Interfacing low-energy SAW nebulization with liquid chromatography-mass spectrometry for the analysis of biological samples

Soft ionization methods for the introduction of labile biomolecules into a mass spectrometer are of fundamental importance to biomolecular analysis. Previously, electrospray ionization (ESI) and matrix assisted laser desorption-ionization (MALDI) have been the main ionization methods used. Surface acoustic wave nebulization (SAWN) is a new technique that has been demonstrated to deposit less energy into ions upon ion formation and transfer for detection than other methods for sample introduction into a mass spectrometer (MS). Here we report the optimization and use of SAWN as a nebulization technique for the introduction of samples from a low flow of liquid, and the interfacing of SAWN with liquid chromatographic separation (LC) for the analysis of a protein digest. This demonstrates that SAWN can be a viable, low-energy alternative to ESI for the LC-MS analysis of proteomic samples.

Phase noise tolerance study in coherent optical circular QAM transmissions with Viterbi- Viterbi carrier phase estimation

We present a performance evaluation of a non-conventional approach to implement phase noise tolerant optical systems with multilevel modulation formats. The performance of normalized Viterbi-Viterbi carrier phase estimation (V-V CPE) is investigated in detail for circular m-level quadrature amplitude modulation (C-mQAM) signals. The intrinsic property of C-mQAM constellation points with a uniform phase separation allows a straightforward employment of V-V CPE without the need to adapt constellation. Compared with conventional feed-forward CPE for square QAM signals, the simulated results show an enhanced tolerance of linewidth symbol duration product (ΔvTs) at a low sensitivity penalty by using feed-forward CPE structure with C-mQAM. This scheme can be easily upgraded to higher order modulations without inducing considerable complexity.

Monte Carlo determination of the phase diagram of the double-exchange model

We study the phase diagram of the double exchange model, with antiferromagnetic interactions, in a cubic lattice both at zero and finite temperature. There is a rich variety of magnetic phases, combined with regions where phase separation takes place. We identify phases, intrinsic to the cubic lattice, which are stable for realistic values of the interactions and dopings. Some of these phases break chiral symmetry, leading to unusual features.

Room temperature electromechanical and magnetic investigations of ferroelectric Aurivillius phase Bi5Ti3(FexMn1−x)O15 (x = 1 and 0.7) chemical solution deposited thin films

Aurivillius phase thin films of Bi5Ti3(FexMn1−x)O15 with x = 1 (Bi5Ti3FeO15) and 0.7 (Bi5Ti3Fe0.7Mn0.3O15) on SiO2-Si(100) and Pt/Ti/SiO2-Si substrates were fabricated by chemical solution deposition. The method was optimized in order to suppress formation of pyrochlore phase Bi2Ti2O7 and improve crystallinity. The structuralproperties of the films were examined by x-ray diffraction, scanning electron microscopy, and atomic force microscopy. Optimum crystallinity and pyrochlore phase suppression was achieved by the addition of 15 to 25 mol. % excess bismuth to the sols. Based on this study, 17.5 mol. % excess bismuth was used in the preparation of Bi2Ti2O7-free films of Bi5Ti3FeO15 on SrTiO3(100) and NdGaO3(001) substrates, confirming the suppression of pyrochlore phase using this excess of bismuth. Thirty percent of the Fe3+ ions in Bi5Ti3FeO15 was substituted with Mn3+ ions to form Bi2Ti2O7-free thin films of Bi5Ti3Fe0.7Mn0.3O15 on Pt/Ti/SiO2-Si, SiO2-Si(100), SrTiO3(100), and NdGaO3(001) substrates. Bi5Ti3FeO15 and Bi5Ti3Fe0.7Mn0.3O15thin films on Pt/Ti/SiO2-Si and SiO2-Si(100) substrates were achieved with a higher degree of a-axis orientation compared with the films on SrTiO3(100) and NdGaO3(001) substrates. Room temperature electromechanical and magnetic properties of the thin films were investigated in order to assess the potential of these materials for piezoelectric,ferroelectric, and multiferroic applications. Vertical piezoresponse force microscopy measurements of the films demonstrate that Bi5Ti3FeO15 and Bi5Ti3Fe0.7Mn0.3O15thin films are piezoelectric at room temperature. Room temperature switching spectroscopy-piezoresponse force microscopy measurements in the presence and absence of an applied bias demonstrate local ferroelectric switching behaviour (180°) in the films. Superconducting quantum interference device magnetometry measurements do not show any room temperature ferromagnetic hysteresis down to an upper detection limit of 2.53 × 10−3 emu; and it is concluded, therefore, that such films are not mutiferroic at room temperature. Piezoresponse force microscopy lithography images of Bi5Ti3Fe0.7Mn0.3O15thin films are presented.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Design and Implementation of Tools for STM Studies in UHV and at the Solid-Liquid Interface

This thesis presents details of the design and development of novel tools and instruments for scanning tunneling microscopy (STM), and may be considered as a repository for several years' worth of development work. The author presents design goals and implementations for two microscopes. First, a novel Pan-type STM was built that could be operated in an ambient environment as a liquid-phase STM. Unique features of this microscope include a unibody frame, for increased microscope rigidity, a novel slider component with large Z-range, a unique wiring scheme and damping mechanism, and a removable liquid cell. The microscope exhibits a high level of mechanical isolation at the tunnel junction, and operates excellently as an ambient tool. Experiments in liquid are on-going. Simultaneously, the author worked on designs for a novel low temperature, ultra-high vacuum (LT-UHV) instrument, and these are presented as well. A novel stick-slip vertical coarse approach motor was designed and built. To gauge the performance of the motor, an in situ motion sensing apparatus was implemented, which could measure the step size of the motor to high precision. A new driving circuit for stick-slip inertial motors is also presented, that o ffers improved performance over our previous driving circuit, at a fraction of the cost. The circuit was shown to increase step size performance by 25%. Finally, a horizontal sample stage was implemented in this microscope. The build of this UHV instrument is currently being fi nalized. In conjunction with the above design projects, the author was involved in a collaborative project characterizing N-heterocyclic carbene (NHC) self-assembled monolayers (SAMs) on Au(111) films. STM was used to characterize Au substrate quality, for both commercial substrates and those manufactured via a unique atomic layer deposition (ALD) process by collaborators. Ambient and UHV STM was then also used to characterize the NHC/Au(111) films themselves, and several key properties of these films are discussed. During this study, the author discovered an unexpected surface contaminant, and details of this are also presented. Finally, two models are presented for the nature of the NHC-Au(111) surface interaction based on the observed film properties, and some preliminary theoretical work by collaborators is presented.

Interference lithography for optical devices and coatings

Interference lithography can create large-area, defect-free nanostructures with unique optical properties. In this thesis, interference lithography will be utilized to create photonic crystals for functional devices or coatings. For instance, typical lithographic processing techniques were used to create 1, 2 and 3 dimensional photonic crystals in SU8 photoresist. These structures were in-filled with birefringent liquid crystal to make active devices, and the orientation of the liquid crystal directors within the SU8 matrix was studied. Most of this thesis will be focused on utilizing polymerization induced phase separation as a single-step method for fabrication by interference lithography. For example, layered polymer/nanoparticle composites have been created through the one-step two-beam interference lithographic exposure of a dispersion of 25 and 50 nm silica particles within a photopolymerizable mixture at a wavelength of 532 nm. In the areas of constructive interference, the monomer begins to polymerize via a free-radical process and concurrently the nanoparticles move into the regions of destructive interference. The holographic exposure of the particles within the monomer resin offers a single-step method to anisotropically structure the nanoconstituents within a composite. A one-step holographic exposure was also used to fabricate self- healing coatings that use water from the environment to catalyze polymerization. Polymerization induced phase separation was used to sequester an isocyanate monomer within an acrylate matrix. Due to the periodic modulation of the index of refraction between the monomer and polymer, the coating can reflect a desired wavelength, allowing for tunable coloration. When the coating is scratched, polymerization of the liquid isocyanate is catalyzed by moisture in air; if the indices of the two polymers are matched, the coatings turn transparent after healing. Interference lithography offers a method of creating multifunctional self-healing coatings that readout when damage has occurred.

Kinetic study of solid phase demineralization by weak acids in one-step enzymatic bio-refinery of shrimp cuticles

We describe a one-step bio-refinery process for shrimp composites by-products. Its originality lies in a simple rapid (6 h) biotechnological cuticle fragmentation process that recovers all major compounds (chitins, peptides and minerals in particular calcium). The process consists of a controlled exogenous enzymatic proteolysis in a food-grade acidic medium allowing chitin purification (solid phase), and recovery of peptides and minerals (liquid phase). At a pH of between 3.5 and 4, protease activity is effective, and peptides are preserved. Solid phase demineralization kinetics were followed for phosphoric, hydrochloric, acetic, formic and citric acids with pKa ranging from 2.1 to 4.76. Formic acid met the initial aim of (i) 99 % of demineralization yield and (ii) 95 % deproteinization yield at a pH close to 3.5 and a molar ratio of 1.5. The proposed one-step process is proven to be efficient. To formalize the necessary elements for the future optimization of the process, two models to predict shell demineralization kinetics were studied, one based on simplified physical considerations and a second empirical one. The first model did not accurately describe the kinetics for times exceeding 30 minutes, the empirical one performed adequately.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Formulation and stability of topical water in oil emulsion containing corn silk extract

Purpose: To formulate the water in oil (W/O) emulsion of corn silk (CS) extract and to evaluate its stability at various storage conditions. Methods: Ethanol CS extract was prepared using maceration (cold) technique. A 4 % CS emulsion was prepared using varying concentrations of liquid paraffin, ABIL EM90 and water. The formulations were kept at 40 oC for 28 days and to screen out the less stable formulations. The remaining formulations were further stressed at 50 oC to choose the most stable formulation. The optimized formulation was evaluated for physical characteristics including phase separation, rheology and mean droplet size. The physical stability of the formulation was evaluated by monitoring these parameters over a period of 12 weeks at 8, 25, 40 and 40 oC, and 75 % RH. Results: The chosen formulation showed good resistance to phase separation on centrifugation under all storage conditions. Rheological behavior followed non-Newtonian pseudoplastic pattern at various storage conditions. Mean droplet size of freshly prepared formulation was 2.98 ± 1.32 µm and did not show significant (p < 0.05) changes at normal storage conditions (8 and 25 oC). Conclusion: The findings indicate that the developed CS extract W/O emulsion is stable and therefore may be suitable for topical use on skin as an antioxidant preparation.

The influence of architecture on degradation and tissue ingrowth into three-dimensional poly(lactic-co-glycolic acid) scaffolds in vitro and in vivo

The in vitro and in vivo degradation properties of poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) scaffolds produced by two different technologies - thermally induced phase separation (TIPS), and solvent casting and particulate leaching (SCPL) were compared. Over 6 weeks, in vitro degradation produced changes in SCPL scaffold dimension, mass, internal architecture and mechanical properties. TIPS scaffolds produced far less changes in these parameters providing significant advantages over SCPL. In vivo results were based on a microsurgically created arteriovenous (AV) loop sandwiched between two TIPS scaffolds placed in a polycarbonate chamber under rat groin skin. Histologically, a predominant foreign body giant cell response and reduced vascularity was evident in tissue ingrowth between 2 and 8 weeks in TIPS scaffolds. Tissue death occurred at 8 weeks in the smallest pores. Morphometric comparison of TIPS and SCPL scaffolds indicated slightly better tissue ingrowth but greater loss of scaffold structure in SCPL scaffolds. Although advantageous in vitro, large surface area:volume ratios and varying pore sizes in PLGA TIPS scaffolds mean that effective in vivo (AV loop) utilization will only be achieved if the foreign body response can be significantly reduced so as to allow successful vascularisation, and hence sustained tissue growth, in pores less than 300 μm. © 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Subliquidus glass-glass immiscibility along the albite-diopside join

A calorimetric study has shown that glasses along the albite-diopside join in the system albiteanorthite-diopside have positive enthalpies of mixing. Thermodynamic calculations based on these data describe a nearly symmetric, metastable, subliquidus irascibility gap along the join with a critical temperature at 910 K. The existence of the miscibility gap was tested experimentally by annealing an Ab50Di50 glass at 748 K and 823 K. Annealed glasses were examined by optical microscopy and by scanning and transmission electron microscopy. The glasses showed morphological and chemical features consistent with unmixing of two glass phases. The apparent mechanism of phase separation involves initial spinodal decomposition followed by coarsening to produce 0.1 μm–0.3 μm spherical glass phases.