Electrospun Polyaniline-Reduced Graphene Oxide Composite Nanofibers Based High Sensitive Ammonia Gas Sensor

Ammonia is an important gas in many power plants and industrial processes so its detection is of extreme importance in environmental monitoring and process control due to its high toxicity. Ammonia’s threshold limit is 25 ppm and the exposure time limit is 8 h, however exposure to 35 ppm is only secure for 10 min. In this work a brief introduction to ammonia aspects are presented, like its physical and chemical properties, the dangers in its manipulation, its ways of production and its sources. The application areas in which ammonia gas detection is important and needed are also referred: environmental gas analysis (e.g. intense farming), automotive-, chemical- and medical industries. In order to monitor ammonia gas in these different areas there are some requirements that must be attended. These requirements determine the choice of sensor and, therefore, several types of sensors with different characteristics were developed, like metal oxides, surface acoustic wave-, catalytic-, and optical sensors, indirect gas analyzers, and conducting polymers. All the sensors types are described, but more attention will be given to polyaniline (PANI), particularly to its characteristics, syntheses, chemical doping processes, deposition methods, transduction modes, and its adhesion to inorganic materials. Besides this, short descriptions of PANI nanostructures, the use of electrospinning in the formation of nanofibers/microfibers, and graphene and its characteristics are included. The created sensor is an instrument that tries to achieve a goal of the medical community in the control of the breath’s ammonia levels being an easy and non-invasive method for diagnostic of kidney malfunction and/or gastric ulcers. For that the device should be capable to detect different levels of ammonia gas concentrations. So, in the present work an ammonia gas sensor was developed using a conductive polymer composite which was immobilized on a carbon transducer surface. The experiments were targeted to ammonia measurements at ppb level. Ammonia gas measurements were carried out in the concentration range from 1 ppb to 500 ppb. A commercial substrate was used; screen-printed carbon electrodes. After adequate surface pre-treatment of the substrate, its electrodes were covered by a nanofibrous polymeric composite. The conducting polyaniline doped with sulfuric acid (H2SO4) was blended with reduced graphene oxide (RGO) obtained by wet chemical synthesis. This composite formed the basis for the formation of nanofibers by electrospinning. Nanofibers will increase the sensitivity of the sensing material. The electrospun PANI-RGO fibers were placed on the substrate and then dried at ambient temperature. Amperometric measurements were performed at different ammonia gas concentrations (1 to 500 ppb). The I-V characteristics were registered and some interfering gases were studied (NO2, ethanol, and acetone). The gas samples were prepared in a custom setup and were diluted with dry nitrogen gas. Electrospun nanofibers of PANI-RGO composite demonstrated an enhancement in NH3 gas detection when comparing with only electrospun PANI nanofibers. Was visible higher range of resistance at concentrations from 1 to 500 ppb. It was also observed that the sensor had stable, reproducible and recoverable properties. Moreover, it had better response and recovery times. The new sensing material of the developed sensor demonstrated to be a good candidate for ammonia gas determination.

Avaliação da qualidade química e microbiológica de tintas didácticas do ensino pré-escolar

As tintas utilizadas nas actividades didácticas possuem na sua composição ingredientes que dada a sua natureza, modo de fabrico e de utilização, podem representar um risco para a saúde das crianças. Neste âmbito, procurou-se com este estudo avaliar a qualidade química e microbiológica das tintas utilizadas pelas crianças no ensino pré-escolar. Vinte e nove amostras de tintas, incluindo guaches, tintas de águas, digitintas e tintas para pinturas faciais foram recolhidas em oito estabelecimentos de ensino, nomeadamente, Jardins de Infância, do conselho de Vila Nova de Gaia. A avaliação microbiológica envolveu não só a determinação da concentração microbiana presente nas amostras, como também, a avaliação da estabilidade microbiana nas tintas das espécies S.aureus e E.coli. Na avaliação química procedeu-se à determinação da concentração dos metais chumbo (Pb), cádmio (Cd), crómio (Cr), cobalto (Co), níquel (Nq), manganês (Mn), cobre (Cu) e zinco (Zn) quer em algumas das amostras recolhidas nos estabelecimentos de ensino, quer em tintas adquiridas em três estabelecimentos comerciais. Os resultados obtidos da avaliação microbiológica revelam uma contaminação estática na generalidade das tintas. Três amostras de tintas apresentaram ainda elevada contaminação por fungos, nomeadamente Aspergillus spp. e Trichophyton spp. Da avaliação da estabilidade microbiana das espécies S.aureus e E.coli observou-se uma sensibilidade das mesmas às tintas, sendo evidenciado, em alguns casos, um decrescimento da concentração ao longo do tempo de exposição, e noutros, uma sensibilidade imediata. A espécie S.aureus revelou, contudo, maior capacidade de resistência que a E.coli. Os resultados obtidos da avaliação química revelaram a presença de Cr em todas as amostras, registando as tintas adquiridas em estabelecimentos comerciais concentrações mais elevadas para este metal. Os metais Cu e Zn foram detectados, em algumas amostras de tintas artísticas, em concentrações acima dos valores limites. Nas tintas para a cara foram encontrados os metais Pb, Cd, Cr e Nq, cuja utilização é interdita nestes produtos. O conhecimento das características químicas e microbiológicas das tintas utilizadas por crianças do ensino pré-escolar revelou-se de grande importância, nomeadamente, para a determinação dos riscos a que este grupo de indivíduos pode estar exposto no seu dia-a-dia quando utilizam estes produtos.

Algoritmos genéticos: aplicação na síntese de alguns algoritmos de controlo

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização de Automação e Sistemas.

Computational analysis of quinoxalines N,N-Dioxide and ITS Derivates

A quinoxalina e seus derivativos são uma importante classe de compostos heterocíclicos, onde os elementos N, S e O substituem átomos de carbono no anel. A fórmula molecular da quinoxalina é C8H6N2, formada por dois anéis aromáticos, benzeno e pirazina. É rara em estado natural, mas a sua síntese é de fácil execução. Modificações na estrutura da quinoxalina proporcionam uma grande variedade de compostos e actividades, tais como actividades antimicrobiana, antiparasitária, antidiabética, antiproliferativa, anti-inflamatória, anticancerígena, antiglaucoma, antidepressiva apresentando antagonismo do receptor AMPA. Estes compostos também são importantes no campo industrial devido, por exemplo, ao seu poder na inibição da corrosão do metal. A química computacional, ramo natural da química teórica é um método bem desenvolvido, utilizado para representar estruturas moleculares, simulando o seu comportamento com as equações da física quântica e clássica. Existe no mercado uma grande variedade de ferramentas informaticas utilizadas na química computacional, que permitem o cálculo de energias, geometrias, frequências vibracionais, estados de transição, vias de reação, estados excitados e uma variedade de propriedades baseadas em várias funções de onda não correlacionadas e correlacionadas. Nesta medida, a sua aplicação ao estudo das quinoxalinas é importante para a determinação das suas características químicas, permitindo uma análise mais completa, em menos tempo, e com menos custos.

Remediação de solos contaminados com produtos farmacêuticos – oxidação / redução química

Actualmente, a poluição do ar, água e solo são problemáticas nas quais se têm centrado diversos estudos. Reduzir ou eliminar a concentração dos diversos poluentes presentes nestes meios é uma meta que se pretende atingir. Neste âmbito, têm sido desenvolvidos diversos estudos e trabalhos, utilizando diversas tecnologias, como químicas e biológicas, de forma a conseguir-se atingir este fim. Esta tese teve como principal objectivo estudar a remediação de solos contaminados com produtos farmacêuticos recorrendo à oxidação/redução química. Assim, começou por se estudar a remediação de água contaminada com ibuprofeno, uma vez, que a matriz líquida é mais fácil de estudar que o solo. Neste âmbito escolheram-se os seguintes reagentes para estudar a descontaminação da água: permanganato de potássio, reagente de Fenton e nanopartículas de ferro zero valente. Analisando os resultados obtidos nestas análises, verificou-se que o permanganato de potássio não foi capaz de reduzir a concentração de ibuprofeno presente na água. No entanto, o reagente de Fenton e as nanopartículas produzidas a partir do extracto da casca de castanha e do chá conseguirem reagir com o ibuprofeno, apresentando taxas de degradação de 90 % e 77 %, respectivamente, nas melhores condições experimentadas. Com os resultados obtidos, passou-se a analisar solos contaminados com o ibuprofeno, utilizando o reagente de Fenton e as nanopartículas produzidas a partir de um extracto de chá. Verificou-se que estes reagentes conseguiram reduzir a concentração de ibuprofeno presente no solo (areia) para valores residuais, obtendo-se taxas de degradação acima de 95 % após 5 dias de reacção. Conclui-se que, o objectivo principal desta tese foi cumprido pois foi reduzida, e quase eliminada, a concentração do ibuprofeno presente no solo, recorrendo à oxidação/redução química.

Síntese de derivados de ácidos fenólicos e estudo da sua actividade antioxidante

A peroxidação lipídica, além de causar sérios danos no corpo humano, é a principal causa da deterioração dos alimentos afectando a sua cor, aroma e valor nutricional, o que conduz a uma diminuição do seu ciclo de vida. O fenómeno de oxidação pode ser retardado com recurso a antioxidantes, de origem natural ou sintética, que inibam a formação de espécies reactivas, ou que reajam com estas, formando posteriormente radicais com menor grau de reactividade. Nesta dissertação procedeu-se à síntese e elucidação estrutural de novos antioxidantes, derivados dos ácidos 3,4-diidroxibenzóico (PCA) e 3,4-diidroxifenilacético (DOPAC), e à avaliação da sua actividade anti-radicalar e antioxidante. Os novos antioxidantes sintetizados foram caracterizados usando RMN de 1H e de 13C, FTIR e EM-IE. A avaliação da actividade antioxidante foi realizada com base no método do radical 2,2- difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH·) e por técnicas electroquímicas (voltametria de impulso diferencial e voltametria cíclica). Os resultados obtidos permitiram concluir que a eficácia anti-radicalar (AE) é determinada por aspectos da estrutura molecular dos compostos, nomeadamente pela presença de grupos hidroxilo no anel aromático e também de grupos extensores relativamente à posição do grupo carboxílico. Os resultados permitiram verificar que o DOPAC apresenta a mais elevada eficiência anti-radicalar dos compostos em estudo, incluindo o trolox e o ácido gálhico (compostos de referência). Com base nos resultados obtidos concluiu-se que, um menor potencial de oxidação conduz a uma melhor actividade anti-radicalar dos compostos. De facto, verificou-se para o PCA e respectivos ésteres o maior potencial de oxidação e também a menor eficiência anti-radicalar. Em contrapartida, os antioxidantes com maior eficiência anti-radicalar, DOPAC, trolox e ácido gálhico, apresentaram menor potencial de oxidação.

Análise e síntese de música através de sistemas computacionais

Este trabalho, realizado no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, procura mostrar de que forma a Computação Evolucionária se pode aplicar no mundo da Música. Este é, de resto, um tema sobejamente aliciante dentro da área da Inteligência Artificial. Começa-se por apresentar o mundo da Música com uma perspetiva cronológica da sua história, dando especial relevo ao estilo musical do Fado de Coimbra. Abordam-se também os conceitos fundamentais da teoria musical. Relativamente à Computação Evolucionária, expõem-se os elementos associados aos Algoritmos Evolucionários e apresentam-se os principais modelos, nomeadamente os Algoritmos Genéticos. Ainda no âmbito da Computação Evolucionária, foi elaborado um pequeno estudo do “estado da arte” da aplicação da Computação Evolucionária na Música. A implementação prática deste trabalho baseia-se numa aplicação – AG Fado – que compõe melodias de Fado de Coimbra, utilizando Algoritmos Genéticos. O trabalho foi dividido em duas partes principais: a primeira parte consiste na recolha de informações e posterior levantamento de dados estatísticos sobre o género musical escolhido, nomeadamente fados em tonalidade maior e fados em tonalidade menor; a segunda parte consiste no desenvolvimento da aplicação, com a conceção do respetivo algoritmo genético para composição de melodias. As melodias obtidas através da aplicação desenvolvida são bastante audíveis e boas melodicamente. No entanto, destaca-se o facto de a avaliação ser efetuada por seres humanos o que implica sensibilidades musicais distintas levando a resultados igualmente distintos.

Remediação de solos contaminados por compostos farmacêuticos

O recente surgimento de nanopartículas de ferro valente-zero (nFZV), um material com elevada capacidade de remediação de solos por via de reacções de oxidação/redução pode ser uma opção viável para a remoção de fármacos do solo. A sua aplicação já é uma realidade em alguns tipos de solos contaminados por compostos específicos e, com este trabalho, procura-se estudar a sua capacidade de remediação de solos contaminados por compostos farmacêuticos, recorrendo-se a uma tecnologia “verde” de síntese destas nanopartículas. Esta tecnologia é bastante recente, ainda não aplicada no campo de trabalho, que se baseia no uso de folhas de certas árvores para produzir extratos naturais que reduzem o ferro (III) a ferro zero valente, formando nFZV. Desta forma procedeu-se, à escala laboratorial, ao estudo da eficiência das nFZV na degradação de um fármaco – paracetamol – e comparou-se com a eficiência demonstrada por oxidantes, muito utilizados hoje em dia em casos de remediação in situ como o permanganato de potássio, o peróxido de hidrogénio, o persulfato de sódio e o reagente de Fenton. O estudo foi efectuado em dois meios diferentes: solução aquosa e solo arenoso. De forma muito sucinta, o estudo baseou-se na introdução dos oxidantes/nFZV em soluções/solos contaminados com paracetamol e consequente monitorização do processo de remediação através de cromatografia líquida de alta eficiência. Nos ensaios com soluções aquosas contaminadas com paracetamol, o permanganato de potássio e o reagente de Fenton revelaram capacidade para degradar o paracetamol, atingindo mesmo um grau de degradação de 100%. O persulfato de sódio também demonstrou uma capacidade de degradação do paracetamol, chegando a atingir 99% de degradação, mas apenas recorrendo ao uso de um volume de oxidante elevado quando comparado com os outros dois oxidantes já referidos. Por outro lado, o peróxido de hidrogénio não demonstrou qualquer capacidade de degradação do paracetamol, pelo que o seu uso não passou desta fase. Verificou-se também que o uso de ferro granulado para o tratamento de água contaminada com paracetamol revelou resultados diferentes dos observados no uso de nFZV, obtendo-se eficiências de 87%. Existiram dificuldades analíticas na quantificação do paracetamol, especificamente relacionadas com o uso do extracto de folhas de amoreira, cuja composição continha substâncias que causaram dificuldades acentuadas na análise dos cromatogramas. Por fim, um pequeno teste de combinação do reagente de Fenton com os fenómenos de biodegradação resultantes dos microrganismos presentes em folhas do extracto de chá preto demonstrou que este pode ser uma área que pode e deve ser mais estudada. Desta forma, a utilização das nFZV para o tratamento de água contaminada com paracetamol não permitiu a retirada de conclusões seguras sobre a capacidade que as nFZV produzidas com extractos de folhas de amoreira e de chá preto têm de degradação do paracetamol. Nos testes de remediação de solos contaminados os resultados demonstraram que, mais uma vez, tanto o permanganato de potássio como o reagente de Fenton se revelam como os melhores oxidantes para a degradação do paracetamol, obtendo-se a degradação total do paracetamol. Por outro lado, voltou a ser necessário uma elevada quantidade de persulfato de sódio quando comparada com os dois anteriores, para que ocorra a degradação desta mesma quantidade de paracetamol, demonstrando mais uma vez que, apesar de não ideal, o persulfato demonstra capacidade de degradação do paracetamol.

Caracterização física e química de fíleres para fabrico de misturas betuminosas

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Optimização e Validação da Produção de [13n]-Nh3 para Estudos Clínicos de Tomografia por Emissão de Positrões na Avaliação da Perfusão Miocárdica

A par das patologias oncológicas, as doenças do foro cardíaco, em particular a doença arterial coronária, são uma das principais causas de morte nos países industrializados, devido sobretudo, à grande incidência de enfartes do miocárdio. Uma das formas de diagnóstico e avaliação desta condição passa pela obtenção de imagens de perfusão miocárdica com radionuclídeos, realizada por Tomografia por Emissão de Positrões (PET). As soluções injectáveis de [15O]-H2O, [82Rb] e [13N]-NH3 são as mais utilizadas neste tipo de exame clínico. No Instituto de Ciências Nucleares Aplicadas à Saúde (ICNAS), a existência de um ciclotrão tem permitido a produção de uma variedade de radiofármacos, com aplicações em neurologia, oncologia e cardiologia. Recentemente, surgiu a oportunidade de iniciar exames clínicos com [13N]-NH3 para avaliação da perfusão miocárdica. É neste âmbito que surge a oportunidade do presente trabalho, pois antes da sua utilização clínica é necessário realizar a optimização da produção e a validação de todo o processo segundo as normas de Boas Práticas Radiofarmacêuticas. Após uma fase de optimização do processo, procedeu-se à avaliação dos parâmetros físico-químicos e biológicos da preparação de [13N]-NH3, de acordo com as indicações da Farmacopeia Europeia (Ph. Eur.) 8.2. De acordo com as normas farmacêuticas, foram realizados 3 lotes de produção consecutivos para validação da produção de [13N]-NH3. Os resultados mostraram um produto final límpido e ausente de cor, com valores de pH dentro do limite especificado, isto é, entre 4,5 e 8,5. A pureza química das amostras foi verificada, uma vez que relativamente ao teste colorimétrico, a tonalidade da cor da solução de [13N]-NH3 não era mais intensa que a solução de referência. As preparações foram identificadas como sendo [13N]-NH3, através dos resultados obtidos por cromatografia iónica, espectrometria de radiação gama e tempo de semi-vida. Por examinação do cromatograma obtido com a solução a ser testada, observou-se que o pico principal possuia um tempo de retenção aproximadamente igual ao pico do cromatograma obtido para a solução de referência. Além disso, o espectro de radiação gama mostrou um pico de energia 0,511 MeV e um outro adicional de 1,022 MeV para os fotões gama, característico de radionuclídeos emissores de positrões. O tempo de semi-vida manteve-se dentro do intervalo indicado, entre 9 e 11 minutos. Verificou-se, igualmente, a pureza radioquímica das amostras, correspondendo um mínimo de 99% da radioactividade total ao [13N], bem como a pureza radionuclídica, observando-se uma percentagem de impurezas inferiores a 1%, 2h após o fim da síntese. Os testes realizados para verificação da esterilidade e determinação da presença de endotoxinas bacterianas nas preparações de [13N]-NH3 apresentaram-se negativos.Os resultados obtidos contribuem, assim, para a validação do método para a produção de [13N]-NH3, uma vez que cumprem os requisitos especificados nas normas europeias, indicando a obtenção de um produto seguro e com a qualidade necessária para ser administrado em pacientes para avaliação da perfusão cardíaca por PET.

Envolver os alunos produtivamente em aulas de física e química durante uso de simulações computacionais: Dois professores com mediações distintas e uso distinto das simulações

Neste trabalho, pretende-se identificar e descrever as características da mediação do professor determinantes para promover o envolvimento produtivo dos alunos, durante o uso de simulações computacionais (SC). São apresentados resultados com base no estudo de aulas lecionadas por dois professores de física e química, com a mesma experiência profissional, mas diferente experiência de integração de investigação didática nas suas práticas de ensino. Os resultados permitem compreender as condições fundamentais para os alunos se envolverem produtivamente nas tarefas, as principais diferenças entre a mediação de professores com experiência de integração de resultados de investigação didática nas práticas de ensino. São ainda discutidos os fatores que influenciam o uso de SC em contexto de aula.

Valorização da Drêche Cervejeira: Fermentação de Pentoses

O presente trabalho tem como objetivo a otimização da etapa de fermentação dos açúcares obtidos a partir da drêche cervejeira para produção do bioetanol através da utilização das leveduras Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NCYC 2791 como agentes fermentativos. O meio de cultura usado para manter as culturas destas leveduras foi Yeast Extract Peptone Dextrose (YEPD). O principal propósito deste trabalho foi o de encontrar alternativas aos combustíveis fósseis, pautando-se por soluções inofensivas para o meio ambiente e sustentáveis. Assim, o trabalho está dividido em quatro etapas: 1) caraterização química e biológica da drêche; 2) pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática para primeiramente quebrar as moléculas de lenhina que envolvem os polímeros de celulose e hemicelulose e em seguida romper as ligações poliméricas destas macromoléculas por ação enzimática e transforma-las em açúcares simples, respetivamente, obtendo-se então a glucose, a maltose, a xilose e a arabinose; e, por último, 3) otimização da etapa de fermentação da glucose, maltose e das pentoses que constitui a condição essencial para se chegar à síntese do bioetanol de um modo eficiente e sustentável e 4) a recuperação do bioetanol produzido por destilação fracionada. A quantificação dos açúcares libertados no processo foi feita recorrendo a análises por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Neste estudo foram identificados e quantificados cinco açúcares: Arabinose, Glucose, Maltose, Ribose e Xilose. Na etapa de pré-tratamento e hidrólise enzimática foram usados os ácidos clorídrico (HCl) e nítrico (HNO3) com a concentração de 1% (m/m), e as enzimas Glucanex 100g e Ultraflo L. Foram testadas seis condições de pré-tratamento e hidrólise enzimática, alterando os parâmetros tempo de contacto e razão enzimas/massa de drêche, respetivamente, e mantendo a temperatura (50 ºC), velocidade de agitação (75 rpm) e concentração dos ácidos (1% (m/m)). No processamento de 25 g de drêche seca com 0,5 g de Glucanex, 0,5 mL de Ultraflo e um tempo de reação de 60 minutos para as enzimas foi obtida uma eficiência de 15%, em hidrolisado com 6% da celulose. Realizou-se a fermentação do hidrolisado resultante do pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática de drêche cervejeira e de meios sintéticos preparados com os açúcares puros, usando as duas estirpes selecionadas para este estudo: Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NYCY 2791. As eficiências de fermentação dos açúcares nos meios sintéticos foram superiores a 80% para ambas as leveduras. No entanto, as eficiências de fermentação do hidrolisado da drêche foram de 45,10% pela Pichia stipitis e de 36,58 para Kluyveromyces marxianus, para um tempo de fermentação de 72 horas e à temperatura de 30 °C. O rendimento teórico em álcool no hidrolisado da drêche é de 0,27 g/g, três vezes maior do que o real (0,0856 g/g), para Pichia stipitis e de 0,19 g/g seis vezes maior do que o real (0,0308 g/g), para a Kluyveromyces marxianus.