Modelling of vegetative filter strips in catchment scale erosin control

Selostus: Valuma-aluetason mallisovellus suojakaistojen käytöstä eroosion torjunnassa

On the Application of Beam on Elastic Foundation Theory to the Analysis of Stiffened Plate Strips

The main objective of this thesis is to show that plate strips subjected to transverse line loads can be analysed by using the beam on elastic foundation (BEF) approach. It is shown that the elastic behaviour of both the centre line section of a semi infinite plate supported along two edges, and the free edge of a cantilever plate strip can be accurately predicted by calculations based on the two parameter BEF theory. The transverse bending stiffness of the plate strip forms the foundation. The foundation modulus is shown, mathematically and physically, to be the zero order term of the fourth order differential equation governing the behaviour of BEF, whereas the torsion rigidity of the plate acts like pre tension in the second order term. Direct equivalence is obtained for harmonic line loading by comparing the differential equations of Levy's method (a simply supported plate) with the BEF method. By equating the second and zero order terms of the semi infinite BEF model for each harmonic component, two parameters are obtained for a simply supported plate of width B: the characteristic length, 1/ λ, and the normalized sum, n, being the effect of axial loading and stiffening resulting from the torsion stiffness, nlin. This procedure gives the following result for the first mode when a uniaxial stress field was assumed (ν = 0): 1/λ = √2B/π and nlin = 1. For constant line loading, which is the superimposition of harmonic components, slightly differing foundation parameters are obtained when the maximum deflection and bending moment values of the theoretical plate, with v = 0, and BEF analysis solutions are equated: 1 /λ= 1.47B/π and nlin. = 0.59 for a simply supported plate; and 1/λ = 0.99B/π and nlin = 0.25 for a fixed plate. The BEF parameters of the plate strip with a free edge are determined based solely on finite element analysis (FEA) results: 1/λ = 1.29B/π and nlin. = 0.65, where B is the double width of the cantilever plate strip. The stress biaxial, v > 0, is shown not to affect the values of the BEF parameters significantly the result of the geometric nonlinearity caused by in plane, axial and biaxial loading is studied theoretically by comparing the differential equations of Levy's method with the BEF approach. The BEF model is generalised to take into account the elastic rotation stiffness of the longitudinal edges. Finally, formulae are presented that take into account the effect of Poisson's ratio, and geometric non linearity, on bending behaviour resulting from axial and transverse inplane loading. It is also shown that the BEF parameters of the semi infinite model are valid for linear elastic analysis of a plate strip of finite length. The BEF model was verified by applying it to the analysis of bending stresses caused by misalignments in a laboratory test panel. In summary, it can be concluded that the advantages of the BEF theory are that it is a simple tool, and that it is accurate enough for specific stress analysis of semi infinite and finite plate bending problems.

Cost-effective measures for diffuse load abatement in forestry

Abstract

Laimentimen merkitys metallien neste-nesteuutossa

Työssä tutkittiin korkean leimahduspisteen laimentimien vaikutusta uuton tehokkuuteen ja turvallisuuteen. Kirjallisuusosa sisältää katsauksen uuttolaitoksilla tapahtuneista suuronnettomuuksista, staattisen sähkön aiheuttamista vaaroista uuttolaitoksilla ja kaupallisesti saatavista laimentimista. Lisäksi kirjallisuusosassa tarkastellaan hiilivetyjen molekyylirakenteen vaikutusta niiden leimahduspisteeseen, haihtuvuuteen, viskositeettiin ja liuotinominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin uuton tehokkuutta kuvaavia ominaisuuksia, joita olivat sekoituksen pisarakoko, faasien selkeytymisnopeus,uuton ja takaisinuuton kinetiikka, orgaanisen faasin viskositeetti ja tiheys. Uuttoliuosten turvallisuusominaisuuksia tutkittiin mittaamalla synteettisten uuttoliuosten ja laimentimien leimahduspisteitä sekä sähköisesti varattujen laimentimien relaksaatioaikoja. Korkean leimahduspisteen laimentimena käytettiin Orfom SX 11-laimenninta. Vertailukohteena käytettiin Shellsol D70- ja Escaid 100- laimentimia. Malliuuttona käytettiin kuparin uuttoa hydroksioksiimireagensilla happamasta sulfaattiliuoksesta. Kokeissa havaittiin, että korkean leimahduspisteen laimentimen viskositeetti oli huomattavasti suurempi kuin Shellsol D70- laimentimella. Korkea viskositeetti hidasti faasien selkeytymistä uutossa, mutta sillä ei ollut vaikutusta uuton kinetiikkaan tai sekoituksen aiheuttamaan pisarakokoon. Uuttoliuoksen reagenssipitoisuudella havaittiin olevan vaikutusta uuttoliuoksen leimahduspisteeseen, mutta uuttoliuoksen latausasteella ei havaittu olevan vaikutusta. Sähköisesti varattujen laimentimien varauksien relaksaatioajoissa oli hieman eroja, mutta relaksaatioajat olivat kaikilla laimentimilla liian pitkiä staattisen sähkön aiheuttaman vaaran poistamiseksi.

Practical applications of a systematic approach to the chemical abatement of pollutants in water and air

The present dissertation is devoted to the systematic approach to the development of organic toxic and refractory pollutants abatement by chemical decomposition methods in aqueous and gaseous phases. The systematic approach outlines the basic scenario of chemical decomposition process applications with a step-by-step approximation to the most effective result with a predictable outcome for the full-scale application, confirmed by successful experience. The strategy includes the following steps: chemistry studies, reaction kinetic studies in interaction with the mass transfer processes under conditions of different control parameters, contact equipment design and studies, mathematical description of the process for its modelling and simulation, processes integration into treatment technology and its optimisation, and the treatment plant design. The main idea of the systematic approach for oxidation process introduction consists of a search for the most effective combination between the chemical reaction and the treatment device, in which the reaction is supposed to take place. Under this strategy,a knowledge of the reaction pathways, its products, stoichiometry and kinetics is fundamental and, unfortunately, often unavailable from the preliminary knowledge. Therefore, research made in chemistry on novel treatment methods, comprisesnowadays a substantial part of the efforts. Chemical decomposition methods in the aqueous phase include oxidation by ozonation, ozone-associated methods (O3/H2O2, O3/UV, O3/TiO2), Fenton reagent (H2O2/Fe2+/3+) and photocatalytic oxidation (PCO). In the gaseous phase, PCO and catalytic hydrolysis over zero valent ironsare developed. The experimental studies within the described methodology involve aqueous phase oxidation of natural organic matter (NOM) of potable water, phenolic and aromatic amino compounds, ethylene glycol and its derivatives as de-icing agents, and oxygenated motor fuel additives ¿ methyl tert-butyl ether (MTBE) ¿ in leachates and polluted groundwater. Gas-phase chemical decomposition includes PCO of volatile organic compounds and dechlorination of chlorinated methane derivatives. The results of the research summarised here are presented in fifteenattachments (publications and papers submitted for publication and under preparation).

Measuring irregularities and surface defects from printed patterns

Quality inspection and assurance is a veryimportant step when today's products are sold to markets. As products are produced in vast quantities, the interest to automate quality inspection tasks has increased correspondingly. Quality inspection tasks usuallyrequire the detection of deficiencies, defined as irregularities in this thesis. Objects containing regular patterns appear quite frequently on certain industries and science, e.g. half-tone raster patterns in the printing industry, crystal lattice structures in solid state physics and solder joints and components in the electronics industry. In this thesis, the problem of regular patterns and irregularities is described in analytical form and three different detection methods are proposed. All the methods are based on characteristics of Fourier transform to represent regular information compactly. Fourier transform enables the separation of regular and irregular parts of an image but the three methods presented are shown to differ in generality and computational complexity. Need to detect fine and sparse details is common in quality inspection tasks, e.g., locating smallfractures in components in the electronics industry or detecting tearing from paper samples in the printing industry. In this thesis, a general definition of such details is given by defining sufficient statistical properties in the histogram domain. The analytical definition allowsa quantitative comparison of methods designed for detail detection. Based on the definition, the utilisation of existing thresholding methodsis shown to be well motivated. Comparison of thresholding methods shows that minimum error thresholding outperforms other standard methods. The results are successfully applied to a paper printability and runnability inspection setup. Missing dots from a repeating raster pattern are detected from Heliotest strips and small surface defects from IGT picking papers.

Kuparinuuttoliuosten adsorptiopuhdistus

Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa yhdeksän eri adsorbentin sopivuutta kuparinuuttoliuosten adsorptiopuhdistukseen eli savikäsittelyyn. Tarkoituksena oli poistaa uuttoliuoksesta laimentimen ja reagenssin hapettumis- ja hajoamistuotteita. Adsorbenttien sopivuus uuttoliuosten puhdistukseen määritettiin adsorptio-, kinetiikka- ja faasien selkeytymisaikakokeilla. Tehdyissä kokeissa käytettiin sekä hapetettua synteettistä uuttoliuosta että teollisuudesta saatuja autenttisia kuparinuuttoliuoksia. Uuttoreagenssit olivat hydroksi-oksiimeihin perustuvia. Teollisuudesta saaduista käytetyistä adsorbenteista eluoidun liuoksen kaasugromatografi- ja massaspektrometrianalyysissä ei havaittu selviä merkkejä reagenssin tai laimentimen hajoamistuotteista. Savikäsittely lyhensi faasien selkeytymisaikaa merkittävästi. Bentoniittipohjaisten savien havaittiin soveltuvan parhaiten uuttoliuosten adsorptiopuhdistukseen. IR-analyysin perusteella niiden pinnalle adsorboitui myös eniten karbonyyliryhmiä sisältäviä yhdisteitä. Faasien selkeytymisajan havaittiin huonontuvan itsestään liuosten seistessä savikäsittelyn jälkeen. Noin vuorokauden jälkeen selkeytymisaika tasaantui tasolle, joka oli kuitenkin huomattavasti parempi kuin käsittelemättömällä liuoksella. Savikäsittelyssä käytettävän saven optimimäärä oli noin 1 p-%:a ja sekoitusaika muutamia minuutteja. Savikäsittelyllä ei ollut merkittävää vaikutusta kuparinuuton kinetiikkaan. Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa yhdeksän eri adsorbentin sopivuutta kuparinuuttoliuosten adsorptiopuhdistukseen eli savikäsittelyyn. Tarkoituksena oli poistaa uuttoliuoksesta laimentimen ja reagenssin hapettumis- ja hajoamistuotteita. Adsorbe

Nikkelin takaisinuutto karboksyylihappoon perustuvasta uuttoreagenssista

Työssä tutkittiin typpihapon soveltuvuutta nikkelin takaisinuuttoon. Tarkoituksena oli selvittää, millä typpihapon konsentraatioilla orgaaninen faasi, joka koostuu Versatic 10 uuttoreagenssista ja alifaattisesta laimentimesta, alkaa nitrautua tai hapettua ja mitkä ovat mahdolliset sivureaktiot. Lisäksi tutkittiin rikkihapon ja eräiden orgaanisten aineiden kontaminaation vaikutusta uuttoliuokseen. Kirjallisuusosassa kartoitetaan mahdollisten nitrautumisreaktioiden mekanismit, sekä kuvataan laimentimen, uuttoreagenssin ja mahdollisten reaktiotuotteiden ominaisuuksia, sekä niiden mahdollisessa muodostumisessa syntyviä riskejä. Orgaanisen faasin kestotesteissä tutkittavia muuttujia olivat typpi- ja rikkihapon konsentraatio, sekoitusaika, lämpötila, avoin tai suljettu astia sekä vieraiden aineiden kontaminaatio. Kontaminaatiota aiheuttavien orgaanisten materiaalien funktionaaliset ryhmät olivat hydroksi-, karbonyyli- ja amiiniryhmät, joiden lisäksi tutkittiin syklisen yhdisteen kontaminaatiota. Analyyseissä käytettiin FT-IR- spektroskopiaa, jolla tutkittiin reagenssin funktionaalisen ryhmän reaktioita ja uusien ryhmien muodostumista, sekä seurattiin selkeytyksessä erottumattomien typpiyhdisteiden määrää ja laatua orgaanisessa faasissa. Uuttofaasin koostumuksen muutosta seurattiin myös mittaamalla leimahduspisteen muutosta.

Two-photon excitation fluorometry in detection of infectious diseases

Because of the heavily overlapping symptoms, pathogen-specific diagnosis and treatment of infectious diseases is difficult based on clinical symptoms alone. Therefore, patients are often treated empirically. More efficient treatment and management of infectious diseases would require rapid point-of-care compatible in vitro diagnostic methods. However, current point-of-care methods are unsatisfactory in performance and in cost structure. The lack of pointof- care methods results in unnecessary use of antibiotics, suboptimal use of virus-specific drugs, and compromised patient care. In this thesis, the applicability of a two-photon excitation fluorometry is evaluated as a tool for rapid detection of infectious diseases. New separation-free immunoassay methodologies were developed and validated for the following application areas: general inflammation markers, pathogen-specific antibodies, pathogen-specific antigens, and antimicrobial susceptibility testing. In addition, dry-reagent methodology and nanoparticulate tracers are introduced in context to the technique. The results show that the new assay technique is a versatile tool for rapid detection of infectious diseases in many different application areas. One particularly attractive area is rapid multianalyte testing of respiratory infections, where the technique was shown to allow simple assay protocols and comparable performance to the state-of-the-art laboratory methods. If implemented in clinical diagnostic use, the new methods could improve diagnostic testing routines, especially in rapid testing of respiratory tract infections.

Metallien talteenotto kloridiliuoksesta

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja kehittää menetelmä arvometallien kuten kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin talteenottoon metallikloridiliuoksesta. Tavoitteena oli valita taloudellisin ja ympäristöystävällisin menetelmä, jolla saadaan nämä arvometallit myyntituotteiksi. Lisäksi puhdistetun prosessiveden tuli täyttää asetetut tavoitteet. Kirjallisuustyön perusteella laskettiin viidelle eri prosessivaihtoehdolle ainetaseet HSC Sim 6.0 ohjelmalla, joka on HSC Chemistry-pohjainen prosessien simulointi- ja mallinnusohjelma. Kaikissa vaihtoehdoissa oli ensimmäisenä prosessiosana kuparin, sinkin, koboltin ja nikkelin sulfidisaostus ja sakan pesu. Sulfidisaostusta seurasi vaihtoehtoisesti joko 1) hapetus hapella ja hydroksidisaostus, 2) hapetus vetyperoksidilla ja hydroksidisaostus, 3) pelkkä hydroksidisaostus, 4) hapetus SO2/O2-kaasuseoksella ja hydroksidisaostus tai 5) karbonaattisaostus. Taselaskennan perusteella valittiin kokeelliseen osaan tutkittavat prosessivaihtoehdot, jotka olivat sulfidisaostus, hydroksidisaostus, SO2/O2- hapetus ja hydroksidisaostus sekä karbonaattisaostus. Kokeissa arvometallit saatiin talteenotettua sulfidisaostuksella selektiivisimmin lämpötilassa 55 °C ja pH:ssa 4. Näissä olosuhteissa reagenssin kulutus verrattaessa muihin tehtyihin sulfidisaostuksiin oli pienin. Sakka laskeutui ja suotautui hyvin. Loppusakan sisältämien metallien (kupari, sinkki ja koboltti) pitoisuudet olivat korkeimmat. Myös nikkelin määrä oli suuri. Mangaani ja rauta saatiin talteenotettua selektiivisimmin karbonaattisaostuksella lämpötilassa 65 °C. Sakka sisälsi eniten mangaania. Sakka laskeutui ja suotautui hyvin. Tällä menetelmällä puhdistetun prosessiveden laatu täytti asetetut tavoitteet.

Hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistus ja karakterisointi

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistusmenetelmiä, kokeilla eri menetelmiä käytännössä ja tutkia sekä itse valmistettujen että valmiina saatujen hartsien adsorptiokykyä ja muita ominaisuuksia. Kemiallinen adsorptio amiiniryhmän omaavien hartsien avulla on yksi tapa sitoa hiilidioksidia ilmasta. Primäärinen amiiniryhmä sitoo hiilidioksidia parhaiten. Primäärisen amiiniryhmän omaava anioninvaihtohartsi voidaan valmistaa pohjapolymeeristä halogeenialkyloimalla ja aminoimalla, aminoalkyloimalla tai suoraan aminoimalla. Aminoalkylointi voidaan suorittaa erilaisilla reagensseilla ja katalyyteillä. Tässä työssä hartseja valmistettiin aminoimalla polymetyyliakrylaattidivinyylibentseenipohjaista polymeeriä etyylidiamiinilla ja propyylidiamiinilla. Lisäksi suoritettiin polystyreeni-divinyylibentseenipohjaisen polymeerin aminoalkylointi bis(ftaali-imidometyyli)eetterin avulla. Reaktio tehtiin kahdella eri katalyytillä; rikkitrioksidilla ja rautakloridilla. Aminoalkylointireaktioissa tarvittava eetteri piti ennen varsinaista reaktiota valmistaa N-hydroksymetyyliftaali-imidistä. Myös tämän reagenssin syntetisointia ftaali-imidistä kokeiltiin. Kaikki synteesit onnistuivat melko hyvin, paitsi aminoalkylointi rautakloridikatalyytillä. Hartsien valmistuksen lisäksi itse valmistettuja primäärisen amiiniryhmän omaavia hartseja sekä erilaisia amiiniryhmiä omaavia valmiita hartseja karakterisoitiin eri tavoin. Erityisesti haluttiin tutkia hiilidioksidin adsorptiokapasiteettia ja hartsien termistä kestävyyttä. Kaikista tutkituista hartseista lähimpänä haluttuja ominaisuuksia olivat kaksi kaupallista primäärisen amiiniryhmän omaavaa PS-DVBpohjaista makrohuokoista hartsia. Rakenteeltaan samanlainen itse valmistettu hartsi (rikkitrioksidikatalyytin läsnä ollessa aminoalkyloitu) oli myös ominaisuuksiltaan lupaava. Valmistusmenetelmää pitää kuitenkin tutkia ja kehittää lisää vielä parempien tulosten aikaansaamiseksi. Myös kaupallinen polyetyleeni-imiinirakenteen omaava silikapohjainen hartsi oli ominaisuuksiltaan hyvä.

Homogeneous Assays for Simplified Screening of HLA-conferred Genetic Disease Risk

The increasing incidence of type 1 diabetes has led researchers on a quest to find the reason behind this phenomenon. The rate of increase is too great to be caused simply by changes in the genetic component, and many environmental factors are under investigation for their possible contribution. These studies require, however, the participation of those individuals most likely to develop the disease, and the approach chosen by many is to screen vast populations to find persons with increased genetic risk factors. The participating individuals are then followed for signs of disease development, and their exposure to suspected environmental factors is studied. The main purpose of this study was to find a suitable tool for easy and inexpensive screening of certain genetic risk markers for type 1 diabetes. The method should be applicable to using whole blood dried on sample collection cards as sample material, since the shipping and storage of samples in this format is preferred. However, the screening of vast sample libraries of extracted genomic DNA should also be possible, if such a need should arise, for example, when studying the effect of newly discovered genetic risk markers. The method developed in this study is based on homogeneous assay chemistry and an asymmetrical polymerase chain reaction (PCR). The generated singlestranded PCR product is probed by lanthanide-labelled, LNA (locked nucleic acid)-spiked, short oligonucleotides with exact complementary sequences. In the case of a perfect match, the probe is hybridised to the product. However, if even a single nucleotide difference occurs, the probe is bound instead of the PCR product to a complementary quencher-oligonucleotide labelled with a dabcyl-moiety, causing the signal of the lanthanide label to be quenched. The method was applied to the screening of the well-known type 1 diabetes risk alleles of the HLA-DQB1 gene. The method was shown to be suitable as an initial screening step including thousands of samples in the scheme used in the TEDDY (The Environmental Determinants of Diabetes in the Young) study to identify those individuals at increased genetic risk. The method was further developed into dry-reagent form to allow an even simpler approach to screening. The reagents needed in the assay were in dry format in the reaction vessel, and performing the assay required only the addition of the sample and, if necessary, water to rehydrate the reagents. This allows the assay to be successfully executed even by a person with minimal laboratory experience.

Inactive endosialidase-based detection of bacterial and oncofetal polysialic acid

Polysialic acid is a carbohydrate polymer which consist of N-acetylneuraminic acid units joined by alpha2,8-linkages. It is developmentally regulated and has an important role during normal neuronal development. In adults, it participates in complex neurological processes, such as memory, neural plasticity, tumor cell growth and metastasis. Polysialic acid also constitutes the capsule of some meningitis and sepsis-causing bacteria, such as Escherichia coli K1, group B meningococci, Mannheimia haemolytica A2 and Moraxella nonliquefaciens. Polysialic acid is poorly immunogenic; therefore high affinity antibodies against it are difficult to prepare, thus specific and fast detection methods are needed. Endosialidase is an enzyme derived from the E. coli K1 bacteriophage, which specifically recognizes and degrades polysialic acid. In this study, a novel detection method for polysialic acid was developed based on a fusion protein of inactive endosialidase and the green fluorescent protein. It utilizes the ability of the mutant, inactive endosialidase to bind but not cleave polysialic acid. Sequencing of the endosialidase gene revealed that amino acid substitutions near the active site of the enzyme differentiate the active and inactive forms of the enzyme. The fusion protein was applied for the detection of polysialic acid in bacteria and neuroblastoma. The results indicate that the fusion protein is a fast, sensitive and specific reagent for the detection of polysialic acid. The use of an inactive enzyme as a specific molecular tool for the detection of its substrate represents an approach which could potentially find wide applicability in the specific detection of diverse macromolecules.

Hemiselluloosien erotus ja in situ -modifiointi

Hemiselluloosat kuuluvat selluloosan ja ligniinin ohella puun ja muiden kasvimateriaalien päärakenneaineksiin. Hemiselluloosan kemiallisessa koostumuksessa on eroja kasvilajien välillä, mikä tekee ryhmästä hyvin monimuotoisen. Lehtipuiden pääasiallinen hemiselluloosa on glukuroniksylaani. Ksylaaneja esiintyy laajasti myös muissa kasveissa erilaisina rakenteina. Havupuiden yleisin hemiselluloosa on puolestaan galaktoglukomannaani. Arabinogalaktaani on erityisesti lehtikuusesta runsaana löytyvä hemiselluloosa, jota muissa puulajeissa on vain vähän. Luonnon polymeerejä tutkitaan jatkuvasti muun muassa vaihtoehtojen löytämiseksi raakaöljypohjaisille tuotteille. Aiemmin hemiselluloosia on pääosin hyödynnetty sellaisenaan tai jalostettu esimerkiksi sokereiksi. Selluloosan ja tärkkelyksen tavoin ne voivat kuitenkin toimia myös kemiallisen, fysikaalisen tai entsymaattisen muokkauksen lähtöaineena. Hemiselluloosien käyttöä rajoittaa usein se, että niiden eristäminen kasvimateriaalista hyvällä saannolla on vaikeaa. Useimmiten hemiselluloosa erotetaan biomassasta ligniinin poiston jälkeen uuttamalla erilaisilla reagensseilla, kuten emäksillä. Arabinogalaktaanin erottamiseen ei kuitenkaan vaadita ankaria olosuhteita, vaan yleisimmin siihen riittää uutto vedellä. Kalvosuodatus puolestaan on hyvä keino hemiselluloosan talteenottoon uuttoliuoksista. Tässä työssä tarkasteltiin arabinogalaktaanin erotusta siperianlehtikuusesta uuttokokein. Saadut uuttoliuokset konsentrointiin ja puhdistettiin kalvosuodatusmenetelmillä. Lisäksi tutkittiin eristetyn arabinogalaktaanin käyttöä kemiallisen muokkauksen lähtöaineena, missä pyrkimyksenä oli etenkin in situ -modifiointi suoraan uuttoliuoksessa oleville yhdisteille. Uuttokokeilla saatiin kuitenkin vain pieni osa lehtikuusen arabinogalaktaanista erotetuksi. Myös kalvosuodatusvaiheen aikana menetettiin osa uuttoliuosten arabinogalaktaanista. Koska arabinogalaktaanipitoisuus uuttoliuoksissa jäi hyvin alhaiseksi, in situ -modifiointeja oli vaikea saada onnistumaan. Uutto-olosuhteiden lisätutkimuksella sekä kiinnittämällä erityistä huomiota suodatuskalvojen valintaan voitaneen pitoisuutta nostaa ja saada lisämateriaalia kemiallista muokkausta varten.

Evolution of Bioaffinity Reagents by Phage Display

Antibodies are natural binding proteins produced in vertebrates as a response to invading pathogens and foreign substances. Because of their capability for tight and specific binding, antibodies have found use as binding reagents in research and diagnostics. Properties of cloned recombinant antibodies can be further improved by means of in vitro evolution, combining mutagenesis with subsequent phage display selection. It is also possible to isolate entirely new antibodies from vast naïve or synthetic antibody libraries by phage display. In this study, library techniques and phage display selection were applied in order to optimise binding scaffolds and antigen recognition of antibodies, and to evolve new and improved bioaffinity reagents. Antibody libraries were generated by random and targeted mutagenesis. Expression and stability were mainly optimised by the random methods whereas targeted randomisation of the binding site residues was used for optimising the binding properties. Trinucleotide mutagenesis allowed design of defined randomisation patterns for a synthetic antibody library. Improved clones were selected by phage display. Capture by a specific anti- DHPS antibody was exploited in the selection of improved phage display of DHPS. Efficient selection for stability was established by combining phage display selection with denaturation under reducing conditions. Broad-specific binding of a generic anti-sulfonamide antibody was improved by selection with one of the weakest binding sulfonamides. In addition, p9 based phage display was studied in affinity selection from the synthetic library. A TIM barrel protein DHPS was engineered for efficient phage display by combining cysteinereplacement with random mutagenesis. The resulting clone allows use of phage display in further engineering of DHPS and possibly use as an alternative-binding scaffold. An anti-TSH scFv fragment, cloned from a monoclonal antibody, was engineered for improved stability to better suite an immunoassay. The improved scFv tolerates 8 – 9 °C higher temperature than the parental scFv and should have sufficient stability to be used in an immunoanalyser with incubation at 36 °C. The anti-TSH scFv fragment was compared with the corresponding Fab fragment and the parental monoclonal antibody as a capturing reagent in a rapid 5-min immunoassay for TSH. The scFv fragment provided some benefits over the conventionally used Mab in anayte-binding capacity and assay kinetics. However, the recombinant Fab fragment, which had similar kinetics to the scFv, provided a more sensitive and reliable assay than the scFv. Another cloned scFv fragment was engineered in order to improve broad-specific recognition of sulfonamides. The improved antibody detects different sulfonamides at concentrations below the maximum residue limit (100 μg/kg in EU and USA) and allows simultaneous screening of different sulfonamide drug residues. Finally, a synthetic antibody library was constructed and new antibodies were generated and affinity matured entirely in vitro. These results illuminate the possibilities of phage display and antibody engineering for generation and optimisation of binding reagents in vitro and indicate the potential of recombinant antibodies as affinity reagents in immunoassays.