Métodos químicos de modificação superficial de nanomateriais

O objectivo geral desta tese foi investigar diversas estratégias de síntese de nanocompósitos híbridos de matriz polimérica, contendo nanopartículas inorgânicas com funcionalidades diversas. O interesse nestes nanocompósitos multifuncionais consiste no enorme potencial que apresentam para novas aplicações tecnológicas, tais como em optoelectrónica ou em medicina. No capítulo introdutório, apresenta-se uma revisão das propriedades de nanopartículas inorgânicas e nanoestruturas obtidas a partir destas, métodos de preparação e de modificação química superficial, incluindo a formação de nanocompósitos poliméricos, bem como a aplicação destas nanoestruturas em medicina e biologia. O estudo das propriedades de nanopartículas de ouro é um importante tema em Nanociência e Nanotecnologia. As propriedades singulares destas NPs apresentam uma estreita relação com o tamanho, morfologia, arranjo espacial e propriedades dieléctricas do meio circundante. No capítulo 2, é reportada a preparação de nanocompósitos utilizando miniemulsões de poli-estireno (PS) e poli-acrilato de butilo (PBA) contendo nanopartículas de ouro revestidas com moléculas orgânicas. As propriedades ópticas destas estruturas híbridas são dominadas por efeitos plasmónicos e dependem de uma forma crítica na morfologia final dos nanocompósitos. Em particular, demonstra-se aqui a possibilidade de ajustar a resposta óptica, na região do visível do espectro, através do arranjo das nanopartículas na matriz polimérica, e consequentemente o acoplamento plasmónico, utilizando nanopartículas resultantes da mesma síntese. Na generalidade, é reportada aqui uma estratégia alternativa para modificar a resposta óptica de nanocompósitos, através do controlo da morfologia do compósito final face à estratégia mais comum que envolve o controlo das características morfológicas das partículas metálicas utilizadas como materiais de partida. No Capítulo 3 apresentam-se os resultados da preparação de vários compósitos poliméricos com propriedades magnéticas de interesse prático. Em particular discute-se a síntese e propriedades magnéticas de nanopartículas de ligas metálicas de cobalto-platina (CoPt3) e ferro-platina (FePt3), assim como de óxidos de ferro (magnetite Fe3O4 e maguemite g-Fe2O3) e respectivos nanocompósitos poliméricos. A estratégia aqui descrita constitui uma via interessante de desenvolver materiais nanocompósitos com potencial aplicação em ensaios de análise de entidades biológicas in vitro, que pode ser estendido a outros materiais magnéticos. Como prova de conceito, demonstrase a bioconjugação de nanocompósitos de CoPt3/PtBA com anticorpos IgG de bovino. No capítulo 4 é descrita a preparação e propriedades ópticas de pontos quânticos (“quantum dots”, QDs) de CdSe/ZnS assim como dos seus materiais nanocompósitos poliméricos, CdSe/ZnS-PBA. Como resultado das suas propriedades ópticas singulares, os QDs têm sido extensivamente investigados como materiais inorgânicos para aplicações em dispositivos ópticos. A incorporação de QDs em matrizes poliméricas é de particular interesse, nomeadamente devido ao comportamento óptico do nanocompósito final parecer estar dependente do tipo de polímero utilizado. As propriedades ópticas dos nanocompósitos foram estudadas sistematicamente por medidas de fotoluminescência. Os nanocompósitos apresentam propriedades interessantes para potenciais aplicações biológicas em diagnóstico in vitro, funcionando como sondas biológicas luminescentes.

Photodynamic inactivation of bacteria by cationic porphyrins : their cellular targets and potential environmental applications

Photodynamic inactivation (PDI) is defined as the process of cell destruction by oxidative stress resulting from the interaction between light and a photosensitizer (PS), in the presence of molecular oxygen. PDI of bacteria has been extensively studied in recent years, proving to be a promising alternative to conventional antimicrobial agents for the treatment of superficial and localized infections. Moreover, the applicability of PDI goes far beyond the clinical field, as its potential use in water disinfection, using PS immobilized on solid supports, is currently under study. The aim of the first part of this work was to study the oxidative modifications in phospholipids, nucleic acids and proteins of Escherichia coli and Staphylococcus warneri, subjected to photodynamic treatment with cationic porphyrins. The aims of the second part of the work were to study the efficiency of PDI in aquaculture water and the influence of different physicalchemical parameters in this process, using the Gram-negative bioluminescent bacterium Vibrio fischeri, and to evaluate the possibility of recycling cationic PS immobilized on magnetic nanoparticles. To study the oxidative changes in membrane phospholipids, a lipidomic approach has been used, combining chromatographic techniques and mass spectrometry. The FOX2 assay was used to determine the concentration of lipid hydroperoxides generated after treatment. The oxidative modifications in the proteins were analyzed by one-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). Changes in the intracellular nucleic acids were analyzed by agarose gel electrophoresis and the concentration of doublestranded DNA was determined by fluorimetry. The oxidative changes of bacterial PDI at the molecular level were analyzed by infrared spectroscopy. In laboratory tests, bacteria (108 CFU mL-1) were irradiated with white light (4.0 mW cm-2) after incubation with the PS (Tri-Py+-Me-PF or Tetra-Py+-Me) at concentrations of 0.5 and 5.0 μM for S. warneri and E. coli, respectively. Bacteria were irradiated with different light doses (up to 9.6 J cm-2 for S. warneri and up to 64.8 J cm-2 for E. coli) and the changes were evaluated throughout the irradiation time. In the study of phospholipids, only the porphyrin Tri-Py+-Me-PF and a light dose of 64.8 J cm-2 were tested. The efficiency of PDI in aquaculture has been evaluated in two different conditions: in buffer solution, varying temperature, pH, salinity and oxygen concentration, and in aquaculture water samples, to reproduce the conditions of PDI in situ. The kinetics of the process was determined in realtime during the experiments by measuring the bioluminescence of V. fischeri (107 CFU mL-1, corresponding to a level of bioluminescence of 105 relative light units). A concentration of 5.0 μM of Tri-Py+-Me-PF was used in the experiments with buffer solution, and 10 to 50 μM in the experiments with aquaculture water. Artificial white light (4.0 mW cm-2) and solar irradiation (40 mW cm-2) were used as light sources.

Metais em águas e sedimentos da plataforma dos Açores

A presente tese tem por objetivo principal contribuir para o conhecimento da geoquímica sedimentar da zona oceânica da crista da Terceira e montanhas submarinas a sul (região entre 29-39ºN e 27-32ºW), integrando também a caraterização dos metais e nutrientes na coluna de água e propondo concentrações para servirem de referência nesta região do Atlântico Central. Para o efeito foram realizadas amostragens na coluna de água em sete locais e de sedimento em cinco locais, durante a campanha oceanográfica designada por EMEPC/AÇORES/G3/2007 a bordo do navio SV Kommandor Jack, no âmbito do projeto da Estrutura de Missão para a Extensão da Plataforma Continental (EMEPC). Os perfis de CTD da coluna de água na região estudada revelam a presença de massas de água distintas: a Western North Atlantic Central Water (WNACW), a Eastern North Atlantic Central Water tropical (ENACWt), a Eastern North Atlantic Central Water polar (ENACWp), a Mediterranean Overflow Water (MOW), a Deep Mediterranean Water (DMW) e a North Eastern Atlantic Deep Water (NEADW). Observou-se nos perfis de temperatura e salinidade, referentes aos primeiros 200 m da coluna de água, um gradiente meridional negativo entre as estações localizadas na crista da Terceira e as estações localizadas mais a sul. Observou-se nas águas superficiais valores de oxigénio dissolvido de 93% e de pH de 8,1, assim como que as concentrações dos nutrientes NOx, PO4 e SiO2 variam de acordo com a atividade biológica, tendo-se registado concentrações medianas mais baixas, respetivamente de 6,5, 0,23 e 1,3 mol L-1, que aumentam com a profundidade devido à ausência de produção primária (respetivamente 31, 1,4 e 22 mol L-1). As concentrações de NH4 e de SO4 não variam significativamente nas massas de água, sendo os valores medianos mínimos e máximos de 0,69 a 0,79 mol L-1 para o NH4 e de 30 a 32 mol L-1 para o SO4. São propostas concentrações de referência para as massas de água, para os elementos cobre, cádmio, chumbo e arsénio. Os perfis de sedimento analisados permitem distinguir os sedimentos na crista da Terceira (core A) dos restantes (cores B a E). A grande variabilidade textural encontrada no core A, que contrasta com os outros cores analisados, deve-se a importantes contribuições terrígenas, originadas pela erosão sub-aérea e pela atividade vulcânica das ilhas próximas. iv resumo (continuação) A análise mineralógica, efetuada à fração areia e à fração fina (< 63 μm), confirma que os sedimentos do core A derivam de rochas vulcânicas formadas maioritariamente por piroxenas, olivinas, anfíbolas, biotite, alterites e ainda calcite, plagióclase e magnetite, tendo-se identificado ao microscópio a glauconite e o vidro vulcânico. De acordo com a composição química destes minerais o core A apresenta valores mais elevados de Al, Fe, K, P, Mg, Si, Na, Zn, V, Cr e Mn relativamente aos cores B a E. Os cores B a E apresentam grandes quantidades de calcite (>80%) formada maioritariamente por foraminíferos e nanoplâncton calcário (cocolitóforos). A fração areia confirma a composição maioritariamente carbonatada com grande abundância de material biogénico formado por oozes de foraminíferos (planctónicos e bentónicos) com raras espículas de espongiários e restos de conchas. Os cores B a E apresentam valores muito mais elevados que o core A para os elementos Ca e Sr. Os resultados para o Al, Fe, K, P, Si, Na, As, Cu, Ni, Zn, V, Cr, Li, Pb, Cd e Co presentes nos locais B, C, D e E sugerem que estes cores são comparáveis aos sedimentos de fundo carbonatados. Propõe-se concentrações de referência para a região do Atlântico compreendida entre 29-39ºN e 27-32ºW considerando a primeira camada colhida em cada core. Para o core A as concentrações são normalizadas a 5% de Al e CaCO3, enquanto que para os cores B a E são normalizadas a 2% de Al e CaCO3. Assim as concentrações de referência para o core A são: As – 18 mg kg-1, Cr – 91 mg kg-1, Cu – 127 mg kg-1, Ni – 84 mg kg-1, Pb – 41 mg kg-1, Hg – 41 ng g-1 e Zn – 482 mg kg-1. Para os cores B a E as concentrações de referência são: As – 3 mg kg-1, Cr – 10 mg kg-1, Cu – 36 mg kg-1 Ni – 12 mg kg -1, Hg – 3 ng g-1 e Zn – 20 mg kg-1. Para os restantes metais as concentrações de referência para o core A são: Al – 9%, Si – 25%, Fe – 6%, Ca – 13%, K – 2%, Mg – 2%, Na – 3%, P – 0,4%, Sr – 900 mg kg-1, Li – 10 mg kg-1, Mn – 1200 mg kg-1, Ba – 700 mg kg-1 e V – 140 mg kg-1. Para os cores B a E as concentrações de referência são: Al – 0,9%, Si – 2%, Fe – 0,2%, Ca – 95%, K – 0,3%, Mg – 0,4%, Na – 0,3%, P – 0,04%, Sr – 2600 mg kg-1, Li – 5 mg kg-1, Mn – 240 mg kg-1, Ba – 345 mg kg-1, Co – 2 mg kg-1 e V – 6 mg kg-1. Os resultados da presente tese constituem um contributo para a caraterização geoquímica da região e podem servir de referência à monitorização futura do mar dos Açores e montes submarinos a sul.

Materials and concepts for CO2 lean ironmaking by pyroelectrolysis

The main purpose of this PhD thesis was to provide convincing demonstration for a breakthrough concept of pyroelectrolysis at laboratory scale. One attempted to identify fundamental objections and/or the most critical constraints, to propose workable concepts for the overall process and for feasible electrodes, and to establish the main requirements on a clearer basis. The main effort was dedicated to studying suitable anode materials to be developed for large scale industrial units with molten silicate electrolyte. This concept relies on consumable anodes based on iron oxides, and a liquid Fe cathode, separated from the refractory materials by a freeze lining (solid) layer. In addition, one assessed an alternative concept of pyroelectrolysis with electron blocking membranes, and developed a prototype at small laboratory scale. The main composition of the molten electrolyte was based on a magnesium aluminosilicate composition, with minimum liquidus temperature, and with different additions of iron oxide. One studied the dynamics of devitrification of these melts, crystallization of iron oxides or other phases, and Fe2+/Fe3+ redox changes under laser zone melting, at different pulling rates. These studies were intended to provide guidelines for dissolution of raw materials (iron oxides) in the molten electrolyte, to assess compatibility with magnetite based consumable anodes, and to account for thermal gradients or insufficient thermal management in large scale cells. Several laboratory scale prototype cells were used to demonstrate the concept of pyroelectrolysis with electron blocking, and to identify the most critical issues and challenges. Operation with and without electron blocking provided useful information on transport properties of the molten electrolyte (i.e., ionic and electronic conductivities), their expected dependence on anodic and cathodic overpotentials, limitations in faradaic efficiency, and onset of side electrochemical reactions. The concept of consumable anodes was based on magnetite and derived spinel compositions, for their expected redox stability at high temperatures, even under oxidising conditions. Spinel compositions were designed for prospective gains in refractoriness and redox stability in wider ranges of conditions (T, pO2 and anodic overpotentials), without excessive penalty for electrical conductivity, thermomechanical stability or other requirements. Composition changes were also mainly based on components of the molten aluminosilicate melt, to avoid undue contamination and to minimize the dissolution rate of consumable anodes. Additional changes in composition were intended for prospective pyroelectrolysis of Fe alloys, with additions of different elements (Cr, Mn, Ni, Ti).