Gold Nanoparticles-Coated SU-8 for Sensitive Fluorescence-Based Detections of DNA

SU-8 epoxy-based negative photoresist has been extensively employed as a structural material for fabrication of numerous biological microelectro-mechanical systems (Bio-MEMS) or lab-on-a-chip (LOC) devices. However, SU-8 has a high autofluorescence level that limits sensitivity of microdevices that use fluorescence as the predominant detection workhorse. Here, we show that deposition of a thin gold nanoparticles layer onto the SU-8 surface significantly reduces the autofluorescence of the coated SU-8 surface by as much as 81% compared to bare SU-8. Furthermore, DNA probes can easily be immobilized on the Au surface with high thermal stability. These improvements enabled sensitive DNA detection by simple DNA hybridization down to 1 nM (a two orders of magnitude improvement) or by solid-phase PCR with sub-picomolar sensitivity. The approach is simple and easy to perform, making it suitable for various Bio-MEMs and LOC devices that use SU-8 as a structural material.

A Measurements Based Comparison of New and Classical Models Used to Characterize Fading in Body Area Networks

In this paper we compare a number of the classical models used to characterize fading in body area networks (BANs) with the recently proposed shadowed ț–ȝ fading model. In particular, we focus on BAN channels which are considered to be susceptible to shadowing by the human body. The measurements considered in this study were conducted at 2.45 GHz for hypothetical BAN channels operating in both anechoic and highly reverberant environments while the person was moving. Compared to the Rice, Nakagami and lognormal fading models, it was found that the recently proposed shadowed ț௅μ fading model provided an enhanced fit to the measured data.

Inexact-aware architecture design for ultra-low power bio-signal analysis

This study introduces an inexact, but ultra-low power, computing architecture devoted to the embedded analysis of bio-signals. The platform operates at extremely low voltage supply levels to minimise energy consumption. In this scenario, the reliability of static RAM (SRAM) memories cannot be guaranteed when using conventional 6-transistor implementations. While error correction codes and dedicated SRAM implementations can ensure correct operations in this near-threshold regime, they incur in significant area and energy overheads, and should therefore be employed judiciously. Herein, the authors propose a novel scheme to design inexact computing architectures that selectively protects memory regions based on their significance, i.e. their impact on the end-to-end quality of service, as dictated by the bio-signal application characteristics. The authors illustrate their scheme on an industrial benchmark application performing the power spectrum analysis of electrocardiograms. Experimental evidence showcases that a significance-based memory protection approach leads to a small degradation in the output quality with respect to an exact implementation, while resulting in substantial energy gains, both in the memory and the processing subsystem.

The VINEYARD Approach: Versatile, Integrated, Accelerator-Based, Heterogeneous Data Centres.

Emerging web applications like cloud computing, Big Data and social networks have created the need for powerful centres hosting hundreds of thousands of servers. Currently, the data centres are based on general purpose processors that provide high flexibility buts lack the energy efficiency of customized accelerators. VINEYARD aims to develop an integrated platform for energy-efficient data centres based on new servers with novel, coarse-grain and fine-grain, programmable hardware accelerators. It will, also, build a high-level programming framework for allowing end-users to seamlessly utilize these accelerators in heterogeneous computing systems by employing typical data-centre programming frameworks (e.g. MapReduce, Storm, Spark, etc.). This programming framework will, further, allow the hardware accelerators to be swapped in and out of the heterogeneous infrastructure so as to offer high flexibility and energy efficiency. VINEYARD will foster the expansion of the soft-IP core industry, currently limited in the embedded systems, to the data-centre market. VINEYARD plans to demonstrate the advantages of its approach in three real use-cases (a) a bio-informatics application for high-accuracy brain modeling, (b) two critical financial applications, and (c) a big-data analysis application.

Nanoparticle-based biosensors: development and application

Tese dout., Ciências Biotecnológicas, Universidade do Algarve, 2009

Laccase-assisted bio-grafting of polyhydroxy-alkanoates (PHAs) onto the ethyl cellulose (EC) backbone

In the present study, a novel enzyme-based methodology for grafting Polyhydroxyalkanoates (PHAs) onto the ethyl cellulose (EC) as a backbone polymer was developed. Laccase assisted copolymerization was carried out under mild and eco-friendly reaction conditions. The resulting homogeneous composite membranes were characterized by Fourier-transformed infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), and Atomic Force Microscopy (AFM). The FTIR spectra of pure PHAs and PHAs containing graft composites (PHAs-g-EC) showed their strong characteristic bands at 1721 cm1, 1651 cm-1 and 1603 cm-1 respectively. Other accompanying bands in the range of 900-1300 cm-1 correspond to C=O vibration and C-O-C bond stretching, which could be contributed from PHAs and EC, respectively. The high intensity of the 3358 cm-1 band in the graft composite may have corresponded to the degradation of the carboxylic group from PHAs and also showed an increase of hydrogen-bonded groups at that distinct band region. The morphology was examined by SEM, which showed the well dispersed PHAs crystals in the backbone polymer of EC. XRD pattern for PHAs showed distinct peaks at 2-Theta values of 28o, 32o, 34o, 39o, 46o, 57o, 64o, 78o and 84o that represent the crystalline nature of PHAs. In comparison with those of neat PHAs, the degree of crystallinity for PHAs-g-EC decreased and this reduction is mainly because of the new cross-linking of PHAs within the EC backbone that changes the morphology and destroys the crystallites. Improved mechanical properties were observed for the PHAs-g-EC as compared to the individual components due to the impregnation of EC as reinforcement into the PHAs matrix. Improved mechanical strength enhanced thermal properties, along with low crystallinity of the present PHAs-g-EC suggesting its potential for various industrial and bio-medical applications.

Laccase bio-grafting a versatile modification tool from green chemistry technologies

Today more than 99% of plastics are petroleum-based because of availability and cost of the raw material. The durability of these disposed plastics contributes to the environmental problems as waste and their persistence in the environment causes deleterious effects on the ecosystem. Environmental pollution awareness and the demand for green technology have drawn considerable attention of both academia and industry into biodegradable polymers. In this regard green chemistry technology has the potential to provide solution to this problematic issue. Laccase bio-grafting has recently been the focus of green chemistry technologies due to the growing environmental concerns, legal restrictions and increasing availability of scientific knowledge. In the last several years, research covering various applications of laccases has been increased rapidly particularly in the field of grafting. In principle, laccase-assisted graft co-polymerization may impart a variety of new functionalities to a polymer. The modified polymers through grafting have a bright future and their development is practically boundless. In present work, novel biodegradable graft copolymers combining the advantages of bacterial cellulose backbone and PHB side chains will be prepared by introducing enzymatic grafting technique. The present research will be a first step in the biopolymer modification. To date no report has been found in literature explaining the enzymatic grafting of PHAs. The technique would also provide an efficient modulation approach to improve the biodegradability and biocompatibility of the graft copolymer. The newly grafted copolymers will exhibit unique functionalities with wider range of potential applications mainly in tissue engineering, biosensors, pharmaceutical industry (drug delivery systems) and bio-plastics.

Intelligent Bio-Inspired system for manufacturing scheduling under uncertainties

A novel approach to scheduling resolution by combining Autonomic Computing (AC), Multi-Agent Systems (MAS), Case-based Reasoning (CBR), and Bio-Inspired Optimization Techniques (BIT) will be described. AC has emerged as a paradigm aiming at incorporating applications with a management structure similar to the central nervous system. The main intentions are to improve resource utilization and service quality. In this paper we envisage the use of MAS paradigm for supporting dynamic and distributed scheduling in Manufacturing Systems with AC properties, in order to reduce the complexity of managing manufacturing systems and human interference. The proposed CBR based Intelligent Scheduling System was evaluated under different dynamic manufacturing scenarios.

Geostatistical Prediction of Ocean Outfall Plume Characteristics Based on an Autonomous Underwater Vehicle

Geostatistics has been successfully used to analyze and characterize the spatial variability of environmental properties. Besides giving estimated values at unsampled locations, it provides a measure of the accuracy of the estimate, which is a significant advantage over traditional methods used to assess pollution. In this work universal block kriging is novelty used to model and map the spatial distribution of salinity measurements gathered by an Autonomous Underwater Vehicle in a sea outfall monitoring campaign, with the aim of distinguishing the effluent plume from the receiving waters, characterizing its spatial variability in the vicinity of the discharge and estimating dilution. The results demonstrate that geostatistical methodology can provide good estimates of the dispersion of effluents that are very valuable in assessing the environmental impact and managing sea outfalls. Moreover, since accurate measurements of the plume’s dilution are rare, these studies might be very helpful in the future to validate dispersion models.

Identification de nouveaux substrats des kinases Erk1/2 par une approche bio-informatique, pharmacologique et phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle omniprésente des protéines Cette modification est ajoutée et enlevée par l’activité enzymatique respective des protéines kinases et phosphatases. Les kinases Erk1/2 sont au cœur d’une voie de signalisation importante qui régule l’activité de protéines impliquées dans la traduction, le cycle cellulaire, le réarrangement du cytosquelette et la transcription. Ces kinases sont aussi impliquées dans le développement de l’organisme, le métabolisme du glucose, la réponse immunitaire et la mémoire. Différentes pathologies humaines comme le diabète, les maladies cardiovasculaires et principalement le cancer, sont associées à une perturbation de la phosphorylation sur les différents acteurs de cette voie. Considérant l’importance biologique et clinique de ces deux kinases, connaître l’étendue de leur activité enzymatique pourrait mener au développement de nouvelles thérapies pharmacologiques. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était de mesurer l’influence de cette voie sur le phosphoprotéome et de découvrir de nouveaux substrats des kinases Erk1/2. Une étude phosphoprotéomique de cinétique d’inhibition pharmacologique de la voie de signalisation Erk1/2 a alors été entreprise. Le succès de cette étude était basé sur trois technologies clés, soit l’enrichissement des phosphopeptides avec le dioxyde de titane, la spectrométrie de masse haut débit et haute résolution, et le développement d’une plateforme bio-informatique nommée ProteoConnections. Cette plateforme permet d’organiser les données de protéomique, évaluer leur qualité, indiquer les changements d’abondance et accélérer l’interprétation des données. Une fonctionnalité distinctive de ProteoConnections est l’annotation des sites phosphorylés identifiés (kinases, domaines, structures, conservation, interactions protéiques phospho-dépendantes). Ces informations ont été essentielles à l’analyse des 9615 sites phosphorylés sur les 2108 protéines identifiées dans cette étude, soit le plus large ensemble rapporté chez le rat jusqu’à ce jour. L’analyse des domaines protéiques a révélé que les domaines impliqués dans les interactions avec les protéines, les acides nucléiques et les autres molécules sont les plus fréquemment phosphorylés et que les sites sont stratégiquement localisés pour affecter les interactions. Un algorithme a été implémenté pour trouver les substrats potentiels des kinases Erk1/2 à partir des sites identifiés selon leur motif de phosphorylation, leur cinétique de stimulation au sérum et l’inhibition pharmacologique de Mek1/2. Une liste de 157 substrats potentiels des kinases Erk1/2 a ainsi été obtenue. Parmi les substrats identifiés, douze ont déjà été rapportés et plusieurs autres ont des fonctions associées aux substrats déjà connus. Six substrats (Ddx47, Hmg20a, Junb, Map2k2, Numa1, Rras2) ont été confirmés par un essai kinase in vitro avec Erk1. Nos expériences d’immunofluorescence ont démontré que la phosphorylation de Hmg20a sur la sérine 105 par Erk1/2 affecte la localisation nucléocytoplasmique de cette protéine. Finalement, les phosphopeptides isomériques positionnels, soit des peptides avec la même séquence d’acides aminés mais phosphorylés à différentes positions, ont été étudiés avec deux nouveaux algorithmes. Cette étude a permis de déterminer leur fréquence dans un extrait enrichi en phosphopeptides et d’évaluer leur séparation par chromatographie liquide en phase inverse. Une stratégie analytique employant un des algorithmes a été développée pour réaliser une analyse de spectrométrie de masse ciblée afin de découvrir les isomères ayant été manqués par la méthode d’analyse conventionnelle.

Development of an enzyme immobilization platform based on microencapsulation for paper-based biosensors

Un papier bioactif est obtenu par la modification d’un papier en y immobilisant une ou plusieurs biomolécules. La recherche et le développement de papiers bioactifs est en plein essor car le papier est un substrat peu dispendieux qui est déjà d’usage très répandu à travers le monde. Bien que les papiers bioactifs n’aient pas connus de succès commercial depuis la mise en marche de bandelettes mesurant le taux de glucose dans les années cinquante, de nombreux groupes de recherche travaillent à immobiliser des biomolécules sur le papier pour obtenir un papier bioactif qui est abordable et possède une bonne durée de vie. Contrairement à la glucose oxidase, l’enzyme utilisée sur ces bandelettes, la majorité des biomolécules sont très fragiles et perdent leur activité très rapidement lorsqu’immobilisées sur des papiers. Le développement de nouveaux papiers bioactifs pouvant détecter des substances d’intérêt ou même désactiver des pathogènes dépend donc de découverte de nouvelles techniques d’immobilisation des biomolécules permettant de maintenir leur activité tout en étant applicable dans la chaîne de production actuelle des papiers fins. Le but de cette thèse est de développer une technique d’immobilisation efficace et versatile, permettant de protéger l’activité de biomolécules incorporées sur des papiers. La microencapsulation a été choisie comme technique d’immobilisation car elle permet d’enfermer de grandes quantités de biomolécules à l’intérieur d’une sphère poreuse permettant leur protection. Pour cette étude, le polymère poly(éthylènediimine) a été choisi afin de générer la paroi des microcapsules. Les enzymes laccase et glucose oxidase, dont les propriétés sont bien établies, seront utilisées comme biomolécules test. Dans un premier temps, deux procédures d’encapsulation ont été développées puis étudiées. La méthode par émulsion produit des microcapsules de plus petits diamètres que la méthode par encapsulation utilisant un encapsulateur, bien que cette dernière offre une meilleure efficacité d’encapsulation. Par la suite, l’effet de la procédure d’encapsulation sur l’activité enzymatique et la stabilité thermique des enzymes a été étudié à cause de l’importance du maintien de l’activité sur le développement d’une plateforme d’immobilisation. L’effet de la nature du polymère utilisé pour la fabrication des capsules sur la conformation de l’enzyme a été étudié pour la première fois. Finalement, l’applicabilité des microcapsules de poly(éthylèneimine) dans la confection de papiers bioactifs a été démontré par le biais de trois prototypes. Un papier réagissant au glucose a été obtenu en immobilisant des microcapsules contenant l’enzyme glucose oxidase. Un papier sensible à l’enzyme neuraminidase pour la détection de la vaginose bactérienne avec une plus grande stabilité durant l’entreposage a été fait en encapsulant les réactifs colorimétriques dans des capsules de poly(éthylèneimine). L’utilisation de microcapsules pour l’immobilisation d’anticorps a également été étudiée. Les avancées au niveau de la plateforme d’immobilisation de biomolécules par microencapsulation qui ont été réalisées lors de cette thèse permettront de mieux comprendre l’effet des réactifs impliqués dans la procédure de microencapsulation sur la stabilité, l’activité et la conformation des biomolécules. Les résultats obtenus démontrent que la plateforme d’immobilisation développée peut être appliquée pour la confection de nouveaux papiers bioactifs.

Sels d’imidazolium avec des anions catalytiques : vers le développement de nouveaux catalyseurs bio-hybrides actifs en milieu liquide ionique

Les liquides ioniques connaissent depuis quelques décennies un essor particulier en raison de leurs nombreuses propriétés physico-chimiques intéressantes, telles qu’une faible pression de vapeur saturante, une viscosité limitée, une faible miscibilité avec la plupart des solvants communs, ou encore des propriétés d’agencement supramoléculaire, qui en font des outils puissants dans de nombreux domaines de la chimie. Les sels d’imidazolium représentent la plus grande famille de liquides ioniques à ce jour. Leur modulabilité leur permet d’être dérivés pour de nombreuses applications spécifiques, notamment en synthèse organique, où ils sont utilisés majoritairement comme solvants, et plus récemment comme catalyseurs. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur leur utilisation en synthèse organique, à la fois comme solvants et principalement comme catalyseurs chiraux, catalyseurs pour lesquels l’anion du sel est l’espèce catalytique, permettant d’ajouter de la flexibilité et de la mobilité au système. En tirant parti de la tolérance des liquides ioniques envers la majorité des macromolécules naturelles, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse est le développement d’un nouveau type de catalyseur bio-hybride reposant sur l’encapsulation d’un sel d’imidazolium dans une protéine. Par le biais de la technologie biotine-avidine, l’inclusion supramoléculaire de sels d’imidazolium biotinylés portant des contre-anions catalytiques dans l’avidine a été réalisée et exploitée en catalyse. Dans un premier temps, le développement et l’étude de deux sels de 1-butyl-3-méthylimidazolium possédant des anions chiraux dérivés de la trans-4-hydroxy-L-proline sont rapportés, ainsi que leur comportement dans des réactions énantiosélectives d’aldol et d’addition de Michael. Ces types de composés se sont révélés actifs et performants en milieu liquide ionique. Dans un second temps, la préparation de sels d’imidazolium dont le cation est biotinylé et portant un contre-anion achiral, a été réalisée. Le comportement de l’avidine en milieu liquide ionique et son apport en termes de chiralité sur le système bio-hybride ont été étudiés. Les résultats montrent le rôle crucial des liquides ioniques sur la conformation de la protéine et l’efficacité du catalyseur pour des réactions d’aldol. Dans un dernier temps, l’influence de la structure du cation et de l’anion sur le système a été étudiée. Différents espaceurs ont été introduits successivement dans les squelettes cationiques et anioniques des sels d’imidazolium biotinylés. Dans le cas du cation, les résultats ne révèlent aucune influence majeure sur l’efficacité du catalyseur. La structure de l’anion se montre cependant beaucoup plus importante : la préparation de différents catalyseurs bio-hybrides possédant des anions aux propriétés physico-chimiques différentes a permis d’obtenir de plus amples informations sur le mode de fonctionnement du système bio-hybride et de la coopérativité entre l’avidine et l’anion du sel d’imidazolium.La nature ionique de la liaison cation-anion offrant une liberté de mouvement accrue à l’anion dans la protéine, la tolérance à différents substrats a également été abordée après optimisation du système.

Effect of Urethane Based Bonding Agent on the Cure Characteristics and Mechanical Properties of Styrene Butadiene Rubber - Whole Tyre Reclaim - Short Nylon Fiber Composite

The cure characteristics and mechanical properties of short nylon fiber- styrene /whole tyre reclaim (SBR/WTR) composites with and without an interfacial bonding agent based on 4,4 diphenyl methane diisocyanate and polyethylene glycol (MDI/PEG) have been studied. An 80:40 blend of SBR/ WTR reinforced with 20 phr of short nylon fiber has been selected and the MDI/ PEG ratio has been changed from 0.67:1 to 2:1. The minimum and maximum torques increased with isocyanate concentration. The scorch time and cure time showed an initial reduction. The cure rate showed an initial improvement. Tensile strength, tear strength and abrasion resistance increased with MDI/PEG ratio, these values were higher in longitudinal direction. Resilience and compression set increased with isocyanate concentration.

Synthesis of Bio-Compatible SPION–based Aqueous Ferrofluids and Evaluation of RadioFrequency Power Loss for Magnetic Hyperthermia

Bio-compatible magnetic fluids having high saturation magnetization find immense applications in various biomedical fields. Aqueous ferrofluids of superparamagnetic iron oxide nanoparticles with narrow size distribution, high shelf life and good stability is realized by controlled chemical co-precipitation process. The crystal structure is verified by X-ray diffraction technique. Particle sizes are evaluated by employing Transmission electron microscopy. Room temperature and low-temperature magnetic measurements were carried out with Superconducting Quantum Interference Device. The fluid exhibits good magnetic response even at very high dilution (6.28 mg/cc). This is an advantage for biomedical applications, since only a small amount of iron is to be metabolised by body organs. Magnetic field induced transmission measurements carried out at photon energy of diode laser (670 nm) exhibited excellent linear dichroism. Based on the structural and magnetic measurements, the power loss for the magnetic nanoparticles under study is evaluated over a range of radiofrequencies.