Desenvolvimento de nanofilmes à base de óxido de tungsténio para aplicações em transístores electrocrómicos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

Optimização do factor de cobertura de condensadores de tântalo produzidos com pós de elevada carga específica

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Nanotecnologias e Nanociências

Estratégia de comercialização para a tira de teste PaperTrack para o diagnóstico e monitorização da diabetes mellitus

O objectivo deste projeto consiste na elaboração de uma estratégia de comercialização para uma tira de teste electroquímica para detecção quantitativa da concentração de glucose no sangue, visando o diagnóstico e a monitorização da diabetes mellitus. O dispositivo baseia-se na tecnologia da microfluídica em papel e encontra-se em fase de desenvolvimento laboratorial no Centro de Investigação de Materiais da Universidade Nova de Lisboa (CENIMAT). A estratégia elaborada foi desenvolvida para o mercado mexicano, após ter sido realizada uma análise comparativa entre os seis países do mundo com maior número de casos de pessoas portadoras de diabetes mellitus (a China, a Índia, os Estados Unidos da América, o Brasil, a Rússia e o México). A comercialização das tiras de teste neste mercado iniciará em 2016 e dependerá da criação de uma start-up, a Diagnostic Medical Solutions (DMS), que será responsável pelo desenvolvimento das operações relacionadas com a produção, marketing, atividade jurídica e financeira. Numa primeira fase, a executar em 2015, a DMS estabelecerá uma parceria com o centro de investigação CENIMAT com o objectivo de desenvolver a investigação das tiras de teste até garantir o nível de qualidade necessária para a introdução no mercado. No decorrer deste trabalho realizou-se uma estimativa para o custo de produção das tiras de teste em substrato de papel e propôs-se um preço de comercialização entre 3 a 5 vezes mais barato que o praticado entre os principais competidores diretos existentes no mercado mexicano. Foi ainda definida uma estratégia de entrada no mercado e, por forma a sustentar todas as operações comerciais adoptadas, foi elaborado um plano financeiro que reflete o modelo de negócio desenvolvido. O projeto requer um investimento inicial de 400 000€, com um período de reembolso de, aproximadamente 2 ano e um retorno esperado, após 6 anos de atividade, 11 vezes superior ao investimento inicial.

Printable organic and inorganic materials for flexible electrochemical devices

Portuguese Science Foundation - project Electra PTDC/CTM/099124/2008 and the PhD grant SFRH/BD/45224. financial support: Professor E. Fortunato’s ERC 2008 Advanced Grant (INVISIBLE contract number 228144), “APPLE” FP7-NMP-2010-SME/262782-2 and “SMARTEC” FP7-ICT-2009.3.9/258203

Lab on paper: biossensores colorimétricos de papel para a detecção de membros do complexo Mycobacterium tuberculosis

Este trabalho foi realizado no âmbito do projecto Lab on Paper, desenvolvido no Centro de Investigação de Materiais (CENIMAT) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCT - UNL)

Funcionalização de fibras de celulose em papel com nanopartículas: aplicação como bactericida

As doenças infecciosas emergentes e o desenvolvimento de resistência aos antibióticos, por parte das bactérias patogénicas e fungos, a um ritmo alarmante são uma questão de extrema preocupação. Apesar do aumento do conhecimento da patogénese microbiana e aplicação de terapias modernas, a taxa de mortalidade associada a infecções microbianas ainda permanece alta. Muitas destas infecções têm origem nos alimentos e água que ingerimos. Torna-se, portanto, urgente procurar novas estratégias e encontrar novos agentes antimicrobianos, a partir de substâncias naturais e inorgânicas para desenvolver novos fármacos ou agentes para controlar as infecções microbianas. É aqui, que a nanotecnologia entra em acção com o conceito de embalagem activa. Esta beneficia do uso de nanopartículas para aumentar a segurança e a qualidade de um produto pois estas possuem actividade antimicrobiana. A maioria das embalagens é feita de papel, que possui óptimas propriedades e características (baixo custo, porosidade e biodegrabilidade), tornando-se um substrato cobiçado em diversas áreas de investigação. Neste trabalho, uniu-se as vantagens do papel com as propriedades antimicrobianas das nanopartículas. Assim, impregnaram-se diferentes substratos de papel com nanopartículas, com o objectivo de testar qual o que apresenta maior actividade antibacteriana. Para tal utilizou-se o cartão, o saco de refeições de take-away, papel de mesa e papel de talheres, os quais foram impregnados com nanopartículas de prata, cobre, óxido de zinco e óxido de tungsténio, com concentrações variadas. Estas nanopartículas foram testadas em cinco bactérias diferentes: Staphylococcus aureus (ATCC6538), Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA) (RN4220) e Enterococcus faecalis (ATCC29212), Escherichia coli (ATCC8739) e Pseudomonas aeruginosa (ATCC9027) e numa levedura Candida albicans (ATCC10231). Dos testes anti-bacterianos realizados, concluiu-se que os melhores resultados foram obtidos para o cartão com AgNPs. Utilizando o cartão como substrato e as nanopartículas de prata como agente anti-bacteriano, estudou-se a influência da concentração de AgNPs (2, 10, 25 e 50mM). A concentração de 50mM revelou-se mais eficaz, em especial para a bactéria Pseudomonas aeruginosa (ATCC9027).

Desenvolvimento de um sensor colorimétrico em papel para a deteção de bactérias eletroquimicamente ativas

Bactérias eletroquimicamente ativas possuem a capacidade de transferir eletrões extracelularmente, durante a respiração celular. Esta característica tem sido atualmente explorada para aplicação na produção de eletricidade, tratamento de águas residuais, biorremediação e em diversas áreas da biotecnologia, onde a transferência eletrónica ocorre na presença de aceitadores insolúveis (tais como, óxidos metálicos e ânodos metálicos). Contudo, o número de espécies identificadas, isoladas e caracterizadas até à data é bastante reduzido. Os métodos atualmente disponíveis para deteção de bactérias eletroquimicamente ativas são morosos, dispendiosos e complexos de operar, tornando-se necessário o desenvolvimento de outros métodos mais rápidos, simples e menos dispendiosos que auxiliem na otimização das aplicações mencionadas. O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor colorimétrico de papel utilizando um material eletrocrómico, trióxido de tungsténio, como camada ativa para a deteção destas bactérias. Para isso, foram definidos no papel poços delimitados por barreiras hidrofóbicas, através da impressão e difusão de uma camada de cera. As várias amostras de nanopartículas de WO3, sintetizadas por um método hidrotermal assistido por micro-ondas, foram depositadas nos poços por drop casting. As nanopartículas com estrutura cristalográfica hexagonal, impregnadas no sensor de papel, foram capazes de detetar com sucesso uma bactéria eletroquimicamente ativa, Geobacter sulfurreducens, desde uma fase de crescimento bastante inicial (Abs600 nm = 0,1, correspondente a 0,07 g/L com um rácio RGB de 1,10 ± 0,040) até à fase exponencial-tardia (Abs600 nm = 0,5, correspondente a 0,33 g/L com um rácio RGB de 1,33 ± 0,005), com P <0,0001. O sensor de papel e respetivo método de deteção colorimétrico desenvolvido neste trabalho, revelou ser sensível e específico à deteção destas bactérias, de uma forma rápida, simples e pouco dispendiosa.

Design e fabrico de novos eléctrodos impressos em papel para desenvolvimento de biossensores enzimáticos com aplicações biomédicas

Num mundo em crescente evolução é necessário tentar melhorar as condições de saúde global. Um factor importante para a prevenção e tratamento de doenças é o seu correcto diagnóstico. Uma vez que nem todos os países têm a mesma capacidade económica, existe a necessidade de se criar testes rápidos e baratos que possam ser acessíveis no mundo inteiro. Os point-of-care tests, como é o caso dos biossensores de glucose vastamente utilizados na monitorização da diabetes, apresentam uma solução para este problema. Os biossensores impressos em papel, em particular, são uma ferramenta que pode vir a ser muito útil na construção destes testes rápidos tornando-os mais “amigos do ambiente” e reduzindo os seus custos. O objectivo deste trabalho foi desenvolver biossensores enzimáticos, de segunda geração, impressos em papel e baseados na enzima glucose oxidase, para a detecção da glucose. Inicialmente foi feito um estudo de possíveis mediadores a utilizar, tendo-se escolhido o ferroceno por apresentar um limite de detecção adequado, ter apresentado um valor de potencial de redução relativamente baixo, 0.232 V vs pseudo ref. Ag/AgCl, ser um composto fácil de obter e com custos reduzidos. Os dispositivos baseiam-se em canais microfluídicos, eléctrodos e ligações eléctricas fabricadas em substrato de papel, utilizando as técnicas de impressão a cera, screen printing e inkjet printing. O circuito constituinte destes dispositivos foi feito recorrendo a tintas condutoras, sendo que, à tinta utilizada para o eléctrodo de trabalho foi incorporado o ferroceno. Sobre o eléctrodo de trabalho foi impressa glucose oxidase, utilizando a técnica de inkjet printing. Os eléctrodos fabricados apresentaram resposta à glucose, muito embora com baixa reprodutibilidade, podendo esta ser causada pela falta de controlo na preparação dos mesmos (manufactura manual e variabilidade da viscosidade da pasta usada no eléctrodo de trabalho). A técnica de inkjet printing em enzimas é ainda muito recente, existindo ainda alguns aspectos, como o seu efeito na actividade da enzima, que não foram avaliados neste projecto, mas que no futuro deverão ser estudados. Podemos concluir que, os eléctrodos deram uma resposta electroquímica consistente à adição de glucose, 8 mM- 30 mM, sendo que os mesmos foram reconhecidos no glucómetro comercial TRUETrackTM blood glucometer; no entanto, os valores de corrente dos dispositivos estavam abaixo do limite de detecção do instrumento.

Desenvolvimento de um papel de filtro de baixo custo para tratamento de água

É sabido que devido à escassez de água potável, nomeadamente em países sub-desenvolvidos, morrem milhares de pessoas por ano, com a procura de fontes de água alternativas, que por sua vez se encontram contaminadas com microrganismos patogénicos; a este facto também se salienta a possibilidade de ocorrência de catástrofes naturais, tornando-se necessário o desenvolvimento de sistemas de desinfecção prácticos, de baixo custo e eficientes. O trabalho experimental desenvolvido focou-se nestas realidades, tendo por objectivo principal o desenvolvimento de um papel bactericida, em particular, um papel de baixo custo como é o caso do papel de filtro de café, para aplicação em desinfecção de água. Este papel foi funcionalizado com nanopartículas sintetizadas de prata, óxido de zinco e com ambas, assim como com nanopartículas comerciais, cuja caracterização foi feita por Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM, Scanning Electron Microscopy), Energia Dispersiva de Raios-X (EDS, Energy-dispersive X-ray Spectroscopy), Espectroscopia de Ultravioleta-Visível (UV-VIS Uv-Visible Spectroscopy), Difracção de Raios-X (DRX, X-Rays Diffraction), Análise Termogravimétrica (TA, Thermal Analysis), e Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC, Differencial Scanning Calorimetry) e a actividade anti-bacteriana dos papéis foi avaliada através de Testes de Sensibilidade aos Antibióticos, pelo Método de Kirby-Bauer, contra as bactérias S.a.ATCC25923 e E.coli ATCC25922. No decorrer das sínteses variaram-se alguns parâmetros consoante o tipo de nanopartícula, para as np´s de prata variou-se essencialmente a metodologia de síntese e o tipo de redutor, para as np´s de óxido de zinco, dado ser um composto fotossensível, submeteu-se o papel á luz ultravioleta, o que, por outro lado também esterelizava o papel, e para ter uma comparação, esterelizou-se também o papel pela autoclave, constatando-se, pelas técnicas de caracterização, nomeadamente DRX, que os papeis não continham nanopartículas de óxido de zinco mas sim de acetato de zinco. Surpreendentemente, nos papéis autoclavados já se detectou a presença de óxido de zinco. Com os papéis que evidenciararam maior actividade anti-bacteriana realizaram-se filtrações de membrana com amostras de água contaminada e a determinação da concentração de metal no filtrado foi realizada pela técnica de Espectroscopia de Absorção Atómica de Chama (Flame Atomic Absorption Spectroscopy) conseguindo-se uma taxa de redução bacteriana de practicamente 100% para E.coli NCTC 9001 e E.f NCTC775 com os papéis contendo acetato de zinco numa concentração de 50 mM e np´sAg e acetato de zinco, numa concentração de 10 mM. De forma a validar o trabalho desenvolvido a parte final consistiu em testar os filtros com melhores propriedades em águas contaminadas, tendo esse trabalho sido feito no Laboratório de Água de Consumo dos Serviços Municipalizados de Água e Saneamento de Almada.

Identificação de compostos bioactivos envolvidos na sinalização entre raízes e fungos micorrízicos

Fundação para a Ciência e a Tecnologia(FCT)

Nanostructuring silicon probes via electrodeposition: characterization of electrode coatings for acute in vivo neural recordings

Understanding how the brain works will require tools capable of measuring neuron elec-trical activity at a network scale. However, considerable progress is still necessary to reliably increase the number of neurons that are recorded and identified simultaneously with existing mi-croelectrode arrays. This project aims to evaluate how different materials can modify the effi-ciency of signal transfer from the neural tissue to the electrode. Therefore, various coating materials (gold, PEDOT, tungsten oxide and carbon nano-tubes) are characterized in terms of their underlying electrochemical processes and recording ef-ficacy. Iridium electrodes (177-706 μm2) are coated using galvanostatic deposition under different charge densities. By performing electrochemical impedance spectroscopy in phosphate buffered saline it is determined that the impedance modulus at 1 kHz depends on the coating material and decreased up to a maximum of two orders of magnitude for PEDOT (from 1 MΩ to 25 kΩ). The electrodes are furthermore characterized by cyclic voltammetry showing that charge storage capacity is im-proved by one order of magnitude reaching a maximum of 84.1 mC/cm2 for the PEDOT: gold nanoparticles composite (38 times the capacity of the pristine). Neural recording of spontaneous activity within the cortex was performed in anesthetized rodents to evaluate electrode coating performance.

Engineering of metal oxide nanoparticles for application in electrochemical devices

The growing demand for materials and devices with new functionalities led to the increased inter-est in the field of nanomaterials and nanotechnologies. Nanoparticles, not only present a reduced size as well as high reactivity, which allows the development of electronic and electrochemical devices with exclusive properties, when compared with thin films. This dissertation aims to explore the development of several nanostructured metal oxides by sol-vothermal synthesis and its application in different electrochemical devices. Within this broad theme, this study has a specific number of objectives: a) research of the influence of the synthesis parameters to the structure and morphology of the nanoparticles; b) improvement of the perfor-mance of the electrochromic devices with the application of the nanoparticles as electrode; c) application of the nanoparticles as probes to sensing devices; and d) production of solution-pro-cessed transistors with a nanostructured metal oxide semiconductor. Regarding the results, several conclusions can be exposed. Solvothermal synthesis shows to be a very versatile method to control the growth and morphology of the nanoparticles. The electrochromic device performance is influenced by the different structures and morphologies of WO3 nanoparticles, mainly due to the surface area and conductivity of the materials. The dep-osition of the electrochromic layer by inkjet printing allows the patterning of the electrodes without wasting material and without any additional steps. Nanostructured WO3 probes were produced by electrodeposition and drop casting and applied as pH sensor and biosensor, respectively. The good performance and sensitivity of the devices is explained by the high number of electrochemical reactions occurring at the surface of the na-noparticles. GIZO nanoparticles were deposited by spin coating and used in electrolyte-gated transistors, which promotes a good interface between the semiconductor and the dielectric. The produced transistors work at low potential and with improved ON-OFF current ratio, up to 6 orders of mag-nitude. To summarize, the low temperatures used in the production of the devices are compatible with flexible substrates and additionally, the low cost of the techniques involved can be adapted for disposable devices.