Desarrollo de interfases con transferencia controlada de especies moviles. Síntesis, caracterizacion y aplicaciones. Development of Interphases with Controlled Transference of Mobile Species. Synthesis, Characterization and Applications.

Se propone sintetizar nuevos materiales como bloques de construcción de estructuras en escala nanometrica o micrométrica: nanotubos de carbono funcionalizados; nanopartículas metálicas; hidrogeles inteligentes; carbones mesoporosos. Con ellos se construiran interfaces solido/liquido estructuradas: multicapas autoensambladas, patrones micrométricos con heterogeneidad tridimensional y estructuras jerárquicas. Se estudiara el intercambio de especies móviles en las interfaces usando técnicas electroquímicas, espectroelectroquimicas, ópticas y de microscopia. De esta manera se podran controlar el intercambio en esa interface. En base a este conocimientos se desarrollaran aplicaciones tecnológicas tales como sensores de oligonucletidos, microceldas de combustible, arreglos de microelectrodos y supercapacitores.

Diseño y desarrollo de superficies modificadas. Aplicaciones ambientales, biomédicas y farmacéuticas. Design and development of modified surfaces. Environmental, biomedical and pharmaceutical applications.

El objetivo general de este proyecto de investigación es diseñar, desarrollar y optimizar superficies con propiedades especificas para ser utilizadas como sensores y biosensores, materiales biocompatibles, columnas para separaciones por electroforesis capilar, matrices para la liberación controlada de fármacos y sorbentes para remediación ambiental. Para concretar este objetivo, se propone específicamente modificar superficies o particulas apuntando a optimizar un sistema concreto relevante en aplicaciones farmaceuticas, ambientales o biomedicas: 1. Modificacion de arcillas naturales o sinteticas para desarrollar matrices portadoras de farmacos o sorbentes para remediacion ambiental:1.1 Estudiar ilitas modificadas con Fe(III) para maximizar las propiedades adsortivas frente a aniones contaminantes como arsenico. 1.2 Sintetizar LDH de Al y Mg modificados con compuestos de interés farmacéutico para diseñar sistemas de liberación controlada.2. Modificación de canales de chips y electrodos para optimizar la separación, detección y cuantificación de compuestos farmacéutico: 2.1 Diseñar y construir microchips para la separación por EC de compuestos de base fenólica.2.2 Evaluar polímeros que mejoren la respuesta y/o estabilidad de electrodos de Carbono para ser usados como detectores amperométrico de compuestos de base fenólica en sistemas FIA y miniaturizados de análisis integrados.3. Modificación de superficies sólidas con biomoléculas para el desarrollo y optimización de superficies de bio-reconocimiento:3.1 Evaluar el comportamiento de superficies de titanio modificadas con TiO2 y depósitos inorgánicos frente a la interacción con proteínas plasmáticas (PP) para el análisis de la biocompatibilidad superficial.3.2 Diseñar y desarrollar superficies biofuncionales para el reconocimiento especifico de D-aminoácidos, anticuerpos en pacientes chagásicos y simple hebra de ADN. Las técnicas que se emplearán para llevar a cabo el proyecto dependen del tipo de sistema de estudio. En particular los estudios correspondientes al objetivo 1 se realizarán mediante análisis químicos, térmico, DXR, SEM, IR, BET así como mediante titulaciones ácido-base potenciométricas, movilidades electroforéticas, cinética e isotermas de adsorción.En general para desarrollar el objetivo 2 se utilizarán técnicas electroquímicas clásicas para la caracterización de los electrodos, los que luego se utilizarán como detectores en un sistema FIA amperométrico, mientras que los microchips se emplearán en electroforesis capilar para la separación de diferentes compuestos de interés farmacéutico.Finalmente, el objetivo 3 se llevará a cabo por un lado modificando electrodos de titanio con distintos depósitos (electroquímicas, sol-gel, térmicas) de TiO2 e hidroxiapatita y evaluando la interacción con proteínas plasmáticas para analizar la biocompatibilidad de los materiales preparados. Por otro lado, se estudiará el proceso de adsorción-desorción de D-aminoácido oxidasa, antígenos del T. Cruzi y ADN de simple hebra para optmizar la capacidad de bio-reconocimiento superficial de D-aminoácidos, anticuerpos de chagásicos y de cadena complementaria de ADN. Para concretar este objetivo se utilizarán técnicas electroquímicas, espectroscópicas y microscopias.Debido al carácter multidisciplinario del presente proyecto de investigación, su ejecución se llevara a cabo a través de la colaboración de investigadores pertenecientes a distintas áreas de la Química y permitirá continuar con la formación de recursos humanos mediante la realización de tesis doctorales y estadías postdoctorales.

Desarrollo de fotosensibilizadores con aplicaciones en la inactivación fotodinámica de microorganismos. Development of photosensitizer with applications in the photodynamic inactivation of microorganisms.

El plan propone desarrollar nuevas agentes fotosensibilizadores derivados de macrociclos pirrólicos con aplicaciones en la inactivación fotodinámica (PDI) de microorganismos. La propuesta abarca el desarrollo de procedimientos apropiados para la síntesis de compuestos derivados de porfirinas, subftalocianinas y ftalocianinas sustituidas en la periferia por grupos que permitan aumentar la actividad biológica. Con la finalidad de incrementar la incorporación intracelular y la actividad fotodinámica se evaluarán sensibilizadores con distinta distribución y número de cargas, en los cuales se ha incrementado el carácter anfifílico por la presencia de grupos lipofílicos y catiónicos. La combinación de un fotosensibilizador con un compuesto antifúngico está diseñada para aumentar la eficiencia en la inactivación de hongos. También serán evaluadas superficies antimicrobianas recubiertas con una película de fotosensibilizadores. En primera instancia, la actividad fotodinámica de los nuevos agentes fototerapéuticos serán evaluados en sistemas biomiméticos conteniendo sustratos biológicamente activos. Los estudios in vitro serán realizados en cultivos de bacterias y levaduras. Esta aplicación presenta considerable importancia en la inactivación de microorganismos patógenos que crecen in vivo en un foco localizado de infección, en la desinfección de fluidos biológicos y aguas contaminadas con microbios resistentes.

Desarrollo de Algoritmos Numéricos para el Estudio de la Propagación no Lineal de Ondas en Aplicaciones Aeroespaciales y Astrofísicas. Develop to Numerical Algorithms to Study non-Linear Waves Propagation in Aerospace and Astrophysics Applications.

En este proyecto se desarrollarán algoritmos numéricos para sistemas no lineales hiperbólicos-parabólicos de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Dichos sistemas tienen aplicación en propagación de ondas en ámbitos aeroespaciales y astrofísicos.Objetivos generales: 1)Desarrollo y mejora de algoritmos numéricos con la finalidad de incrementar la calidad en la simulación de propagación e interacción de ondas gasdinámicas y magnetogasdinámicas no lineales. 2)Desarrollo de códigos computacionales con la finalidad de simular flujos gasdinámicos de elevada entalpía incluyendo cambios químicos, efectos dispersivos y difusivos.3)Desarrollo de códigos computacionales con la finalidad de simular flujos magnetogasdinámicos ideales y reales.4)Aplicación de los nuevos algoritmos y códigos computacionales a la solución del flujo aerotermodinámico alrededor de cuerpos que ingresan en la atmósfera terrestre. 5)Aplicación de los nuevos algoritmos y códigos computacionales a la simulación del comportamiento dinámico no lineal de arcos magnéticos en la corona solar. 6)Desarrollo de nuevos modelos para describir el comportamiento no lineal de arcos magnéticos en la corona solar.Este proyecto presenta como objetivo principal la introducción de mejoras en algoritmos numéricos para simular la propagación e interacción de ondas no lineales en dos medios gaseosos: aquellos que no poseen carga eléctrica libre (flujos gasdinámicos) y aquellos que tienen carga eléctrica libre (flujos magnetogasdinámicos). Al mismo tiempo se desarrollarán códigos computacionales que implementen las mejoras de las técnicas numéricas.Los algoritmos numéricos se aplicarán con la finalidad de incrementar el conocimiento en tópicos de interés en la ingeniería aeroespacial como es el cálculo del flujo de calor y fuerzas aerotermodinámicas que soportan objetos que ingresan a la atmósfera terrestre y en temas de astrofísica como la propagación e interacción de ondas, tanto para la transferencia de energía como para la generación de inestabilidades en arcos magnéticos de la corona solar. Estos dos temas poseen en común las técnicas y algoritmos numéricos con los que serán tratados. Las ecuaciones gasdinámicas y magnetogasdinámicas ideales conforman sistemas hiperbólicos de ecuaciones diferenciales y pueden ser solucionados utilizando "Riemann solvers" junto con el método de volúmenes finitos (Toro 1999; Udrea 1999; LeVeque 1992 y 2005). La inclusión de efectos difusivos genera que los sistemas de ecuaciones resulten hiperbólicos-parabólicos. La contribución parabólica puede ser considerada como términos fuentes y tratada adicionalmente tanto en forma explícita como implícita (Udrea 1999; LeVeque 2005).Para analizar el flujo alrededor de cuerpos que ingresan en la atmósfera se utilizarán las ecuaciones de Navier-Stokes químicamente activas, mientras la temperatura no supere los 6000K. Para mayores temperaturas es necesario considerar efectos de ionización (Anderson, 1989). Tanto los efectos difusivos como los cambios químicos serán considerados como términos fuentes en las ecuaciones de Euler. Para tratar la propagación de ondas, transferencia de energía e inestabilidades en arcos magnéticos de la corona solar se utilizarán las ecuaciones de la magnetogasdinámica ideal y real. En este caso será también conveniente implementar términos fuente para el tratamiento de fenómenos de transporte como el flujo de calor y el de radiación. Los códigos utilizarán la técnica de volúmenes finitos, junto con esquemas "Total Variation Disminishing - TVD" sobre mallas estructuradas y no estructuradas.

Estudios de sistemas organizados con aplicaciones en nanoquímica, síntesis orgánica y en reactividad. Studies of organized systems with applications in nanochemistry, organic synthesis and reactivity.

El objetivo general de este proyecto es el estudio de distintos tipos de sistemas organizados, conocer los factores que determinan la forma de organización y las consecuencias que ésta tiene sobre la reactividad de moléculas que se encuentran en ese entorno organizado. Se pretende realizar, desde la fisicoquímica y la síntesis orgánica, aportes a áreas multidisciplinarias como la nanociencia y la nanotecnología. Se sintetizarán ciclodextrinas anfifílicas y se estudiará su comportamiento en solución y en interfases, sus propiedades de agregación y morfología. Se estudiará también la termodinámica de los procesos y la capacidad catalítica de estas ciclodextrinas anfifílicas en superficies bidimensionales en reacciones de hidrólisis de ésteres. Las ciclodextrinas anfifílicas sintetizadas en el laboratorio se utilizarán también en mezclas con otros surfactantes, con el objetivo de generar medios eficientes respecto a la solubilización y extracción de contaminantes orgánicos desde suelos. Se espera encontrar sistemas que presenten efectos sinérgicos. Se determinará el efecto de la formación de complejos con ciclodextrina sobre las propiedades fisicoquímicas y la reactividad de pesticidas de amplio uso en agricultura, en particular de compuestos organofosforados. Se investigarán ciclodextrinas que permitan controlar la liberación del agroquímico y se realizarán estudios de la reactividad de los pesticidas en solución y en medios que simulen el suelo determinando si la inclusión en las ciclodextrinas modifica la velocidad de descomposición. En la búsqueda de nuevos sistemas microheterogéneos se sintetizarán surfactantes gémini con una cadena hidrocarbonada y una perfluorada y se determinarán sus propiedades. Luego de su caracterización, estos surfactantes se aplicarán en estudios de reactividad de compuestos insolubles en agua.Se estudiará la formación de complejos de ciclodextrina con metales de transición y los mismos se utilizarán como catalizadores en reacciones de oxidación de sulfuros y de alquenos en medios acuosos y no acuosos buscando condiciones donde se logre inducción quiral. Se sintetizarán compuestos azufrados polifuncionales con los cuales se modificarán superficies de nanopartículas por quimioadsorción de los mismos. Dado que se pretende obtener compuestos con propiedades específicas que dependen de su estructura, se llevará a cabo el modelado computacional de las distintas moléculas en estudio, ya que esto podría aportar datos relevantes acerca de qué modificaciones estructurales podrían intensificar la propiedad o propiedades buscadas. En una etapa posterior se correlacionarán las propiedades predichas a través de cálculos teóricos con las observadas experimentalmente, lo que intrínsecamente conlleva a un mayor conocimiento del sistema.Los estudios propuestos en este proyecto permitirán avanzar en la comprensión de los factores supramoleculares que controlan y modulan la interacción de ligandos con sus receptores en interfases y la ocurrencia de reacciones hidrolíticas en interfases autoorganizadas.

Diseño y caracterización de plataformas de biorreconocimiento basadas en el uso de nanoestructuras, biomoléculas y polímeros. Aplicaciones para el desarrollo de (bio)sensores electroquímicos. Design and characterization of biorecognition platforms based on the use of nanostructures, biomolecules and polymers. Applications for the development of electrochemical (bio)sensors.

Los requerimientos de métodos analíticos que permitan realizar determinaciones más eficientes en diversas ramas de la Química, así como el gran desarrollo logrado por la Nanobiotecnología, impulsaron la investigación de nuevas alternativas de análisis. Hoy, el campo de los Biosensores concita gran atención en el primer mundo, sin embargo, en nuestro país es todavía un área de vacancia, como lo es también la de la Nanotecnología. El objetivo de este proyecto es diseñar y caracterizar nuevos electrodos especialmente basados en el uso de nanoestructuras y estudiar aspectos básicos de la inmovilización de enzimas, ADN, aptámeros, polisacáridos y otros polímeros sobre dichos electrodos a fin de crear nuevas plataformas de biorreconocimiento para la construcción de (bio)sensores electroquímicos dirigidos a la cuantificación de analitos de interés clínico, farmaco-toxicológico y ambiental.Se estudiarán las propiedades de electrodos de C vítreo, Au, "screen printed" y compósitos de C modificados con nanotubos de C (CNT) y/o nanopartículas (NP) de oro y/o nanoalambres empleando diversas estrategias. Se investigarán nuevas alternativas de inmovilización de las biomoléculas antes mencionadas sobre dichos electrodos, se caracterizarán las plataformas resultantes y se evaluarán sus posibles aplicaciones analíticas al desarrollo de biosensores con enzimas y ADNs como elementos de biorreconocimiento. Se funcionalizarán CNT con polímeros comerciales y sintetizados en nuestro laboratorio modificados con moléculas bioactivas. Se diseñarán y caracterizarán nuevas arquitecturas supramoleculares basadas en el autoensamblado de policationes, enzimas y ADNs sobre Au. Se evaluarán las propiedades catalíticas de NP de magnetita y de perovskitas de Mn y su aplicación al desarrollo de biosensores enzimáticos. Se diseñarán biosensores que permitan la detección altamente sensible y selectiva de secuencias específicas de ADNs de interés clínico. Se estudiará la interacción de genotóxicos con ADN (en solución e inmovilizado) y se desarrollarán biosensores que permitan su cuantificación. Se construirán biosensores enzimáticos para la cuantificación de bioanalitos, especialmente glucosa, fenoles y catecoles, y sensores electroquímicos para la determinación de neurotransmisores, ácido úrico y ácido ascórbico. Se diseñarán nuevos aptasensores electroquímicos para la cuantificación de biomarcadores, comenzando por lisozima y trombina y continuando con otros de interés regional/nacional.Se emplearán las siguientes técnicas: voltamperometrías cíclica (CV), de pulso diferencial (DPV) y de onda cuadrada (SWV); "stripping" potenciométrico a corriente constante (PSA); elipsometría; microbalanza de cristal de cuarzo con cálculo de pérdida de energía por disipación (QCM-D); resonancia de plasmón superficial con detección dual (E-SPR); espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE); microscopías de barrido electroquímico (SECM), de barrido electrónico (SEM), de transmisión (TEM) y de fuerzas atómicas (AFM); espectrofotometría UV-visible; espectroscopías IR, Raman, de masas, RMN.Se espera que la inclusión de los CNT y/o de las NP metálicas y/o de los nanoalambres en los diferentes electrodos permita una mejor transferencia de carga de diversos analitos y por ende una detección más sensible y selectiva de bioanalitos empleando enzimas, ADN y aptámeros como elementos de biorreconocimiento. Se espera una mayor eficiencia en los aptasensores respecto de los inmunosensores, lo que permitirá la determinacion selectiva de diversos biomarcadores. La modificación de electrodos con nanoestructuras posibilitará la detección altamente sensible y selectiva del evento de hibridación. La respuesta obtenida luego de la interacción de genotóxicos con ADN permitirá un mejor conocimiento de la asociación establecida, de la cinética y de las constantes termodinámicas. Los neurotransmisores podrán ser determinados a niveles nanomolares aún en muestras complejas.

DESARROLLO DE APLICACIONES ESTADÍSTICAS PARA LA AGRICULTURA DE PRECISIÓN. STATISTICAL APPLICATIONS FOR PRECISION AGRICULTURE

A partir de las últimas décadas se ha impulsado el desarrollo y la utilización de los Sistemas de Información Geográficos (SIG) y los Sistemas de Posicionamiento Satelital (GPS) orientados a mejorar la eficiencia productiva de distintos sistemas de cultivos extensivos en términos agronómicos, económicos y ambientales. Estas nuevas tecnologías permiten medir variabilidad espacial de propiedades del sitio como conductividad eléctrica aparente y otros atributos del terreno así como el efecto de las mismas sobre la distribución espacial de los rendimientos. Luego, es posible aplicar el manejo sitio-específico en los lotes para mejorar la eficiencia en el uso de los insumos agroquímicos, la protección del medio ambiente y la sustentabilidad de la vida rural. En la actualidad, existe una oferta amplia de recursos tecnológicos propios de la agricultura de precisión para capturar variación espacial a través de los sitios dentro del terreno. El óptimo uso del gran volumen de datos derivado de maquinarias de agricultura de precisión depende fuertemente de las capacidades para explorar la información relativa a las complejas interacciones que subyacen los resultados productivos. La covariación espacial de las propiedades del sitio y el rendimiento de los cultivos ha sido estudiada a través de modelos geoestadísticos clásicos que se basan en la teoría de variables regionalizadas. Nuevos desarrollos de modelos estadísticos contemporáneos, entre los que se destacan los modelos lineales mixtos, constituyen herramientas prometedoras para el tratamiento de datos correlacionados espacialmente. Más aún, debido a la naturaleza multivariada de las múltiples variables registradas en cada sitio, las técnicas de análisis multivariado podrían aportar valiosa información para la visualización y explotación de datos georreferenciados. La comprensión de las bases agronómicas de las complejas interacciones que se producen a la escala de lotes en producción, es hoy posible con el uso de éstas nuevas tecnologías. Los objetivos del presente proyecto son: (l) desarrollar estrategias metodológicas basadas en la complementación de técnicas de análisis multivariados y geoestadísticas, para la clasificación de sitios intralotes y el estudio de interdependencias entre variables de sitio y rendimiento; (ll) proponer modelos mixtos alternativos, basados en funciones de correlación espacial de los términos de error que permitan explorar patrones de correlación espacial de los rendimientos intralotes y las propiedades del suelo en los sitios delimitados. From the last decades the use and development of Geographical Information Systems (GIS) and Satellite Positioning Systems (GPS) is highly promoted in cropping systems. Such technologies allow measuring spatial variability of site properties including electrical conductivity and others soil features as well as their impact on the spatial variability of yields. Therefore, site-specific management could be applied to improve the efficiency in the use of agrochemicals, the environmental protection, and the sustainability of the rural life. Currently, there is a wide offer of technological resources to capture spatial variation across sites within field. However, the optimum use of data coming from the precision agriculture machineries strongly depends on the capabilities to explore the information about the complex interactions underlying the productive outputs. The covariation between spatial soil properties and yields from georeferenced data has been treated in a graphical manner or with standard geostatistical approaches. New statistical modeling capabilities from the Mixed Linear Model framework are promising to deal with correlated data such those produced by the precision agriculture. Moreover, rescuing the multivariate nature of the multiple data collected at each site, several multivariate statistical approaches could be crucial tools for data analysis with georeferenced data. Understanding the basis of complex interactions at the scale of production field is now within reach the use of these new techniques. Our main objectives are: (1) to develop new statistical strategies, based on the complementarities of geostatistics and multivariate methods, useful to classify sites within field grown with grain crops and analyze the interrelationships of several soil and yield variables, (2) to propose mixed linear models to predict yield according spatial soil variability and to build contour maps to promote a more sustainable agriculture.

Electroquímica de sustancias de interés en los sistemas agroalimentario y de sanidad animal. Desarrollo de biosensores electroquímicos. Aplicaciones analíticas.Electrochemistry of substances of interest in agroalimentary and animal health systems. Development of electrochemical biosensors. Analytical applications.

Se estudiarán los mecanismos de reacción electroquímica de las micotoxinas (metabolitos tóxicos generados por hongos) citrinina (CIT), patulina (PAT) y moniliformina (MON), de los antioxidantes naturales alfa, beta, gama y delta tocoferoles, de los flavonoides fisetina (FIS), morina (MOR), luteolina (LUT), rutina (RUT), buteina (BUT), naringenina (NAR) y miricetina (MIR) y de las hormonas esteroides estradiol (EDIOL), estrona (EONA) y estriol (ETRIOL). Por otra parte, se implementarán técnicas electroanalíticas para la detección y cuantificación de estos sustratos en muestras de matrices naturales que los contengan. Se realizará el diseño y caracterización de biosensores enzimáticos a partir de peroxidasas y/o fosfatasa alcalina para la determinación de la micotoxina CIT y de los flavonoides y, por otro, de inmunosensores para las micotoxinas ocratoxina A (OTA) y PAT y hormonas. Para el anclaje de enzimas y/o anticuerpos, se estudiarán las propiedades de electrodos modificados por monocapas autoensambladas, nanotubos de carbono y partículas magnéticas. Se usarán las técnicas de voltamperometría cíclica, de onda cuadrada y de redisolución con acumulación adsortiva, espectroscopías de impedancia electroquímica, electrólisis a potencial controlado, uv-vis e IR, microbalanza de cristal de cuarzo y microscopías de alta resolución (SEM, TEM, AFM). La importancia de este proyecto apunta a la obtención de nuevos datos electroquímicos de los sustratos indicados y conocimientos relacionados con la aplicación de electrodos modificados en la preparación de biosensores y en el desarrollo de técnicas alternativas para la determinación de los analitos mencionados precedentemente. Electrochemical reaction mechanisms of mycotoxins (toxic metabolites generated by fungi) citrinin (CIT), Patulin (PAT) and moniliformin (MON), natural antioxidants alpha, beta, gamma and delta tocopherols, flavonoids fisetin (FIS), morin (MOR), luteolin (LUT), rutin (RUT), butein (BUT), naringenin (NAR), miricetin (MIR) and steroid hormones estradiol (EDIOL), estrone (EONA) and estriole (ETRIOL) will be explored. On the other hand, electroanalytical techniques for the detection and quantification of these substrates in samples of natural matrices will be implemented. The design and characterization of enzymatic biosensors from peroxidases and/or from alkaline phosphatase for the determination of CIT and flavonoids, and also of inmunosensors for ochratoxin A (OTA) and PAT and hormones will be performed. For the anchor of enzymes and/or antibody, properties of electrodes modified by self assembled monolayers, carbon nanotubes and magnetic particles will be explored. Cyclic, square wave and adsorptive stripping voltammetries, electrochemical impedance spectroscopy, controlled potential electrolysis, uv-vis and IR, quartz crystal microbalance and high-resolution microcopies (SEM, TEM, AFM) will be used. The importance of this project is aimed at obtaining new electrochemical data for the indicated substrates and knowledge on the application of modified electrodes in preparation of biosensors and in the development of alternative techniques for the determination of the above-mentioned analytes.