Facile synthesis of freestanding Si nanowire arrays by one-step template-free electro-deoxidation of SiO2 in molten salt

This communication presents a novel kind of silicon nanomaterial: freestanding Si nanowire arrays (Si NWAs), which are synthesized facilely by one-step template-free electro-deoxidation of SiO2 in molten CaCl2. The self-assembling growth process of this material is also investigated preliminarily.

Novel potentiometric sensors of molecular imprinted polymers for specific binding of chlormequat

Molecularly imprinted polymers (MIP) were used as potentiometric sensors for the selective recognition and determination of chlormequat (CMQ). They were produced after radical polymerization of 4-vinyl pyridine (4-VP) or methacrylic acid (MAA) monomers in the presence of a cross-linker. CMQwas used as template. Similar nonimprinted (NI) polymers (NIP) were produced by removing the template from reaction media. The effect of kind and amount of MIP or NIP sensors on the potentiometric behavior was investigated. Main analytical features were evaluated in steady and flow modes of operation. The sensor MIP/4-VP exhibited the best performance, presenting fast near-Nernstian response for CMQover the concentration range 6.2×10-6 – 1.0×10-2 mol L-1 with detection limits of 4.1×10-6 mol L-1. The sensor was independent from the pH of test solutions in the range 5 – 10. Potentiometric selectivity coefficients of the proposed sensors were evaluated over several inorganic and organic cations. Results pointed out a good selectivity to CMQ. The sensor was applied to the potentiometric determination of CMQin commercial phytopharmaceuticals and spiked water samples. Recoveries ranged 96 to 108.5%.

Ciprofloxacin-imprinted polymeric receptors as ionophores for potentiometric transduction

A 3D-mirror synthetic receptor for ciprofloxacin host–guest interactions and potentiometric transduction is presented. The host cavity was shaped on a polymeric surface assembled with methacrylic acid or 2-vinyl pyridine monomers by radical polymerization. Molecularly imprinted particles were dispersed in 2-nitrophenyl octyl ether and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. The sensors exhibited a near-Nernstian response in steady state evaluations. Slopes and detection limits ranged from 26.8 to 50.0mVdecade−1 and 1.0×10−5 to 2.7×10−5 mol L−1, respectively. Good selectivity was observed for trimethoprim, enrofloxacin, tetracycline, cysteine, galactose, hydroxylamine, creatinine, ammonium chloride, sucrose, glucose, sulphamerazine and sulfadiazine. The sensors were successfully applied to the determination of ciprofloxacin concentrations in fish and in pharmaceuticals. The method presented offered the advantages of simplicity, accuracy, applicability to colored and turbid samples and automation feasibility, as well as confirming the use of molecularly imprinted polymers as ionophores for organic ion recognition in potentiometric transduction.

Trimethoprim-selective electrodes with molecularly imprinted polymers acting as ionophores and potentiometric transduction on graphite solid-contact

This work proposes a new biomimetic sensor material for trimethoprim. It is prepared by means of radical polymerization, having trimethylolpropane trimethacrylate as cross-linker, benzoyl peroxide as radicalar iniciator, chloroform as porogenic solvent, and methacrylic acid and 2-vinyl pyridine as monomers. Different percentages of sensor in a range between 1 and 6% were studied. Their behavior was compared to that obtained with ion-exchanger quaternary ammonium salt (additive tetrakis(p-chlorophenyl)borate or tetraphenylborate). The effect of an anionic additive in the sensing membrane was also tested. Trimethoprim sensors with 1% of imprinted particles from methacrylic acid monomers showed the best response in terms of slope (59.7 mV/decade) and detection limit (4.01×10−7 mol/L). These electrodes displayed also a good selectivity towards nickel, manganese aluminium, ammonium, lead, potassium, sodium, iron, chromium, sulfadiazine, alanine, cysteine, tryptophan, valine and glycine. The sensors were not affected by pH changes from 2 to 6. They were successfully applied to the analysis of water from aquaculture.

Deteção eletroquímica da norfloxacina e trimetoprim em amostras de urina utilizando polímero molecularmente impresso modificado e grafeno

A norfloxacina e o trimetoprim são dois antibióticos antibacterianos usados para o tratamento de infeções urinárias, intestinais e respiratórias. A maioria dos fármacos exige uma dosagem que garanta os níveis de segurança e eficácia de atuação. A necessidade de dosear os medicamentos e os seus metabolitos é assim um controlo imperioso e em muitos casos regular no tratamento de um paciente. Neste trabalho desenvolveram-se dois sensores eletroquímicos para a deteção da norfloxacina (NFX) e do trimetoprim (TMP), usando como superfície de suporte o carbono vítreo. A busca de novos materiais que conferiram maior seletividade e sensibilidade aos sistemas de deteção e por outro lado apresentem menores riscos para o paciente quando usados em dispositivos que permitam uma análise point-of-care, é especialmente importante e pode ser uma parte crucial do processo de decisão clínica. Assim, os polímeros molecularmente impresos enquadram-se nesse perfil e o seu uso tem vindo a ser cada vez mais avaliado. A impressão molecular é uma tecnologia capaz de produzir polímeros que incorporam as moléculas do analito e que após remoção por solventes específicos, permitem dotá-los de locais específicos de reconhecimento estereoquímico. A seleção do pirrol como polímero molecularmente impresso (MIP) permitiu construir com sucesso os sensores para doseamento dos antibióticos. A fim de aumentar a sensibilidade do método incorporou-se grafeno na superfície do elétrodo. Este material tem vindo a ser largamente utilizado devido às suas propriedades: estrutura molecular, condutividade elétrica e aumento da superfície são algumas das características que mais despertam o interesse para a sua aplicação neste projeto. Os sensores desenvolvidos foram incorporados em sistemas eletroquímicos. Os métodos voltamétricos aplicados foram a voltametria cíclica, a voltametria de onda quadrada e ainda a impedância. As condições de análise foram otimizadas no que respeita à polimerização do pirrol (concentração do polímero, número de ciclos de eletropolimerização e respetivos potenciais aplicados, tempo de incubação, solvente de remoção do analito), ao pH da solução do fármaco, à gama de concentrações dos antibióticos e aos parâmetros voltamétricos dos métodos de análise. Para cada um dos antibióticos um elétrodo não-impresso foi também preparado, usando o procedimento de polimerização mas sem a presença da molécula do analito, e foi usado como controlo. O sensor desenvolvido para o trimetoprim foi usado no doseamento do fármaco em amostras de urina. As amostras foram analisadas sem qualquer diluição, apenas foram centrifugadas para remoção de proteínas e algum interferente. Os sensores construídos apresentaram comportamento linear na gama de concentrações entre 102 e 107 mol/L. Os resultados mostram boa precisão (desvios padrão inferiores a 11%) e os limites de deteção foram de 8,317 e 1,307 mol/L para a norfloxacina e o trimetoprim, respetivamente. Para validação do método foram ainda efetuados ensaios de recuperação tendo obtido valores superiores a 94%.

Preparação de adsorventes mesoporosos para a adsorção de poluentes em águas

Mestrado Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental

Sensor electroquímico seletivo para a Norfloxacina

A Norfloxacina (NFX) é um antibiótico antibacteriano indicado para combater bactérias Gram-negativas e amplamente utilizado para o tratamento de infeções no trato respiratório e urinário. Com a necessidade de realizar estudos clínicos e farmacológicos esenvolveram-se métodos de análise rápida e sensitiva para a determinação da Norfloxacina. Neste trabalho foi desenvolvido um novo sensor eletroquímico sensível e seletivo para a deteção da NFX. O sensor foi construído a partir de modificações efetuadas num elétrodo de carbono vítreo. Inicialmente o elétrodo foi modificado com a deposição de uma suspensão de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) de modo a aumentar a sensibilidade de resposta analítica. De seguida um filme polímerico molecularmente impresso (MIP) foi preparado por eletrodeposição, a partir de uma solução contendo pirrol (monómero funcional) e NFX (template). Um elétrodo de controlo não impresso foi também preparado (NIP). Estudouse e caraterizou-se a resposta eletroquímica do sensor para a oxidação da NFX por voltametria de onda quadrada. Foram optimizados diversos parâmetros experimentais, tais como, condições ótimas de polimerização, condições de incubação e condições de extração. O sensor apresenta um comportamento linear entre a intensidade da corrente do pico e o logaritmo da concentração de NFX na gama entre 0,1 e 8μM. Os resultados obtidos apresentam boa precisão, com repetibilidade inferior a 6% e reprodutibilidade inferior a 9%. Foi calculado a partir da curva de calibração um limite de deteção de 0,2 μM O método desenvolvido é seletivo, rápido e de fácil manuseamento. O sensor molecularmente impresso foi aplicado com sucesso na deteção da NFX em amostras de urina real e água.

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

Eficiência de antioxidantes na estabilização do Biodiesel

O Biodiesel é uma fonte de energia renovável que actualmente se encontra em expansão. O Biodiesel é constituído por uma mistura de ésteres alquílicos de ácidos gordos. A existência de ácidos gordos insaturados torna o Biodiesel quimicamente menos estável, podendo ocorrer oxidação, degradação e polimerização do combustível, se este for inadequadamente armazenado ou transportado. O objectivo deste trabalho consistiu em avaliar a eficiência da utilização de antioxidantes fenólicos (ácido protocatecuico, ácido gálico, ácido 3,4 di-hidroxifenilacético, ácido cafeico, ácido hidrocafeico, ácido 3,4,5-tri-hidroxicinâmico, ácido m-coumárico e ácido p-coumárico), na estabilização do Biodiesel. O estudo envolveu a análise da influência do uso de cada um dos antioxidantes na inibição da peroxidação lipídica do ácido linoleico um dos principais ácidos gordos insaturados presentes na matéria-prima utilizada na produção de Biodiesel. A avaliação do efeito de inibição dos antioxidantes na peroxidação do ácido linoleico foi efetuada usando o método do tiocianato de ferro (III). Os resultados obtidos demonstraram, que todos os ácidos fenólicos estudados, apresentam uma elevada capacidade para inibir a peroxidação lipídica do ácido linoleico. As percentagens de inibição da peroxidação do ácido linoleico variaram entre os 72%, observada para o ácido p-coumárico, e os 82 %, verificada para o ácido protocatecuico. A eficiência de inibição da peroxidação por parte dos antioxidantes fenólicos em estudo foi comparada com a obtida utilizando um antioxidante de referência, o trolox. A eficiência de inibição obtida para todos os antioxidantes fenólicos estudados foi muito superior à observada para o trolox. Os resultados obtidos nesta dissertação permitem concluir que a utilização de ácidos fenólicos constitui uma boa alternativa para a estabilização de matrizes lipídicas, particularmente em combustíveis como o Biodiesel.

Novel Prostate Specific Antigen plastic antibody designed withcharged binding sites for an improved protein binding and itsapplication in a biosensor of potentiometric transduction

This work shows that the synthesis of protein plastic antibodies tailored with selected charged monomersaround the binding site enhances protein binding. These charged receptor sites are placed over a neutralpolymeric matrix, thus inducing a suitable orientation the protein reception to its site. This is confirmed bypreparing control materials with neutral monomers and also with non-imprinted template. This concepthas been applied here to Prostate Specific Antigen (PSA), the protein of choice for screening prostate can-cer throughout the population, with serum levels >10 ng/mL pointing out a high probability of associatedcancer.Protein Imprinted Materials with charged binding sites (C/PIM) have been produced by surfaceimprinting over graphene layers to which the protein was first covalently attached. Vinylben-zyl(trimethylammonium chloride) and vinyl benzoate were introduced as charged monomers labellingthe binding site and were allowed to self-organize around the protein. The subsequent polymerizationwas made by radical polymerization of vinylbenzene. Neutral PIM (N/PIM) prepared without orientedcharges and non imprinted materials (NIM) obtained without template were used as controls.These materials were used to develop simple and inexpensive potentiometric sensor for PSA. Theywere included as ionophores in plasticized PVC membranes, and tested over electrodes of solid or liq-uid conductive contacts, made of conductive carbon over a syringe or of inner reference solution overmicropipette tips. The electrodes with charged monomers showed a more stable and sensitive response,with an average slope of -44.2 mV/decade and a detection limit of 5.8 × 10−11mol/L (2 ng/mL). The cor-responding non-imprinted sensors showed lower sensitivity, with average slopes of -24.8 mV/decade.The best sensors were successfully applied to the analysis of serum, with recoveries ranging from 96.9to 106.1% and relative errors of 6.8%.

Graphene-based biomimetic materials targeting urine metabolite as potential cancer biomarker: Application over different conductive materials for potentiometric transduction

This work presents a novel surface Smart Polymer Antibody Material (SPAM) for Carnitine (CRT, a potential biomarker of ovarian cancer), tested for the first time as ionophore in potentiometric electrodes of unconventional configuration. The SPAM material consisted of a 3D polymeric network created by surface imprinting on graphene layers. The polymer was obtained by radical polymerization of (vinylbenzyl) trimethylammonium chloride and 4-styrenesulfonic acid (signaling the binding sites), and vinyl pivalate and ethylene glycol dimethacrylate (surroundings). Non-imprinted material (NIM) was prepared as control, by excluding the template from the procedure. These materials were then used to produce several plasticized PVC membranes, testing the relevance of including the SPAM as ionophore, and the need for a charged lipophilic additive. The membranes were casted over solid conductive supports of graphite or ITO/FTO. The effect of pH upon the potentiometric response was evaluated for different pHs (2-9) with different buffer compositions. Overall, the best performance was achieved for membranes with SPAM ionophore, having a cationic lipophilic additive and tested in HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) buffer, pH 5.1. Better slopes were achieved when the membrane was casted on conductive glass (-57.4 mV/decade), while the best detection limits were obtained for graphite-based conductive supports (3.6 × 10−5mol/L). Good selectivity was observed against BSA, ascorbic acid, glucose, creatinine and urea, tested for concentrations up to their normal physiologic levels in urine. The application of the devices to the analysis of spiked samples showed recoveries ranging from 91% (± 6.8%) to 118% (± 11.2%). Overall, the combination of the SPAM sensory material with a suitable selective membrane composition and electrode design has lead to a promising tool for point-of-care applications.

New molecularly-imprinted polymer for carnitine and its application as ionophore in potentiometric selective membranes

Carnitine (CRT) is a biological metabolite found in urine that contributes in assessingseveral disease conditions, including cancer. Novel quick screening procedures for CRT are therefore fundamental. This work proposes a novel potentiometric device where molecularly imprinted polymers (MIPs) were used as ionophores. The host-tailored sites were imprinted on a polymeric network assembled by radical polymerization of methacrylic acid (MAA) and trimethylpropane trimethacrylate (TRIM). Non-imprinted polymers (NIPs) were produced as control by removing the template from the reaction media. The selective membrane was prepared by dispersing MIP or NIP particles in plasticizer and poly(vinyl chloride), PVC, and casting this mixture over a solid contact support made of graphite. The composition of the selective membrane was investigated with regard to kind/amount of sensory material (MIP or NIP), and the need for a lipophilic additive. Overall, MIP sensors with additive exhibited the best performance, with near-Nernstian response down to ~ 1 × 10− 4 mol L− 1, at pH 5, and a detection limitof ~ 8 × 10− 5 mol L− 1. Suitable selectivity was found for all membranes, assessed by the matched potential method against some of the most common species in urine (urea, sodium, creatinine, sulfate, fructose and hemoglobin). CRT selective membranes including MIP materials were applied successfully to the potentiometric determination of CRT in urine samples.

A molecularly imprinted sensor for sensitive detection of 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine (8-OHdG) oxidative stress biomarker

6th Graduate Student Symposium on Molecular Imprinting

New modified electrochemical conductive paper support for BSA detection

Chemical sensors and biosensors are widely used to detect various kinds of protein target biomolecules. Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) have raised great interest in this area, because these act as antibody-like recognition materials, with high affinity to the template molecule. Compared to natural antibodies, these are also of lower cost and higher stability. There are different types of supports used to carry MIP materials, mostly of these made of gold, favourably assembled on a Screen Printed Electrode (SPE) strategy. For this work a new kind of support for the sensing layer was developed: conductive paper. This support was made by modifying first cellulose paper with paraffin wax (to make it waterproof), and casting a carbon-ink on it afterwards, to turn it conductive. The SPAM approach previously reported in1 was employed herein to assemble to MIP sensing material on the conductive paper. The selected charged monomers were (vinylbenzyl) trimethlammonium chloride (positive charge) or vinylbenzoic acid (negative charge), used to generate binding positions with single-type charge (positive or negative). The non-specific binding area of the MIP layer was assembled by chronoamperometry-assisted polymerization (at 1 V, for 60, 120 or 180 seconds) of vinylbenzoate, cross-linked with ethylene glycol vinyl ether. The BSA biomolecules lying within the polymeric matrix were removed by Proteinase K action. All preparation stages of the MIP assembly were followed by FTIR, Raman spectroscopy and, electrochemical analysis. In general, the best results were obtained for longer polymerization times and positively charged binding sites (which was consistent with a negatively-charged protein under physiological pH, as BSA). Linear responses against BSA concentration ranged from 0.005 to 100 mg/mL, in PBS buffer standard solutions. The sensor was further calibrated in standard solutions that were prepared in synthetic or real urine, and the analytical response became more sensitive and stable. Compared to the literature, the detection capability of the developed device is better than most of the reported electrodes. Overall, the simplicity, low cost and good analytical performance of the BSA SPE device, prepared with positively charged binding positions, seems a suitable approach for practical application in clinical context. Further studies with real samples are required, as well as gathering with electronic-supporting devices to allow on-site readings.

Detection of cardiac biomarker proteins using a disposable based on a molecularly imprinted polymer grafted onto graphite

A low-cost disposable was developed for rapid detection of the protein biomarker myoglobin (Myo) as a model analyte. A screen printed electrode was modified with a molecularly imprinted material grafted on a graphite support and incorporated in a matrix composed of poly(vinyl chloride) and the plasticizer o-nitrophenyloctyl ether. The protein-imprinted material (PIM) was produced by growing a reticulated polymer around a protein template. This is followed by radical polymerization of 4-styrenesulfonic acid, 2-aminoethyl methacrylate hydrochloride, and ethylene glycol dimethacrylate. The polymeric layer was then covalently bound to the graphitic support, and Myo was added during the imprinting stage to act as a template. Non-imprinted control materials (CM) were also prepared by omitting the Myo template. Morphological and structural analysis of PIM and CM by FTIR, Raman, and SEM/EDC microscopies confirmed the modification of the graphite support. The analytical performance of the SPE was assessed by square wave voltammetry. The average limit of detection is 0.79 μg of Myo per mL, and the slope is −0.193 ± 0.006 μA per decade. The SPE-CM cannot detect such low levels of Myo but gives a linear response at above 7.2 μg · mL−1, with a slope of −0.719 ± 0.02 μA per decade. Interference studies with hemoglobin, bovine serum albumin, creatinine, and sodium chloride demonstrated good selectivity for Myo. The method was successfully applied to the determination of Myo urine and is conceived to be a promising tool for screening Myo in point-of-care patients with ischemia.