Nonlinear ultrasound spectroscopy for chemical quantification

Analyte quantification is an area of great practical interest for biomedical and commercial applications. Measurement in highly scattering media such as tissue, blood, and other biological fluids is challenging using conventional spectroscopic methods. Likewise, measurement of compounds on-line or in opaque containers can be extremely challenging. This thesis presents general approaches for analyte quantification in liquids by the frequency analysis of ultrasound waves. Initially, this research focused on the quantification of analytes using dispersive hydrogel sensors. These sub-micron hydrogels vibrate at characteristic resonance frequencies when exposed to ultrasound. The resonance frequencies of the sensors could be modulated by generating molecularly imprinted pockets that would recognize and bind to molecules. Changes in the measured ultrasound frequency spectrum upon binding could then be detected. Using this approach, quantification of theophylline between 10 μM and 6.1 mM was shown. Improvements in analyte quantification using ultrasound were made by designing hydrogel sensors coupled to antibodies. The high affinity of antibodies for a specific antigen allowed the quantification of acetaminophen between 3.5 nM and 20.8 nM. The highly selective antibodies were also demonstrated to allow acetaminophen determination in a variety of biological media. Though the ultrasound frequency profiles change in the different media, frequencies used for multilinear determination of the analyte were clustered in certain regions of the spectrum. This indicated that the resonance frequencies were minimally affected by the media. Antibody-linked sensors were also used to determine concentrations of tumor necrosis factor-α. The larger mass of this analyte compared to the acetaminophen was accompanied by an increase in sensitivity; concentrations between 115 pM and 592 pM could be determined. Based on this connection between analyte mass and the detection limit, dendrimer-based antibody sensors were then designed to further explore the mass dependence. Although the dendrimer sensor had a different vibration mechanism than the first antibody sensor, it was shown that the mass could be related to shifts in the resonance frequency components. During propagation, ultrasound undergoes distortion processes that are characteristic of the chemicals present in the solution. This non-linear distortion of the waveform can be measured in the ultrasound frequency profile. In the second portion of this research, it was shown that characteristic changes in the ultrasound frequencies could be measured and correlated with variations in mixture composition. Volume fractions in three-component mixtures of water, methanol, and ethanol could be estimated simultaneously with errors between 2.9% and 3.8% using a hierarchical calibration approach. The nonlinear distortion was likewise used to determine the composition of commercial beverages. The two major components, ethanol and carbohydrates, were determined simultaneously. Though a wide range of other constituents at various levels are present in beverages, the major components could be estimated with errors of 0.81% for ethanol and 17 mg/mL for carbohydrates. Overall, the methods presented in this thesis show improvements over conventional approaches for analyte quantification. For point-of-care diagnostics, these methods are attractive due to the short measurement time and the minimal sample treatment required. Likewise, simple methodology and ability to examine optically opaque samples makes this technique highly applicable to on-line measurement in a variety of commercial manufacturing processes. Further applications and possible refinements are discussed in the conclusions chapter.La quantification de substances chimiques sous analyse (dit « analytes ») est un champ d'importance capitale ayant des applications biomédicales et commerciales. La précision des mesures dans les milieux à grande variation tels les tissus, le sang, et autres liquides biologiques est difficile utilisant les méthodes de spectroscopie conventionnelles. La mesure de corps composés en ligne, ou dans de contenants opaques est aussi un défi considérable. Cette thèse présente des approches générales pour quantifier les substances chimiques par l'analyse des fréquences de vagues d'ultrasons. La cible initiale de cette recherche fut la quantification des analytes utilisant des capteurs d'hydrogel dispersants. Ces hydrogels aux particules submicroniques vibrent à une fréquence de résonnance distinctive lorsque soumis aux ultrasons. La fréquence de résonnance des capteurs peut être modulée en générant des pochettes moléculaires empreintes pouvant reconnaître et se lier aux molécules. Le changement au spectre de fréquence d'ultrason suite à cette liaison peut être détecté. Avec cette approche, la quantification de la théophylline fut établie entre 10 μM et 6.1 mM. La quantification des analytes par ultrasons fut améliorée en créant des capteurs d'hydrogel liés avec des anticorps. L'affinité accrue des anticorps à un antigène particulier a permis la quantification d'acétaminophène entre 3.5 nM et 20.8 nM. Ces anticorps très sélectifs permettent aussi de déterminer l'acétaminophène dans des milieux biologiques variés. Quoique le profil de la fréquence des ultrasons change dans différents milieux, les fréquences pour la détermination multilinéaire des analytes étaient regroupées dans certaines régions du spectre. Ceci indique que le milieu affecte peu la fréquence des résonnances. Des capteurs liés à des anticorps ont aussi été utilisés pour déterminer les concentrations de facteur de nécrose tumorale alpha. Cette analyte, à masse plus grande que l'acétaminophène, a entrainé une sensibilité accrue; des concentrations entre 115 pM et 592 pM ayant été établies. Basé sur le lien entre la masse de l'analyte et la limite de détection, des capteurs anticorps à base de dendrimère ont été crées afin d'explorer la dépendance sur la masse. Quoique le capteur dendrimère avait un mécanisme de vibration différent du premier capteur anticorps, il fut établi que la masse pouvait être reliée à des décalages dans les composants de la fréquence de résonnance. Durant la propagation, les ultrasons subissent un processus de distorsion typique aux produits chimiques dans la solution. Cette distorsion non linéaire de la forme d'onde peut être mesurée dans le profil de la fréquence de l'ultrason. La seconde partie de la recherche a montré que les changements typiques aux fréquences des ultrasons pouvaient être mesurés et reliés aux variations des composants du mélange. Le volume des parts d'un mélange à trois composants (soit eau, méthanol et éthanol) pouvait être estimé simultanément avec une moyenne d'erreur entre 2.9 % et 3.8 % en utilisant une approche de calibration hiérarchique. La distorsion non linéaire fut utilisée comme ceci afin d'établir la composition de breuvages. Les deux composants majeurs, l'éthanol et les glucides ont été déterminés simultanément. Quoiqu'une variété importante de composants, à des niveaux variés, étaient présents, les composants majeurs peuvent être estimés avec une moyenne d'erreur de 0.81 % pour l'éthanol et 17 mg/mL pour les glucides. Dans l'ensemble, ces méthodes démontrent des améliorations vis-à-vis les méthodes de quantification conventionnelles. Pour les soins de santé primaires, l'échantillonnage minime à traiter et le l'analyse plus rapide rends ces méthodes de diagnostiques désirables. Au niveau commercial, les procédés simples et la capacité de traiter des échantillons opaques rendent ces techniques très employables pour faire des mesures en ligne