Recently developed ultrasound contrast agents provide traditional ultrasound techniques with highly localized contrast within samples depending on contrast agent concentration. Contrast agents resonate at characteristic frequencies, allowing background signals in backscatter collected from samples to be easily removed through filtration, leaving only resonance from contrast agents remaining. The goal of this thesis was to develop analyte sensitive contrast agents based on molecularly imprinted poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPA) nanogel polymers. Molecularly imprinted pNIPA was synthesized in presence of target analyte theophylline. Ultrasonic analysis of pNIPA behavior in the presence of varying theophylline concentration revealed amplitude changes at various frequencies. Analysis of chemically similar caffeine demonstrated ultrasonic changes at different frequencies.Solutions containing increasing amounts of theophylline in the 8.4 to 167 μM range with 1% by weight molecularly imprinted pNIPA in water were analysed ultrasonically. Concentration models displayed very high linearity (r2 coefficient exceeding 0.99). Additional concentration models were constructed in a matrix of solutions containing both the imprinted analyte theophylline, and interferant caffeine. Regression models for the two analytes demonstrated good linearity in the micromolar range (r2 of 0.98 for theophylline, 0.87 for caffeine) using different subsets of frequencies for each analyte.A tighter binding arrangement between analyte and pNIPA was achieved through synthesis of molecularly imprinted pNIPA in the collapsed phase. This increased analyte sensitivity and linear range to nanomolar concentrations. Quantification assays were carried out on a dopamine oxidation product, (5-6-dihydroxyindole, DHI), from 16.7 to 163 nM. High linearity was obtained (r2 correlation coefficient exceeding 0.99). The experiment was repeated in a presence of albumin, a biologically relevant interferant, with good agreement between actual and estimated concentration.Multi-analyte quantification was improved by combining two differently imprinted pNIPA nanogels to form multiplexed nanogels. Simultaneous quantification assays were carried out for theophylline (8.4 to 49 uM) and DHI (48.8 to 176 nM). Good linearity between estimated and actual concentrations were obtained (r2 of 0.99 for DHI, 0.96 for theophylline).Determination of a larger analyte, tobacco mosaic virus (TMV), was also carried out. Concentration models in the 9 to 140 ppb range showed excellent linearity (correlation coefficients exceeding 0.99). The process was repeated in presence of another virus, tomato bushy stunt virus (TBSV), acting as an interferant. Similar linearity was obtained.Critical points of the ultrasound quantification system based on molecularly imprinted nanogels are summarized in the Conclusion chapter. Improvements focusing on obtaining stronger ultrasonic signals in aforementioned analyses are discussed in the Future Works section. / Le développement des agents de contraste ultrasonique ont produit des agents qui fournissent du contraste très élevé et localisé dans l'échantillon, selon la concentration des agents. Ces agents résonnent avec des fréquences particulières, et facilitent la soustraction du bruit par filtration, qui laissent seulement le résonance des agents. Le but de cette thèse est de développer des agents de contraste capable de quantifier des analytes en utilisant des polymères poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPA) imprimés avec des molécules cible comme point de départ. La synthèse des polymères pNIPA était faite en présence de la molécule théophylline. L'analyse ultrasonique de pNIPA en présence de differentes concentration de théophylline conduit à des changements d'amplitudes à plusieurs fréquences. L'analyse de pNIPA avec de la caféine a produit des changements à d'autres fréquences. Des solutions avec théophylline (8.4 à 167 μM) et 1% massique de pNIPA imprimé avec théophylline ont été analysées avec le système ultrasonique. Les modèles de concentration que cette analyse a produit ont un très haut niveau de linéarité (r2 plus que 0.99). Plusieurs modèles de concentration ont été construit avec une matrice de solution qui contenait théophylline et caféine. Les modèles de régression pour les deux analytes ont démontrés de la linéarité dans les concentrations micromolar (r2 de 0.98 pour théophylline, 0.87 pour caféine), utilisant différentes fréquences pour chaque analyte.Une affinité plus grande entre l'analyte et pNIPA a été gràce à la synthèse avec du pNIPA comprimé. Cela a élevé la sensibilité aux concentrations nanomolaires. Des quantifications d'un produit d'oxidation de la dopamine (5-6-dihydroxyindole, DHI) de 16.7 à 163 nM ont été faites. Les résultats ont démontrés une très bonne linéarité (r2 plus que 0.99). L'expérience a été reproduite avec de l'albumine dans chaque solution, encore avec des bons résultats.La quantification de plusieurs analytes simultanément a été améliorée avec la combinaison de deux nanogels pNIPA imprimés avec les différentes analytes. Les analyses de concentration ont été menées en parallèle pour la théophylline (8.4 à 49 uM) et le DHI (48.8 à 176 nM). Les concentrations estimées étaient en accord avec les concentrations actuelles (r2 de 0.99 pour DHI, 0.96 pour théophylline).Un analyte plus large, le virus tabac mosaïque (TMV), a été detecté avec le système ultrasonique. Des modèles de concentration de 9 à 140 ppb ont démontrés un très haut niveau de linéarité (r2 plus que 0.99). Le processus a été répeté avec un autre virus, tomate bushy stunt (TBSV), ajouté aux solutions de TMV avec des résultats semblables. Les aspects critiques du système de quantification ultrasonique sont récapitulés dans le chapitre de conclusion. Des améliorations pour obtenir des signaux plus fort dans les analyses ultrasoniques sont discutés dans la section futur.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.106230 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Troiani, David |
| Contributors | David H Burns (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Chemistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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