

extraction 

solvent 

ENR spiked in 

extracted 

sample 

ENR spiked 

in extraction 

solvent 

ENR spiked 

in extracted 

sample 

 

Prawn 

(raw, local, 

Pr1) 

250 

500 

1000 

2500 

151.4 ± 9.6 

300.3 ± 23.6 

1069.1 ± 91.9 

1963.5 ± 136.6 

238.0 ± 12.8 

428.7 ± 27.5 

1200.1 ± 83.7 

2116.7 ± 140.3 

61 ± 4 

60 ± 5 

107 ± 9 

79 ± 5 

95 ± 5 

86 ± 6 

120 ± 8 

85 ± 6 

Prawn 

(cooked, 

imported‐

Thailand, 

Pr2) 

250 

500 

1000 

2500 

179.2 ± 4.6 

421.9 ± 26.3 

742.5 ± 68.1 

1738.5 ± 57.7 

168.0 ± 4.0 

355 ± 19.7 

637.9 ± 67.4 

1647.1 ± 51.3 

72 ± 2 

84 ± 5 

74 ± 7 

70 ± 2 

67 ± 2 

72 ± 4 

64 ± 7 

66 ± 2 

Prawn 

(peeled off, 

imported‐

Malaysia, 

Pr3) 

250 

500 

1000 

2500 

166.7 ± 15.4 

330.8 ± 12.9 

643.7 ± 30.1 

1693.5 ± 158.0 

185.1 ± 20.2 

416.9 ± 19.4 

812.2 ± 33.9 

2106.3 ± 189.9 

67 ± 6 

66 ± 3 

64 ± 3 

68 ± 6 

74 ± 8 

83 ± 4 

81 ± 3 

84 ± 8 

Each value represents the mean of triplicates (n=3) with standard deviation (SD). Statistical 

analysis was calculated using t‐test (α = 0.05) 

As shown on Table 4.13, the % recovery ranged  from 59  (± 6) to 108  (± 10)%  for organic 

chicken liver, 64 (± 5) to 136 (± 6)% for regular chicken liver from Coles supermarket, 61 (± 

5) to117 (± 9)% for the regular chicken liver from a local butcher shop, 60 (± 5) to 120 (± 8)% 

for the local prawn, 66 (± 2) to 84 (± 5)% for the imported prawn (Thailand), 64 (± 3) to 84 

(± 8)% for the  imported prawn (Malaysia). In general, the % recovery of prawn was  lower 

than  those  of milk. Differences were  observed  in %  recovery  between  raw  and  cooked 

prawn, suggesting ENR may be more tightly absorbed to the denatured prawn protein than 

the unprocessed protein. Overall,  the  recoveries obtained  from  chicken  liver  and prawn 

Page 151: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

126  

samples, although slightly  lower than the generally accepted range of 80‐120% for ELISA, 

were acceptable considering extraction of  (incurred) ENR  residue  from prawn have been 

known  to be challenging,  resulting  in < 80%  recovery even  for  the  instration  techniques. 

Further refinement of the sample preparation and improvement of recovery rate would be 

desirable.  

4.3.7 Linear regression of spiking and recoveries 

A  linear  regression  of  spike  and  recovery  data  of  ENR  spiked  in  PBS  buffer  and  diluted 

samples (for milks), and in extraction solvent and extracted samples (for chicken liver and 

prawn) was evaluated, (Figure 4.47 to 4.50). The linearity or coefficient of correlation (R2) 

values obtained  in  liquid samples  (milks) were 0.985 ± 0.01, %CV = 0.8%  (in PBS buffer), 

and 0.988 ± 0.01, %CV = 1.1% (in diluted samples), and in solid samples (chicken liver and 

prawn) were 0.973 ± 0.03, %CV = 3.0% (in extraction solvent) and 0.968 ± 0.04, %CV = 4.6% 

(in extracted samples). 

 

Figure 4.47 Correlation between  the  levels of ENR  spiking  in  skim milk  liquid  (SKL),  skim 

milk powder (SKP), full cream milk liquid (SKL), full cream milk powder (SKP) and estimates 

by the ENR1‐ELISA. Average values (µg L‐1) of spiking and spiking level (µg L‐1) from in PBS 

buffer. 

 

0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400 500

Spiked (µg L‐1)

ENR‐ELISA (µg L‐1)

SKL (y = 0.843x + 26.75; R2 = 0.995)

SKP (y = 0.820x + 38.72; R2 = 0.984)

FCL (y = 1.143x ‐ 43.78; R2 = 0.985)

FCP (y = 1.270x ‐ 58.45; R2 = 0.976)

Page 152: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

127  

 

Figure 4.48 Correlation between  the  levels of ENR  spiking  in  skim milk  liquid  (SKL),  skim 

milk powder (SKP), full cream milk liquid (SKL), full cream milk powder (SKP) and estimates 

by  the  ENR1‐ELISA.  Average  values  (µg  L‐1)  of  spiking  and  spiking  level  (µg  L‐1)  from  in 

diluted samples. 

 

Figure 4.49 Correlation between  the  levels of  ENR  spiking  in organic  chicken  liver  (Lv1), 

chicken  liver  form  Coles  (Lv2),  chicken  liver  from  butcher  (Lv3),  local  prawn  (Pr1),  Thai 

prawn (Pr2) and Malaysian prawn (Pr3) and estimates by the ENR1‐ELISA. Average values 

(µg L‐1) of spiking and spiking level (µg L‐1) from in extraction solvent. 

0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400 500

Spiked (µg L‐1)

ENR‐ELISA (µg L‐1)

SKL (y = 0.875x + 27.14; R2 = 0.997)

SKP (y = 0.9600x + 18.72; R2 = 0.996)

FCL (y = 1.143x ‐ 53.4; R2 = 0.981)

FCP (y = 1.244x ‐ 63.50; R2 = 0.976)

150

650

1150

1650

2150

2650

150 650 1150 1650 2150 2650

Spiked (µg L‐1)

ENR‐1 ELISA (µg L‐1)

Lv1 (y=0.809+10.89; R2=0.959)

Lv2 (y=0.680x+47.28; R2=0.998)

Lv3 (y=0.687x‐28.76; R2=0.999)

Pr1 (y=0.600x+62.28; R2=0.991)

Pr2 (y=0.600x+228.6; R2=0.968)

Pr3 (y=0.703x+174.2; R2=0.924)

Page 153: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

128  

Figure 4.50 Correlation between  the  levels of  ENR  spiking  in organic  chicken  liver  (Lv1), 

chicken  liver  form  Coles  (Lv2),  chicken  liver  from  butcher  (Lv3),  local  prawn  (Pr1),  Thai 

prawn (Pr2) and Malaysian prawn (Pr3) and estimates by the ENR1‐ELISA. Average values 

(µg L‐1) of spiking and spiking level (µg L‐1) from in extracted samples. 

4.4 Conclusion   

This  chapter  presented  the  development  of  an  indirect  competitive  ELISA method  for 

quantification  of  ENR  in  milk,  chicken  liver  and  prawn.  The  ENR  specific  polyclonal 

antibodies were  raised  against  the  conjugates  of  the  ENR  hapten,  to  KLH,  as  a  carrier 

protein,  using  the  carbodiimide‐NHS  mediated  coupling  reaction.  The  ENR‐1  ELISA 

exhibited an IC50 value of 11.8 µg L‐1, a LOD of 2.4µg L‐1 and a LOQ of 8.0 µg L‐1, evidently 

exhibiting high sensitivity of the assay. 

The  homologous  system  generated  higher  sensitivity  compared  to  the  heterologous 

systems in this study. The hapten homologous and linkage heterologous (i.e., using ENR2‐

OA  as  a  competing  antigen)  system  exhibited  poorer  sensitivity  and  displayed  very  low 

colour  development.  The  Ab‐ENR1 was  highly  specific  for  ENR  and  no  apparent  cross‐

reactivity  that  is more  than 0.1% was detected despite  their close structural similarity  to 

ENR. 

150

650

1150

1650

2150

150 650 1150 1650 2150 2650

Spiked (µg L‐1)

ENR‐ELISA (µg L‐1)

Lv1 (y = 0.674x + 89.26; R2 = 0.983)

Lv2 (y = 0.562x + 186.4 ; R2 = 0.982)

Lv3 (y = 0.579x + 163.5; R2 = 0.882)

Pr1 (y = 0.829x + 114.5; R2 = 0.960)

Pr2 (y = 0.652x + 9.641; R2 = 0.999)

Pr3 (y = 0.850x ‐ 24.97; R2 = 0.999)

Page 154: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

129  

The effects of surfactants (Tween 20), organic solvent (methanol, ethanol, acetonitrile and 

acetone)  and  pH  conditions  (5.5‐9.5)  were  evaluated  to  optimize  assay  performance. 

Tween 20 affected colour development, but  it did not affect  the assay sensitivity. Of  the 

tested solvents, only methanol gave no or very low interference on the assay performance. 

Up to 10% methanol could be used without significantly affecting the assay sensitivity. No 

significant changes in the IC50 values were observed for pH between 6.5 and 8.5, however, 

a slight difference  in colour development was found  in those pH values. Hence, PBS with 

pH 7.4 was employed for the ENR1‐ELISA.      

The matrix  interference of  the developed ENR ELISA were studied by  running calibration 

curves prepared in three different samples matrices, namely milk, chicken liver and prawn. 

Using  the optimized pre‐treatment of milk  followed by a 10‐fold dilution,  the  IC50 values 

and  colour  development were  similar  to  that  of matrix  free  solution.  The  extraction  of 

chicken liver and prawn samples were optimized by using a mixture of extraction solvents 

(50mMNaOH 0.5%, MeOH, PBS; 1:9:90) with a 50‐fold dilution in PBS. Recovery values for 

milk, chicken  liver and prawn were between 59 (± 6) and 136 (± 6)%. Therefore,  it can be 

concluded  that  the  newly  developed  assay  is  suitable  for  the  analysis  of  ENR  in milk, 

chicken liver and prawn samples. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 155: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

130  

CHAPTER 5. CONCLUSIONS and RECOMMENDATIONS 

5.1 Conclusions 

Fluoroquinolones  (FQs)  are  one  of  the  synthetic  antibacterial  groups  administered  as 

medicine  to  treat  and prevent  various  infectious diseases  for both humans  and  animals 

(Brown,  1996). Due  to  increasing  concerns  of  FQ  residues  entering  the  food  chain  and 

contributing to bacterial resistance that might affect human health, regulatory authorities 

in many countries set up the maximum residue limits (MRLs) for FQs. The MRLs of FQs are 

set  in  the  range between 30 and 1500 µg kg‐1 according  to different  food  resources  (i.e. 

animal edible tissue, meat, fish and milk) and authorities (i.e. U.S. FDA, FAO/WHO/JECFA, 

EU, Canada, China and Japan) ( Lu et al., 2006, Zhao et al., 2007,Huang et al., 2010,).  

Indonesia has had adopted and followed the MRLs for FQs and their metabolites at a range 

from 100‐300 µg kg‐1 in any type of animal origin foods that have been set up by FAO/WHO 

(JECFA)  (Hernandez‐Arteseros  et  al.,  2002).  FQ  antibiotics  are  recently  becoming more 

frequently used  in  livestock and aquaculture farms  in  Indonesia. According to the sample 

entry data of pharmaceutical products from the National Veterinary Drug Assay Laboratory, 

the  Ministry  of  Agriculture,  Gunungsindur‐Bogor,  West  Java  Province,  Indonesia,  FQs 

totalled 30% of pharmaceutical products used between 2004 and 2007. ENR has the largest 

number of brand names amongst  single active  ingredient products, and about 54 brand 

names of ENR being distributed  in the Indonesian market. It  is  important for Indonesia to 

evaluate the adequacy of MRLs for FQs that were adopted from FAO/WHO (JECFA). 

Chemical  instrumental  methods,  such  as  HPLC  and  LC‐MS  have  been  widely  used  for 

screening  of  FQ  residues  because  of  their  accuracy  and  sensitivity.  However,  these 

methods  are  time  consuming,  expensive,  and  they  require  highly  trained  staff.  An 

immunochemical assay is an alternative method that is fast and can be just as sensitive as 

those  instrumental  methods,  for  routine  screening  as  well  as  quantifying  of  FQs.  As 

immunochemical  assay  provides  low  operating  costs,  this  would  be  beneficial  for 

laboratories  which  could  not  afford  such  expensive  instrumentations,  particularly  in 

developing countries, such as Indonesia, for routine screening or even quantification of FQ 

residues in animal and marine derived products,. Moreover, increasing routine monitoring 

Page 156: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

131  

of FQs residues of food products in Indonesia will ensure safer and healthier food and help 

to increase its trade capacity.  

This  research  project,  therefore,  aims  to  improve  the  sensitivity  and  specificity  of 

antibodies  for  the detection FQ  residues  in marine and animal‐derived products  through 

novel  hapten  design  and  synthesis. A  series  of  novel  ENR,  ciprofloxacin  and  norfloxacin 

hapten syntheses haptens were carried out. The haptens were designed and synthesised 

based on  the attachment of  linkers on carboxylic or piperazinyl groups. The ENR hapten 

was  synthesised  by  attaching  a  tert‐butyl  linker  on  the  carboxylic  group  of  ENR.  The 

piperazinyl group of ciprofloxacin and norfloxacin were attached with the linker containing 

a4‐bromobutane NHS ester and a bromocrotyl NHS ester, respectively.  

On  the  immunochemical method development, polyclonal antibodies  raised against ENR 

hapten‐KLH  immunogen  showed  specific  recognition  to  ENR  without  significant  cross‐

reactivity  to  seven  FQs  structurally  related  compounds  (danofloxacin,  enofloxacin, 

sarafloxacin, perfloxacin, nalidixic acid,  ciprofloxacin and norfloxacin). The ELISAs had an 

IC50 value of 11.7 µg L‐1 ± 1.7 and the limit of detection (LOD) value of 2.4 µg L‐1 ± 0.4. 

The effects of surfactants (Tween 20), organic solvent (methanol, ethanol, acetonitrile and 

acetone)  and  pH  conditions  (5.5‐9.5)  were  evaluated  to  optimize  assay  performance. 

Tween  20  affected  considerably  on  colour  development,  but  it  did  not  affect  the  assay 

sensitivity. Up to 10% of methanol can be used without significantly affected with the assay 

sensitivity.  No  significant  changes  in  the  IC50  values  were  observed  for  pH  6.5  to  8.5, 

although a slightly different in colour development was found in pH below and above 7.4. 

The sample preparation techniques were also optimized for milk, chicken liver and prawn, 

yielding recoveries between 59 ± 6 and 136 ± 6%. ENR is known to bind to protein and it is 

speculated  that  recovery  rate being affected probably due  to binding of ENR  residues  to 

matrix proteins. This suggests further refinement of the sample preparation to improve the 

recovery of ENR residues from chicken liver and prawn samples. 

As  shown  in  this  thesis,  the  assay  was  able  to  generate  highly  specific  assay  for  the 

detection of a single FQ compound. This ELISA can be used for the routine screening and 

quantitative analyses for ENR residues in animal and marine derived products. 

Page 157: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

132  

5.2. Recommendations 

Further validation of this assay with conventional  instrumentation methods such as HPLC 

or LC‐MS is needed as a future work. While immunoassays as demonstrated in this thesis is 

simple,  fast  and  sensitive,  development  of  label‐free  immunosensors  using  the  existing 

antibodies  for  detection  of  FQ  residues  in  foods  would  provide  further  benefits  of 

immunodiagnostics technology. 

Regards  to  Indonesia,  the  extend  of  FQ  residues  in  animal  and  seafood  samples  is  not 

known and surveys of FQ residues  in such samples  from  traditional markets are urgently 

needed for adequately assess the potential risks pose on human health. The outcomes of 

such studies may urge Indonesian regulatory agents to re‐enforce their regulations in order 

to project the general public. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 158: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

133  

REFERENCES 

Anadon, A., Martinez‐Larranaga, M. R., Diaz, M. J., Bringas, P., Martinez, M. A., Fernandez‐Cruz, M. L., Fernandez, M. C. & Fernandez, R. 1995. Pharmacokinetics and Residues Of ENR In Chickens. American Journal of Veterinary Research, 56, 501‐506. 

Angulo, F. J., Johnson, K. R., Tauxe, R. V. & Cohen, M. L. 2000. Origins And Consequences Of Antimicrobial‐Resistant  Nontyphoidal  Salmonella:  Implications  for  the  Use  of Fluoroquinolones in Food Animals. Microbial Drug Resistance, 6, 77‐83. 

Ball,  P.  2000.  Quinolone  Generations:  Natural  History  Or  Natural  Selection?  Journal  of Antimicrobial Chemotherapy, 46, 17‐24. 

Beier, R. C., Stanker, L. H. & 1996, I. F. R. A., American Chemical Society, Washington DC., USA. 1996. Immunoassays for Residue Analysis,. American Chemical Society. 

Beneš,  J. 2005. Review and Categorization Of Quinolone Antibiotics. Přehled A Rozdělení Chinolonových Antibiotik, 11, 4‐14. 

Bertino, J. & Fish, D. 2000. The Safety Profile of The Fluoroquinolones. Clinical Therapeutics, 22, 798‐817. 

Blondeau,  J.  M.  2004.  Fluoroquinolones:  Mechanis  of  Action,  Classification,  and Development of Resistance. Survey of Ophthalmology, 49, 73‐78. 

Bogialli, S., D'ascenzo, G., Corcia, A. D., Lagana, A. & Nicolardi, S. 2008. A Simple and Rapid Assay  Based  on Hot Water  Extraction  and  Liquid  Chromatography‐Tandem Mass Spectrometry for Monitoring Quinolone Residue in Bovine Milk. Food Chemistry 180, 354‐360. 

Brás  Gomes,  F.  B.  M.,  Riedstra,  S.  &  Ferreira,  J.  P.  M.  2010.  Development  Of  an Immunoassay  for  Ciprofloxacin  Based  on  Phage‐Displayed  Antibody  Fragments. Journal of Immunological Methods, 358, 17‐22. 

Brown,  S.  A.  1996.  Fluoroquinolones  in  Animal  Health.  Journal  of  Veterinary Pharmacological Therapy, 19. 

Bucknall, S., Silverlight, J., Coldham, N., Thorne, L. &  Jackman, R. 2003. Antibodies to the Quinolones  and  Fluoroquinolones  for  the  Development  of  Generic  and  Specific Immunoassays for Detection of these Residues in Animal Products. Journal of Food Additives and Contaminants 20, 221‐228. 

Burkin,  M.  A.  2008.  Enzyme‐Linked  Immunosorbent  Assays  Of  Fluoroquinolones  with Selective and Group Specificities. Journal of Food and Agricultural Immunology, 19, 131‐140. 

Cao, L., Kong, D., Sui, J., Jiang, T., Li, Z., Ma, L. & Lin, H. 2009. Broad‐Specific Antibodies for A  Generic  Immunoassay  Of  Quinolone:  Development  of  A Molecular Model  for Selection  of Haptens  Based  on Molecular  Field‐Overlapping  Journal  of  Analytical Chemistry, 81. 

Cao, L., Lin, H. & Mirsky, V. M. 2007. Surface Plasmon Resonance Biosensor for ENR Based On Deoxyribonucleic Acid. Journal of Analytica Chimica Acta, 589, 1‐5. 

Cao,  L.,  Sui,  J.,  Kong,  D.,  Li,  Z.  &  Lin,  H.  2011.  Generic  Immunoassay  of  Quinolones: Production  and Characterization Of Anti‐Pefloxacin Antibodies  as Broad  Selective Receptors. Journal of Food Analytical Methods, Doi: 10.1007/S12161‐011‐9196‐2. 

Carlucci, G.  1998. Analysis of  Fluoroquinolones  in Biological  Fluids By High Performance Liquid Chromatography. Journal of Chromatography, 812, 343‐367. 

Page 159: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

134  

Chen, J., Xu, F., Jiang, H., Hou, Y., Rao, Q., Guo, P. & Ding, S. 2009a. A Novel Quantum Dot‐Based Fluoroimmunoassay Method for Detection Of ENR Residue in Chicken Muscle Tissue. Food Chemistry, 113, 1197‐1201. 

Chen, J., Xu. F., Jiang, H., Hou, Y., Rao, Q., Guo, P. & Ding, S. 2009b. A Novel Quantum Dot‐Based Fuoroimmunoassay Method for Detection Of Enrofloxacin Residue in Chicken Muscle Tissue, Journal of Food Chemistry, 113, 1197‐1201. 

Choma,  I.,  Grenda,  D.,  Malinowska,  I.  &  Suprynowicz,  Z.  1999.  Determination  of Flumequine  and  Doxycycline  in  Milk  By  A  Simple  Thin‐Layer  Chromatographic Method. Journal of Chromatography B: Biomedical Sciences And Applications, 734, 7‐14. 

Choma, I. M., Choma, A., Komaniecka, I., Pilorz, K. & Staszezuk, K. 2004. Semiquantitative Estimation  of  ENR  And  Ciprofloxacin  by  Thin‐Layer  Chromatography  ‐  Direct Bioautography.  Journal  of  Liquid  Chromatography  and  Related  Technologies,  27, 2071‐2085. 

Choma,  I. M., Choma, A. &  Staszczuk, K.  2002. Determination of  Flumequine  in Milk by Thin‐Layer  Chromatography‐Bioautography.  Journal  of  Liquid  Chromatography  & Related Technologies, 25, 1579 ‐ 1587. 

Cinquina, A. L., Roberti, P., Giannetti, L., Longo, F., Draisci, R., Fagiolo, A. & Brizioli, N. R. 2003. Determination of ENR and Its Metabolite Ciprofloxacin in Goat Milk by High‐Performance Liquid Chromatography with Diode‐Array Detection: Optimization and Validation. Journal of Chromatography A, 987, 221‐226. 

Coillie, E. V., Block,  J. D. & Reybroeck, W. 2004. Development of An  Indirect Competitive Elisa  for  Flumequine  Residues  in  Raw  Milk  Using  Chicken  Egg  Yolk  Antibodies. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 52, 4975‐4978. 

Crowther, J. R. 2001. The Elisa Guidebook. Deshpande, S. S. 1996. Enzyme Immunoassay’ from Concept to Product Development. Duan,  J. & Yuan, Z. 2001. Development of An  Indirect Competitive Elisa  for Ciprofloxacin 

Residues in Food Animal Edible Tissues. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 49, 1087‐1089. 

Dufresne, G., Fouquet, A., Forsyth, D. & Tittlemier, S. A. 2007. Multiresidue Determination of  Quinolone  and  Fluoroquinolone  Antibiotics  in  Fish  and  Shrimp  by  Liquid Chromatography/Tandem Mass  Spectrometry.  Journal  of AOAC  International,  90, 604‐612. 

Espinosa‐Mansilla, A., De La Pena, A. M., Gomez, D. G. & Lopez, F. S. 2006. Determination of  Fluoroquinolones  in  Urine  and  Serum  by  Using  High  Performance  Liquid Chromatography and Multiemission Scan Fluorimetric Detection. Journal of Talanta 68, 1215‐1221. 

Fierens,  C.,  Hillaert,  S. &  Van  Den  Bossche, W.  2000.  The Qualitative  And Quantitative Determination  of  Quinolones  of  First  And  Second  Generation  by  Capillary Electrophoresis. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 22, 763‐772. 

Garden, S. W. & Sporns, P. 1994. Development and Evaluation of An Enzyme Immunoassay for  Sulfamerazine  In Milk.  Journal  of  Agricultural  and  Food  Chemistry,  42,  1379‐1391. 

Gaugin, M. & Abjean, J. P. 1998. Screening of Quinolone Residues  in Pig Muscle by Planar Chromatography. Journal of Chromatographia, 47 (1‐2), 101‐104. 

Page 160: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

135  

Gigosos,  P.,  Revesado,  P.  R.,  Cadahia,  O.,  Fente,  C.  A.,  Vazquez,  B.  I.,  Franco,  C. M. & Cepeda, A. 2000. Determination of Quinolones in Animal Tissues And Eggs By HPLC with Photodiode‐Array Detection. Journal of Chromatography, 871, 31‐36. 

Giroud, F., Gorgy, K., Gondran, C., Cosnier, S., Pinacho, D. G., Marco, M. P. & Sanchez‐Baeza, F.  J.  2009.  Impedimetric  Immunosensor Based on A Polypyrrole‐Antibiotic Model Film for The Label‐Free Picomolar Detection Of Ciprofloxacin. Analytical Chemistry, 81, 8405–8409. 

Goodrow,  M.  H.  &  Hammock,  B.  D.  1998a.  Hapten  Design  For  Compound‐Selective Antibodies:  ELISAs  for  Environmentally  Deleterious  Small  Molecules.  Analytica Chimica Acta, 376, 83‐91. 

Goodrow, M. H.,  Sanbom,  J.  R.,  Stoutamire, D. W., Gee,  S.  J. & Hammock,  B. D.  1995. Strategies For  Immunoassay Hapten Design.  in  Immunoanalysis of Agrochemicals  ; Nelson, J. O., Karu, A. E., Wong, R. B., Eds.; Acs Symposium Series 586;  . American Chemical Society, Pp.119‐139. 

Haasnoot, W., Gercek, H., Cazemier, G. & Nielen, M. W. F. 2007. Biosensor  Immunoassay for Flumequine in Broiler Serum and Muscle. Analytica Chimica Acta, 586(1‐2), 312‐318. 

Hammer, P. & Heeschen, W. 1995. Antibody‐Captured  Immunoassay for The Detection of ENR in Raw Milk. . Milchwissenschaft 50, 513‐514. 

Harlow, E. & Lane, D. 1988. Antibodies : A Laboratory Manual. Hassonuan, M. K., Ballesteros, O., Taofiki, J., Vilchez, J. L., Cabrera‐Aguilera, M. & Navalon, 

A. 2007a. Multiresidue Determination of Quinolones Antibacterials in Eggs of Laying Hens  By  Liquid  Chromatography  with  Fluorescence  Detection.  Journal  of Chromatography, 859(2), 282‐288. 

Hassonuan, M. K., Ballesteros, O., Zafra, A., Vilchez, J. L. & Navalon, A. 2007b. Multiresidue Method for Simultaneous Determination of Quinolones Antibacterials in Pig Kidney Samples  By  Liquid  Chromatography  With  Fluorescence  Detection.  Journal  of Chromatography, 859(2), 282‐288. 

Henniona,  M.  C.  &  Barcelo,  D.  1998.  Strengths  and  Limitations  of  Immunoassays  For Effective  and  Efficient  Use  for  Pesticide  Analysis  in  Water  Samples:  A  Review. Analytica Chimica Acta, 362 (1), 3‐34. 

Hermanson, G. T. 1996. Bioconjugate Techniques. Hernandez‐Arteseros,  J.  A.,  Barbosa,  J.,  Compano,  R.  &  Prat,  M.  D.  2002.  Analysis  of 

Quinolone Residues in Edible Animal Products. Journal Of Chromatography, 945, 1‐24. 

Higgins, P. G., Fluit, A. C. & Schmitz, F. J. 2003. Fluoroquinolones: Structure And Target Sites. Current Drug Targets, 4, 181‐190. 

Holtzapple, C. K., Buckley, S. A. & Stanker, L. H. 1997. Production and Characterization of Monoclonal Antibodies Against Sarafloxacin and Cross‐Reactivity Studies of Related Fluoroquinolones. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 45, 1984‐1990. 

Holtzapple,  C.  K.,  Buckley,  S.  A.  &  Stanker,  L.  H.  1999.  Determination  of  Four Fluoroquinolones  in  Milk  By  On‐Line  Immunoaffinity  Capture  Coupled  with Reversed‐Phase Liquid Chromatography. Journal of AOAC International, 82, 607‐613. 

Holtzapple, C. K., Buckley, S. A. & Stanker, L. H. 2001. Determination of Fluoroquinolones in Serum  Using  an  On‐Line  Clean‐Up  Column  Coupled  to  High‐Performance 

Page 161: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

136  

Immunoaffinity–Reversed‐Phase  Liquid  Chromatography.  Journal  of Chromatography, 754, 1‐9. 

Holtzapple, C. K., Pishko, E. J. & Stanker, L. H. 2000. Separation and Quantification of Two Fluoroquinolones  in  Serum  by  On‐Line  High‐Performance  Immunoaffinity Chromatography. Journal of Analytical Chemistry, 72, 4148‐4153. 

Holtzapple,  C.  K.  &  Stanker,  L.  H.  1998.  Affinity  Selection  of  Compounds  in  a Fluoroquinolone Chemical Library By On‐Line  Immunoaffinity Deletion Coupled  to Column HPLC. Analytical Chemistry, 70, 4817‐4821. 

Hooper, D. C. 2001. Mechanism of Action Of Antimicrobials: Focus on Fluoroquinolones. The Infectious Disease Society of America, 32, 9‐13. 

Hooper,  D.  C.  &  Wolfson,  J.  S.  1991.  Fluoroquinolone  Antimicrobial  Agents,  The  New England Journal of Medicine Editorial, 324, 384‐394. 

Huang, B., Yin, Y., Lu, L., Ding, H., Wang, L., Yu, T., Zhu, J. J., Zheng, X. D. & Zhang, Y. Z. 2010. Preparation  of  High‐Affinity  Rabbit Monoclonal  Antibodies  for  Ciprofloxacin  and Development  of  An  Indirect  Competitive  Elisa  for  Residues  in  Milk.  Journal  of Zhejiang University‐Science B (Biomedicine & Biotechnology), 11(10), 812‐818. 

Huet, A. C., Charlier, C., Singh, G., Godefroy, S. B., Leivo, J., Vehniäinen, M., Nielen, M. W. F., Weigel,  S.  &  Delahauta,  P.  2008.  Development  of  an  Optical  Surface  Plasmon Resonance Biosensor Assay For (Fluoro)Quinolones In Egg, Fish, And Poultry Meat. Analytica Chimica Acta, 623, 195–203. 

Huet,  A.  C.,  Charlier,  C.,  Tittlemier,  S.,  Singh,  G.,  Benrejeb,  S.  &  Delahaut,  P.  2006. Simultaneous  Determination  of  (Fluoro)Quinolone  Antibiotics  In  Kidney,  Marine Products, Eggs, and Muscle by Enzyme‐Linked Immunosorbent Assay (Elisa). Journal of Agricultural and Food Chemistry, 54, 2822‐2827 

Hung, S. 2007. New Detection Technique for Fluoroquinolone‐Conjugated Proteins by High Performance  Liquid  Chromatography with UV/Fluorescence Detectors.  Journal  of Food and Drug Analysis, 15, 71‐74. 

Idowu, O. R. & Peggins, J. O. 2004. Simple, Rapid Determination of ENR and Ciprofloxacin in Bovine  Milk  and  Plasma  by  High‐Performance  Liquid  Chromatography  with Fluorescence  Detection.  Journal  of  Pharmaceutical  and  Biomedical  Analysis,  35, 143‐153. 

Ikegawa, S. 1998. Separatory Determination of Diastereomeric  Ibuprofen Glucuronides  in Huma Urine by Liquid Chromatography/Electrospray Ionization‐Mass Spectrometry. Journal of Biomedical Chromatography, 12, 317‐321. 

Johnston,  L.,  Mackay,  L.  &  Croft  M.  2002.  Determination  of  Quinolones  and Fluoroquinolones  in  Fish  Tissue  and  Seafood  by  High  Performance  Liquid Chromatography  with  Electrospray  Ionisation  Tandem  Mass  Spectrometric Detection. Journal of Chromatography, 982, 97‐109. 

Juhel‐Gaugain, M. & Abjean, J. P. 1998. Screening of Quinolone Residues  in Pig Muscle by Planar Chromatography. Chromatographia, 47, 101‐104. 

Kato, M., Ihara, Y., Kasai, D. & Kodaira, T. 2008. The Development of Release‐Competitive Assay To Detect Residual Quinolones  in Contaminated Milk’,  Journal af Food and Agricultural Immunology, 19, 241‐246. 

Kato, M., Ihara, Y., Nakata, E., Miyazawa, M., Sasaki, M., Tsukasa, K. & Nakazawa, H. 2007. Development  of  ENR  Elisa  Using  A Monoclonal  Antibody  Tolerating  An  Organic 

Page 162: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

137  

Solvent with Broad Cross‐Reactivity To Other Newquinolones. Journal of Food and Agricultural Immunology, 18, 179‐197. 

King, D. E., Malone, R. & Lilley, S. H. 2000. New Classification and Update on the Quinolone Antibiotics. American Family Physician, 61, 2741‐2748. 

Klotins,  K.  2005.  Antibiotic Use  for Growth  Improvement  ‐  Controversy  and  Resolution. http://www.omafra.gov.on.ca/english/livestock/animalcare/amr/facts/05‐041.htm. Downloaded on May 12th 2008. 

Kuijper,  E.  J.,  Van  Dissel,  J.  T.  &  Wilcox,  M.  H.  2007.  Clostridium  Difficile:  Changing Epidemiology And New Treatment Options. Current Opinion  in  Infectious Diseases, 20, 376‐383. 

Lee,  N.  A.  &  Kennedy,  I.  R.  2007.  Immunoassay,  Food  Toxicants  Analysis:  Techniques, Strategies and Development. Elsevier, Valencia, Spain. 

Li, Y., Ji, B., Chen, W., Liu, C., Peng, C. & Wang, L. 2008. Production of New Class‐Specific Polyclonal  Antibody  for Determination  of  Fluoroquinolone  Antibiotics  by  Indirect Competitive Elisa. Journal of  Food and Agricultural Immunology, 19, 251‐264. 

Lu, S. L., Zhang, Y., Liu,  J., Zhao, C., Liu, W. & Xi, R. 2006. Preparation of Anti‐Pefloxacin Antibody  and  Development  of  An  Indirect  Competitive  Enzyme‐Linked Immunosorbent Assay for Detection of Pefloxacin Residue in Chicken Liver. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 54, 6995‐7000 

Mandell, L. & Tillotson, G. 2002. Safety of Fluoroquinolones: An Update. Canadian Journal of Infectious Diseases, 13, 54‐61. 

Maraschiello, C., Cusidó,  E., Abellán, M. & Vilageliu,  J.  2001. Validation  of An Analytical Procedure  for  the  Determination  of  the  Fluoroquinolone  Ofloxacin  in  Chicken Tissues.  Journal of Chromatography B: Biomedical Sciences And Applications, 754, 311‐318. 

Marazuela,  M.  D.  &  Moreno‐Bondi,  M.  C.  2004.  Multiresidue  Determination  of Fluoroquinolones in Milk by Column Liquid Chromatography with Fluorescence and Ultraviolet Absorbance Detection. Journal of Chromatography A, 1034, 25‐32. 

Marchesini, G. R., Haasnoot, W., Delahaut, P., Gercek, H. & Nielen, M. W. F. 2007. Dual Biosensor  Immunoassay‐Directed  Identification  of  Fluoroquinolones  in  Chicken Muscle by Liquid Chromatography Electrospray Time‐of‐Flight Mass Spectrometry. Analytica Chimica Acta, 259–268 

Mehlhorn, A.  J. & Brown, D. A. 2007.  Safety Concerns with  Fluoroquinolones. Annals of Pharmacotherapy, 41, 1859‐1866. 

Mella M, S., Acuña L, G., Muñoz Q, M., Perez C, C., Labarca L, J., Gonzalez R, G., Bello T, H., Dominguez Y, M. & Zemelman Z, R. 2000. Quinolones: General Characteristics of Structure and Classification. Quinolonas: Aspectos Generales Sobre Su Estructura Y Clasificación, 17, 53‐66. 

Mitchell, M. A. 2006. ENR. Journal of Exotic Pet Medicine, 15(1), 66‐69. Mitra, S. 2003. Sample Preparation Techniques In Analytical Chemistry. Mock, W. L. & Ochwat, K. J. 2002. Substituent Effects in The Addition of Carboxylic Acids to 

Arylcarbodiimides. Journal of Chemical Society, Perkin Transaction 2, 843‐847. Nelson, J. M., Chiller, T. M., Powers, J. H. & Angulo, F. J. 2007. Fluoroquinolone‐Resistant 

Campylobacter  Species  and  the  Withdrawal  of  Fluoroquinolones  from  Use  in Poultry: A Public Health Success Story. Clinical Infectious Diseases, 44, 977‐980. 

Neu, H. C. 1992. Quinolone Antimicrobial Agents Annual Review Medicine, 43, 465‐486. 

Page 163: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

138  

Nikolayenko,  I. V., Galkin, O.  Y., Grabchenko, N.  I. &  Spivak, M.  Y.  2005. Preparation of Highly  Purified  Human  Igg,  Igm,  and  Iga  for  Immunization  and  Immunoanalysis. Ukrainica Bioorganica Acta 2, 3‐11. 

Oliphant,  C. M. & Green, G. M.  2002. Quinolones:  A  Comprehensive  Review.  American Family Physician, 65, 455‐464. 

Pena,  A.,  Silva,  L.  J.  G.,  Pereira,  A.,  Meisel,  L.  &  Lino,  C.  M.  2010.  Determination  of Fluoroquinolone  Residues  In  Poultry  Muscle  In  Portugal.  Analytical  and Bioanalytical Chemistry, 397, 2615‐2621. 

Price, C. P. & Newman, D. J. 1991. Principle And Practice of Immunoassay. Ridgway, K., Lalljie, S. P. D. & Smith, R. M. 2007. Sample Preparation Techniques  for  the 

Determination  of  Trace  Residues  and  Contaminants  in  Foods.  Journal  of Chromatography A, 1153, 36‐53. 

Sárközy, G. 2001. Quinolones: A Class of Antimicrobial Agents. Veterinarni Medicina, 46, 257‐274. 

Sheng, W., Xia, X., Wei, K., Li, J., Li, Q. X. & Xu, T. 2009a. Determination of Marbofloxacin Residues in Beef and Pork with An Enzyme‐Linked Immunosorbent Assay. Journal of  Agricultural and Food Chemistry, 57, 5971‐5975. 

Sheng, W., Xua, T., Maa, H., Wanga, X., Li, Q. & Li,  J. 2009b. Development of An  Indirect Competitive  Enzyme‐Linked  Immunosorbent  Assay  for  Detection  of  Danofloxacin Residues  in  Beef,  Chicken  and  Pork  Meats.  Journal  of  Food  and  Agricultural Immunology, 20, 35‐47. 

Shim,  J.  H.,  Shen,  J.  Y.,  Kim, M.  R.,  Lee,  C.  J.  &  Kim,  I.  S.  2003.  Determination  ff  The Fluoroquinolone ENR in Edible Chicken Muscle by Supercritical Fluid Extraction And Liquid  Chromatography With  Fluorescence Detection.  Journal  of  Agricultural  and Food Chemistry, 7528‐7532. 

Simonovska, B., Andrensek, S., Vovk,  I. & Prosek, M. 1999. High‐Performance Thin‐Layer Chromatography Method  for Monitoring Norfloxacin Residues on Pharmaceutical Equipment Surfaces. Journal of Chromatography A, 862, 209‐215. 

Skerritt, J. H., Kurtz, D. A. & Stanker, L. 1995. New Frontiers in Agrochemical Immunoassay. AOAC International. 

Smith,  K.  E.,  Besser,  J. M.,  Hedberg,  C. W.,  Leano,  F.  T.,  Bender,  J.  B., Wicklund,  J.  H., Johnson,  B.  P.,  Moore,  K.  A.  &  Osterholm,  M.  T.  1999.  Quinolone‐Resistant Campylobacter  Jejuni  Infections  in  Minnesota,  1992–1998.  The  New  England Journal of Medicine, 340(20), 1525‐1532. 

Snitkoff, G. G., Grabe, D. W., Holt, R. & Bailie, G. R. 1998. Development of An Immunoassay For  Monitoring  Of  The  Level  Ciprofloxacin  In  Patients  Sample.  Journal  of Immunoasssy, 19(4), 227‐238. 

Sun, W. Y., Liu, W. Y. & Qu, L. B. 2007. Development Of ELISA and Immunochromatographic Assay for Ofloxacin. Chinese Chemical Letters, 18, 1107‐1110. 

Tittlemier, S. A., Gelinas, J. M., Dufrense, G., Haria, M., Queery, J., Cleroux, C., Menard, C., Delahaut, P., Singh, G., Durand, N. & Godefroy, S. 2008. Development of A Direct Competitive  Enzyme‐Linked  Immunosorbent  Assay  for  The  Detection  Of Fluoroquinolone Residues In Shrimp. Journal Analytical Methods, 1, 28‐35. 

Toldra, F. & Reig, M. 2006. Methods  for Rapid Chemical and Veterinary Drug Residues  in Animal Foods. Trends in Food Science and Technology, 17, 482‐489 

Page 164: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

139  

Tollefson,  L. &  Karp,  B.  E.  2004. Human Health  Impact  from  Antimicrobial Use  in  Food Animals. Médecine E T Maladies Infectieuses 34, 514‐521. 

Toussaint,  B.,  Chedin,  M.,  Bordin,  G.  &  Rodriquez,  A.  R.  2005a.  Determination (Fluoro)Quinolone Antibiotic Residues  in Pig Kidney Using Liquid Chromatography‐Tandem  Mass  Spectrometry:  I.  Laboratory‐Validated  Method.  Journal  of Chromatography, 1088(1‐2), 32‐39. 

Toussaint,  B.,  Chedin,  M.,  Vincent,  U.  &  Rodriquez,  A.  R.  2005b.  Determination (Fluoro)Quinolone Antibiotic Residues  in Pig Kidney Using Liquid Chromatography‐Tandem  Mass  Spectrometry:  Part  Ii.  Intercomparison  Exercise.  Journal  of Chromatography, 1088(1‐2), 40‐48. 

Tsekenis G., Garifallou, G. Z., Davis, F., Millner, P. A., Pinacho, D. G., Baeza, F. S., Marco, M. P., Gibson, T. D. & Higson, P.  J. 2008. Detection of Fluoroquinolone Antibiotics  in Milk Via A  Labeless  Immunoassay Based Upon an Alternating Current  Impedance Protocol. Journal of Analytical Chemistry 80, 9233‐9239. 

Van Emon,  J. M. 2010. Bioanalytical Methods  for  Food Contaminant Analysis.  Journal of AOAC International, 93 (6), 1681‐1691. 

Van Emon, J. M., Chuang, J. C., Trejo, R. M. & Durnford, J. 2007.  Immunoassay and Other Bioanalytical. 1‐43. 

Van Vyncht, G.,  Janosi, A., Bordin, G., Toussaint, B., Maghuinrogister, G., De Pauw, E. & Rodriguez, A. R. 2002. Multiresidue Determination of (Fluoro)Quinolone Antibiotics in Swine Kidney Using Liquid Chromatography‐Tandem Mass Spectrometry. Journal of Chromatography, 952. 

Vega, M., Rios, G., Saelzer, R. & Herlitz, E. 1995. Analysis of Quinolonic Antibiotics By HPTLC. Oxolinic Acid Residue Analysis in Fish Tissue. Journal of Planar Chromatography, 8, 378‐381  

Volmer,  D.  A.,  Mansoori,  B.  &  Locke,  S.  J.  1997.  Study  Of  4‐Quinolone  Antibiotics  in Biological  Samples  by  Short‐Column  Liquid  Chromatography  Coupled  with Electrospray Ionization Tandem Mass Spectrometry. Analytical Chemistry, 69, 4143‐4155. 

Wagman, A. S. & Wentland, M. P. M. 2007. Quinolone Antibacterial Agents. Comprehensive Medicinal Chemistry, 7, 567‐596. 

Wang, S., Allan, R. D., Skerritt, J. H. & Kennedy, I. V. 1998. Development of A Class‐Specific Competitive  Elisa  For  The  Benzoylphenylurea  Insecticides.  Journal  of  Agricultural and Food Chemistry, 46 (8), 3330–3338. 

Wang, Z., Zhu, Y., Ding, S., He, F., Beier, R. C., Li, J., Jiang, H., Feng, C., Wan, Y., Zhang, S., Kai, Z., Yang, X. & Shen, J. 2007a. Development of A Monoclonal Antibody‐Based Broad‐Specificity ELISA for Fluoroquinolone Antibiotics  in Foods And Molecular Modeling Studies Of Cross‐Reactive Compounds.  Journal  of Analytical  Chemistry,  79,  4471‐4483. 

Wang, Z., Zhu, Y., Ding, S. Y., He, F. Y., Beire, R. C., Li, J. C., Jiang, H., Feng, C., Wan, Y., Zhang, S., Kai, Z., Yang, X. & Shen, J. 2007b. Development of A Monoclonal Antibody‐Based Broad‐Specificity  ELISA  for  Fluoroquinolone  Antibiotics  in  Foods  and  Molecular Modeling Studies of Cross‐Reactive Compounds. Journal of Analytical Chemistry, 79, 4471‐4483. 

Page 165: Development of a specific enzyme linked immunosorbent assay ...

140  

Watanabe,  H.,  Satake,  A.,  Kido,  Y.  &  Tsuji,  A.  2002. Monoclonal‐Based  Enzyme‐Linked Immunosorbent  Assay  and  Immunochromatographic  Assay  for  ENR  in  Biological Matrices. Analyst, 127, 98‐103. 

Watanabe  H.,  Satake.,  Kido,  Y.  &  Tsuji,  A.  2002.  Monoclonal‐Based  Enzyme‐Linked Immunosorbent  Assay  and  Immunochromatographic  Assay  for  ENR  in  Biological Matrices. The Analyst, 127, 98‐103. 

Wild, D. 1994. The Immunoassay Handbook. Yoon, Y., Westerhoff, P., Snyder, S. A. & Esparza, M. 2003. HPLC‐Fluorescence Detection 

and  Adsorption  of  Bisphenol  A,  17β‐Estradiol,  and  17α‐Ethynyl  Estradiol  on Powdered Activated Carbon. Water Research, 37, 3530‐3537. 

Yorke,  J. C. & Froc, P. 2000. Quantitation of Nine Quinolones  in Chicken Tissues By High‐Performance  Liquid  Chromatography  with  fluorescence  Detection,  Journal  of Chromatography, 882, 63‐77. 

Yu, W., Yu‐Dong, S., Zhen‐Lin, X., Hong‐Tao, L., Hong, W. & Yuan‐Ming, S. 2010. Production and Identification of Monoclonal Antibody Against Flumequine and Development of Indirect  Competitive  Enzyme‐Linked  Immunosorbent  Assay.  Chinese  Journal  of Analytical Chemistry, 38(3), 313‐317. 

Zeng,  Z., Dong, A.,  Yang, G., Chen,  Z. & Huang, X. 2005.  Simultaneous Determination of Nine Fluoroquinolones  in Egg White and Egg Yolk by Liquid Chromatography with Fluorescence Detection.  Journal  of  Chromatography B: Analytical  Technologies  in The Biomedical and Life Sciences, 821, 202‐209. 

Zhao,  C.,  Liu, W.,  Ling,  H.,  Lu,  S.,  Zhang,  Y.,  Liu,  J.  &  Xi,  R.  2007.  Preparation  of  Anti‐Gatifloxacin  Antibody  and  Development  An  Indirect  Competitive  Enzyme‐Linked Immunosorbent Assay for The Detection of Gatifloxacin Residue in Milk. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 55, 6879‐6884. 

Zhao, S., Li, X., Ra, Y., Li, C., Jiang, H., Li, J., Qu, Z., Zhang, S., He, F., Wan, Y., Feng, C., Zheng, Z.  &  Shen,  J.  2009.  Developing  and  Optimizing  An  Immunoaffinity  Cleanup Technique  for  Determination  of  Quinolones  from  Chicken  Muscle.  Journal  of Agricultural and Food Chemistry, 57, 365‐371. 

Zheng,  Z.,  Dong,  A.  G.,  Yang,  G.  X.,  Chen,  Z.  L.  &  Huang,  X.  H.  2005.  Simultaneous Determination  of  Nine  Fluoroquinolones  in  Egg  White  And  Egg  Yolk  by  Liquid Chromatography  with  Fluorescence  Detection.  Journal  of  Chromatography,  821, 202‐209. 

Zhu, Y., Li, L., Wang, Z., Chen, Y., Zhao, Z., Zhu, L., Wu, X., Wan, Y., He, F. & Shen, J. 2008. Development of An  Immunochromatography  Strip  for  the Rapid Detection Of  12 Fluoroquinolones  in  Chicken Muscle  and  Liver.  Journal  of   Agricultural  and  Food Chemistry, 55, 5469‐5474.