Iron oxide/gold core/shell nanomagnetic probes and CdS biolabels for amplified electrochemical immunosensing of Salmonella typhimurium

There is an imminent need for rapid methods to detect and determine pathogenic bacteria in food products as alternatives to the laborious and time-consuming culture procedures. In this work, an electrochemical immunoassay using iron/gold core/shell nanoparticles (Fe@Au) conjugated with anti-Salmonella antibodies was developed. The chemical synthesis and functionalization of magnetic and gold-coated magnetic nanoparticles is reported. Fe@Au nanoparticles were functionalized with different self-assembled monolayers and characterized using ultraviolet-visible spectrometry, transmission electron microscopy, and voltammetric techniques. The determination of Salmonella typhimurium, on screen-printed carbon electrodes, was performed by square-wave anodic stripping voltammetry through the use of CdS nanocrystals. The calibration curve was established between 1×101 and 1×106 cells/mL and the limit of detection was 13 cells/mL. The developed method showed that it is possible to determine the bacteria in milk at low concentrations and is suitable for the rapid (less than 1 h) and sensitive detection of S. typhimurium in real samples. Therefore, the developed methodology could contribute to the improvement of the quality control of food samples.

Sistema de teste de transístores bipolares de junção e de efeito de campo

O estudo das curvas características de um transístor permite conhecer um conjunto de parâmetros essenciais à sua utilização tanto no domínio da amplificação de sinais como em circuitos de comutação. Deste estudo é possível obter dados em condições que muitas vezes não constam na documentação fornecida pelos fabricantes. O trabalho que aqui se apresenta consiste no desenvolvimento de um sistema que permite de forma simples, eficiente e económica obter as curvas características de um transístor (bipolar de junção, efeito de campo de junção e efeito de campo de metal-óxido semicondutor), podendo ainda ser utilizado como instrumento pedagógico na introdução ao estudo dos dispositivos semicondutores ou no projecto de amplificadores transistorizados. O sistema é constituído por uma unidade de condicionamento de sinal, uma unidade de processamento de dados (hardware) e por um programa informático que permite o processamento gráfico dos dados obtidos, isto é, traçar as curvas características do transístor. O seu princípio de funcionamento consiste na utilização de um conversor Digital-Analógico (DAC) como fonte de tensão variável, alimentando a base (TBJ) ou a porta (JFET e MOSFET) do dispositivo a testar. Um segundo conversor fornece a variação da tensão VCE ou VDS necessária à obtenção de cada uma das curvas. O controlo do processo é garantido por uma unidade de processamento local, baseada num microcontrolador da família 8051, responsável pela leitura dos valores em corrente e em tensão recorrendo a conversores Analógico-Digital (ADC). Depois de processados, os dados são transmitidos através de uma ligação USB para um computador no qual um programa procede à representação gráfica, das curvas características de saída e à determinação de outros parâmetros característicos do dispositivo semicondutor em teste. A utilização de componentes convencionais e a simplicidade construtiva do projecto tornam este sistema económico, de fácil utilização e flexível, pois permite com pequenas alterações

Influence of crystallite size of nanophased hydroxyapatite on fibronectin and osteonectin adsorption and on MC3T3-E1 osteoblast adhesion and morphology

The characteristic topographical features (crystallite dimensions, surface morphology and roughness) of bioceramics may influence the adsorption of proteins relevant to bone regeneration. This work aims at analyzing the influence of two distinct nanophased hydroxyapatite (HA) ceramics, HA725 and HA1000 on fibronectin (FN) and osteonectin (ON) adsorption and MC3T3-E1 osteoblast adhesion and morphology. Both substrates were obtained using the same hydroxyapatite nanocrystals aggregates and applying the sintering temperatures of 725ºC and 1000ºC, respectively. The two proteins used in this work, FN as an adhesive glycoprotein and ON as a counter-adhesive protein, are known to be involved in the early stages of osteogenesis (cell adhesion, mobility and proliferation). The properties of the nanoHA substrates had an important role in the adsorption behavior of the two studied proteins and clearly affected the MC3T3- E1 morphology, distribution and metabolic activity. HA1000 surfaces presenting slightly larger grain size, higher root-mean-square roughness (Rq), lower surface area and porosity, allowed for higher amounts of both proteins adsorbed. These substrates also revealed increased number of exposed FN cell-binding domains as well as higher affinity for osteonectin. Regarding the osteoblast adhesion results, improved viability and cell number were found for HA1000 surfaces as compared to HA725 ones, independently of the presence or type of adsorbed protein. Therefore the osteoblast adhesion and metabolic activity seemed to be more sensitive to surfaces morphology and roughness than to the type of adsorbed proteins.

Precursors’ order effect on the properties of sulfurized Cu2ZnSnS4 thin films

A dc magnetron sputtering-based method to grow high-quality Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films, to be used as an absorber layer in solar cells, is being developed. This method combines dc sputtering of metallic precursors with sulfurization in S vapour and with post-growth KCN treatment for removal of possible undesired Cu2−xS phases. In this work, we report the results of a study of the effects of changing the precursors’ deposition order on the final CZTS films’ morphological and structural properties. The effect of KCN treatment on the optical properties was also analysed through diffuse reflectance measurements. Morphological, compositional and structural analyses of the various stages of the growth have been performed using stylus profilometry, SEM/EDS analysis, XRD and Raman Spectroscopy. Diffuse reflectance studies have been done in order to estimate the band gap energy of the CZTS films. We tested two different deposition orders for the copper precursor, namely Mo/Zn/Cu/Sn and Mo/Zn/Sn/Cu. The stylus profilometry analysis shows high average surface roughness in the ranges 300–550 nm and 230–250 nm before and after KCN treatment, respectively. All XRD spectra show preferential growth orientation along (1 1 2) at 28.45◦. Raman spectroscopy shows main peaks at 338 cm−1 and 287 cm−1 which are attributed to Cu2ZnSnS4. These measurements also confirm the effectiveness of KCN treatment in removing Cu2−xS phases. From the analysis of the diffuse reflectance measurements the band gap energy for both precursors’ sequences is estimated to be close to 1.43 eV. The KCN-treated films show a better defined absorption edge; however, the band gap values are not significantly affected. Hot point probe measurements confirmed that CZTS had p-type semiconductor behaviour and C–V analysis was used to estimate the majority carrier density giving a value of 3.3 × 1018 cm−3.

A study of ternary Cu2SnS3 and Cu3SnS4 thin films prepared by sulfurizing stacked metal precursors

Thin films of Cu2SnS3 and Cu3SnS4 were grown by sulfurization of dc magnetron sputtered Sn–Cu metallic precursors in a S2 atmosphere. Different maximum sulfurization temperatures were tested which allowed the study of the Cu2SnS3 phase changes. For a temperature of 350 ◦C the films were composed of tetragonal (I -42m) Cu2SnS3. The films sulfurized at a maximum temperature of 400 ◦C presented a cubic (F-43m) Cu2SnS3 phase. On increasing the temperature up to 520 ◦C, the Sn content of the layer decreased and orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4 was formed. The phase identification and structural analysis were performed using x-ray diffraction (XRD) and electron backscattered diffraction (EBSD) analysis. Raman scattering analysis was also performed and a comparison with XRD and EBSD data allowed the assignment of peaks at 336 and 351 cm−1 for tetragonal Cu2SnS3, 303 and 355 cm−1 for cubic Cu2SnS3, and 318, 348 and 295 cm−1 for the Cu3SnS4 phase. Compositional analysis was done using energy dispersive spectroscopy and induced coupled plasma analysis. Scanning electron microscopy was used to study the morphology of the layers. Transmittance and reflectance measurements permitted the estimation of absorbance and band gap. These ternary compounds present a high absorbance value close to 104 cm−1. The estimated band gap energy was 1.35 eV for tetragonal (I -42m) Cu2SnS3, 0.96 eV for cubic (F-43m) Cu2SnS3 and 1.60 eV for orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4. A hot point probe was used for the determination of semiconductor conductivity type. The results show that all the samples are p-type semiconductors. A four-point probe was used to obtain the resistivity of these samples. The resistivities for tetragonal Cu2SnS3, cubic Cu2SnS3 and orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4 are 4.59 × 10−2 cm, 1.26 × 10−2 cm, 7.40 × 10−4 cm, respectively.

Influence of selenization pressure on the growth of Cu2ZnSnSe4 films from stacked metallic layers

Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) is a p-type semiconductor with a high absorption coefficient, 104 to 105 cm-1, and is being seen as a possible replacement for Cu(In,Ga)Se2 in thin film solar cells. Yet, there are some fundamental properties of CZTSe that are not well known, one of them is its band gap. In order to resolve its correct value it is necessary to improve the growth conditions to ensure that single phase crystalline thin films are obtained. One of the problems encountered when growing CZTSe is the loss of Sn through evaporation of SnSe. Stoichiometric films are then difficult to obtain and usually there are other phases present. One possible way to overcome this problem is to increase the pressure of growth of CZTSe. This can be done by introducing an atmosphere of an inert gas like Ar or N2. In this work we report the results of morphological, structural and optical studies of the properties of CZTSe thin films grown by selenization of DC magnetron sputtered metallic layers under different Ar pressures. The films are analysed by SEM/EDS, Raman scattering and XRD.

Study of optical and structural properties of Cu2ZnSnS4 thin films

Cu2ZnSnS4 is a promising semiconductor to be used as absorber in thin film solar cells. In this work, we investigated optical and structural properties of Cu2ZnSnS4 thin films grown by sulphurization of metallic precursors deposited on soda lime glass substrates. The crystalline phases were studied by X-ray diffraction measurements showing the presence of only the Cu2ZnSnS4 phase. The studied films were copper poor and zinc rich as shown by inductively coupled plasma mass spectroscopy. Scanning electron microscopy revealed a good crystallinity and compactness. An absorption coefficient varying between 3 and 4×104cm−1 was measured in the energy range between 1.75 and 3.5 eV. The band gap energy was estimated in 1.51 eV. Photoluminescence spectroscopy showed an asymmetric broad band emission. The dependence of this emission on the excitation power and temperature was investigated and compared to the predictions of the donor-acceptor-type transitions and radiative recombinations in the model of potential fluctuations. Experimental evidence was found to ascribe the observed emission to radiative transitions involving tail states created by potential fluctuations.

Study of polycrystalline Cu2ZnSnS4 films by Raman scattering

Cu2ZnSnS4 (CZTS) is a p-type semiconductor that has been seen as a possible low-cost replacement for Cu(In,Ga)Se2 in thin film solar cells. So far compound has presented difficulties in its growth, mainly, because of the formation of secondary phases like ZnS, CuxSnSx+1, SnxSy, Cu2−xS and MoS2. X-ray diffraction analysis (XRD), which is mostly used for phase identification cannot resolve some of these phases from the kesterite/stannite CZTS and thus the use of a complementary technique is needed. Raman scattering analysis can help distinguishing these phases not only laterally but also in depth. Knowing the absorption coefficient and using different excitation wavelengths in Raman scattering analysis, one is capable of profiling the different phases present in multi-phase CZTS thin films. This work describes in a concise form the methods used to grow chalcogenide compounds, such as, CZTS, CuxSnSx+1, SnxSy and cubic ZnS based on the sulphurization of stacked metallic precursors. The results of the films’ characterization by XRD, electron backscatter diffraction and scanning electron microscopy/energy dispersive spectroscopy techniques are presented for the CZTS phase. The limitation of XRD to identify some of the possible phases that can remain after the sulphurization process are investigated. The results of the Raman analysis of the phases formed in this growth method and the advantage of using this technique in identifying them are presented. Using different excitation wavelengths it is also analysed the CZTS film in depth showing that this technique can be used as non destructive methods to detect secondary phases.

Desenvolvimento de um método potenciométrico para deteção de salmonella typhimurium

A Salmonella é um microrganismo responsável por grande parte das doenças alimentares, podendo por em causa a saúde pública da área contaminada. Uma deteção rápida, eficiente e altamente sensível e extremamente importante, sendo um campo em franco desenvolvimento e alvo de variados e múltiplos estudos na comunidade cientifica atual. Foi desenvolvido um método potenciométrico para a deteção de Salmonellas, com elétrodos seletivos de iões, construídos em laboratório com pontas de micropipetas, fios de prata e sensores com composição otimizada. O elétrodo indicador escolhido foi um ESI seletivo a cadmio, para redução da probabilidade de interferências no método, devido a pouca abundancia do cadmio em amostras alimentares. Elétrodos seletivos a sódio, elétrodos de Ag/AgCl de simples e de dupla juncão foram também construídos e caracterizados para serem aplicados como elétrodos de referência. Adicionalmente otimizaram-se as condições operacionais para a analise potenciométrica, nomeadamente o elétrodo de referencia utilizado, condicionamento dos elétrodos, efeito do pH e volume da solução amostra. A capacidade de realizar leituras em volumes muito pequenos com limites de deteção na ordem dos micromolares por parte dos ESI de membrana polimérica, foi integrada num ensaio com um formato nao competitivo ELISA tipo sanduiche, utilizando um anticorpo primário ligado a nanopartículas de Fe@Au, permitindo a separação dos complexos anticorpo-antigénio formados dos restantes componentes em cada etapa do ensaio, pela simples aplicação de um campo magnético. O anticorpo secundário foi marcado com nanocristais de CdS, que são bastante estáveis e é fácil a transformação em Cd2+ livre, permitindo a leitura potenciométrica. Foram testadas várias concentrações de peroxido de hidrogénio e o efeito da luz para otimizar a dissolução de CdS. O método desenvolvido permitiu traçar curvas de calibração com soluções de Salmonellas incubadas em PBS (pH 4,4) em que o limite de deteção foi de 1100 CFU/mL e de 20 CFU/mL, utilizando volumes de amostra de 10 ƒÊL e 100 ƒÊL, respetivamente para o intervalo de linearidade de 10 a 108 CFU/mL. O método foi aplicado a uma amostra de leite bovino. A taxa de recuperação media obtida foi de 93,7% } 2,8 (media } desvio padrão), tendo em conta dois ensaios de recuperação efetuados (com duas replicas cada), utilizando um volume de amostra de 100 ƒÊL e concentrações de 100 e 1000 CFU/mL de Salmonella incubada.

Análise de desempenho de algoritmos de otimização para extração de parâmetros em modelos semicondutores de potência

Apresenta-se nesta tese uma revisão da literatura sobre a modelação de semicondutores de potência baseada na física e posterior análise de desempenho de dois métodos estocásticos, Particle Swarm Optimizaton (PSO) e Simulated Annealing (SA), quando utilizado para identificação eficiente de parâmetros de modelos de dispositivos semicondutores de potência, baseado na física. O conhecimento dos valores destes parâmetros, para cada dispositivo, é fundamental para uma simulação precisa do comportamento dinâmico do semicondutor. Os parâmetros são extraídos passo-a-passo durante simulação transiente e desempenham um papel relevante. Uma outra abordagem interessante nesta tese relaciona-se com o facto de que nos últimos anos, os métodos de modelação para dispositivos de potência têm emergido, com alta precisão e baixo tempo de execução baseado na Equação de Difusão Ambipolar (EDA) para díodos de potência e implementação no MATLAB numa estratégia de optimização formal. A equação da EDA é resolvida numericamente sob várias condições de injeções e o modelo é desenvolvido e implementado como um subcircuito no simulador IsSpice. Larguras de camada de depleção, área total do dispositivo, nível de dopagem, entre outras, são alguns dos parâmetros extraídos do modelo. Extração de parâmetros é uma parte importante de desenvolvimento de modelo. O objectivo de extração de parâmetros e otimização é determinar tais valores de parâmetros de modelo de dispositivo que minimiza as diferenças entre um conjunto de características medidas e resultados obtidos pela simulação de modelo de dispositivo. Este processo de minimização é frequentemente chamado de ajuste de características de modelos para dados de medição. O algoritmo implementado, PSO é uma técnica de heurística de otimização promissora, eficiente e recentemente proposta por Kennedy e Eberhart, baseado no comportamento social. As técnicas propostas são encontradas para serem robustas e capazes de alcançar uma solução que é caracterizada para ser precisa e global. Comparada com algoritmo SA já realizada, o desempenho da técnica proposta tem sido testado utilizando dados experimentais para extrair parâmetros de dispositivos reais das características I-V medidas. Para validar o modelo, comparação entre resultados de modelo desenvolvido com um outro modelo já desenvolvido são apresentados.

Caracterização do “warpage” e sua variabilidade no processo produtivo de encapsulamento de circuitos integrados

Nos últimos anos a indústria de semicondutores, nomeadamente a produção de memórias, tem sofrido uma grande evolução. A necessidade de baixar custos de produção, assim como de produzir sistemas mais complexos e com maior capacidade, levou à criação da tecnologia WLP (Wafer Level Packaging). Esta tecnologia permite a produção de sistemas mais pequenos, simplificar o fluxo do processo e providenciar uma redução significativa do custo final do produto. A WLP é uma tecnologia de encapsulamento de circuitos integrados quando ainda fazem parte de wafers (bolachas de silício), em contraste com o método tradicional em que os sistemas são individualizados previamente antes de serem encapsulados. Com o desenvolvimento desta tecnologia, surgiu a necessidade de melhor compreender o comportamento mecânico do mold compound (MC - polímero encapsulante) mais especificamente do warpage (empeno) de wafers moldadas. O warpage é uma característica deste produto e deve-se à diferença do coeficiente de expansão térmica entre o silício e o mold compound. Este problema é observável no produto através do arqueamento das wafers moldadas. O warpage de wafers moldadas tem grande impacto na manufatura. Dependendo da quantidade e orientação do warpage, o transporte, manipulação, bem como, a processamento das wafers podem tornar-se complicados ou mesmo impossíveis, o que se traduz numa redução de volume de produção e diminuição da qualidade do produto. Esta dissertação foi desenvolvida na Nanium S.A., empresa portuguesa líder mundial na tecnologia de WLP em wafers de 300mm e aborda a utilização da metodologia Taguchi, no estudo da variabilidade do processo de debond para o produto X. A escolha do processo e produto baseou-se numa análise estatística da variação e do impacto do warpage ao longo doprocesso produtivo. A metodologia Taguchi é uma metodologia de controlo de qualidade e permite uma aproximação sistemática num dado processo, combinando gráficos de controlo, controlo do processo/produto, e desenho do processo para alcançar um processo robusto. Os resultados deste método e a sua correta implementação permitem obter poupanças significativas nos processos com um impacto financeiro significativo. A realização deste projeto permitiu estudar e quantificar o warpage ao longo da linha de produção e minorar o impacto desta característica no processo de debond. Este projecto permitiu ainda a discussão e o alinhamento entre as diferentes áreas de produção no que toca ao controlo e a melhoria de processos. Conseguiu–se demonstrar que o método Taguchi é um método eficiente no que toca ao estudo da variabilidade de um processo e otimização de parâmetros. A sua aplicação ao processo de debond permitiu melhorar ou a fiabilidade do processo em termos de garantia da qualidade do produto, como ao nível do aumento de produção.

Intra-Task Device Scheduling for Real-Time Embedded Systems

An ever increasing need for extra functionality in a single embedded system demands for extra Input/Output (I/O) devices, which are usually connected externally and are expensive in terms of energy consumption. To reduce their energy consumption, these devices are equipped with power saving mechanisms. While I/O device scheduling for real-time (RT) systems with such power saving features has been studied in the past, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. Technology enhancements in the semiconductor industry have allowed the hardware vendors to reduce the device transition and energy overheads. The decrease in overhead of sleep transitions has opened new opportunities to further reduce the device energy consumption. In this research effort, we propose an intra-task device scheduling algorithm for real-time systems that wakes up a device on demand and reduces its active time while ensuring system schedulability. This intra-task device scheduling algorithm is extended for devices with multiple sleep states to further minimise the overall device energy consumption of the system. The proposed algorithms have less complexity when compared to the conservative inter-task device scheduling algorithms. The system model used relaxes some of the assumptions commonly made in the state-of-the-art that restrict their practical relevance. Apart from the aforementioned advantages, the proposed algorithms are shown to demonstrate the substantial energy savings.

Sarcosine oxidase composite screen-printed electrode for sarcosine determination in biological samples

As the prostate cancer (PCa) progresses, sarcosine levels increase both in tumor cells and urine samples, suggesting that this metabolite measurements can help in the creation of non-invasive diagnostic methods for this disease. In this work, a biosensor device was developed for the quantification of sarcosine via electrochemical detection of H2O2 (at 0.6 V) generated from the catalyzed oxidation of sarcosine. The detection was carried out after the modification of carbon screen printed electrodes (SPEs) by immobilization of sarcosine oxidase (SOX) on the electrode surface. The strategies used herein included the activation of the carbon films by an electrochemical step and the formation of an NHS/EDAC layer to bond the enzyme to the electrode, the use of metallic or semiconductor nanoparticles layer previously or during the enzyme immobilization. In order to improve the sensor stability and selectivity a polymeric layer with extra enzyme content was further added. The proposed methodology for the detection of sarcosine allowed obtaining a limit of detection (LOD) of 16 nM, using a linear concentration range between 10 and 100 nM. The biosensor was successfully applied to the analysis of sarcosine in urine samples.

Sarcosine oxidase composite screen-printed electrode for sarcosine determination in biological samples

XIX Meeting of the Portuguese Electrochemical Society - XVI Iberic Meeting of Electrochemistry

Towards Certifiable Multicore-based Platforms for Avionics

Work in Progress Session, 21st IEEE Real-Time and Embedded Techonology and Applications Symposium (RTAS 2015). 13 to 16, Apr, 2015, pp 27-28. Seattle, U.S.A..