Development of electrochemical nitrite biosensors using cytochrome c nitrite reductase from Desulfovibrio desulfuricans ATCC 27774

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Development of oxidoreductase based electrochemical biosensors

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Spectroscopic characterization of natural dyes by their non-invasive identification on pre-Columbian codices: the Maya yellow

Mesoamerican cultures had a strong tradition of written and pictorial manuscripts, called the codices. In studies already performed it was found the use of Maya Blue, made from a mixture of indigo and a clay called palygorskite, forming an incredibly stable material where the dye is trapped inside the nanotubes of the clay, after heating. However, a bigger challenge lies in the study of the yellows used, for these civilizations might have used this clay-dye mixture to produce their yellow colorants. As a first step, it was possible to provide identification, by non-invasive methods, of two colorants (a flavonoid and a carotenoid). While the flavonoid absorbed between 368-379 nm, the carotenoid would absorb around 455 nm. A temperature study also conducted allowed to set 140ºC as the desirable temperature to heat the samples without degrading them. FT-IR, conventional Raman and SERS allowed us to understand the existence of a reaction between the dyes and the clays (palygorskite and kaolinite), however it is difficult to understand it in a molecular point of view. As a second step, five species of Mexican dyes were selected on the basis of historical sources. The Maya yellow samples were produced adapting the recipe proposed by Reyes-Valerio, supporting the yellow dyes extracted from the dried plants on the clays, with addition of water, and then heated at 140ºC. It was found that the addition of water in palygorskite would increase the pH, hence deprotonating the molecules having a clear negative effect in the color. A second recipe was developed, without the addition of water; however, it was found that the use of water based binders would still alter the color of the samples with palygorskite. In this case, kaolinite without heating yield better results as a Maya yellow hybrid. It was found that the Maya chemistry might not have been the same for all the colors. The Mesoamericans might have found that different dyes could work better to their desires if matched with different clays. It was noticeable that for a clear distinction between flavonoids and carotenoids the reflectance and emission studies suffice, but when clay is added, Raman techniques will perform better. For this reason, conventional Raman and SERS were employed in order to create a database for the Mesoamerican dyestuffs for a future identification.

Molecular simulation of gas adsorption equilibria in nanoporous materials

This work is divided into two distinct parts. The first part consists of the study of the metal organic framework UiO-66Zr, where the aim was to determine the force field that best describes the adsorption equilibrium properties of two different gases, methane and carbon dioxide. The other part of the work focuses on the study of the single wall carbon nanotube topology for ethane adsorption; the aim was to simplify as much as possible the solid-fluid force field model to increase the computational efficiency of the Monte Carlo simulations. The choice of both adsorbents relies on their potential use in adsorption processes, such as the capture and storage of carbon dioxide, natural gas storage, separation of components of biogas, and olefin/paraffin separations. The adsorption studies on the two porous materials were performed by molecular simulation using the grand canonical Monte Carlo (μ,V,T) method, over the temperature range of 298-343 K and pressure range 0.06-70 bar. The calibration curves of pressure and density as a function of chemical potential and temperature for the three adsorbates under study, were obtained Monte Carlo simulation in the canonical ensemble (N,V,T); polynomial fit and interpolation of the obtained data allowed to determine the pressure and gas density at any chemical potential. The adsorption equilibria of methane and carbon dioxide in UiO-66Zr were simulated and compared with the experimental data obtained by Jasmina H. Cavka et al. The results show that the best force field for both gases is a chargeless united-atom force field based on the TraPPE model. Using this validated force field it was possible to estimate the isosteric heats of adsorption and the Henry constants. In the Grand-Canonical Monte Carlo simulations of carbon nanotubes, we conclude that the fastest type of run is obtained with a force field that approximates the nanotube as a smooth cylinder; this approximation gives execution times that are 1.6 times faster than the typical atomistic runs.

Towards printed carbon nanotube transistors on paper substrates

This thesis reports the work performed in the optimization of deposition parameters of Multi – Walled Carbon Nanotubes (MWCNT) targeting the development of a Field Effect Transistors (FET) on paper substrates. The CNTs were dispersed in a water solution with sodium dodecyl sulphate (SDS) through ultrasonication, ultrasonic bath and a centrifugation to remove the supernatant and have a homogeneous solution. Several deposition tests were performed using different types of CNTs, dis-persants, papers substrates and deposition techniques, such as spray coating and inkjet printing. The characterization of CNTs was made by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Hall Effect. The most suitable CNT coatings able to be used as semiconductor in FETs were deposited by spray coat-ing on a paper substrate with hydrophilic nanoporous surface (FS2) at 100 ºC, 4 bar, 10 cm height, 5 second of deposition time and 90 seconds of drying between steps (4 layers of CNTs were deposited). Planar electrolyte gated FETs were produced with these layers using gold-nickel gate, source and drain electrodes. Despite the small current modulation (Ion/Ioff ratio of 1.8) one of these devices have p-type conduction with a field effect mobility of 1.07 cm2/V.s.

Production and characterization of electrospun composite fibers: confinement of thermosensitive microgels

Materials engineering focuses on the assembly of materials´ properties to design new products with the best performance. By using sub-micrometer size materials in the production of composites, it is possible to obtain objects with properties that none of their compounds show individually. Once three-dimensional materials can be easily customized to obtain desired properties, much interest has been paid to nanostructured poly-mers in order to build biocompatible devices. Over the past years, the thermosensitive microgels have become more common in the framework of bio-materials with potential applicability in therapy and/or diagnostics. In addition, high aspect ratio biopolymers fibers have been produced using the cost-effective method called electrospinning. Taking advantage of both microgels and electrospun fibers, surfaces with enhanced functionalities can be obtained and, therefore employed in a wide range of applications. This dissertation reports on the confinement of stimuli-responsive microgels through the colloidal electro-spinning process. The process mainly depends on the composition, properties and patterning of the precur-sor materials within the polymer jet. Microgels as well as the electrospun non-woven mats were investigated to correlate the starting materials with the final morphology of the composite fibers. PNIPAAm and PNIPAAm/Chitosan thermosensitive microgels with different compositions were obtained via surfactant free emulsion polymerization (SFEP) and characterized in terms of chemical structure, morphology, thermal sta-bility, swelling properties and thermosensitivity. Finally, the colloidal electrospinning method was carried out from spinning solutions composed of the stable microgel dispersions (up to a concentration of about 35 wt. % microgels) and a polymer solution of PEO/water/ethanol mixture acting as fiber template solution. The confinement of microgels was confirmed by Scanning Electron Microscopy (SEM). The electrospinning process was statistically analysed providing the optimum set of parameters aimed to minimize the fiber diameter, which give rise to electrospun nanofibers of PNIPAAm microgels/PEO with a mean fiber diameter of 63 ± 25 nm.

Cellulose-based composites as functional conductive materials for printed electronics

In this work, cellulose-based electro and ionic conductive composites were developed for application in cellulose based printed electronics. Electroconductive inks were successfully formulated for screen-printing using carbon fibers (CFs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) as conductive functional material and cellulose derivatives working as binder. The formulated inks were used to fabricate conductive flexible and disposable electrodes on paper-based substrates. Interesting results were obtained after 10 printing passes and drying at RT of the ink with 10 % wt. of pristine CFs and 3% wt. of carboxymethyl cellulose (CMC), exhibiting a resistivity of 1.03 Ωcm and a resolution of 400 μm. Also, a resistivity of 0.57 Ωcm was obtained for only one printing pass using an ink based on 0.5 % wt. MWCNTs and 3 % wt. CMC. It was also demonstrated that ionic conductive cellulose matrix hydrogel can be used in electrolyte-gated transistors (EGTs). The electrolytes revealed a double layer capacitance of 12.10 μFcm-2 and ionic conductivity of 3.56x10-7 Scm-1. EGTs with a planar configuration, using sputtered GIZO as semiconducting layer, reached an ON/OFF ratio of 3.47x105, a VON of 0.2 V and a charge carrier mobility of 2.32 cm2V-1s-1.

Nanomateriais manufaturados : avaliação de segurança através da caracterização dos seus efeitos genéticos

RESUMO - Os nanomateriais manufaturados (NMs), isto é, fabricados deliberadamente para fins específicos, apresentam propriedades físico-químicas únicas como a dimensão, área superficial ou funcionalização, que lhes conferem caraterísticas mecânicas, óticas, elétricas e magnéticas muito vantajosas para aplicações industriais e biomédicas. Efetivamente, a tecnologia baseada nos NMs, ou nanotecnologia, foi identificada como uma key enabling technology, impulsionadora do crescimento económico dos países industrializados, devido ao seu potencial para melhorar a qualidade e desempenho de muitos tipos de produtos e de processos. Contudo, a expansão da utilização de NMs contrasta com a insuficiente avaliação de risco para a saúde humana e para o ambiente, sendo considerados como um risco emergente para a saúde pública. As incertezas sobre a segurança dos NMs para a saúde pública advêm sobretudo de estudos epidemiológicos em humanos expostos a nanomateriais produzidos como consequência dos processos e atividades humanas e da poluição. Uma das principais preocupações relativamente aos efeitos adversos dos NMs na saúde humana é o seu potencial efeito carcinogénico, que é sugerido por alguns estudos experimentais, como no caso dos nanomateriais de dióxido de titânio ou dos nanotubos de carbono. Para avaliar em curto termo as propriedades carcinogénicas de um composto, utilizam-se frequentemente ensaios de genotoxicidade em linhas celulares de mamífero ou ensaios em modelos animais, em que se analisa uma variedade de lesões genéticas potencialmente relacionados com o processo de carcinogénese. No entanto, a investigação sobre as propriedades genotóxicas dos NMs não foi, até hoje, conclusiva. O presente estudo tem por objectivo principal caracterizar os efeitos genotóxicos associados à exposição a nanomateriais manufaturados, de forma a contribuir para a avaliação da sua segurança. Constituíram objectivos específicos deste estudo: i) avaliar a genotoxicidade dos NMs em três tipos de células humanas expostas in vitro: linfócitos humanos primários, linha celular de epitélio brônquico humano (BEAS-2B) e linha celular de adenocarcinoma epitelial de pulmão humano (A549); ii) avaliar a sua genotoxicidade num modelo de ratinho transgénico; iii) investigar alguns mecanismos de acção que poderão contribuir para a genotoxicidade dos nanomateriais, como a contribuição de lesões oxidativas para a genotoxicidade induzida pelos NMs in vitro, e a investigação da sua bioacumulação e localização celular in vivo. Foram analisados os efeitos genotóxicos associados à exposição a duas classes de NMs, dióxido de titânio e nanotubos de carbono de parede múltipla, bem como a um NM de óxido de zinco, candidato a ser utlilizado como controlo positivo de dimensão nanométrica. Os xx NMs utilizados foram previamente caracterizados com detalhe relativamente às suas características físico-químicas e também relativamente à sua dispersão em meio aquoso e no meio de cultura. A metodologia incluiu ensaios de citotoxicidade e de genotoxicidade in vitro, designadamente, ensaios de quebras no DNA (ensaio do cometa) e nos cromossomas (ensaio do micronúcleo) em células humanas expostas a várias concentrações de NMs, por comparação com células não expostas. Também foram realizados ensaios in vivo de quebras no DNA, quebras cromossómicas e ainda um ensaio de mutações em vários órgãos de grupos de ratinhos transgénicos LacZ, expostos por via intravenosa a duas doses de dióxido de titânio. Foi investigada a existência de uma relação dose-resposta após exposição das células humanas ou dos animais a NMs. A contribuição de lesões oxidativas para a genotoxicidade após exposição das células aos NMs in vitro foi explorada através do ensaio do cometa modificado com enzima. Realizaram-se estudos histológicos e citológicos para deteção e localização celular dos NMs nos órgãos-alvo dos ratinhos expostos in vivo. Os resultados demonstraram efeitos genotóxicos em alguns dos NMs analisados em células humanas. No entanto, os efeitos genotóxicos, quando positivos, foram em níveis reduzidos, ainda que superiores aos valores dos controlos, e a sua reprodutibilidade era dependente do sistema experimental utilizado. Para outros NMs, a evidência de genotoxicidade revelou-se equívoca, conduzindo à necessidade de esclarecimento através de ensaios in vivo. Para esse fim, recorreu-se a uma análise integrada de múltiplos parâmetros num modelo animal, o ratinho transgénico baseado em plasmídeo contendo o gene LacZ exposto a um NM de dióxido de titânio, NM-102. Embora tenha sido demonstrada a exposição e a acumulação do NM no fígado, não se observaram efeitos genotóxicos nem no fígado, nem no baço nem no sangue dos ratinhos expostos a esse NM. Neste estudo concluiu-se que algumas formas de dióxido de titânio e nanotubos de carbono de parede múltipla produzem efeitos genotóxicos em células humanas, contribuindo para o conjunto de evidências sobre o efeito genotóxico desses NMs. As diferenças observadas relativamente à genotoxicidade entre NMs do mesmo tipo, mas distintos em algumas das suas características físico-quimicas, aparentemente não são negligenciáveis, pelo que os resultados obtidos para um NM não devem ser generalizados ao grupo correspondente. Para além disso, a genotoxicidade equívoca verificada para o NM-102 em células humanas expostas in vitro, não foi confirmada no modelo in vivo, pelo que o valor preditivo da utilização dos ensaios in vitro para a identificação de NMs com efeitos genotóxicos (e portanto potencialmente carcinogénicos) ainda tem de ser esclarecido antes de ser possível extrapolar as conclusões para a saúde humana. Por sua vez, como a informação aqui produzida pelas metodologias in vitro e in vivo não reflete os efeitos de exposição continua ou prolongada, que poderá conduzir a efeitos genotóxicos distintos, esta xxi deverá ser complementada com outras linhas de evidência relativamente à segurança dos NMs. Perante a incerteza dos níveis de exposição real do organismo humano e do ambiente, a segurança da utilização dos NMs não pode ser garantida a longo prazo e, tendo em conta a elevada produção e utilização destes NMs, são prementes futuros estudos de monitorização ambiental e humana.