Myoglobin-biomimetic electroactive materials made by surface molecular imprinting on silica beads and their use as ionophores in polymeric membranes for potentiometric transduction

Myoglobin (Mb) is among the cardiac biomarkers playing a major role in urgent diagnosis of cardiovascular diseases. Its monitoring in point-of-care is therefore fundamental. Pursuing this goal, a novel biomimetic ionophore for the potentiometric transduction of Mb is presented. It was synthesized by surface molecular imprinting (SMI) with the purpose of developing highly efficient sensor layers for near-stereochemical recognition of Mb. The template (Mb) was imprinted on a silane surface that was covalently attached to silica beads by means of self-assembled monolayers. First the silica was modified with an external layer of aldehyde groups. Then, Mb was attached by reaction with its amine groups (on the external surface) and subsequent formation of imine bonds. The vacant places surrounding Mb were filled by polymerization of the silane monomers 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and propyltrimethoxysilane (PTMS). Finally, the template was removed by imine cleavage after treatment with oxalic acid. The results materials were finely dispersed in plasticized PVC selective membranes and used as ionophores in potentiometric transduction. The best analytical features were found in HEPES buffer of pH 4. Under this condition, the limits of detection were of 1.3 × 10−6 mol/L for a linear response after 8.0 × 10−7 mol/L with an anionic slope of −65.9 mV/decade. The imprinting effect was tested by preparing non-imprinted (NI) particles and employing these materials as ionophores. The resulting membranes showed no ability to detect Mb. Good selectivity was observed towards creatinine, sacarose, fructose, galactose, sodium glutamate, and alanine. The analytical application was conducted successfully and showed accurate and precise results.

Citrate selective electrodes for the flow injection analysis of soft drinks, beers and pharmaceutical products

Aiming the establishment of simple and accurate readings of citric acid (CA) in complex samples, citrate (CIT) selective electrodes with tubular configuration and polymeric membranes plus a quaternary ammonium ion exchanger were constructed. Several selective membranes were prepared for this purpose, having distinct mediator solvents (with quite different polarities) and, in some cases, p-tert-octylphenol (TOP) as additive. The latter was used regarding a possible increase in selectivity. The general working characteristics of all prepared electrodes were evaluated in a low dispersion flow injection analysis (FIA) manifold by injecting 500µl of citrate standard solutions into an ionic strength (IS) adjuster carrier (10−2 mol l−1) flowing at 3ml min−1. Good potentiometric response, with an average slope and a repeatability of 61.9mV per decade and ±0.8%, respectively, resulted from selective membranes comprising additive and bis(2-ethylhexyl)sebacate (bEHS) as mediator solvent. The same membranes conducted as well to the best selectivity characteristics, assessed by the separated solutions method and for several chemical species, such as chloride, nitrate, ascorbate, glucose, fructose and sucrose. Pharmaceutical preparations, soft drinks and beers were analyzed under conditions that enabled simultaneous pH and ionic strength adjustment (pH = 3.2; ionic strength = 10−2 mol l−1), and the attained results agreed well with the used reference method (relative error < 4%). The above experimental conditions promoted a significant increase in sensitivity of the potentiometric response, with a supra-Nernstian slope of 80.2mV per decade, and allowed the analysis of about 90 samples per hour, with a relative standard deviation <1.0%.

Electroanalysis of urinary L-dopa using tyrosinase immobilized on gold nanoelectrode ensembles

The performance of an amperometric biosensor constructed by associating tyrosinase (Tyr) enzyme with the advantages of a 3D gold nanoelectrode ensemble (GNEE) is evaluated in a flow-injection analysis (FIA) system for the analysis of l-dopa. GNEEs were fabricated by electroless deposition of the metal within the pores of polycarbonate track-etched membranes. A simple solvent etching procedure based on the solubility of polycarbonate membranes is adopted for the fabrication of the 3D GNEE. Afterward, enzyme was immobilized onto preformed self-assembled monolayers of cysteamine on the 3D GNEEs (GNEE-Tyr) via cross-linking with glutaraldehyde. The experimental conditions of the FIA system, such as the detection potential (−0.200 V vs. Ag/AgCl) and flow rates (1.0 mL min−1) were optimized. Analytical responses for l-dopa were obtained in a wide concentration range between 1 × 10−8 mol L−1 and 1 × 10−2 mol L−1. The limit of quantification was found to be 1 × 10−8 mol L−1 with a resultant % RSD of 7.23% (n = 5). The limit of detection was found to be 1 × 10−9 mol L−1 (S/N = 3). The common interfering compounds, namely glucose (10 mmol L−1), ascorbic acid (10 mmol L−1), and urea (10 mmol L−1), were studied. The recovery of l-dopa (1 × 10−7 mol L−1) from spiked urine samples was found to be 96%. Therefore, the developed method is adequate to be applied in the clinical analysis.

Drilling process of composite laminates – a tool based analysis

“Drilling of polymeric matrix composites structures”

Recovery of acid and base from brackish water by bipolar membrane electrodialysis

Nesta dissertação pretendeu-se estudar a viabilidade do uso de eletrodiálise com membranas bipolares (BM) na recuperação de ácido clorídrico e de hidróxido de sódio a partir de um efluente industrial que contém 1.4 mol/L de cloreto de sódio. Estas membranas mostraram ser uma ferramenta eficiente para a produção de ácidos e bases a partir do respetivo sal. Foi feita uma seleção de diferentes membranas bipolares (Neosepta, Fumatech e PCA) e aniónicas (PC-SA e PC-ACID 60) na tentativa de encontrar a combinação mais adequada para o tratamento do efluente. Dependendo do critério, o melhor arranjo de membranas é o uso de PC-ACID 60 (membrana aniónica), PC-SK (membrana catiónica) e membranas bipolares do tipo Neosepta para maior pureza dos produtos; membranas bipolares Fumatech para maior eficiência de dessalinização e membranas bipolares PCA para um maior grau de dessalinização. Tecnologicamente foi possível obter uma dessalinização de 99.8% em quatro horas de funcionamento em modo batch com recirculação de todas as correntes. Independentemente da combinação usada é recomendável que o processo seja parado quando a densidade de corrente deixa de ser máxima, 781 A/m2. Assim é possível evitar o aumento de impurezas nos produtos, contra difusão, descida instantânea do pH e uma dessalinização pouco eficiente. A nível piloto o principal fornecedor de membranas e unidade de tratamento “stack” é a marca alemã PCA. Sendo assim realizaram-se ensaios de repetibilidade, contra difusão, avaliação económica e upscaling utilizando as membranas bipolares PCA. A nível económico estudou-se o uso de dois tipos de unidades de tratamento; EDQ 380 e EDQ 1600, para diferentes níveis de dessalinização (50, 75 e 80%). Tendo em conta a otimização económica, é recomendável uma dessalinização máxima de 80%, uma vez que a eficiência de processo a este ponto é de 40%. A aplicação do método com a unidade EDQ 1600 para uma dessalinização de 50% é a mais vantajosa economicamente, com custos de 16 €/m3 de efluente tratado ou 0,78 €/kg Cl- removido. O número de unidades necessárias é 4 posicionados em série.

Mixed extractant systems for metal recovery

Hoje em dia, a prevenção dos resíduos de metais é uma questão muito importante para um grande número de empresas, pois necessitam optimizar o seu sistema de tratamento de águas residuais a fim de alcançarem os limites legais dos teores em iões metálicos e poderem efectuar a descarga das águas residuais no domínio hídrico público. Devido a esta problemática foram efectuados estudos inovadores relacionados com a remoção de iões metálicos de águas residuais, verificando-se que as tecnologias de membrana oferecem uma série de vantagens para o efeito. Uma dessas tecnologias, referida como Membrana Líquida de Suporte (SLM), é baseada num mecanismo de extracção. A membrana hidrofóbica, impregnada com uma solução extractora, funciona como barreira entre a água residual e uma solução, geralmente ácida. A diferença de pH entre a água residual e a solução actua como força motriz para o transporte de iões metálicos da água residual para a referida solução. Poderá ocorrer um problema de falta de estabilidade, resultante da possível fuga da solução extractora para fora dos poros das membranas. Estudos anteriores mostraram que os ácidos alquilfosfóricos ou ácidos fosfónicos, como os reagentes D2EHPA e CYANEX e hidroxioximas como o LIX 860-I podem ser muito úteis para a extração de iões metálicos como ferro, cobre, níquel, zinco e outros. A clássica extracção líquido-líquido também tem mostrado que a mistura de diferentes extractores pode ter um efeito sinergético. No entanto, não é claro que haja um efeito óptimo da razão de extractor ou que tipo de complexo é formado durante o processo de extracção. O objectivo deste projecto é investigar este comportamento sinergético e as complexas formações por meio de um método espectrofotométrico, o “Job’s method” e “Mole-ratio method”. Estes métodos são utilizados para estimar a estequiometria dos vários complexos entre dois solutos, a partir da variação de absorvância dos complexos quando comparado com a absorvância do soluto. Com este projecto, o Job’s method e mole-ratio method serão aplicados a um sistema de três componentes, para conseguir mais informações sobre a complexação de níquel (II) e a fim de determinar a razão extractor: metal dos complexos formados durante a aplicação de mistura de extractores D2EHPA e LIX 860-I. Segundo Job’s method a elavada absorvância situa-se na região de 0,015-0,040 M de LIX 860-I e uma baixa concentração de D2EHPA. Quando as diferentes experiências são encontradas num conjunto experimental foram avaliadas de acordo com o método de trabalho, o valor máximo do gráfico foi encontrado para uma baixa fração molar do ião metálico e uma maior concentração de D2EHPA. Esta mudança foi encontrado de 0,50 até 0,30, que poderia apontar para a direção da formação de diferentes complexos. Para o Mole-Ratio method, a estequiometria dos complexos metal pode ser determinada a partir do ponto de intersecção das linhas tangente do gráfico da absorbância versus a concentração do ligante. Em todos os casos, o máximo foi obtido em torno de uma concentração total de 0,010 M. Quando D2EHPA foi aplicado sozinho, absorvâncias muito baixos foram obtidas.

Avaliação de ferramentas para a furação de laminados

“Drlling of polymeric matrix composites structures"

Avaliação de ferramentas na furação de laminados compósitos

Drilling of polymeric matrix composite structures

Desenvolvimento de um biossensor para Ácido Glutâmico

A presente dissertação tem com objetivo o desenvolvimento de um biossensor com base nos polímeros de impressão molecular para a deteção de uma molécula alvo, o ácido glutâmico que é convertido em glutamina pela glutamina sintetase, recorrendo à potenciometria. Nas células neoplásicas a glutamina não é sintetizada podendo-se considerar que o ácido glutâmico é um potencial agente anti-cancro. A técnica de impressão molécular utilizada foi a polimerização em bulk, combinando a acrilamida e a bis acrilamida com o ácido glutâmico. Para se verificar se a resposta potenciométrica obtida era de facto da molécula alvo foram preparados em paralelo com os sensores, materiais de controlo, ou seja, moléculas sem impressão molécular (NIP). Para se controlar a constituíção química dos vários sensores nomeadamente, do NIP e do polímero de impressão molecular (MIP) antes e após a remoção bem como a molécula foram realizados estudos de Espetroscopia de Infravermelhos de Transformada de Fourier (FTIR), Scanning electron microscope (SEM) e Espetroscopia de Raios X por dispersão em energia (EDS). Os materiais desenvolvidos foram aplicados em várias membranas que diferiam umas das outras, sendo seletivas ao ião. A avaliação das características gerais das membranas baseou-se na análise das curvas de calibração, conseguidas em meios com pHs diferentes, comparando os vários elétrodos. O pH 5 foi o que apresentou melhor resultado, associado a uma membrana que continha um aditivo, o p-tetra-octilphenol, e com o sensor com percentagem de 3%. Posto isto, testou-se em material biológico, urina, com as melhores características quer em termos de sensibilidade (18,32mV/década) quer em termos de linearidade (1,6x10-6 a 1,48x10-3 mol/L). Verificou-se ainda que aplicando iões interferentes na solução, estes não interferem nesta, podendo ser aplicados na amostra sem que haja alteração na resposta potenciométrica. O elétrodo é capaz de distinguir o ácido glutâmico dos restantes iões presentes na solução.

Desenvolvimento de um biossensor para monitorização de acetilcolina, um biomarcador associado à Doença de Alzheimer

A presente dissertação teve como objetivo o desenvolvimento e caracterização de sensores potenciométricos com base em polímeros de impressão molecular (MIP, do inglês, Molecularly Imprinted Polymer) para a determinação da molécula alvo, a acetilcolina. A acetilcolina (ACh) é um neurotransmissor que está associado à doença de Alzheimer. Os materiais biomiméticos desenvolvidos para a interação com a ACh foram obtidos por polimerização em bulk, recorrendo a uma combinação de nanotubos de carbono com monómeros de anilina, dispersos em solvente plastificante oNFOE e PVC. Para aferir sobre o efeito da impressão de ACh na resposta dos materiais MIP, foram igualmente preparados e avaliados materiais de controlo, ou seja, materiais sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais foi realizado recorrendo a Espectroscopia de Raman e Espectroscopia de Infravermelho com transformada de Fourier (FTIR, do inglês Fourier Transformed Infrared Spectroscopy). Os materiais desenvolvidos foram integrados em membranas seletivas de ião, preparadas com ou sem aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais das membranas baseou-se na comparação das caraterísticas dos diversos elétrodos. Estas caraterísticas foram obtidas a partir de curvas de calibração, conseguidas para valores de pH diferentes. Em meio ácido, mais precisamente para pH 4, as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico foram as que apresentaram as melhores características analíticas, quer em termos de sensibilidade (+83,86 mV década-1) quer em gama de linearidade (de 3,52×10-5 a 1,73×10-3 M). O estudo de seletividade realizado aos sensores revelou que os elétrodos cuja membrana possuía aditivo aniónico apresentavam menores valores de log KPOT. A presença desse constituinte fez com que a seletividade aumentasse nesses mesmos elétrodos. A espécie menos interferente foi a creatina e a mais interferente a creatinina. Os elétrodos foram, ainda, aplicados em amostras de soro sintético. A qualidade dos resultados obtidos dependeu do nível de concentração em estudo, sendo possível identificar uma região onde os resultados foram exatos e precisos. De uma forma geral, os biossensores com MIP e aditivo aniónico apresentaram um desempenho adequado à prossecução deste estudo em amostras reais.

FIA potentiometric system based on periodate polymeric membrane sensors for the assessment of ascorbic acid in commercial drinks

Ascorbic acid is found in many food samples. Its clinical and technological importance demands an easyto- use, rapid, robust and inexpensive method of analysis. For this purpose, this work proposes a new flow procedure based on the oxidation of ascorbic acid by periodate. A new potentiometric periodate sensor was constructed to monitor this reaction. The selective membranes were of PVC with porphyrin-based sensing systems and a lipophilic cation as additive. The sensor displayed a near-Nernstian response for periodate over 1.0x10-2–6.0x10-6 M, with an anionic slope of 73.9 ± 0.9 mV decade-1. It was pH independent in acidic media and presented good selectivity features towards several inorganic anions. The flow set-up operated in double-channel, carrying a 5.0x10-4 M IO- 4 solution and a suitable buffer; these were mixed in a 50-cm reaction coil. The overall flow rate was 7 ml min-1 and the injection volume 70 µl. Under these conditions, a linear behaviour against concentration was observed for 17.7–194.0 µg ml-1, presenting slopes of 0.169 mV (mg/l)-1, a reproducibility of ±1.1 mV (n = 5), and a sampling rate of ~96 samples h-1. The proposed method was applied to the analysis of beverages and pharmaceuticals.