Backside-surface imprinting as a new strategy to generate specific plastic antibody materials

A backside protein-surface imprinting process is presented herein as a novel way to generate specific synthetic antibody materials. The template is covalently bonded to a carboxylated-PVC supporting film previously cast on gold, let to interact with charged monomers and surrounded next by another thick polymer. This polymer is then covalently attached to a transducing element and the backside of this structure (supporting film plus template) is removed as a regular “tape”. The new sensing layer is exposed after the full template removal, showing a high density of re-binding positions, as evidenced by SEM. To ensure that the templates have been efficiently removed, this re-binding layer was cleaned further with a proteolytic enzyme and solution washout. The final material was named MAPS, as in the back-side reading of SPAM, because it acts as a back-side imprinting of this recent approach. It was able to generate, for the first time, a specific response to a complex biomolecule from a synthetic material. Non-imprinted materials (NIMs) were also produced as blank and were used as a control of the imprinting process. All chemical modifications were followed by electrochemical techniques. This was done on a supporting film and transducing element of both MAPS and NIM. Only the MAPS-based device responded to oxLDL and the sensing layer was insensitive to other serum proteins, such as myoglobin and haemoglobin. Linear behaviour between log(C, μg mL−1) versus charged tranfer resistance (RCT, Ω) was observed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Calibrations made in Fetal Calf Serum (FCS) were linear from 2.5 to 12.5 μg mL−1 (RCT = 946.12 × log C + 1590.7) with an R-squared of 0.9966. Overall, these were promising results towards the design of materials acting close to the natural antibodies and applied to practical use of clinical interest.

New and low cost plastic membrane electrode with low detection limits for sulfadimethoxine determination in aquaculture waters

Sulfadimethoxine (SDM) is one of the drugs, often used in the aquaculture sector to prevent the spread of disease in freshwater fish aquaculture. Its spread through the soil and surface water can contribute to an increase in bacterial resistance. It is therefore important to control this product in the environment. This work proposes a simple and low-cost potentiometric device to monitor the levels of SDM in aquaculture waters, thus avoiding its unnecessary release throughout the environment. The device combines a micropipette tip with a PVC membrane selective to SDM, prepared from an appropriate cocktail, and an inner reference solution. The membrane includes 1% of a porphyrin derivative acting as ionophore and a small amount of a lipophilic cationic additive (corresponding to 0.2% in molar ratio). The composition of the inner solution was optimized with regard to the kind and/or concentration of primary ion, chelating agent and/or a specific interfering charged species, in different concentration ranges. Electrodes constructed with inner reference solutions of 1 × 10−8 mol/L SDM and 1 × 10−4 mol/L chromate ion showed the best analytical features. Near-Nernstian response was obtained with slopes of −54.1 mV/decade, an extraordinary detection limit of 7.5 ng/mL (2.4 × 10−8 mol/L) when compared with other electrodes of the same type. The reproducibility, stability and response time are good and even better than those obtained by liquid contact ISEs. Recovery values of 98.9% were obtained from the analysis of aquaculture water samples.

Novel biosensing device for point-of-care applications with plastic antibodies grown on Au-Screen Printed Electrodes

A gold screen printed electrode (Au-SPE) was modified by merging Molecular Imprinting and Self-Assembly Monolayer techniques for fast screening cardiac biomarkers in point-of-care (POC). For this purpose, Myoglobin (Myo) was selected as target analyte and its plastic antibody imprinted over a glutaraldehyde (Glu)/cysteamine (Cys) layer on the gold-surface. The imprinting effect was produced by growing a reticulated polymer of acrylamide (AAM) and N,N′-methylenebisacrylamide (NNMBA) around the Myo template, covalently attached to the biosensing surface. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) studies were carried out in all chemical modification steps to confirm the surface changes in the Au-SPE. The analytical features of the resulting biosensor were studied by different electrochemical techniques, including EIS, square wave voltammetry (SWV) and potentiometry. The limits of detection ranged from 0.13 to 8 μg/mL. Only potentiometry assays showed limits of detection including the cut-off Myo levels. Quantitative information was also produced for Myo concentrations ≥0.2 μg/mL. The linear response of the biosensing device showed an anionic slope of ~70 mV per decade molar concentration up to 0.3 μg/mL. The interference of coexisting species was tested and good selectivity was observed. The biosensor was successfully applied to biological fluids.

Smart Plastic Antibody Material (SPAM) tailored on disposable screen printed electrodes for protein recognition: application to Myoglobin detection

This work introduces two major changes to the conventional protocol for designing plastic antibodies: (i) the imprinted sites were created with charged monomers while the surrounding environment was tailored using neutral material; and (ii) the protein was removed from its imprinted site by means of a protease, aiming at preserving the polymeric network of the plastic antibody. To our knowledge, these approaches were never presented before and the resulting material was named here as smart plastic antibody material (SPAM). As proof of concept, SPAM was tailored on top of disposable gold-screen printed electrodes (Au-SPE), following a bottom-up approach, for targeting myoglobin (Myo) in a point-of-care context. The existence of imprinted sites was checked by comparing a SPAM modified surface to a negative control, consisting of similar material where the template was omitted from the procedure and called non-imprinted materials (NIMs). All stages of the creation of the SPAM and NIM on the Au layer were followed by both electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV). AFM imaging was also performed to characterize the topography of the surface. There are two major reasons supporting the fact that plastic antibodies were effectively designed by the above approach: (i) they were visualized for the first time by AFM, being present only in the SPAM network; and (ii) only the SPAM material was able to rebind to the target protein and produce a linear electrical response against EIS and square wave voltammetry (SWV) assays, with NIMs showing a similar-to-random behavior. The SPAM/Au-SPE devices displayed linear responses to Myo in EIS and SWV assays down to 3.5 μg/mL and 0.58 μg/mL, respectively, with detection limits of 1.5 and 0.28 μg/mL. SPAM materials also showed negligible interference from troponin T (TnT), bovine serum albumin (BSA) and urea under SWV assays, showing promising results for point-of-care applications when applied to spiked biological fluids.

Recycling old screen-printed electrodes with newly designed plastic antibodies on the wall of carbon nanotubes as sensory element for in situ detection of bacterial toxins in water

Using low cost portable devices that enable a single analytical step for screening environmental contaminants is today a demanding issue. This concept is here tried out by recycling screen-printed electrodes that were to be disposed of and by choosing as sensory element a low cost material offering specific response for an environmental contaminant. Microcystins (MCs) were used as target analyte, for being dangerous toxins produced by cyanobacteria released into water bodies. The sensory element was a plastic antibody designed by surface imprinting with carefully selected monomers to ensure a specific response. These were designed on the wall of carbon nanotubes, taking advantage of their exceptional electrical properties. The stereochemical ability of the sensory material to detect MCs was checked by preparing blank materials where the imprinting stage was made without the template molecule. The novel sensory material for MCs was introduced in a polymeric matrix and evaluated against potentiometric measurements. Nernstian response was observed from 7.24 × 10−10 to 1.28 × 10−9 M in buffer solution (10 mM HEPES, 150 mM NaCl, pH 6.6), with average slopes of −62 mVdecade−1 and detection capabilities below 1 nM. The blank materials were unable to provide a linear response against log(concentration), showing only a slight potential change towards more positive potentials with increasing concentrations (while that ofthe plastic antibodies moved to more negative values), with a maximum rate of +33 mVdecade−1. The sensors presented good selectivity towards sulphate, iron and ammonium ions, and also chloroform and tetrachloroethylene (TCE) and fast response (<20 s). This concept was successfully tested on the analysis of spiked environmental water samples. The sensors were further applied onto recycled chips, comprehending one site for the reference electrode and two sites for different selective membranes, in a biparametric approach for “in situ” analysis.

Novel LTCC-potentiometric microfluidic device for biparametric analysis of organic compounds carrying plastic antibodies as ionophores: Application to sulfamethoxazole and trimethoprim

Monitoring organic environmental contaminants is of crucial importance to ensure public health. This requires simple, portable and robust devices to carry out on-site analysis. For this purpose, a low-temperature co-fired ceramics (LTCC) microfluidic potentiometric device (LTCC/μPOT) was developed for the first time for an organic compound: sulfamethoxazole (SMX). Sensory materials relied on newly designed plastic antibodies. Sol–gel, self-assembling monolayer and molecular-imprinting techniques were merged for this purpose. Silica beads were amine-modified and linked to SMX via glutaraldehyde modification. Condensation polymerization was conducted around SMX to fill the vacant spaces. SMX was removed after, leaving behind imprinted sites of complementary shape. The obtained particles were used as ionophores in plasticized PVC membranes. The most suitable membrane composition was selected in steady-state assays. Its suitability to flow analysis was verified in flow-injection studies with regular tubular electrodes. The LTCC/μPOT device integrated a bidimensional mixer, an embedded reference electrode based on Ag/AgCl and an Ag-based contact screen-printed under a micromachined cavity of 600 μm depth. The sensing membranes were deposited over this contact and acted as indicating electrodes. Under optimum conditions, the SMX sensor displayed slopes of about −58.7 mV/decade in a range from 12.7 to 250 μg/mL, providing a detection limit of 3.85 μg/mL and a sampling throughput of 36 samples/h with a reagent consumption of 3.3 mL per sample. The system was adjusted later to multiple analyte detection by including a second potentiometric cell on the LTCC/μPOT device. No additional reference electrode was required. This concept was applied to Trimethoprim (TMP), always administered concomitantly with sulphonamide drugs, and tested in fish-farming waters. The biparametric microanalyzer displayed Nernstian behaviour, with average slopes −54.7 (SMX) and +57.8 (TMP) mV/decade. To demonstrate the microanalyzer capabilities for real applications, it was successfully applied to single and simultaneous determination of SMX and TMP in aquaculture waters.

Smart Plastic Antibody Material for Hemoglobin Tailored by Silica Surface Imprinting and with Charged Binding Sites: Its use as Ionophore in Potentiometric Transduction

JORNADAS DE ELECTROQUÍMICA E INOVAÇÃO 2013

Projecto de equipamento de rotação de moldes de grande porte com recurso ao método de elementos finitos

A fabricação de moldes é uma actividade que se desenvolve em Portugal há várias décadas, com qualidade reconhecida mundialmente. A indústria automóvel é um dos principais destinos de grande parte dos moldes produzidos em Portugal. Algumas das peças produzidas nesses moldes possuem dimensões apreciáveis, tendo em conta o peso e dimensão média das peças injectadas em plástico. São exemplo disso os pára-choques dos automóveis e o tabliê. A produção dos moldes para estas peças é complexa, implicando um longo tempo de maquinagem e a manipulação dos moldes em diferentes fases, com vista ao acesso a todas as faces do molde. A IGM – Indústria Global de Moldes, SA. é a empresa responsável pela produção dos moldes para peças de média dimensão dentro do Grupo SIMOLDES. Atendendo à necessidade permanente de rodar a 90o moldes de grande porte, que podem apresentar pesos na ordem das 10 a 30 toneladas, e não existindo no mercado qualquer solução adaptável a esta necessidade, a empresa entendeu por bem levar a efeito o projecto desse equipamento, atendendo ao compromisso custo-benefício que torne viável a realização prática do mesmo. Após os esboços iniciais e uma discussão interactiva e iterativa com a empresa, foram analisadas as diferentes soluções entendidas como viáveis, tendo sido escolhido um dos anteprojectos realizados. Foram ainda discutidas as diversas alternativas de accionamento. Com base nesse anteprojecto, a estrutura foi optimizada e verificada através do Método de Elementos Finitos, tendo sido elaborado o projecto final, com o grau de detalhe necessário à sua fabricação e implementação na empresa.

Balancing and lot-sizing mixed-model lines in the footwear industry

This report describes the full research proposal for the project \Balancing and lot-sizing mixed-model lines in the footwear industry", to be developed as part of the master program in Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Sistemas de Planeamento Industrial of the Instituto Superior de Engenharia do Porto. The Portuguese footwear industry is undergoing a period of great development and innovation. The numbers speak for themselves, Portugal footwear exported 71 million pairs of shoes to over 130 countries in 2012. It is a diverse sector, which covers different categories of women, men and children shoes, each of them with various models. New and technologically advanced mixed-model assembly lines are being projected and installed to replace traditional mass assembly lines. Obviously there is a need to manage them conveniently and to improve their operations. This work focuses on balancing and lot-sizing stitching mixed-model lines in a real world environment. For that purpose it will be fundamental to develop and evaluate adequate effective solution methods. Different objectives may be considered, which are relevant for the companies, such as minimizing the number of workstations, and minimizing the makespan, while taking into account a lot of practical restrictions. The solution approaches will be based on approximate methods, namely by resorting to metaheuristics. To show the impact of having different lots in production the initial maximum amount for each lot is changed and a Tabu Search based procedure is used to improve the solutions. The developed approaches will be evaluated and tested. A special attention will be given to the solution of real applied problems. Future work may include the study of other neighbourhood structures related to Tabu Search and the development of ways to speed up the evaluation of neighbours, as well as improving the balancing solution method.

Standarização no IKEA Industry de Paço de Ferreira

Standarização de um posto de trabalho não é mais que definir o melhor método de trabalho que vai ser seguido por todos os operadores que trabalham no mesmo. Uma vez definido esse método, é importante para uma empresa ter noção da produtividade que podem alcançar, dado que pode ser retirado a partir deste método, e é no seguimento disto que surge o estudo dos métodos e tempos, mais concretamente o estudo dos tempos por cronometragem. A aplicação deste estudo foi despoletada pela necessidade do IKEA Industry de Paços de Ferreira, em dar o próximo passo na standarização dos seus postos de trabalho, área a área, e da necessidade de terem uma pessoa em cada área que analisa-se o trabalho que estava a ser feito e calcula-se o tempo de cada rotina. Neste documento, é realizada uma interligação entre os conceitos teóricos que o método exige, como todo o conjunto de fórmulas, restrições, análises e ponderações, com o contexto laboral onde o mesmo foi aplicado e a estratégia desenvolvida pelo IKEA na realização do estudo. O estudo dos métodos e tempos por cronometragem, de todos os métodos existentes, pode ser considerado o mais completo e complexo, uma vez que é mais que observar, registar e retirar uma média ponderada das observações. Este método baseia-se num modelo matemático, que interliga uma série de conceitos e que tem sempre o operador em consideração, seja na avaliação e análise das tarefas que requerem mais esforço dos mesmos, físico ou psicológico, seja em termos de tempos de pausas pessoais que a lei obriga a que as empresas deem. Este detalhe, neste método, é de grande importância, uma vez que a standarização é sempre vista pelos operadores como uma punição. As desvantagens deste método estão no grau de conhecimento e capacidade de observação exigidas ao analista para o executar. Melhor dizendo, um analista que vá executar este trabalho necessita observar muito bem a rotina de trabalho e conhecer onde começa, acaba e tudo o que a ela não pertence, antes de começar a registar seja que tempos forem. Para além disso, é exigido ao analista que perceba o ritmo de trabalho dos operadores através da observação dos mesmos, de modo a que ninguém seja prejudicado. E por fim, é necessária uma grande disponibilidade da parte do analista para retirar o máximo de observações possíveis. Com o intuito de facilitar esta análise, o IKEA Industry criou um ficheiro que compila toda a informação relacionada com o método, e uma explicação de todos os parâmetros que o analista necessita ter em atenção. Esta folha de trabalho foi validada à luz do método, como é possível verificar no decorrer do documento. Um detalhe importante a referir, é que por muito fidedigno que seja este método, tal como qualquer método de standarização, a mínima alteração da rotina de trabalho invalida de imediato o tempo total da rotina, tornando necessário realizar o estudo novamente. Uma vantagem do documento criado pelo IKEA, está na rápida adaptação a estas alterações, uma vez que, caso seja acrescentado ou removido um elemento à rotina, basta alterar o documento, observar e cronometrar os operadores a executar esse novo elemento, e quase automaticamente é definido um novo tempo total padronizado na rotina. Este documento foi criado para fins académicos e de conclusão de um grau académico, mas o estudo quando aplicado na empresa deu origem a contratações, o que só por si mostra as vantagens e impacto que o mesmo pode ter em contexto laboral. Em termos de produtividade, uma vez que a sua aplicação não foi executada a tempo de ser estudada neste documento, não foi possível avaliar a mesma.

Projeto de molde para a injeção de peça plástica complexa para a indústria automóvel

A fabricação de moldes é um pilar da indústria metalomecânica nacional. A qualidade patenteada pelos moldes de fabrico nacional é reconhecida mundialmente. A fabricação de um molde é sempre um novo desafio, dadas as especificidades de cada peça e à complexidade geométrica que normalmente apresentam. Este trabalho teve por principal objetivo proceder ao projeto, fabricação e ajuste de um molde para uma peça plástica complexa, destinada à indústria automóvel, a qual, pela sua complexidade geométrica, elevada relação de área versus espessura e grande número de reforços bastante delgados, exige cuidados especiais no momento de se tomarem decisões quanto às melhores metodologias a adotar na sua fabricação, com vista a garantir a qualidade exigida pelo cliente final. O projeto foi desenvolvido e levado a cabo, permitindo constatar que algumas das opções tomadas na fase do projeto foram as mais adequadas, exigindo pouco trabalho de afinação no final e permitindo a extração de peças com elevada repetibilidade de características e a qualidade requerida pelo cliente.

Desenvolvimento de sistemas automáticos de alimentação e descarga de injectora de plásticos

A indústria de componentes para automóveis necessita de constante inovação, no sentido de manter a elevada competitividade, imprescindível à sobrevivência de qualquer empresa neste sector. A automação e robótica são vias incontornáveis para a prossecução dos objetivos de produtividade desejados. Mesmo dentro da automação, a evolução é constante. Para além disso, a crescente inovação nos produtos fabricados, exige também novas soluções em termos de processos de fabrico. Isto leva a que, soluções válidas até uma determinada altura, passem facilmente a obsoletas, com necessidade premente de se implementarem novos sistemas que correspondam às necessidades atuais. Este trabalho teve por base uma necessidade detetada numa empresa fabricante de acessórios para a indústria automóvel: estruturas para estofo de assento automóvel, entre muitos outros. Atualmente, a estrutura do estofo automóvel assenta numa grelha constituída por um conjunto de arames, que é agregado por uma série de tiras de plástico injetadas em seu redor. As máquinas de injeção responsáveis por este processo têm superfície de apartação horizontal, e necessitam de mão-de-obra adjacente para a colocação dos arames no molde e descarga do conjunto, na razão de uma pessoa para duas máquinas, dependendo do tempo de ciclo da injeção. O trabalho consistiu no desenvolvimento de um sistema automático de alimentação e descarga da máquina de injeção, que tivesse por base um sistema já existente, mas que passasse a comportar outras funções até agora não desempenhadas pelos sistemas antigos, ou seja, que fossem capazes de ultrapassar os problemas colocados pela complexidade atual dos produtos em fabricação. O projeto foi concluído com sucesso, tendo sido validado pela empresa FicoCables, através da construção, teste e colocação em funcionamento de vários protótipos.