Ultrasound spectroscopy of biofluid properties for health assessment

The development of portable diagnostic platforms for rapid measurement of complex biological samples has become a target of great interest in analytical chemistry. Ideal protocols provide accurate and precise results with minimal sample handling and make use of cost-effective instrumentation. However, the high concentration of absorbing and scattering species present in biological samples such as blood, serum, and milk can make conventional optical measurements very challenging. Dilution, separation, and the addition of reagents are usually necessary to reduce the complexity of the sample matrix prior to analysis. This thesis presents a measurement methodology for monitoring markers of health in biological fluids by the analysis of ultrasound wave frequencies.Initially, ultrasound was explored for monitoring pH in homogeneous, albumin-containing media. During propagation, ultrasound waves are subject to distortion processes that are characteristic of the chemicals present in solution. The nonlinear distortion of the waves can be measured in the ultrasound frequency profile. Nonlinear distortion and attenuation of ultrasound waves were shown to be sensitive to changes in the molecular conformation of albumin with pH. Multivariate analysis of ultrasound frequency profiles identified frequencies associated with conformational changes of albumin. Although a large number of other constituents are present in serum, the pH of human serum samples from multiple donors could be estimated with an error of 0.077 pH units from a single ultrasound measurement.The application of nonlinear distortion was extended to estimation of total cell counts in a heterogeneous system, milk. Total cell counts were associated with the presence or absence of subclinical mastitis and were grouped as low or high for classification. Despite the presence of fat globules, samples from women with low (≤150K cells/mL) and high (≥600K cells/mL) somatic cell counts were classified with a sensitivity and specificity of 90% and 79% respectively. Estimates by ultrasound were comparable to classification results from NIR measurements, which exhibited a sensitivity of 85% and specificity of 84%. It was shown that nonlinear ultrasound is not only sensitive to molecular properties of a system, but is also influenced by higher level structures.Subsequently, infection status of women with no or multiple infections was investigated by ultrasound frequency analysis. Changes in frequency profile of measured serum samples were attributed to differences in serum protein concentration and oxidative stress modifications of proteins. Although a number of variables could not be controlled in this study, classification estimates for the no and multiple infection groups showed a sensitivity and specificity of 100% and 86% respectively.Nonlinear ultrasound was also used to assess the infection status of mice in a controlled design experiment. Variations in measured frequency profiles of mouse serum samples correlated well with infection and were attributed to changes in the viscoelastic properties of the samples. Classification estimates of infected and uninfected mice resulted in a sensitivity of 84% and specificity of 73%. Additionally, unlike previous measurements, the mouse data was collected with a novel heterodyned ultrasound instrument that reduced the cost of instrumentation. Overall, the ultrasound methodologies presented in this thesis showed advantages over conventional approaches for monitoring chemical changes in biological fluids. For portable diagnostic platforms, ultrasound offers analysis with minimal or no sample preparation and can provide a rapid approach for health assessment. Future directions and refinements for ultrasonic frequency analysis techniques are outlined in the concluding chapter.Le développement des appareils diagnostiques portables pour la mesure rapide des échantillons biologiques complexes est devenu une cible de grand intérêt en chimie analytique. Cependant, la forte concentration des espèces chimiques qui absorbent et diffusent dans des échantillons biologiques tels que le sang, le sérum, et le lait peut rendre des mesures optiques classiques très difficile. La dilution, la séparation, et l'addition des réactifs sont généralement nécessaires pour réduire la complexité de la matrice de l'échantillon avant l'analyse. Cette thèse présente une méthode de mesure pour la surveillance des marqueurs de santé dans des fluides biologiques par l'analyse des fréquences des ondes d'ultrasons.Initialement, l'ultrason a été exploré pour la surveillance de pH dans des échantillons homogènes contenant de l'albumine. Au cours de la propagation, les ondes ultrasonores sont soumises à des processus de distorsion qui sont caractéristiques des produits chimiques présents dans l’échantillon. La distorsion non linéaire des ondes peut être mesurée dans le profil de fréquence ultrasonore. La distorsion non linéaire et l'atténuation des ondes ultrasonores se sont révélés être sensibles aux variations de la conformation moléculaire de l'albumine avec le pH. L'analyse multivariée des profils de fréquence ultrasonore a identifié les fréquences associées aux changements de conformation de l'albumine. Bien qu'un grand nombre d'autres constituants soient présents dans le sérum, le pH des échantillons de sérum humain provenant de plusieurs donneurs peut être estimé avec une erreur de 0,077 unité de pH à partir d'une mesure unique d'ultrasons.L'application de distorsion non linéaire a été étendu à l'estimation du nombre de cellules dans un système hétérogène, le lait. Le nombre total de cellules a été associées à la présence ou l'absence de mammite subclinique et a été regroupé comme faible ou élevé pour la classification. Malgré la présence de globules gras, des échantillons provenant de femmes à nombre faible ≤150K (cellules/mL) et élevé (cellules ≥600K/mL) de cellules somatiques ont été classés avec une sensibilité et une spécificité de 90% et 79% respectivement. Les estimations par ultrasons étaient comparables aux résultats de classification de mesures NIR, qui présentaient une sensibilité de 85% et une spécificité de 84%. Il a été montré que l’ultrason non linéaire n’est pas seulement sensible aux propriétés moléculaires d'un système, mais est également influencé par des structures de niveau supérieur.Par la suite, l'état d'infection des femmes sans ou avec plusieurs infections a été étudiée par analyse de fréquence ultrasonore. Les changements dans le profil de fréquence des échantillons de sérum mesurés ont été attribués à des différences dans la concentration des protéines sériques et des modifications oxydatives des protéines. Bien qu'un certain nombre de variables ne pouvait être contrôlée dans cette étude, les estimations de classification pour groupes sans et avec plusieurs infections ont montré respectivement une sensibilité et une spécificité de 100% et 86%.L’ultrason non linéaire a également été utilisé pour évaluer l'état d'infection de souris dans une expérience contrôlée. Les variations des profils de fréquence mesurées des échantillons de sérum de souris ont montré une bonne corrélation avec infection et ont été attribués à des changements dans les propriétés viscoélastiques des échantillons. Estimations de classification de souris infectées et non infectées ont donné lieu à une sensibilité de 84% et une spécificité de 73%. De plus, les échantillons de sérum de souris ont été mesurés avec un instrument à ultrason hétérodyne à coût réduit. Dans l'ensemble, les méthodes ultrasonores présentées dans cette thèse ont montré des avantages par rapport aux méthodes classiques pour surveiller les changements chimiques dans les fluides biologiques