Nanohybrid materials as transducer surfaces for electrochemical sensing applications

A nanohybrid electrochemical transducer surface was developed using carbon and gold nanomaterials. The strategy relayed on casting multiwalled carbon nanotubes or carbon nanofibers onto a screen-printed carbon electrode surface, followed by in situ generation of gold nanoparticles by electrochemical deposition of ionic gold, in a reproducible manner. These transducers, so fabricated, were characterized using both electrochemical and microscopic techniques. Biofunctionality was evaluated using the streptavidin-biotin interaction system as the biological reaction model. These platforms allow to achieve low detection limits (in the order of pmoles), are reproducible and stable at least for a month after their preparation, being a perfect candidate to be used as transducer of different sensor devices.

Efeito agudo do exercício físico na rigidez arterial

Este estudo pretendeu reproduzir uma tarefa da vida diária (marcha com transporte de peso nos membros superiores) realizada de forma rotineira e até aconselhada no contexto da prevenção e reabilitação de patologia cardiovascular, desta forma, teve como objectivo avaliar o efeito agudo de uma sessão de exercício aeróbio associado a exercício isométrico na rigidez arterial em indivíduos jovens. Foram recrutados 14 indivíduos do sexo masculino com média de idade de 30,3±3,6 anos. Foram realizadas duas sessões de exercício com uma semana de intervalo. Em ambas as sessões de exercício, os sujeitos caminharam num tapete rolante a uma velocidade de 5,0 km/h por um período de dez minutos, sendo que, numa das sessões, determinada aleatoriamente, carregaram o equivalente a 10% do seu peso corporal distribuído igualmente pelos dois membros superiores em dois garrafões de água. Avaliou-se em repouso e imediatamente após o exercício, a pressão arterial periférica, a frequência cardíaca e a rigidez arterial. A análise da rigidez arterial foi efectuada na artéria radial do membro superior direito com um sistema transdutor automático de pressão. Os parâmetros reportados neste estudo são a frequência cardíaca, a pressão arterial sistólica e diastólica, a pressão arterial média, a pressão central (aórtica) sistólica, a pressão de pulso central, a pressão de aumentação e o índice de aumentação a 75 bmp (Aix@75). Em repouso, não se verificaram diferenças significativas entre as duas sessões de exercício nos parâmetros avaliados. O principal resultado do presente estudo indica que a rigidez arterial aumenta de forma aguda com a realização de caminhada (exercício aeróbio) apenas quando esta é acompanhada do transporte nos membros superiores de uma carga externa (exercício isométrico) [Aix@75: -5.5(8.4) para -1.36(8.17)%, p<0.05]. Relativamente ao protocolo exclusivamente aeróbio não se verificaram diferenças significativas na rigidez arterial [Aix@75: -4.2(9.1) para -4.69(7.93)%, p>0.05]. Em conclusão, os resultados do presente estudo indicam que a rigidez arterial, em indivíduos jovens e aparentemente saudáveis, aumenta de forma significativa apenas quando o exercício aeróbio é acompanhado de exercício isométrico de membros superiores com transporte de carga adicional.

Celiac disease detection using a transglutaminase electrochemical immunosensor fabricated on nanohybrid screen-printed carbon electrodes

Celiac disease is a gluten-induced autoimmune enteropathy characterized by the presence of tissue tranglutaminase (tTG) autoantibodies. A disposable electrochemical immunosensor (EI) for the detection of IgA and IgG type anti-tTG autoantibodies in real patient’s samples is presented. Screen-printed carbon electrodes (SPCE) nanostructurized with carbon nanotubes and gold nanoparticles were used as the transducer surface. This transducer exhibits the excellent characteristics of carbon–metal nanoparticle hybrid conjugation and led to the amplification of the immunological interaction. The immunosensing strategy consisted of the immobilization of tTG on the nanostructured electrode surface followed by the electrochemical detection of the autoantibodies present in the samples using an alkaline phosphatase (AP) labelled anti-human IgA or IgG antibody. The analytical signal was based on the anodic redissolution of enzymatically generated silver by cyclic voltammetry. The results obtained were corroborated with a commercial ELISA kit indicating that the electrochemical immunosensor is a trustful analytical screening tool.

Voltammetric immunosensor for the diagnosis of celiac disease based on the quantification of anti-gliadin antibodies

Antibodies against gliadin are used to detect celiac disease (CD) in patients. An electrochemical immunosensor for the voltammetric detection of human anti-gliadin antibodies (AGA) IgA and AGA IgG in real serum samples is proposed. The transducer surface consists of screen-printed carbon electrodes modified with a carbon nanotube/gold nanoparticle hybrid system, which provides a very useful surface for the amplification of the immunological interactions. The immunosensing strategy is based on the immobilization of gliadin, the antigen for the autoantibodies of interest, onto the nanostructured surface. The antigen–antibody interaction is recorded using alkaline phosphatase labeled anti-human antibodies and a mixture of 3-indoxyl phosphate with silver ions (3-IP/Ag+) was used as the substrate. The analytical signal is based on the anodic redissolution of the enzymatically generated silver by cyclic voltammetry. The electrochemical behavior of this immunosensor was carefully evaluated assessing aspects as sensitivity, non-specific binding and matrix effects, and repeatability and reproducibility. The results were supported with a commercial ELISA test.

Avaliação do impacto da marcha com canadianas no dispêndio energético: análise comparativa entre jovens e idosos

Introdução: As canadianas são utilizadas em múltiplos quadros clínicos em que existe compromisso da marcha. No entanto, é fulcral considerar as diferentes exigências metabólicas associadas a cada auxiliar e tipo de marcha. Objetivo: Avaliar o dispêndio energético (DE) na marcha normal (MN), com uma canadiana e com duas canadianas a 3 pontos e a 3 pontos modificada em jovens e idosos. Metodologia: Estudo analítico transversal, composto por 21 indivíduos. As variáveis analisadas foram o volume de oxigénio inspirado (VO2), volume de dióxido de carbono expirado (VCO2) e quociente respiratório (QR), obtidas através do sistema portátil (Cosmed K4b2, Cosmed, Roma, Itália). Resultados: Os participantes tinham idades entre 18 e 75 anos (11 jovens e 10 idosos). Os idosos apresentaram valores significativamente mais elevados que os jovens no DE na marcha com uma canadiana a 3 pontos (p=0,009) e com duas canadianas a 3 pontos (p=0,008), enquanto nas restantes marchas não houve diferenças estatisticamente significativas (p>0,05). A MN e a marcha com duas canadianas a 3 pontos foram os tipos de marcha com maior DE nos jovens, e nos idosos. Nos jovens, a MN apresentou 19% a 45% maior DE do que as restantes marchas, enquanto nos idosos verificou-se que todas as marchas (à exceção de uma canadiana a 3 pontos modificada) apresentaram um maior DE (entre 7 e 16%) comparativamente à MN. Conclusão: Os idosos apresentaram valores significativamente mais elevados de DE que os jovens nas marchas uma e duas canadianas a 3 pontos. Na MN e na marcha uma canadiana a 3 pontos modificada existe uma tendência para os jovens apresentarem valores de DE superior aos idosos. A medição do DE fornece uma indicação precisa da eficiência da marcha, sendo útil como suporte para a decisão clínica e para uma adequada reabilitação.

An electrochemical deamidated gliadin antibody immunosensor for celiac disease clinical diagnosis

The first electrochemical immunosensor (EI) for the detection of antibodies against deamidated gliadin peptides (DGP) is described here. A disposable nanohybrid screen-printed carbon electrode modified with DGP was employed as the transducer's sensing surface. Real serumsampleswere successfully assayed and the results were corroborated with an ELISA kit. The presented EI is a promising analytical tool for celiac disease diagnosis.

Multiplexed electrochemical immunosensor for detection of celiac disease serological markers

Celiac disease (CD) is a gluten-induced autoimmune enteropathy characterized by the presence of antibodies against gliadin (AGA) and anti-tissue transglutaminase (anti-tTG) antibodies. A disposable electrochemical dual immunosensor for the simultaneous detection of IgA and IgG type AGA and antitTG antibodies in real patient’s samples is presented. The proposed immunosensor is based on a dual screen-printed carbon electrode, with two working electrodes, nanostructured with a carbon–metal hybrid system that worked as the transducer surface. The immunosensing strategy consisted of the immobilization of gliadin and tTG (i.e. CD specific antigens) on the nanostructured electrode surface. The electrochemical detection of the human antibodies present in the assayed serum samples was carried out through the antigen–antibody interaction and recorded using alkaline phosphatase labelled anti-human antibodies and a mixture of 3-indoxyl phosphate with silver ions was used as the substrate. The analytical signal was based on the anodic redissolution of enzymatically generated silver by cyclic voltammetry. The results obtained were corroborated with commercial ELISA kits indicating that the developed sensor can be a good alternative to the traditional methods allowing a decentralization of the analyses towards a point-of-care strategy.

Experimenting through the web a linear variable differential transformer

Aiming for teaching/learning support in sciences and engineering areas, the Remote Experimentation concept (an E-learning subset) has grown in last years with the development of several infrastructures that enable doing practical experiments from anywhere and anytime, using a simple PC connected to the Internet. Nevertheless, given its valuable contribution to the teaching/learning process, the development of more infrastructures should continue, in order to make available more solutions able to improve courseware contents and motivate students for learning. The work presented in this paper contributes for that purpose, in the specific area of industrial automation. After a brief introduction to the Remote Experimentation concept, we describe a remote accessible lab infrastructure that enables users to conduct real experiments with an important and widely used transducer in industrial automation, named Linear Variable Differential Transformer.

Electrochemical immunosensor for the analysis of the breast cancer biomarker HER2 ECD

Human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) is a breast cancer biomarker that plays a major role in promoting breast cancer cell proliferation and malignant growth. The extracellular domain (ECD) of HER2 can be shed into the blood stream and its concentration is measurable in the serum fraction of blood. In this work an electrochemical immunosensor for the analysis of HER2 ECD in human serum samples was developed. To achieve this goal a screen-printed carbon electrode, modified with gold nanoparticles, was used as transducer surface. A sandwich immunoassay, using two monoclonal antibodies, was employed and the detection of the antibody–antigen interaction was performed through the analysis of an enzymatic reaction product by linear sweep voltammetry. Using the optimized experimental conditions the calibration curve (ip vs. log[HER2 ECD]) was established between 15 and 100 ng/mL and a limit of detection (LOD) of 4.4 ng/mL was achieved. These results indicate that the developed immunosensor could be a promising tool in breast cancer diagnostics, patient follow-up and monitoring of metastatic breast cancer since it allows quantification in a useful concentration range and has an LOD below the established cut-off value (15 ng/mL).

Uma aplicação Web para apoio a laboratórios remotos reconfiguráveis baseados na norma IEEE 1451.0

Nos últimos anos, o processo de ensino e aprendizagem tem sofrido significativas alterações graças ao aparecimento da Internet. Novas ferramentas para apoio ao ensino têm surgido, nas quais se destacam os laboratórios remotos. Atualmente, muitas instituições de ensino disponibilizam laboratórios remotos nos seus cursos, que permitem, a professores e alunos, a realização de experiências reais através da Internet. Estes são implementados por diferentes arquiteturas e infraestruturas, suportados por vários módulos de laboratório acessíveis remotamente (e.g. instrumentos de medição). No entanto, a sua inclusão no ensino é ainda deficitária, devido: i) à falta de meios e competências técnicas das instituições de ensino para os desenvolverem, ii) à dificuldade na partilha dos módulos de laboratório por diferentes infraestruturas e, iii) à reduzida capacidade de os reconfigurar com esses módulos. Para ultrapassar estas limitações, foi idealizado e desenvolvido no âmbito de um trabalho de doutoramento [1] um protótipo, cuja arquitetura é baseada na norma IEEE 1451.0 e na tecnologia de FPGAs. Para além de garantir o desenvolvimento e o acesso de forma normalizada a um laboratório remoto, este protótipo promove ainda a partilha de módulos de laboratório por diferentes infraestruturas. Nesse trabalho explorou-se a capacidade de reconfiguração de FPGAs para embutir na infraestrutura do laboratório vários módulos, todos descritos em ficheiros, utilizando linguagens de descrição de hardware estruturados de acordo com a norma IEEE 1451.0. A definição desses módulos obriga à criação de estruturas de dados binárias (Transducer Electronic Data Sheets, TEDSs), bem como de outros ficheiros que possibilitam a sua interligação com a infraestrutura do laboratório. No entanto, a criação destes ficheiros é bastante complexa, uma vez que exige a realização de vários cálculos e conversões. Tendo em consideração essa mesma complexidade, esta dissertação descreve o desenvolvimento de uma aplicação Web para leitura e escrita dos TEDSs. Para além de um estudo sobre os laboratórios remotos, é efetuada uma descrição da norma IEEE 1451.0, com particular atenção para a sua arquitetura e para a estrutura dos diferentes TEDSs. Com o objetivo de enquadrar a aplicação desenvolvida, efetua-se ainda uma breve apresentação de um protótipo de um laboratório remoto reconfigurável, cuja reconfiguração é apoiada por esta aplicação. Por fim, é descrita a verificação da aplicação Web, de forma a tirar conclusões sobre o seu contributo para a simplificação dessa reconfiguração.

Projecto e implementação de osciloscópio digital baseado na norma IEEE1451.0

Os osciloscópios digitais são utilizados em diversas áreas do conhecimento, assumindo-se no âmbito da engenharia electrónica, como instrumentos indispensáveis. Graças ao advento das Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), os instrumentos de medição reconfiguráveis, dadas as suas vantagens, i.e., altos desempenhos, baixos custos e elevada flexibilidade, são cada vez mais uma alternativa aos instrumentos tradicionalmente usados nos laboratórios. Tendo como objectivo a normalização no acesso e no controlo deste tipo de instrumentos, esta tese descreve o projecto e implementação de um osciloscópio digital reconfigurável baseado na norma IEEE 1451.0. Definido de acordo com uma arquitectura baseada nesta norma, as características do osciloscópio são descritas numa estrutura de dados denominada Transducer Electronic Data Sheet (TEDS), e o seu controlo é efectuado utilizando um conjunto de comandos normalizados. O osciloscópio implementa um conjunto de características e funcionalidades básicas, todas verificadas experimentalmente. Destas, destaca-se uma largura de banda de 575kHz, um intervalo de medição de 0.4V a 2.9V, a possibilidade de se definir um conjunto de escalas horizontais, o nível e declive de sincronismo e o modo de acoplamento com o circuito sob análise. Arquitecturalmente, o osciloscópio é constituído por um módulo especificado com a linguagem de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language) Verilog e por uma interface desenvolvida na linguagem de programação Java®. O módulo é embutido numa FPGA, definindo todo o processamento do osciloscópio. A interface permite o seu controlo e a representação do sinal medido. Durante o projecto foi utilizado um conversor Analógico/Digital (A/D) com uma frequência máxima de amostragem de 1.5MHz e 14 bits de resolução que, devido às suas limitações, obrigaram à implementação de um sistema de interpolação multi-estágio com filtros digitais.

Imunossensores Eletroquímicos para o Diagnóstico Precoce e Descentralizado do Cancro da Mama

O cancro é uma das principais causas de morte em todo o mundo. Entre as mulheres, o cancro da mama é o mais frequente. A deteção precoce do cancro é de extrema importância na medida em que pode aumentar as possibilidades de cura dos pacientes e contribuir para a diminuição da taxa de mortalidade desta doença. Um método que tem contribuído para a deteção precoce do cancro é a análise de biomarcadores. Biomarcadores associados ao cancro da mama, como o Recetor 2 do Fator de Crescimento Epidérmico Humano (HER2) e o Antigénio Carbohidratado 15-3 (CA 15-3), podem ser detetados através de dispositivos como os biossensores. Neste trabalho foram desenvolvidos dois imunossensores eletroquímicos para a análise de HER2 e CA 15-3. Para ambos os sensores foram utilizados, como transdutores, elétrodos serigrafados de carbono. A superfície destes transdutores foi nanoestruturada com nanopartículas de ouro. Foram realizados imunoensaios não-competitivos (do tipo sandwich) em ambos os imunossensores, cuja estratégia consistiu na (i) imobilização do respetivo anticorpo de captura na superfície nanoestruturada dos elétrodos, (ii) bloqueio da superfície com caseína, (iii) incubação com uma mistura do analito (HER2 ou CA 15-3) e o respetivo anticorpo de deteção biotinilado, (iv) adição de estreptavidina conjugada com fosfatase alcalina (S-AP; a AP foi utilizada como marcador enzimático), (v) adição de uma mistura do substrato enzimático (3-indoxil fosfato) e nitrato de prata, e (vi) deteção do sinal analítico através da redissolução anódica, por voltametria de varrimento linear, da prata depositada enzimaticamente. Com as condições experimentais otimizadas, foi estabelecida a curva de calibração para a análise de HER2 em soro, entre 15 e 100 ng/mL, obtendo-se um limite de deteção de 4,4 ng/mL. Para o CA 15-3 a curva de calibração (em solução aquosa) foi estabelecida entre 15 e 250 U/mL, obtendo-se um limite de deteção de 37,5 U/mL. Tendo em conta o valor limite (cutoff value) estabelecido para o HER2 (15 ng/mL) pode-se comprovar a possível utilidade do imunossensor desenvolvido para o diagnóstico precoce e descentralizado do cancro da mama. No caso do CA 15-3 serão necessários estudos adicionais para se poder avaliar a utilidade do imunossensor para o diagnóstico do cancro da mama.

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.

Desenvolvimento de Aplicação para a Otimização de Processo Produtivo

Empreendimentos industriais requerem o acompanhamento completo e preciso de dados de máquinas em tempo real, integrando as atividades do chão de fábrica com a engenharia, suporte e negócios. É reconhecido que sistemas de monitorização são fundamentais para melhorar a qualidade do produto, reduzir os tempos e para a adaptação rápida às mudanças de produção. Os sensores de processos possuem custos altos, não são compactos e são de difícil implementação. Portanto, seria estratégico desenvolver sistemas de monitorização que usufruem ao máximo dos recursos já existentes nas máquinas e ferramentas e que não representem custos adicionais elevados e de difícil implementação. O uso de PLC nas indústrias é crescente. Estes mostram-se como ferramentas potenciais para atender a estas exigências. Os PLC possuem os recursos necessários para a aquisição de informações e controlo das máquinas, facilitando a interação com um sistema SCADA. O objetivo do presente trabalho é pesquisar soluções sobre sistemas de monitorização que possam substituir um sistema instalado antiquado e encontrar uma solução para o controlo de um processo de vazamento. Para tal, foram consideradas duas soluções: uma passaria por desenvolver um sistema de monitorização que controlasse o processo de vazamento, e outra que permitisse ser o PLC a fazer o controlo, adquirindo um HMI apenas para monitorização. Esta última solução revelou-se como a melhor, visto que um PLC tem mais durabilidade em relação a um PC, em termos de atualizações de hardware e software. Assim, foram criadas funções no PLC para fazer o controlo de vazamento e foi adquirido uma consola Beijer, e respetivo software de programação SCADA, para a criação do sistema de monitorização. Os resultados mostram que o PLC é capaz de executar o controlo, não sendo necessário investir em PC que são mais caros, bastando para isso adquirir sistemas SCADA simples e capazes.

Detection of Arah1 (a major peanut allergen) in food using an electrochemical gold nanoparticle-coated screen-printed immunosensor

A gold nanoparticle-coated screen-printed carbon electrode was used as the transducer in the development of an electrochemical immunosensor for Ara h 1 (a major peanut allergen) detection in food samples. Gold nanoparticles (average diameter=32 nm) were electrochemically generated on the surface of screen-printed carbon electrodes. Two monoclonal antibodies were used in a sandwich-type immunoassay and the antibody–antigen interaction was electrochemically detected through stripping analysis of enzymatically (using alkaline phosphatase) deposited silver. The total time of the optimized immunoassay was 3 h 50 min. The developed immunosensor allowed the quantification of Ara h 1 between 12.6 and 2000 ng/ml, with a limit of detection of 3.8 ng/ml, and provided precise (RSD <8.7%) and accurate (recovery >96.6%) results. The immunosensor was successfully applied to the analysis of complex food matrices (cookies and chocolate), being able to detect Ara h 1 in samples containing 0.1% of peanut.