Characterization of water-soluble organic matter from urban aerosols

Water-soluble organic matter (WSOM) from atmospheric particles comprises a complex array of molecular structures that play an important role on the physic-chemical properties of atmospheric particles and, therefore, are linked to several global-relevant atmospheric processes which impact the climate and public health. Due to the large variety of sources and formation processes, adequate knowledge on WSOM composition and its effects on the properties of atmospheric aerosol are still limited. Therefore, this thesis aims at providing new insights on the molecular composition of WSOM from fine atmospheric aerosols typical of an urban area (Aveiro, Portugal). In a first step, adsorption phenomena of semivolatile organic compounds on quartz fibre filters employed in the collection of atmospheric aerosols were assessed. Afterwards, atmospheric aerosol samples were collected during fifteen months, on a weekly basis. A mass balance of aerosol samples was performed in order to set the relative contribution of elemental carbon, WSOM and water-insoluble organic matter to the aerosol mass collected at the urban area of Aveiro, with a special focus on the assessment of the influence of different meteorological conditions. In order to assess the chemical complexity of the WSOM from urban aerosols, their structural characteristics were studied by means of Fourier transform infrared infrared - Attenuated Total Reflectance (FTIR-ATR) and solid-state cross polarization with magic angle spinning 13C nuclear magnetic resonance (CPMAS 13C NMR) spectroscopies, as well as their elemental composition. The structural characterization of aerosol WSOM samples collected in the urban area highlighted a highly complex mixture of functional groups. It was concluded that aliphatic and aromatic structures, hydroxyl groups and carboxyl groups are characteristic to all samples. The semi-quantitative assessment of the CPMAS 13C NMR data showed different distributions of the various functional groups between the aerosol samples collected at different seasons. Moreover, the presence of signals typical of lignin-derived structures in both CPMAS 13C NMR and FTIR-ATR spectra of the WSOM samples from the colder seasons, highlights the major contribution of biomass burning processes in domestic fireplaces, during low temperature conditions, into the bulk chemical properties of WSOM from urban aerosols. A comprehensive two-dimensional liquid chromatography (LC x LC) method, on-line coupled to a diode array, fluorescence, and evaporative light scattering detectors, was employed for resolving the chemical heterogeneity of the aerosol WSOM samples and, simultaneously, to map the hydrophobicity versus the molecular weight distribution of the samples. The LC x LC method employed a mixed-mode hydrophilic interaction column operating under aqueous reversed phase mode in the first dimension, and a size-exclusion column in the second dimension, which was found to be useful for separating the aerosol WSOM samples into various fractions with distinct molecular weight and hydrophobic features. The estimative of the average molecular weight (Mw) distribution of the urban aerosol WSOM samples ranged from 48 to 942 Da and from 45 to 1241 Da in terms of UV absorption and fluorescence detection, respectively. Findings suggest that smaller Mw group fractions seem to be related to a more hydrophobic nature.

Phase transitions and nonlinear phenomena in neuronal network models

Communication and cooperation between billions of neurons underlie the power of the brain. How do complex functions of the brain arise from its cellular constituents? How do groups of neurons self-organize into patterns of activity? These are crucial questions in neuroscience. In order to answer them, it is necessary to have solid theoretical understanding of how single neurons communicate at the microscopic level, and how cooperative activity emerges. In this thesis we aim to understand how complex collective phenomena can arise in a simple model of neuronal networks. We use a model with balanced excitation and inhibition and complex network architecture, and we develop analytical and numerical methods for describing its neuronal dynamics. We study how interaction between neurons generates various collective phenomena, such as spontaneous appearance of network oscillations and seizures, and early warnings of these transitions in neuronal networks. Within our model, we show that phase transitions separate various dynamical regimes, and we investigate the corresponding bifurcations and critical phenomena. It permits us to suggest a qualitative explanation of the Berger effect, and to investigate phenomena such as avalanches, band-pass filter, and stochastic resonance. The role of modular structure in the detection of weak signals is also discussed. Moreover, we find nonlinear excitations that can describe paroxysmal spikes observed in electroencephalograms from epileptic brains. It allows us to propose a method to predict epileptic seizures. Memory and learning are key functions of the brain. There are evidences that these processes result from dynamical changes in the structure of the brain. At the microscopic level, synaptic connections are plastic and are modified according to the dynamics of neurons. Thus, we generalize our cortical model to take into account synaptic plasticity and we show that the repertoire of dynamical regimes becomes richer. In particular, we find mixed-mode oscillations and a chaotic regime in neuronal network dynamics.

Characterization of water-soluble organic compounds in bioaerosols by liquid chromatography and fluorescence spectroscopy

In the last decades, the effects of the air pollution have been increasing, especially in the case of the human health diseases. In order to overcome this problem, scientists have been studying the components of the air. As a part of water-soluble organic compounds, amino acids are present in the atmospheric environment as components of diverse living organisms which can be responsible for spreading diseases through the air. Liquid chromatography is one technique capable of distinguish the different amino acids from each other. In this work, aiming at separating the amino acids found in the aerosols samples collected in Aveiro, the ability of four columns (Mixed-Mode WAX-1, Mixed-Mode HILIC-1, Luna HILIC and Luna C18) to separate four amino acids (aspartic acid, lysine, glycine and tryptophan) and the way the interaction of the stationary phases of the columns with the analytes is influenced by organic solvent concentration and presence/concentration of the buffer, are being assessed. In the Mixed-Mode WAX-1 column, the chromatograms of the distinct amino acids revealed the separation was not efficient, since the retention times were very similar. In the case of lysine, in the elution with 80% (V/V) MeOH, the peaks appeared during the volume void. In the Mixed-Mode HILIC-1 column, the variation of the organic solvent concentration did not affect the elution of the four studied amino acids. Considering the Luna HILIC column, the retention times of the amino acids were too close to each other to ensure a separation among each other. Lastly, the Luna C18 column revealed to be useful to separate amino acids in a gradient mode, being the variation of the mobile phase composition in the organic solvent concentration (ACN). Luna C18 was the column used to separate the amino acids in the real samples and the mobile phase had acidified water and ACN. The gradient consisted in the following program: 0 – 2 min: 5% (V/V) ACN, 2 – 8 min: 5 – 2 % (V/V) ACN, 8 – 16 min: 2% (V/V) ACN, 16 – 20 min: 2 – 20 % (V/V) ACN, 20 – 35 min: 20 – 35 % (V/V) ACN. The aerosols samples were collected by using three passive samplers placed in two different locations in Aveiro and each sampler had two filters - one faced up and the other faced down. After the sampling, the water-soluble organic compounds was extracted by dissolution in ultra-pure water, sonication bath and filtration. The resulting filtered solutions were diluted in acidified water for the chromatographic separation. The results from liquid chromatography revealed the presence of the amino acids, although it was not possible to identify each one of them individually. The chromatograms and the fluorescence spectra showed the existence of some patterns: the samples that correspond to the up filters had more intense peaks and signals, revealing that the up filters collected more organic matter.

Nonlinear behavioral modeling of mixed signal RF-digital I/O devices

Esta tese investiga a caracterização (e modelação) de dispositivos que realizam o interface entre os domínios digital e analógico, tal como os buffers de saída dos circuitos integrados (CI). Os terminais sem fios da atualidade estão a ser desenvolvidos tendo em vista o conceito de rádio-definido-por-software introduzido por Mitola. Idealmente esta arquitetura tira partido de poderosos processadores e estende a operação dos blocos digitais o mais próximo possível da antena. Neste sentido, não é de estranhar que haja uma crescente preocupação, no seio da comunidade científica, relativamente à caracterização dos blocos que fazem o interface entre os domínios analógico e digital, sendo os conversores digital-analógico e analógico-digital dois bons exemplos destes circuitos. Dentro dos circuitos digitais de alta velocidade, tais como as memórias Flash, um papel semelhante é desempenhado pelos buffers de saída. Estes realizam o interface entre o domínio digital (núcleo lógico) e o domínio analógico (encapsulamento dos CI e parasitas associados às linhas de transmissão), determinando a integridade do sinal transmitido. Por forma a acelerar a análise de integridade do sinal, aquando do projeto de um CI, é fundamental ter modelos que são simultaneamente eficientes (em termos computacionais) e precisos. Tipicamente a extração/validação dos modelos para buffers de saída é feita usando dados obtidos da simulação de um modelo detalhado (ao nível do transístor) ou a partir de resultados experimentais. A última abordagem não envolve problemas de propriedade intelectual; contudo é raramente mencionada na literatura referente à caracterização de buffers de saída. Neste sentido, esta tese de Doutoramento foca-se no desenvolvimento de uma nova configuração de medição para a caracterização e modelação de buffers de saída de alta velocidade, com a natural extensão aos dispositivos amplificadores comutados RF-CMOS. Tendo por base um procedimento experimental bem definido, um modelo estado-da-arte é extraído e validado. A configuração de medição desenvolvida aborda não apenas a integridade dos sinais de saída mas também do barramento de alimentação. Por forma a determinar a sensibilidade das quantias estimadas (tensão e corrente) aos erros presentes nas diversas variáveis associadas ao procedimento experimental, uma análise de incerteza é também apresentada.

Behavioral modeling optimization and enhancement for high-speed analog mixed-signal I/O interfaces

A integridade do sinal em sistemas digitais interligados de alta velocidade, e avaliada através da simulação de modelos físicos (de nível de transístor) é custosa de ponto vista computacional (por exemplo, em tempo de execução de CPU e armazenamento de memória), e exige a disponibilização de detalhes físicos da estrutura interna do dispositivo. Esse cenário aumenta o interesse pela alternativa de modelação comportamental que descreve as características de operação do equipamento a partir da observação dos sinais eléctrico de entrada/saída (E/S). Os interfaces de E/S em chips de memória, que mais contribuem em carga computacional, desempenham funções complexas e incluem, por isso, um elevado número de pinos. Particularmente, os buffers de saída são obrigados a distorcer os sinais devido à sua dinâmica e não linearidade. Portanto, constituem o ponto crítico nos de circuitos integrados (CI) para a garantia da transmissão confiável em comunicações digitais de alta velocidade. Neste trabalho de doutoramento, os efeitos dinâmicos não-lineares anteriormente negligenciados do buffer de saída são estudados e modulados de forma eficiente para reduzir a complexidade da modelação do tipo caixa-negra paramétrica, melhorando assim o modelo standard IBIS. Isto é conseguido seguindo a abordagem semi-física que combina as características de formulação do modelo caixa-negra, a análise dos sinais eléctricos observados na E/S e propriedades na estrutura física do buffer em condições de operação práticas. Esta abordagem leva a um processo de construção do modelo comportamental fisicamente inspirado que supera os problemas das abordagens anteriores, optimizando os recursos utilizados em diferentes etapas de geração do modelo (ou seja, caracterização, formulação, extracção e implementação) para simular o comportamento dinâmico não-linear do buffer. Em consequência, contributo mais significativo desta tese é o desenvolvimento de um novo modelo comportamental analógico de duas portas adequado à simulação em overclocking que reveste de um particular interesse nas mais recentes usos de interfaces de E/S para memória de elevadas taxas de transmissão. A eficácia e a precisão dos modelos comportamentais desenvolvidos e implementados são qualitativa e quantitativamente avaliados comparando os resultados numéricos de extracção das suas funções e de simulação transitória com o correspondente modelo de referência do estado-da-arte, IBIS.

Optimization models for a short sea fuel oil distribution problem

O transporte marítimo e o principal meio de transporte de mercadorias em todo o mundo. Combustíveis e produtos petrolíferos representam grande parte das mercadorias transportadas por via marítima. Sendo Cabo Verde um arquipelago o transporte por mar desempenha um papel de grande relevância na economia do país. Consideramos o problema da distribuicao de combustíveis em Cabo Verde, onde uma companhia e responsavel por coordenar a distribuicao de produtos petrolíferos com a gestão dos respetivos níveis armazenados em cada porto, de modo a satisfazer a procura dos varios produtos. O objetivo consiste em determinar políticas de distribuicão de combustíveis que minimizam o custo total de distribuiçao (transporte e operacões) enquanto os n íveis de armazenamento sao mantidos nos n íveis desejados. Por conveniencia, de acordo com o planeamento temporal, o prob¬lema e divido em dois sub-problemas interligados. Um de curto prazo e outro de medio prazo. Para o problema de curto prazo sao discutidos modelos matemáticos de programacao inteira mista, que consideram simultaneamente uma medicao temporal cont ínua e uma discreta de modo a modelar multiplas janelas temporais e taxas de consumo que variam diariamente. Os modelos sao fortalecidos com a inclusão de desigualdades validas. O problema e então resolvido usando um "software" comercial. Para o problema de medio prazo sao inicialmente discutidos e comparados varios modelos de programacao inteira mista para um horizonte temporal curto assumindo agora uma taxa de consumo constante, e sao introduzidas novas desigualdades validas. Com base no modelo escolhido sao compara¬das estrategias heurísticas que combinam três heur ísticas bem conhecidas: "Rolling Horizon", "Feasibility Pump" e "Local Branching", de modo a gerar boas soluçoes admissíveis para planeamentos com horizontes temporais de varios meses. Finalmente, de modo a lidar com situaçoes imprevistas, mas impor¬tantes no transporte marítimo, como as mas condicões meteorológicas e congestionamento dos portos, apresentamos um modelo estocastico para um problema de curto prazo, onde os tempos de viagens e os tempos de espera nos portos sao aleatórios. O problema e formulado como um modelo em duas etapas, onde na primeira etapa sao tomadas as decisões relativas as rotas do navio e quantidades a carregar e descarregar e na segunda etapa (designada por sub-problema) sao consideradas as decisoes (com recurso) relativas ao escalonamento das operacões. O problema e resolvido por um metodo de decomposto que usa um algoritmo eficiente para separar as desigualdades violadas no sub-problema.