Nanocomposites for SERS : synthesis, optical and analytical studies

Esta tese descreve diversas estratégias preparativas assim como estudos de caracterização de nanocompósitos e outras nanoestruturas, para a análise em espectroscopia de Raman com intensificação por superfície (SERS). Em particular foi estudada a incorporação de nanopartículas (NPs) metálicas de Ag e Au em matrizes poliméricas visando avaliar o potencial destes materiais como novos substratos para SERS na deteção de moléculas. O primeiro capítulo consiste numa revisão bibliográfica, onde é destacado o desenvolvimento de novos substratos para SERS utilizando nomeadamente nanopartículas de Ag, Au e Cu. Numa primeira fase, esta secção apresenta uma breve descrição sobre as propriedades plasmónicas dos metais utilizados e alguns conceitos básicos de espectroscopia de difusão de Raman. Posteriormente, descreve-se em mais detalhe o efeito de SERS, revendo-se sobretudo a química de materiais descrita em trabalhos recentes tendo em conta a sua utilização como novas plataformas para análise química por SERS. O capítulo 2 descreve a síntese e caracterização de nanocompósitos de poli(acrilato de butilo) obtidos através de polimerização in situ por miniemulsão na presença de nanopartículas de Ag. Os nanocompósitos Ag/PtBA foram investigados como novos substratos de SERS visando o desenvolvimento de novas plataformas versáteis para deteção molecular. Estudos como o efeito da temperatura, pH e pressão foram investigados, visando a compreensão do efeito da matriz polimérica na difusão/adsorção do analito (ácido tiossalicílico) na superfície metálica. No capítulo 3, os nanocompósitos de Ag/PtBA descritos anteriormente foram investigados detalhadamente como substratos para bio-deteção em SERS, usando a adenina como analito modelo. Os nanocompósitos foram submetidos a vários tratamentos pré-analíticos para a bio-deteção da adenina. Foram realizadas experiências nos sistemas Ag/PtBA de modo a obter informação sobre o efeito do pH na deteção deste analito em soluções aquosas diluídas. Os nanocompósitos poliméricos obtidos apresentam a vantagem de poderem ser processados utilizando tecnologia disponível. Pelo que o estudo das suas propriedades térmicas é especialmente relevante. Assim, a influência da incorporação de NPs inorgânicas na temperatura de transição vítrea (Tg) do polímero PtBA foi investigada por meio de calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e os resultados são apresentados no capítulo 4. Estes estudos descrevem efeitos na Tg do PtBA quando analisado em nanocompósitos obtidos por diferentes métodos (métodos ex situ e in situ), contendo nanopartículas metálicas com diferentes distribuições de tamanho e presentes em quantidade variável na matriz polimérica. Estes estudos possibilitaram relacionar a influência das NPs metálicas na mobilidade das cadeias poliméricas com as propriedades térmicas observadas. O capítulo 5 descreve a preparação e caracterização de materiais compósitos de base polimérica (PtBA) e NPs de Au com morfologia de bastonetes (NRs). Estes materiais foram investigados como substratos para SERS tendo originado um bom sinal de SERS na análise de 2-2’-ditiodipiridina. Investigouse igualmente o efeito da variação da morfologia das NPs metálicas (esferas e bastonetes), a razão de aspecto (R.A.) dos bastonetes e o tipo de matriz polimérica (PtBA e PnBA) no sinal de SERS. No capítulo 6 é descrita a utilização da técnica de SERS como método alternativo para a monitorização de alterações morfológicas de coloides de NRs de Au. Os NRs de Au foram recolhidos em diferentes fases de oxidação promovida pela presença de K2S2O8 e a sua sensibilidade como substratos de SERS foi avaliada utilizando o anião dietilditiocarbamato (DTC) como analito modelo. Os estudos foram realizados utilizando as linhas de excitação a 1064 nm e 633 nm. Este estudo demonstrou que a sensibilidade dos NRs de Au como substratos de SERS diminui à medida que a sua R.A. diminui devido à competitividade do CTAB (estabilizante) e o DTC pela superfície dos NRs. É de salientar que este processo é acompanhado por um diferente comportamento em termos de adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. O capítulo 7 introduz um novo tipo de compósitos para SERS, utilizando matrizes biopoliméricas. Assim, descreve-se a preparação e caracterização de nanocompósitos de carragenano e NPs de Ag. Nesta secção é avaliada a utilização destes materiais como novos substratos para a análise em SERS, utilizando a 2-2’-ditiodipiridina como molécula modelo. Descrevem-se estudos pioneiros que procuram relacionar a dependência do sinal de SERS com a força do gel. Para tal, realizou-se um estudo sistemático aos nanobiocompósitos usados como substratos de SERS em diferentes condições analíticas e investigaram-se as suas propriedades reológicas. No capitulo 8 é descrita a investigação de nanocompósitos de Ag/Gelatina como substratos para SERS, utilizando o anião dietilditiocarbamato como analito modelo. Realizaram-se várias experiências para correlacionar a variação da força do gel com o aumento do sinal de SERS bem como a diferente adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. Ao longo desta dissertação são apresentados metodologias distintas para a preparação e obtenção de nanocompósitos com base em polímeros (sintéticos ou naturais) e NPs metálicas (Ag e Au). Esta investigação não só permitiu a síntese e estudo de novos substratos para SERS mas também a compreensão do efeito matriz/NPs metálicas no sinal de SERS e na formação de “hot spots”. Este trabalho contribui para o enriquecimento na área da Nanociência e Nanotecnologia demonstrando a eficácia e reprodutibilidade de nanocompósitos com base em polímeros como novos substratos para SERS. Embora as propriedades óticas apresentadas por estes materiais serem aqui direcionadas para a deteção molecular pela técnica de SERS, estes materiais podem ser investigados em outras área tecnológicas.

Monitoring sandy shores morphologies by DGPS: a practical tool to generate digital elevation models

The highly dynamic nature of some sandy shores with continuous morphological changes require the development of efficient and accurate methodological strategies for coastal hazard assessment and morphodynamic characterisation. During the past decades, the general methodological approach for the establishment of coastal monitoring programmes was based on photogrammetry or classical geodetic techniques. With the advent of new geodetic techniques, space-based and airborne-based, new methodologies were introduced in coastal monitoring programmes. This paper describes the development of a monitoring prototype that is based on the use of global positioning system (GPS). The prototype has a GPS multiantenna mounted on a fast surveying platform, a land vehicle appropriate for driving in the sand (four-wheel quad). This system was conceived to perform a network of shore profiles in sandy shores stretches (subaerial beach) that extend for several kilometres from which high-precision digital elevation models can be generated. An analysis of the accuracy and precision of some differential GPS kinematic methodologies is presented. The development of an adequate survey methodology is the first step in morphodynamic shore characterisation or in coastal hazard assessment. The sample method and the computational interpolation procedures are important steps for producing reliable three-dimensional surface maps that are real as possible. The quality of several interpolation methods used to generate grids was tested in areas where there were data gaps. The results obtained allow us to conclude that with the developed survey methodology, it is possible to Survey sandy shores stretches, under spatial scales of kilometers, with a vertical accuracy of greater than 0.10 m in the final digital elevation models.

Influence of substrates composition on immunomodulation by MSCs

Mesenchymal stem cells (MSCs) are non-hematopoietic multipotent stem cells capable to self-renew and differentiate along different cell lineages. MSCs can be found in adult tissues and extra embryonic tissues like the umbilical cord matrix/Wharton’s Jelly (WJ). The latter constitute a good source of MSCs, being more naïve and having a higher proliferative potential than MSCs from adult tissues like the bone marrow, turning them more appealing for clinical use. It is clear that MSCs modulate both innate and adaptive immune responses and its immunodulatory effects are wide, extending to T cells and dendritic cells, being therapeutically useful for treatment of immune system disorders. Mechanotransduction is by definition the mechanism by which cells transform mechanical signals translating that information into biochemical and morphological changes. Here, we hypothesize that by culturing WJ-MSCs on distinct substrates with different stiffness and biochemical composition, may influence the immunomodulatory capacity of the cells. Here, we showed that WJ-MSCs cultured on distinct PDMS substrates presented different secretory profiles from cells cultured on regular tissue culture polystyrene plates (TCP), showing higher secretion of several cytokines analysed. Moreover, it was also shown that WJ-MSCs cultured on PDMS substrates seems to possess higher immunomodulatory capabilities and to differentially regulate the functional compartments of T cells when compared to MSCs maintained on TCP. Taken together, our results suggest that elements of mechanotransduction seem to be influencing the immunomodulatory ability of MSCs, as well as their secretory profile. Thus, future strategies will be further explored to better understand these observation and to envisage new in vitro culture conditions for MSCs aiming at distinct therapeutic approaches, namely for immune-mediated disorders.