The development of rapid clinical and inline measurement techniques for the analysis of complex chemical systems has become an area of great interest in analytical research. Ideal protocols make quick and accurate measurements while using inexpensive reagents and low-cost instrumentation. There are several measurement challenges that can inhibit many of the current spectroscopic techniques from effectively quantifying certain sample matrices. Highly scattering media such as suspensions, tissue, blood, serum, and other biological fluids are difficult to analyze using conventional optical strategies. Extensive preparatory and separation techniques are used to reduce the complexity of the matrix. The research illustrated in this thesis is centred on the application of hydrogel sensors together with ultrasound spectroscopy as tools for overcoming these challenges. In this thesis, specially designed chemical sensors are used to bind target analyte compounds, stimulating a change in the acoustic properties of the sensor. We have developed two sensors based on hydrogel chemistry in order to measure vitamin D status. Frequency analysis of ultrasonic waves that are passed through the sample is made to characterize the acoustic signature of the sensor. A multi-component linear regression model is constructed to correlate the resonance frequency change of the sensor with the addition of analyte. The first hydrogel sensor uses native vitamin D binding protein (Gc-globulin, VDBP) as the recognition element for vitamin D3. This novel approach to hydrogel sensor construction consists of multiple protein units chemically bound to chains of cellulose. The cellulose structures are further cross-linked with one another to form a three-dimensional hydrogel network. These sub-micron hydrogels are dispersive in aqueous media, permitting their use in biological samples. Sensor resonance frequency information can be obtained by passing ultrasound through the Gc-globulin hydrogel solution and interpreting the signal changes. When binding events occur between Gc-globulin and vitamin D3 in solution, a shift in resonance frequency occurs and the response is observed in the transmitted ultrasonic wave. Using this approach, quantification of vitamin D3 is achieved between 2-10 nM with a 0.87 nM standard error of estimation. The second protocol described in this work uses dispersive acrylamide-based sub-micron hydrogel molecules. These sensors are synthesized in solution with the target analyte to create molecularly imprinted recognition sites. After polymerization, the target molecule is removed though dialysis and the recognition pockets are retained. These pockets provide a recognition site for the hydrogel sensor, binding to target analyte compounds present in the solution. Aliquots of the analyte are administered into the sensor solution, which induces physical changes in the hydrogel sensor, resulting in a shift in sensor oscillation frequency. Using this technique, quantification of vitamin D3 is achieved for 25-150 nM solutions with a 12.3 nM standard error of estimation. The quantitative analysis of the two aforementioned sensors in complex biological media is demonstrated. Measurements were made in unfiltered human serum to demonstrate the feasibility of the hydrogel sensors in real-world applications. Serum samples were collected from multiple donors to demonstrate the minor impact of the sample matrix on the quantification abilities of the sensors. The demonstration of ultrasound sensitive hydrogels as an effective method for quantifying chemical compounds in liquid media is presented in this thesis. The ultrasound method is promising for rapid laboratory analysis of patient vitamin D status. Short measurement times, reduced instrumentation cost, and minimal sample preparation makes ultrasound an excellent candidate for point-of-care analysis. / Le développement de techniques d'évaluations cliniques et en ligne associées à l'analyse de systèmes chimiques complexes est devenu un domaine de grand intérêt en recherche analytique. Un protocole idéal pourrait effectuer des mesures rapides et précises en utilisant des réactifs peu dispendieux et à faible coût d'instrumentation. Hors, de nombreux obstacles liés aux techniques de spectroscopie actuelles peuvent nuire à la quantification efficace de certaines matrices d'échantillons. Par exemple, des milieux diffusants à grande variation tels que du sang, du sérum, des tissus, des suspensions et d'autres liquides biologiques sont difficiles à analyser en utilisant des stratégies optiques conventionnelles. De nombreuses techniques de préparation et de séparation sont utilisées pour réduire la complexité de la matrice. La recherche illustrée dans cette thèse se concentre sur l'application de capteurs hydrogels allant de pair avec la spectroscopie ultrasonore comme outils pour surmonter ces obstacles. Dans cette thèse, des capteurs chimiques spécialement conçus sont utilisés dans le but de lier des composés faits d'analytes spécifiques. Cela provoque un changement des propriétés acoustiques des capteurs en question. Nous avons développé deux capteurs à base d'hydrogels afin de mesurer les niveaux de vitamine D. Une analyse de fréquence des ondes ultrasonores transmises à travers l'échantillon est effectuée afin de caractériser la signature acoustique des capteurs.Le premier capteur hydrogel utilise la protéine porteuse de vitamine D (Gc-globulin, VDBP [Vitamin D Binding Protein]) comme composant de reconnaissance de la vitamine D3. Cette nouvelle méthode de synthèse de capteurs hydrogels se compose de plusieurs unités protéiques liées chimiquement à des chaînes de cellulose. Les structures de cellulose sont réticulées entre elles pour former un réseau d'hydrogels tridimensionnel. Ces hydrogels submicroniques sont dispersifs dans des milieux aqueux, ce qui permet leur utilisation dans des échantillons biologiques. Des informations de fréquence de résonance du capteur peuvent être obtenues par la transmission d'ultrasons à travers la solution d'hydrogels VDBP et l'interprétation des variations du signal. Lors de la liaison entre la VDBP et de la vitamine D3 en solution, un changement dans la fréquence de résonance se produit et la réponse en fréquence est observée dans l'onde ultrasonore transmise. En utilisant cette méthode, la quantification de vitamine D3 est atteinte entre 2-10 nM avec une erreur type d'estimation de 0.87 nM. Le deuxième protocole décrit dans cette thèse utilise des hydrogels submicroniques dispersifs à base d'acrylamide. Ces capteurs sont synthétisés en solution avec l'analyte pour créer des sites de reconnaissance à empreinte moléculaire. Après polymérisation, la molécule cible est éliminé par dialyse et les poches de reconnaissance sont conservées. Ces poches deviennent des sites de reconnaissance pour le capteur hydrogel dont l'empreinte a été prise, et elles peuvent repérer les molécules cibles en solution. Des aliquotes d'analyte sont ajoutées à la solution de capteurs, ce qui provoque des changements physiques dans le capteur hydrogel et un changement dans la fréquence de résonance du capteur. En utilisant cette méthode, la quantification de vitamine D3 est atteinte pour des solutions de 25-150 nM avec une erreur type d'estimation de 12.3 nM. L'analyse quantitative des deux capteurs mentionnés précédemment est démontrée dans des milieux biologiques complexes. Les mesures ont été effectuées dans du sérum humain non filtré afin de démontrer la possibilité d'utilisation des capteurs hydrogels dans des situations réelles. Les échantillons de sérum utilisés ont été prélevés sur plusieurs donneurs dans le but de démontrer que la matrice de l'échantillon affecte peu les capacités de quantification des capteurs.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.116986 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Dafoe, Andrew |
| 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 | Master of Science (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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