Characterization of novel heme-containing sensor proteins from Geobacter sulfurreducens

The focus of this Thesis was the study of the sensor domains of two heme-containing methyl-accepting chemotaxis proteins (MCP) from Geobacter sulfurreducens: GSU0582 and GSU0935. These domains contain one c-type heme, form swapped dimers with a PAS-like fold and are the first examples of a new class of heme sensors. NMR spectroscopy was used to assign the heme and polypeptide signals in both sensors, as a first step to probe conformational changes in the vicinity of the hemes. However, the presence of two conformations in solution impaired the confident assignment of the polypeptide signals. To understand how conformational changes and swapped dimerization mechanism can effectively modulate the function of the two sensor domains and their signal transduction process, the sensor domains folding and stability were studied by circular dichroism and UV-visible spectroscopy. The results showed differences in the thermodynamic stability of the sensors, with GSU0582 displaying higher structural stability. These studies also demonstrated that the heme moiety undergoes conformational changes matching those occurring at the global protein structure and that the content of intrinsically disordered segments within these proteins (25% for GSU0935; 13% for GSU0582) correlates with the stability differences observed. The thermodynamic and kinetic properties of the sensor domains were determined at different pH and ionic strength by visible spectroscopy and stopped-flow techniques. Despite the remarkably similar spectroscopic and structural features of the two sensor domains, the results showed that their properties are quite distinct. Sensor domain GSU0935 displayed more negative reduction potentials and smaller reduction rate constants, which were more affected by pH and ionic strength. The available structures were used to rationalize these differences. Overall, the results described in this Thesis indicate that the two G. sulfurreducens MCP sensor domains are designed to function in different working potential ranges, allowing this bacterium to trigger an adequate cellular response in distinct anoxic subsurface environments.

A piezoelectric based energy harvester interface for a CMOS wireless sensor IC

In this thesis a piezoelectric energy harvesting system, responsible for regulating the power output of a piezoelectric transducer subjected to ambient vibration, is designed to power an RF receiver with a 6 mW power consump-tion. The electrical characterisation of the chosen piezoelectric transducer is the starting point of the design, which subsequently presents a full-bridge cross-coupled rectifier that rectifies the AC output of the transducer and a low-dropout regulator responsible for delivering a constant voltage system output of 0.6 V, with low voltage ripple, which represents the receiver’s required sup-ply voltage. The circuit is designed using CMOS 130 nm UMC technology, and the system presents an inductorless architecture, with reduced area and cost. The electrical simulations run for the complete circuit lead to the conclusion that the proposed piezoelectric energy harvesting system is a plausible solution to power the RF receiver, provided that the chosen transducer is subjected to moderate levels of vibration.

Design of a low-voltage CMOS RF receiver for energy harvesting sensor node

In this thesis a CMOS low-power and low-voltage RF receiver front-end is presented. The main objective is to design this RF receiver so that it can be powered by a piezoelectric energy harvesting power source, included in a Wireless Sensor Node application. For this type of applications the major requirements are: the low-power and low-voltage operation, the reduced area and cost and the simplicity of the architecture. The system key blocks are the LNA and the mixer, which are studied and optimized with greater detail, achieving a good linearity, a wideband operation and a reduced introduction of noise. A wideband balun LNA with noise and distortion cancelling is designed to work at a 0.6 V supply voltage, in conjunction with a double-balanced passive mixer and subsequent TIA block. The passive mixer operates in current mode, allowing a minimal introduction of voltage noise and a good linearity. The receiver analog front-end has a total voltage conversion gain of 31.5 dB, a 0.1 - 4.3 GHz bandwidth, an IIP3 value of -1.35 dBm, and a noise figure lower than 9 dB. The total power consumption is 1.9 mW and the die area is 305x134.5 m2, using a standard 130 nm CMOS technology.

Relatório de atividade profissional e uma comparação do estudo da conservação de energia através de um sensor de movimento e de análise de vídeo

A apresentação do presente relatório visa a obtenção do Grau de Mestre em Ensino de Físico Química de acordo com o estabelecido no regulamento para Licenciados “Pré-Bolonha”, que abrange as licenciaturas de cinco anos com, pelo menos, cinco anos de experiência profissional. O percurso académico e profissional permitiram a aquisição de conhecimentos, tanto na Física como na Química, e um conjunto de aptidões como a capacidade organizacional, a capacidade de trabalhar em equipa e competências sociais. A constante vontade em atualizar conhecimentos e adquirir novas competências têm sido um incentivo para continuar a frequentar cursos de formação, seminários, workshops conferências dedicadas a esta área, assim como às do ensino. O presente trabalho é composto por duas partes. Na primeira parte, encontra-se a discrição da minha atividade profissional. Na segunda parte, encontra-se a apresentação detalhada do estudo da atividade laboratorial da bola saltitante por dois processos diferentes: utilizando um sensor de movimento e usando a análise de vídeo através do software Tracker.

Design, implementation, and performance of a distributed and scalable sensor system for critical distance measurements in the CMS detector at LHC

The “CMS Safety Closing Sensors System” (SCSS, or CSS for brevity) is a remote monitoring system design to control safety clearance and tight mechanical movements of parts of the CMS detector, especially during CMS assembly phases. We present the different systems that makes SCSS: its sensor technologies, the readout system, the data acquisition and control software. We also report on calibration and installation details, which determine the resolution and limits of the system. We present as well our experience from the operation of the system and the analysis of the data collected since 2008. Special emphasis is given to study positioning reproducibility during detector assembly and understanding how the magnetic fields influence the detector structure.

Desenvolvimento de um sensor de ibuprofeno em meio aquoso

A proteção dos recursos hídricos tem uma enorme importância ecológica, sendo a água um recurso indispensável à Vida e fundamental para o bem-estar de uma sociedade. Para isso, muitos dos poluentes que afetam a qualidade deste recurso natural são detetados e eliminados nas estações de tratamento de águas residuais. Porém, o impacto dos Produtos Farmacêuticos e de Cuidado Pessoal (PPCPs), usados à escala global, carece ainda da atenção necessária, dado que os meios técnicos atualmente disponíveis para detetar estes produtos são dispendiosos ou insuficientes. Dentro daquela classe de produtos, destaca-se o Ibuprofeno, uma vez que este composto, sendo lipossolúvel, tem a capacidade para se acumular nas gorduras dos seres vivos e, por conseguinte, persistir no meio-ambiente com efeitos nocivos. Para além desse facto, por diferentes vias de reação, o Ibuprofeno tem potencial para gerar produtos de carácter semelhante. No entanto, pouco esforços têm sido feitos no sentido de o detetar. Assim, pretendeu-se com este projeto desenvolver metodologias com vista à deteção de muito baixas concentrações (entre o nano e o picoMolar) daquele composto em meio aquoso. Foi utilizada a tecnologia de Língua Eletrónica por Espectroscopia de Impedância e, para tentar melhorar a sensibilidade do sensor à molécula-alvo, foram utilizados filmes finos à base de nanotubos de carbono e de diferentes polieletrólitos, preparados pela técnica de Camada-sobre-Camada (LbL, do inglês Layer-by-Layer). A caracterização destes filmes foi feita pela técnica Espectrofotometria na faixa dos Ultravioleta e Visível. Para além da análise de diferentes concentrações de Ibuprofeno, foram ainda analisadas soluções de Cloreto de Sódio, com o intuito de perceber se o sensor é versátil na deteção de outro tipo de compostos, sendo, então, o sal um composto barato e relevante neste âmbito, uma vez que a água na Natureza apresenta sempre alguma salinidade. O trabalho compreendeu ainda o desenvolvimento de um programa informático para automatizar o processo de aquisição dos dados espectrais de impedância, recolhidos pelo analisador HAMEG Programmable LCR Bridge HM8118, o que foi feito com sucesso. Posteriormente, os dados foram tratados pelo procedimento estatístico de Análise de Componentes Principais, que permitiu discriminar espacialmente e sequencialmente as diferentes concentrações dos compostos analisados.

Using an LED as a sensor and visible light communication device in a smart illumination system

The need for more efficient illumination systems has led to the proliferation of Solid-State Lighting (SSL) systems, which offer optimized power consumption. SSL systems are comprised of LED devices which are intrinsically fast devices and permit very fast light modulation. This, along with the congestion of the radio frequency spectrum has paved the path for the emergence of Visible Light Communication (VLC) systems. VLC uses free space to convey information by using light modulation. Notwithstanding, as VLC systems proliferate and cost competitiveness ensues, there are two important aspects to be considered. State-of-the-art VLC implementations use power demanding PAs, and thus it is important to investigate if regular, existent Switched-Mode Power Supply (SMPS) circuits can be adapted for VLC use. A 28 W buck regulator was implemented using a off-the-shelf LED Driver integrated circuit, using both series and parallel dimming techniques. Results show that optical clock frequencies up to 500 kHz are achievable without any major modification besides adequate component sizing. The use of an LED as a sensor was investigated, in a short-range, low-data-rate perspective. Results show successful communication in an LED-to-LED configuration, with enhanced range when using LED strings as sensors. Besides, LEDs present spectral selective sensitivity, which makes them good contenders for a multi-colour LED-to-LED system, such as in the use of RGB displays and lamps. Ultimately, the present work shows evidence that LEDs can be used as a dual-purpose device, enabling not only illumination, but also bi-directional data communication.

Desenvolvimento de um sensor para utilização em fixadores externos em ortopedia

Nesta dissertação é apresentada a metodologia adoptada no desenvolvimento de um sensor capaz de monitorizar a evolução da consolidação óssea proveniente de patologias tratadas com a utilização de aparelhos de fixação externa. O sensor tem como finalidade medir o deslocamento relativo entre os componentes do fixador externo que são proporcionais aos níveis de consolidação do osso. Surge como alternativa aos processos convencionais (raios-X, ultra-sons, etc.) que não possibilitam a detecção de imperfeições no processo de regeneração óssea numa fase precoce. Uma análise a vários materiais e geometrias revelaram que um sensor fabricado em latão e sob a forma de anel, após uma deformação de compressão de 4

Electrical characterization and modification of low dimensional oxide semiconductors for sensor applications

This work reviews the recent research on ion and UV irradiation of β-

Electro-Optical/Infrared sensor turret integration on an aircraft - structural im-pact on LOCKHEED MARTIN C-130H and design methodology

The growing need to patrol and survey large maritime and terrestrial areas increased the need to integrate external sensors on aircraft in order to accomplish those patrols at increasingly higher altitudes, longer range and not depending upon vehicle type. The main focus of this work is to elaborate a practical, simple, effective and efficient methodology for the aircraft modification procedure resulting from the integration of an Elec-tro-Optical/Infra-Red (EO/IR) turret through a support structure. The importance of the devel-opment of a good methodology relies on the correct management of project variables as time, available resources and project complexity. The key is to deliver a proper tool for a project de-sign team that will be used to create a solution that fulfils all technical, non-technical and certi-fication requirements present in this field of transportation. The created methodology is inde-pendent of two main inputs: sensor model and aircraft model definition, and therefore it is in-tended to deliver the results for different projects besides the one that was presented in this work as a case study. This particular case study presents the development of a structure support for FLIR STAR SAPHIRE III turret integration on the front lower fuselage bulkhead (radome) of the LOCKHEED MARTIN C-130 H. Development of the case study focuses on the study of local structural analysis through the use of Finite Element Method (FEM). Development of this Dissertation resulted in a cooperation between Faculty of Science and Technology - Universidade Nova de Lisboa and the company OGMA - Indústria Aeronáutica de Portugal

Mapeamento do uso e cobertura da terra a partir da segmentação e classificação de imagens-fração solo, sombra e vegetação derivadas do modelo linear de mistura aplicado a dados do sensor TM/Landsat5, na região do reservatório de Tucuruí - PA

Técnicas de sensoriamento remoto são fundamentais para o monitoramento das mudanças de uso da terra, principalmente em áreas extensas como a Amazônia. O mapeamento de uso da terra, geralmente é realizado por métodos de classificação manual ou digital pixel a pixel, os quais consomem muito tempo. Este estudo aborda a aplicação do modelo linear de mistura em uma imagem Landsat-TM segmentada para o mapeamento das classes de uso da terra na região do reservatório de Tucuruí-PA para os anos de 1996 e 2001.

Detecção de cicatrizes de áreas queimadas baseada no modelo linear de mistura espectral e imagens índice de vegetação utilizando dados multitemporais do sensor MODIS/TERRA no estado do Mato Grosso, Amazônia brasileira

O objetivo desta pesquisa foi avaliar os dados do sensor MODIS para detectar e monitorar cicatrizes de áreas recém queimadas. Utilizamos imagens da reflectância de superfície do sensor MODIS: produto MOD09 (dia 5 de outubro) e produto MOD13A1 (meses de outubro e novembro). Foi avaliada também uma série temporal de um ano dos índices de vegetação (IV) EVI e NDVI (produto MOD13A1). Uma imagem do sensor ETM+ (dia 5 de outubro) foi utilizada como base para a delimitação dos polígonos amostrais e avaliação dos dados MODIS devido a sua melhor resolução espacial. A metodologia focou na aplicação do modelo linear de mistura espectral nas imagens reflectância para a geração das imagens fração sombra. Análises de regressão foram efetuadas para comparação entre o percentual de sombra derivado da imagem ETM+ e das imagens MODIS. As alterações multitemporais nas imagens IV foram avaliadas com base no teste de Tukey. Os resultados mostraram que a imagem fração sombra gerada a partir do produto MOD09 apresentou um R² = 0,66 (p < 0,01) em relação aos dados ETM+. Para as imagens do produto MOD13A1 não foram identificadas relações significativas. Os IV dentro dos mesmos polígonos apresentaram uma variação sazonal durante o ano. No entanto, não houve uma diminuição significativa dos valores destes índices nos meses onde foram observadas as cicatrizes de áreas recém queimadas. Portanto, o produto MOD09 mostrou-se mais eficiente que o produto MOD13A1 para a detecção de cicatrizes de áreas recém queimadas. A análise multitemporal dos IV sugeriu que não foi possível detectar este mesmo padrão na área de estudo.

Ag-TiNx electrodes deposited on piezoelectric poly(vinylidene fluoride) for biomedical sensor applications

Electroactive polymers are one of the most interesting class of polymers used as smart materials in various applications, such as the development of sensors and actuators for biomedical applications in areas such as smart prosthesis, implantable biosensors and biomechanical signal monitoring, among others. For acquiring or applying the electrical signal from/to the piezoelectric material, suitable electrodes can be produced from Ti based coatings with tailored multifunctional properties, conductivity and antibacterial characteristics, through Ag inclusions. This work reports on Ag-TiNx electrodes, deposited by d. c. and pulsed magnetron sputtering at room temperature on poly(vinylidene fluoride), PVDF, the all-round best piezoelectric polymer.. Composition of the electrodes was assessed by microanalysis X-ray system (EDS - energy dispersive spectrometer). The XRD results revealed that the deposition conditions preserve the polymer structure and suggested the presence of crystalline fcc-TiN phase and fcc-Ag phase in samples with N2 flow above 3 sccm. According to the results obtained from SEM analysis, the coatings are homogeneous and Ag clusters were found for samples with nitrogen flow above 3 sccm. With increasing nitrogen flow, the sheet resistivity tend to be lower than the samples without nitrogen, leading also to a decrease of the piezoelectric response. It is concluded that the deposition conditions do significantly affect the piezoelectric polymer, which maintain its characteristics for sensor/actuator applications.

A hybrid MAC Scheme to improve the transmission performance in body sensor networks

Wireless body sensor networks (WBSNs) constitute a key technology for closing the loop between patients and healthcare providers, as WBSNs provide sensing ability, as well as mobility and portability, essential characteristics for wide acceptance of wireless healthcare technology. However, one important and difficult aspect of WBSNs is to provide data transmissions with quality of service, among other factors due to the antennas being small size and placed close to the body. Such transmissions cannot be fully provided without the assumption of a MAC protocol that solves the problems of the medium sharing. A vast number of MAC protocols conceived for wireless networks are based on random or scheduled schemes. This paper studies firstly the suitability of two MAC protocols, one using CSMA and the other TDMA, to transmit directly to the base station the signals collected continuously from multiple sensor nodes placed on the human body. Tests in a real scenario show that the beaconed TDMA MAC protocol presents an average packet loss ratio lower than CSMA. However, the average packet loss ratio is above 1.0 %. To improve this performance, which is of vital importance in areas such as e-health and ambient assisted living, a hybrid TDMA/CSMA scheme is proposed and tested in a real scenario with two WBSNs and four sensor nodes per WBSN. An average packet loss ratio lower than 0.2 % was obtained with the hybrid scheme. To achieve this significant improvement, the hybrid scheme uses a lightweight algorithm to control dynamically the start of the superframes. Scalability and traffic rate variation tests show that this strategy allows approximately ten WBSNs operating simultaneously without significant performance degradation.

Mapeamento da antiga cobertura vegetal de várzea do Baixo Amazonas a partir de imagens históricas (1975-1981) do Sensor MSS-Landsat

Este estudo apresenta um mapa da cobertura vegetal da planície de inundação do Rio Amazonas entre as cidades de Parintins (AM) e Almeirim (PA), com base em imagens Landsat-MSS adquiridas entre 1975 e 1981. O processamento digital dessas imagens envolveu a transformação para imagens-fração de vegetação, solo e água escura (sombra), seguido da aplicação de técnicas de segmentação e classificação por região. O mapa resultante da classificação foi organizado em quatro classes de cobertura do solo: floresta de várzea, vegetação não-florestal de várzea, solo exposto e água aberta. A precisão do mapa foi estimada a partir de dois tipos de informações coletadas em campo: 1) pontos de descrição: para validação das classes de cobertura não sujeitas a grandes alterações, como é o caso dos corpos d'água permanentes, e identificação de indicadores dos tipos de cobertura original presentes na paisagem na ocasião da obtenção das imagens (72 pontos); 2) entrevistas com moradores antigos para a recuperação da memória sobre a cobertura vegetal existente há 30 anos (44 questionários). Ao todo foram coletadas informações em 116 pontos distribuídos ao longo da área de estudo. Esses pontos foram utilizados para calcular o Índice Kappa de concordância entre os dados de campo e o mapa resultante da classificação automática, cujo valor (0,78) indica a boa qualidade do mapa de cobertura vegetal da várzea. Os resultados mostram que a região possuía uma cobertura florestal de várzea de aproximadamente 8.650 km2 no período de aquisição das imagens.