Determination of the degree of dissociation in an inductively coupled hydrogen plasma using optical emission spectroscopy and laser diagnostics

Gas temperature is of major importance in plasma based surface treatment, since the surface processes are strongly temperature sensitive. The spatial distribution of reactive species responsible for surface modification is also influenced by the gas temperature. Industrial applications of RF plasma reactors require a high degree of homogeneity of the plasma in contact with the substrate. Reliable measurements of spatially resolved gas temperatures are, therefore, of great importance. The gas temperature can be obtained, e.g. by optical emission spectroscopy (OES). Common methods of OES to obtain gas temperatures from analysis of rotational distributions in excited states do not include the population dynamics influenced by cascading processes from higher electronic states. A model was developed to evaluate this effect on the apparent rotational temperature that is observed. Phase resolved OES confirmed the validity of this model. It was found that cascading leads to higher apparent temperatures, but the deviation (~25 K) is relatively small and can be ignored in most cases. This analysis is applied to investigate axially and radially resolved temperature profiles in an inductively coupled hydrogen RF discharge.

Space and time resolved rotational state populations and gas temperatures in an inductively coupled hydrogen RF discharge

Gas temperature is of major importance in plasma based surface treatment, since the surface processes are strongly temperature sensitive. The spatial distribution of reactive species responsible for surface modification is also influenced by the gas temperature. Industrial applications of RF plasma reactors require a high degree of homogeneity of the plasma in contact with the substrate. Reliable measurements of spatially resolved gas temperatures are, therefore, of great importance. The gas temperature can be obtained, e.g. by optical emission spectroscopy (OES). Common methods of OES to obtain gas temperatures from analysis of rotational distributions in excited states do not include the population dynamics influenced by cascading processes from higher electronic states. A model was developed to evaluate this effect on the apparent rotational temperature that is observed. Phase resolved OES confirmed the validity of this model. It was found that cascading leads to higher apparent temperatures, but the deviation (similar or equal to 25 K) is relatively small and can be ignored in most cases. This analysis is applied to investigate axially and radially resolved temperature profiles in an inductively coupled hydrogen RF discharge.

Optimized process for the inclusion of carbon nanotubes in elastomers with improved thermal and mechanical properties

The effects of addition of reinforcing carbon nanotubes (CNTs) into hydrogenated nitrile-butadiene rubber (HNBR) matrix on the mechanical, dynamic viscoelastic, and permeability properties were studied in this investigation. Different techniques of incorporating nanotubes in HNBR were investigated in this research. The techniques considered were more suitable for industrial preparation of rubber composites. The nanotubes were modified with different surfactants and dispersion agents to improve the compatibility and adhesion of nanotubes on the HNBR matrix. The effects of the surface modification of the nanotubes on various properties were examined in detail. The amount of CNTs was varied from 2.5 to 10 phr in different formulations prepared to identify the optimum CNT levels. A detailed analysis was made to investigate the morphological structure and mechanical behavior at room temperature. The viscoelastic behavior of the nanotube filler elastomer was studied by dynamic mechanical thermal analysis (DMTA). Morphological analysis indicated a very good dispersion of the CNTs for a low nanotube loading of 3.5 phr. A significant improvement in the mechanical properties was observed with the addition of nanotubes. DMTA studies revealed an increase in the storage modulus and a reduction in the glass-transition temperature after the incorporation of the nanotubes. Further, the HNBR/CNT nanocomposites were subjected to permeability studies. The studies showed a significant reduction in the permeability of nitrogen gas. Copyright © 2011 Wiley Periodicals, Inc.

Quantification of singlet oxygen generation from photodynamic hydrogels

Recently, we described a series of novel porphyrin-impregnated hydrogels capable of producing microbicidal singlet oxygen (1O2) on photoactivation. Indirect assessment of the efficacy of 1O2 production from such hydrogels has been previously described using microbiological techniques, but here we report a novel, direct method of quantification. Anthracene-9,10-dipropionic acid (ADPA) is known to irreversibly form an endoperoxide on reaction with 1O2, causing photobleaching of its absorbance band at approximately 378 nm. Here, the reaction of this probe is exploited in a novel way to provide a simple, inexpensive, and convenient measurement of 1O2 generation from the surface of porphyrin-incorporated photosensitising hydrogels, with the ability to account for effects due to hydrogel porosity. Ingress of the probe into the materials was observed, with rates of up to 3.83 x 103 s-1. This varied by up to 200-fold with material composition and surface modification. Rates of 1O2 generation in these porphyrin-incorporated hydrogels, after compensating for ADPA ingress, ranged from 1.86x103 – 5.86x103 s-1. This work demonstrates a simple and straightforward method for direct 1O2 quantification from porous materials, with general utility.

Preparation and characterization of novel nanocomposites of inorganic/polysaccharide type

O uso de polímeros naturais no âmbito da preparação de nanocompósitos não tem sido tão amplamente estudado quando comparado com os polímeros sintéticos. Assim, esta tese tem como objectivo estudar metodologias para a preparação de novos materiais nanocompósitos sob a forma de dispersões e filmes utilizando polissacarídeos como matriz. A tese está dividida em cinco capítulos sendo o último capítulo dedicado às conclusões gerais e a sugestões para trabalhos futuros. Inicialmente é apresentada uma breve revisão bibliográfica sobre os principais temas colocando esta tese em contexto. Considerações sobre o uso de polímeros naturais e a sua combinação com a utilização de nanopartículas inorgânicas para a fabricação de novos bionanocomposites são descritas e os objectivos e outline da tese são também apresentados. No segundo capítulo, a preparação de partículas de sílica puras ou modificadas bem como a sua caracterização por FTIR, SEM, TEM, TGA, DLS (tamanho e potencial zeta) e medições de ângulo de contacto são discutidas. De modo a melhorar a compatibilidade da sílica com os polissacarídeos, as partículas SiO2 foram modificados com dois compostos do tipo organosilano: 3- metacril-oxipropil-trimetoxissilano (MPS) e 3-aminopropil-trimetoxissilano (APS). As partículas SiO2@MPS foram posteriormente encapsuladas com de poli(metacrilato de glicidilo) utilizando a técnica de polimerização em emulsão. A utilização dos nanocompósitos resultantes na preparação de dispersões de bionanocompósitos não foi bem sucedida e por esse motivo não os estudos não foram prosseguidos. O uso de SiO2@APS na preparação de dispersões bionanocomposite foi eficiente. No terceiro capítulo é apresentada uma revisão sobre dispersões bionanocompósitas e respectiva caracterização destacando aspectos fundamentais sobre reologia e microestrutura. Em seguida, é discutido o estudo sistemático realizado sobre o comportamento reológico de dispersões de SiO2 utilizando três polissacarídeos distintos no que concerne a carga e as características gelificantes: a goma de alfarroba (não iónica), o quitosano (catiónico) e a goma xantana (aniónica) cujas propriedades reológicas são amplamente conhecidas. Os estudos reológicos realizados sob diferentes condições demonstraram que a formação de géis frágeis e/ou bem estruturados depende do tamanho SiO2, da concentração, do pH e da força iónica. Estes estudos foram confirmados por análises microestruturais usando a microscopia electrónica a baixas temperaturas (Cryo-SEM). No quarto capítulo, são apresentados os estudos relativos à preparação e caracterização de filmes bionanocompósitos utilizando quitosano como matriz. Primeiramente é apresentada uma revisão sobre filmes de bionanocompósitos e os aspectos fundamentais das técnicas de caracterização utilizadas. A escolha do plasticizante e da sua concentração são discutidas com base nas propriedades de filmes de quitosano preparados. Em seguida, o efeito da concentração de sílica e dos métodos utilizados para a dispersar na matriz de polissacarídeo, bem como o efeito da modificação da superfície da sílica é avaliado. As características da superfície e as propriedades de barreira, mecânicas e térmicas são discutidas para cada conjunto de filmes preparados antes e após a sua neutralização. Os resultados obtidos mostraram que a dispersão das cargas no plasticizante e posterior adição à matriz polissacarídica resultaram apenas em pequenas melhorias já que o problema da agregação de sílica não foi ultrapassado. Por esse motivo foram preparados filmes com SiO2@APS os quais apresentaram propriedades melhores apesar da agregação das partículas não ter sido completamente impedida. Tal pode estar relacionado com o processo de secagem dos filmes. Finalmente, no capítulo 5, são apresentadas as principais conclusões obtidas e algumas sugestões para trabalho futuro.

Métodos químicos de modificação superficial de nanomateriais

O objectivo geral desta tese foi investigar diversas estratégias de síntese de nanocompósitos híbridos de matriz polimérica, contendo nanopartículas inorgânicas com funcionalidades diversas. O interesse nestes nanocompósitos multifuncionais consiste no enorme potencial que apresentam para novas aplicações tecnológicas, tais como em optoelectrónica ou em medicina. No capítulo introdutório, apresenta-se uma revisão das propriedades de nanopartículas inorgânicas e nanoestruturas obtidas a partir destas, métodos de preparação e de modificação química superficial, incluindo a formação de nanocompósitos poliméricos, bem como a aplicação destas nanoestruturas em medicina e biologia. O estudo das propriedades de nanopartículas de ouro é um importante tema em Nanociência e Nanotecnologia. As propriedades singulares destas NPs apresentam uma estreita relação com o tamanho, morfologia, arranjo espacial e propriedades dieléctricas do meio circundante. No capítulo 2, é reportada a preparação de nanocompósitos utilizando miniemulsões de poli-estireno (PS) e poli-acrilato de butilo (PBA) contendo nanopartículas de ouro revestidas com moléculas orgânicas. As propriedades ópticas destas estruturas híbridas são dominadas por efeitos plasmónicos e dependem de uma forma crítica na morfologia final dos nanocompósitos. Em particular, demonstra-se aqui a possibilidade de ajustar a resposta óptica, na região do visível do espectro, através do arranjo das nanopartículas na matriz polimérica, e consequentemente o acoplamento plasmónico, utilizando nanopartículas resultantes da mesma síntese. Na generalidade, é reportada aqui uma estratégia alternativa para modificar a resposta óptica de nanocompósitos, através do controlo da morfologia do compósito final face à estratégia mais comum que envolve o controlo das características morfológicas das partículas metálicas utilizadas como materiais de partida. No Capítulo 3 apresentam-se os resultados da preparação de vários compósitos poliméricos com propriedades magnéticas de interesse prático. Em particular discute-se a síntese e propriedades magnéticas de nanopartículas de ligas metálicas de cobalto-platina (CoPt3) e ferro-platina (FePt3), assim como de óxidos de ferro (magnetite Fe3O4 e maguemite g-Fe2O3) e respectivos nanocompósitos poliméricos. A estratégia aqui descrita constitui uma via interessante de desenvolver materiais nanocompósitos com potencial aplicação em ensaios de análise de entidades biológicas in vitro, que pode ser estendido a outros materiais magnéticos. Como prova de conceito, demonstrase a bioconjugação de nanocompósitos de CoPt3/PtBA com anticorpos IgG de bovino. No capítulo 4 é descrita a preparação e propriedades ópticas de pontos quânticos (“quantum dots”, QDs) de CdSe/ZnS assim como dos seus materiais nanocompósitos poliméricos, CdSe/ZnS-PBA. Como resultado das suas propriedades ópticas singulares, os QDs têm sido extensivamente investigados como materiais inorgânicos para aplicações em dispositivos ópticos. A incorporação de QDs em matrizes poliméricas é de particular interesse, nomeadamente devido ao comportamento óptico do nanocompósito final parecer estar dependente do tipo de polímero utilizado. As propriedades ópticas dos nanocompósitos foram estudadas sistematicamente por medidas de fotoluminescência. Os nanocompósitos apresentam propriedades interessantes para potenciais aplicações biológicas em diagnóstico in vitro, funcionando como sondas biológicas luminescentes.

Materiais à base de óxidos com estrutura do tipo perovskite e compósitos como ânodos de PCES

This work was focused on the analysis of transport, thermomechanical and electrochemical properties of a series of perovskite-like oxide materials and composites for potential applications as anodes of intermediate-temperature solid oxide fuel cells (SOFCs) with lanthanum gallate and silicate solid electrolytes. The primary attention was centered on A(Mn,Nb)O3-δ (A = Sr, Ca) and (La,Sr)(Mn,Ti)O3-based systems, lanthanum chromite substituted with acceptor-type and variable-valence cations, and various Ni-containing cermets. Emphasis was given to phase stability of the materials, their crystal structure, microstructure of porous electrode layers and dense ceramics, electronic conductivity, Seebeck coefficient, oxygen permeability, thermal and chemical induced expansion, and anodic overpotentials of the electrodes deposited onto (La,Sr)(Ga,Mg)O3- and La10(Si,Al)6O27- based electrolyte membranes. In selected cases, roles of oxygen diffusivity, states of the transition metal cations relevant for the electronic transport, catalytically active additives and doped ceria protective interlayers introduced in the model electrochemical cells were assessed. The correlations between transport properties of the electrode materials and electrochemical behavior of porous electrodes showed that the principal factors governing anode performance include, in particular, electronic conduction of the anode compositions and cation interdiffusion between the electrodes and solid electrolytes. The latter is critically important for the silicatebased electrolyte membranes, leading to substantially worse anode properties compared to the electrochemical cells with lanthanum gallate solid electrolyte. The results made it possible to select several anode compositions exhibiting lower area-specific electrode resistivity compared to known analogues, such as (La,Sr)(Cr,Mn)O3-δ.

Diamond microelectrodes for corrosion studies

Este trabalho teve como objetivos a produção, caracterização e aplicação de microelétrodos (MEs) de diamante como sensores amperométricos e potenciométricos em sistemas de corrosão nos quais a agressividade do meio e a presença de produtos de corrosão, constituem obstáculos que podem diminuir o desempenho, ou inviabilizar a utilização, de outros tipos de sensores. Os microeléctrodos são baseados em filmes finos de diamante dopado com boro (BDD – Boron Doped Diamond) depositados sobre fios de tungsténio afiados, através do método de deposição química a partir da fase vapor, assistida por filamento quente (HFCVD – Hot Filament Chemical Vapor Deposition). A otimização das diversas etapas de fabricação dos MEs deu origem ao desenvolvimento de um novo sistema de afiamento eletroquímico para obtenção destes fios e a várias opções para a obtenção dos filmes de diamante condutor e seu isolamento com resinas para exposição apenas da ponta cilíndrica. A qualidade cristalina dos filmes de diamante foi avaliada por espectroscopia de Raman. Esta informação foi complementada com uma caracterização microestrutural dos filmes de diamante por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), em que se fez a identificação da tipologia dos cristais como pertencendo às gamas de diamante nanocristalino ou microcristalino. Os filmes de BDD foram utilizados na sua forma não modificada, com terminações em hidrogénio e também com modificação da superfície através de tratamentos de plasma RF de CF4 e O2 indutores de terminações C-F no primeiro caso e de grupos C=O, C-O-C e C-OH no segundo, tal como determinado por XPS. A caracterização eletroquímica dos MEs não modificados revelou uma resposta voltamétrica com elevada razão sinal/ruído e baixa corrente capacitiva, numa gama de polarização quasi-ideal com extensão de 3 V a 4 V, dependente dos parâmetros de crescimento e pós-tratamentos de superfície. Estudou-se a reversibilidade de algumas reações heterogéneas com os pares redox Fe(CN)6 3-/4- e FcOH0/+ e verificou-se que a constante cinética, k0, é mais elevada em elétrodos com terminações em hidrogénio, nos quais não se procedeu a qualquer modificação da superfície. Estes MEs não modificados foram também testados na deteção de Zn2+ onde se observou, por voltametria cíclica, que a detecção da redução deste ião é linear numa escala log-log na gama de 10-5-10-2 M em 5 mM NaCl. Realizaram-se também estudos em sistemas de corrosão modelares, em que os microeléctrodos foram usados como sensores amperométricos para mapear a distribuição de oxigénio e Zn2+ sobre um par galvânico Zn-Fe, com recurso a um sistema SVET (Scanning Vibrating Electrode Technique). Foi possível detetar, com resolução lateral de 100 μm, um decréscimo da concentração de O2 junto a ambos os metais e produção de catiões de zinco no ânodo. Contudo verificou-se uma significativa deposição de zinco metálico na superfície dos ME utilizados. Os MEs com superfície modificada por plasma de CF4 foram testados como sensores de oxigénio dissolvido. A calibração dos microeléctrodos foi efetuada simultaneamente por voltametria cíclica e medição óptica através de um sensor de oxigénio comercial. Determinou-se uma sensibilidade de ~0.1422 nA/μM, com um limite de deteção de 0.63 μM. Os MEs modificados com CF4 foram também testados como sensores amperométricos com os quais se observou sensibilidade ao oxigénio dissolvido em solução, tendo sido igualmente utilizados durante a corrosão galvânica de pares Zn-Fe. Em alguns casos foi conseguida sensibilidade ao ião Zn2+ sem que o efeito da contaminação superficial com zinco metálico se fizesse sentir. Os microeléctrodos tratados em plasma de CF4 permitem uma boa deteção da distribuição de oxigénio, exibindo uma resposta mais rápida que os não tratados além de maior estabilidade de medição e durabilidade. Nos MEs em que a superfície foi modificada com plasma de O2 foi possível detetar, por cronopotenciometria a corrente nula, uma sensibilidade ao pH de ~51 mV/pH numa gama de pH 2 a pH 12. Este comportamento foi associado à contribuição determinante de grupos C-O e C=O, observados por XPS com uma razão O/C de 0,16. Estes MEs foram igualmente testados durante a corrosão galvânica do par Zn-Fe onde foi possível mapear a distribuição de pH associada ao desenvolvimento de regiões alcalinas causadas pela redução do oxigénio, acima da região catódica, e de regiões ácidas decorrentes da dissolução anódica do ânodo de zinco. Com o par galvânico imerso em 50 mM NaCl registou-se uma variação de pH aproximadamente entre 4,8 acima do ânodo de zinco a 9,3 sobre o cátodo de ferro. A utilização pioneira destes MEs como sensores de pH é uma alternativa promissora aos elétrodos baseados em membranas seletivas.

Protein-responsive polymers for point-of-care detection of cardiac biomarker

This work describes a novel use for the polymeric film, poly(o-aminophenol) (PAP) that was made responsive to a specific protein. This was achieved through templated electropolymerization of aminophenol (AP) in the presence of protein. The procedure involved adsorbing protein on the electrode surface and thereafter electroploymerizing the aminophenol. Proteins embedded at the outer surface of the polymeric film were digested by proteinase K and then washed away thereby creating vacant sites. The capacity of the template film to specifically rebind protein was tested with myoglobin (Myo), a cardiac biomarker for ischemia. The films acted as biomimetic artificial antibodies and were produced on a gold (Au) screen printed electrode (SPE), as a step towards disposable sensors to enable point-of-care applications. Raman spectroscopy was used to follow the surface modification of the Au-SPE. The ability of the material to rebind Myo was measured by electrochemical techniques, namely electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and square wave voltammetry (SWV). The devices displayed linear responses to Myo in EIS and SWV assays down to 4.0 and 3.5 μg/mL, respectively, with detection limits of 1.5 and 0.8 μg/mL. Good selectivity was observed in the presence of troponin T (TnT) and creatine kinase (CKMB) in SWV assays, and accurate results were obtained in applications to spiked serum. The sensor described in this work is a potential tool for screening Myo in point-of-care due to the simplicity of fabrication, disposability, short time response, low cost, good sensitivity and selectivity.

Electrochemical biosensor based on biomimetic material for myoglobin detection

A novel reusable molecularly imprinted polymer (MIP) assembled on a polymeric layer of carboxylated poly(vinyl chloride) (PVCsingle bondCOOH) for myoglobin (Myo) detection was developed. This polymer was casted on the gold working area of a screen printed electrode (Au-SPE), creating a novel disposable device relying on plastic antibodies. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) studies confirmed the surface modification. The MIP/Au-SPE devices displayed a linear behaviour in EIS from 0.852 to 4.26 μg mL−1, of positive slope 6.50 ± 1.48 (kΩ mL μg−1). The limit of detection was 2.25 μg mL−1. Square wave voltammetric (SWV) assays were made in parallel and showed linear responses between 1.1 and 2.98 μg mL−1. A current decrease was observed against Myo concentration, producing average slopes of −0.28 ± 0.038 μA mL μg−1. MIP/Au-SPE also showed good results in terms of selectivity. The error% found for each interfering species were 7% for troponin T (TnT), 11% for bovine serum albumin (BSA) and 2% for creatine kinase MB (CKMB), respectively. Overall, the technical modification over the Au-SPE was found a suitable approach for screening Myo in biological fluids.

Improved polymeric medical devices for active substances delivery

The work presented in this thesis was developed in collaboration with a Portuguese company, BeyonDevices, devoted to pharmaceutical packaging, medical technology and device industry. Specifically, the composition impact and surface modification of two polymeric medical devices from the company were studied: inhalers and vaginal applicators. The polyethylene-based vaginal applicator was modified using supercritical fluid technology to acquire self-cleaning properties and prevent the transport of bacteria and yeasts to vaginal flora. For that, in-situ polymerization of 2-substituted oxazolines was performed within the polyethylene matrix using supercritical carbon dioxide. The cationic ring-opening polymerization process was followed by end-capping with N,N-dimethyldodecylamine. Furthermore, for the same propose, the polyethylene matrix was impregnated with lavender oil in supercritical medium. The obtained materials were characterized physical and morphologically and the antimicrobial activity against bacteria and yeasts was accessed. Materials modified using 2-substituted oxazolines showed an effective killing ability for all the tested microorganisms, while the materials modified with lavender oil did not show antimicrobial activity. Only materials modified with oligo(2-ethyl-2-oxazoline) maintain the activity during the long term stability. Furthermore, the cytotoxicity of the materials was tested, confirming their biocompatibilty. Regarding the inhaler, its surface was modified in order to improve powder flowability and consequently, to reduce powder retention in the inhaler´s nozzle. New dry powder inhalers (DPIs), with different needle’s diameters, were evaluated in terms of internal resistance and uniformity of the emitted dose. It was observed that they present a mean resistance of 0.06 cmH2O0.5/(L/min) and the maximum emitted dose obtained was 68.9% for the inhaler with higher needle´s diameter (2 mm). Thus, this inhaler was used as a test and modified by the coating with a commonly-used force control agent, magnesium stearate, dried with supercritical carbon dioxide (scCO2) and the uniformity of delivered dose tests were repeated. The modified inhaler showed an increase in emitted dose from 68.9% to 71.3% for lactose and from 30.0% to 33.7% for Foradil.

Effet des chaînes de poly(4-vinylpyridinium) sur l'adhésion de bactéries pathogènes aux surfaces

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Characterization of Hydrothermally Annealed Low Temperature Bioactive Thin Film Coatings of Hydroxyapatite on TiAl6V4 Implant material

This thesis summarizes the results on the growth and characterisation of thin films of HA grown on TiAl6V4 (Ti) implant material at a lower substrate temperature by a combination of Pulsed laser deposition and a hydrothermal treatment to get sufficiently strong crystalline films suitable for orthopaedic applications. The comparison of the properties of the coated substrate has been made with other surface modification techniques like anodization and chemical etching. The in-vitro study has been conducted on the surface modified implants to assess its cell viability. A molecular level study has been conducted to analyze the adhesion mechanism of protein adhesion molecules on to HA coated implants.

Acidity/basicity, electron donor properties and catalytic activity of sulphate modified ceria

The changes in surface acidity/basicity and catalytic activity of cerium oxide due to surface modification by sulphate ion have been investigated. Electron donor properties of both the modified and unmodified oxides have been studied using electron acceptors of various electron affinity values, viz. 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane, 2,3,5,6-tetrachloro--l, 4-benzoquinone. p-dinitrobenzene and m-dinitrobenzene in order to find out whether the increase in acidity on suphation is due to the generation of new acidic sites or they are formed at the expense of some of the basic sites. The surface acidity/basicity has been determined using a set of Hammett indicators. The data have been correlated with the catalytic activity of the oxides for esterification of acetic acid using l-butanol, reduction of cyclohexanone with 2- propanol and oxidation of cyclohexanol using benzophenone.