Electrospun Polyaniline-Reduced Graphene Oxide Composite Nanofibers Based High Sensitive Ammonia Gas Sensor

Ammonia is an important gas in many power plants and industrial processes so its detection is of extreme importance in environmental monitoring and process control due to its high toxicity. Ammonia’s threshold limit is 25 ppm and the exposure time limit is 8 h, however exposure to 35 ppm is only secure for 10 min. In this work a brief introduction to ammonia aspects are presented, like its physical and chemical properties, the dangers in its manipulation, its ways of production and its sources. The application areas in which ammonia gas detection is important and needed are also referred: environmental gas analysis (e.g. intense farming), automotive-, chemical- and medical industries. In order to monitor ammonia gas in these different areas there are some requirements that must be attended. These requirements determine the choice of sensor and, therefore, several types of sensors with different characteristics were developed, like metal oxides, surface acoustic wave-, catalytic-, and optical sensors, indirect gas analyzers, and conducting polymers. All the sensors types are described, but more attention will be given to polyaniline (PANI), particularly to its characteristics, syntheses, chemical doping processes, deposition methods, transduction modes, and its adhesion to inorganic materials. Besides this, short descriptions of PANI nanostructures, the use of electrospinning in the formation of nanofibers/microfibers, and graphene and its characteristics are included. The created sensor is an instrument that tries to achieve a goal of the medical community in the control of the breath’s ammonia levels being an easy and non-invasive method for diagnostic of kidney malfunction and/or gastric ulcers. For that the device should be capable to detect different levels of ammonia gas concentrations. So, in the present work an ammonia gas sensor was developed using a conductive polymer composite which was immobilized on a carbon transducer surface. The experiments were targeted to ammonia measurements at ppb level. Ammonia gas measurements were carried out in the concentration range from 1 ppb to 500 ppb. A commercial substrate was used; screen-printed carbon electrodes. After adequate surface pre-treatment of the substrate, its electrodes were covered by a nanofibrous polymeric composite. The conducting polyaniline doped with sulfuric acid (H2SO4) was blended with reduced graphene oxide (RGO) obtained by wet chemical synthesis. This composite formed the basis for the formation of nanofibers by electrospinning. Nanofibers will increase the sensitivity of the sensing material. The electrospun PANI-RGO fibers were placed on the substrate and then dried at ambient temperature. Amperometric measurements were performed at different ammonia gas concentrations (1 to 500 ppb). The I-V characteristics were registered and some interfering gases were studied (NO2, ethanol, and acetone). The gas samples were prepared in a custom setup and were diluted with dry nitrogen gas. Electrospun nanofibers of PANI-RGO composite demonstrated an enhancement in NH3 gas detection when comparing with only electrospun PANI nanofibers. Was visible higher range of resistance at concentrations from 1 to 500 ppb. It was also observed that the sensor had stable, reproducible and recoverable properties. Moreover, it had better response and recovery times. The new sensing material of the developed sensor demonstrated to be a good candidate for ammonia gas determination.

Caracterização material e conservação e restauro de um painel de azulejos do séc. XVII do Ecomuseu do Seixal, Portugal

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Conservação e Restauro, Especialização em Cerâmica e Vidro

Preparação de biofilmes a partir de resíduos da indústria de curtumes

A indústria dos curtumes é uma das indústrias mais antigas e tradicionais de Portugal e é também uma das mais poluentes. Esta indústria produz muitos resíduos sólidos, entre os quais, está o pelo de bovino. A valorização deste resíduo permite reduzir o impacto ambiental e aumentar a eco-eficiência da indústria dos curtumes. O pelo de bovino, rico em queratina, é um bom candidato para a produção de biofilmes. O objetivo deste trabalho foi a valorização de um resíduo de indústria de curtume (pelo de bovino) através da produção de filmes à base de queratina por termocompressão. Foi estudada a melhor formulação e as condições operatórias mais favoráveis com a finalidade de melhorar as propriedades mecânicas dos filmes. O trabalho realizado durante este projeto dividiu-se em 5 partes: preparação do material, caracterização do material, seleção do pré-tratamento, produção de filmes e caracterização dos filmes. Foram produzidos filmes para a seleção do pré-tratamento e para a respetiva caracterização. Os pré-tratamentos testados foram: tratamento com detergente, tratamento com detergente e sulfureto de sódio e, tratamento com detergente e éter de petróleo. O pré-tratamento selecionado foi o tratamento com detergente. Para a produção de filmes para a posterior caracterização, foram escolhidos 4 conjuntos de condições operatórias diferentes: 160 oC – 147 kN – 8 min – 30% glicerol; 160 oC – 147 kN – 12 min – 30% glicerol; 160 oC – 147 kN – 8 min – 40% glicerol; 160 oC – 147 kN – 12 min – 40% glicerol; identificados como Conjuntos A, B, C e D, respetivamente. Na caracterização dos filmes foram analisados vários parâmetros, nomeadamente a espessura, a permeabilidade ao vapor de água ao vapor de água, as isotérmicas de sorção, a cor, a solubilidade e as propriedades mecânicas. Também foram feitas as análises de calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e microscopia eletrónica de varrimento (SEM). Concluiu-se que os filmes do conjunto A (160 oC – 147 kN – 8 min – 30% glicerol) tiveram um melhor desempenho apresentando espessuras médias de 0,25 0,02 mm, permeabilidade ao vapor de água ao vapor de água igual a 1,20 x 10-8 6,79 x 10-10 g/(m.s.Pa), solubilidade igual a 27,9 0,4 %, tensão de rutura média igual a 9,23 1,19 N/mm2, deformação na rutura média igual a 1,9 0,2 % e módulo de elasticidade médio igual a 554 26 N/mm2. Verificou-se um bom ajuste do modelo de GAB aos resultados experimentais. A análise DSC indicou uma temperatura de fusão aos 170 ºC para a mistura de pelo e glicerol que não se verificou nos filmes formados e indicou a temperatura de degradação do material por volta dos 240-250 ºC. A análise SEM mostrou que os filmes não estão totalmente fundidos e provou a irregularidade da superfície dos mesmos. Provou-se que é possível a produção de filmes de pelo bovino sendo ainda necessário melhorar o processo de mistura do pelo com o glicerol.

Viabilidade económica e energética do biodiesel produzido a partir de Chlorella vulgaris

Contemporaneamente o Homem depara-se com um dos grandes desafios que é o de efetivar a transição para um futuro sustentável. Assim, o setor da energia tem um papel fundamental neste processo de transição, com principal enfoque no setor dos automóveis, sendo este um setor que contribui com elevadas quantidades de gases de efeito estufa libertados para a atmosfera. Também a escassez dos recursos petrolíferos constitui um ponto fundamental no tema apresentado. Com a necessidade de combater esses problemas é que se tem vindo a tentar desenvolver combustíveis renováveis e neutros quanto às emissões. A primeira geração de biocombustíveis obtidos através de culturas agrícolas terrestres preenche em parte esses requisitos, porém, não atinge os valores da procura e ainda competem com a produção de alimentos. Daí o interesse na aposta de uma segunda geração de biocombustíveis produzidos de fontes que não pertencem à cadeia alimentar e são residuais mas, que mesmo assim não permitem satisfazer as necessidades de matériaprima. A terceira geração de biocombustíveis vem justamente responder a estas questões pois assenta em matérias-primas que não competem pela utilização do solo agrícola nem são usadas para fins alimentares, tendo produtividades areais substancialmente superiores às que as culturas convencionais ou biomassas residuais conseguem assegurar. A matéria prima de terceira geração são portanto as microalgas, cujas produtividades em biomassa são extremamente elevadas, para além de produtividades muito superiores em lípidos, hidratos de carbono e/ou outros produtos de valor elevado. No entanto, este tipo de produção de biocombustível ainda enfrenta alguns problemas técnicos que o tornam num processo dispendioso para competir economicamente com outros tipos de produção de biodiesel. Na linha do que foi dito anteriormente, este trabalho apresenta um estudo de viabilidade económica e energética do biodiesel produzido através da Chlorella vulgaris, apresentando as técnicas e resultados de cultivo da Chlorella vulgaris e posteriormente de produção do biodiesel através dos lípidos obtidos através da mesma. Para melhorar a colheita das microalgas, que é uma das fases mais dispendiosas, testou-se o aumento de pH e a adição de um floculante (Pax XL-10), sendo que o primeiro não permitiu obter resultados satisfatórios, enquanto o segundo permitiu obter resultados de rendimento na ordem dos 90%. Mesmo com a melhoria da etapa da colheita, o preço mínimo do biodiesel produzido a partir do óleo de Chlorella vulgaris, com as condições ótimas de cultivo e produtividades máximas encontradas na literatura, foi de 8,76 €/L, pois, na análise económica, o Pax XL-10 revelou-se extremamente caro para utilizar na floculação de microalgas para obtenção de um produto de baixo valor, como é o biodiesel. A não utilização da floculação reduz o preço do biodiesel para 7,85 €/L. O que se pode concluir deste trabalho é que face às técnicas utilizadas, a produção de biodiesel Chlorella vulgaris apenas, não é economicamente viável, pelo que para viabilizar a sustentabilidade do processo seria ainda necessário desenvolver mais esforços no sentido de otimizar a produção de biodiesel, eventualmente associando-a à produção de um outro biocombustível produzido a partir da biomassa extraída residual e/ou da recuperação de outros produtos de maior valor.

Haemoglobin smart plastic antibody material tailored with charged binding sites on silica nanoparticles: its application as an ionophore in potentiometric transduction

This work uses surface imprinting to design a novel smart plastic antibodymaterial (SPAM) for Haemoglobin (Hb). Charged binding sites are described here for the first time to tailor plastic antibody nanostructures for a large size protein such as Hb. Its application to design small, portable and low cost potentiometric devices is presented. The SPAM material was obtained by linking Hb to silica nanoparticles and allowing its ionic interaction with charged vinyl monomers. A neutral polymeric matrix was created around these and the imprinted protein removed. Additional materials were designed in parallel acting as a control: a neutral imprinted material (NSPAM), obtained by removing the charged monomers from the procedure, and the Non-Imprinted (NI) versions of SPAM and NSPAM by removing the template. SEM analysis confirmed the surface modification of the silica nanoparticles. All materials were mixed with PVC/plasticizer and applied as selective membranes in potentiometric transduction. Electromotive force (emf) variations were detected only for selective membranes having a lipophilic anionic additive in the membrane. The presence of Hb inside these membranes was evident and confirmed by FTIR, optical microscopy and Raman spectroscopy. The best performance was found for SPAM-based selective membranes with an anionic lipophilic additive, at pH 5. The limits of detection were 43.8 mg mL 1 and linear responses were obtained down to 83.8 mg mL 1, with an average cationic slope of +40 mV per decade. Good selectivity was also observed against other coexisting biomolecules. The analytical application was conducted successfully, showing accurate and precise results.

Oriented Tailoring of Plastic Antibodies for Prostate Specific Antigen and Application of the Imprinted Material as Ionophore in Potentiometric Detection

Prostate Specific Antigen (PSA) is the biomarker of choice for screening prostate cancer throughout the population, with PSA values above 10 ng/mL pointing out a high probability of associated cancer1. According to the most recent World Health Organization (WHO) data, prostate cancer is the commonest form of cancer in men in Europe2. Early detection of prostate cancer is thus very important and is currently made by screening PSA in men over 45 years old, combined with other alterations in serum and urine parameters. PSA is a glycoprotein with a molecular mass of approximately 32 kDa consisting of one polypeptide chain, which is produced by the secretory epithelium of human prostate. Currently, the standard methods available for PSA screening are immunoassays like Enzyme-Linked Immunoabsorbent Assay (ELISA). These methods are highly sensitive and specific for the detection of PSA, but they require expensive laboratory facilities and high qualify personal resources. Other highly sensitive and specific methods for the detection of PSA have also become available and are in its majority immunobiosensors1,3-5, relying on antibodies. Less expensive methods producing quicker responses are thus needed, which may be achieved by synthesizing artificial antibodies by means of molecular imprinting techniques. These should also be coupled to simple and low cost devices, such as those of the potentiometric kind, one approach that has been proven successful6. Potentiometric sensors offer the advantage of selectivity and portability for use in point-of-care and have been widely recognized as potential analytical tools in this field. The inherent method is simple, precise, accurate and inexpensive regarding reagent consumption and equipment involved. Thus, this work proposes a new plastic antibody for PSA, designed over the surface of graphene layers extracted from graphite. Charged monomers were used to enable an oriented tailoring of the PSA rebinding sites. Uncharged monomers were used as control. These materials were used as ionophores in conventional solid-contact graphite electrodes. The obtained results showed that the imprinted materials displayed a selective response to PSA. The electrodes with charged monomers showed a more stable and sensitive response, with an average slope of -44.2 mV/decade and a detection limit of 5.8X10-11 mol/L (2 ng/mL). The corresponding non-imprinted sensors showed smaller sensitivity, with average slopes of -24.8 mV/decade. The best sensors were successfully applied to the analysis of serum samples, with percentage recoveries of 106.5% and relatives errors of 6.5%.

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.

Smart Plastic Antibody Material (SPAM) tailored on disposable screen printed electrodes for protein recognition: application to Myoglobin detection

This work introduces two major changes to the conventional protocol for designing plastic antibodies: (i) the imprinted sites were created with charged monomers while the surrounding environment was tailored using neutral material; and (ii) the protein was removed from its imprinted site by means of a protease, aiming at preserving the polymeric network of the plastic antibody. To our knowledge, these approaches were never presented before and the resulting material was named here as smart plastic antibody material (SPAM). As proof of concept, SPAM was tailored on top of disposable gold-screen printed electrodes (Au-SPE), following a bottom-up approach, for targeting myoglobin (Myo) in a point-of-care context. The existence of imprinted sites was checked by comparing a SPAM modified surface to a negative control, consisting of similar material where the template was omitted from the procedure and called non-imprinted materials (NIMs). All stages of the creation of the SPAM and NIM on the Au layer were followed by both electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV). AFM imaging was also performed to characterize the topography of the surface. There are two major reasons supporting the fact that plastic antibodies were effectively designed by the above approach: (i) they were visualized for the first time by AFM, being present only in the SPAM network; and (ii) only the SPAM material was able to rebind to the target protein and produce a linear electrical response against EIS and square wave voltammetry (SWV) assays, with NIMs showing a similar-to-random behavior. The SPAM/Au-SPE devices displayed linear responses to Myo in EIS and SWV assays down to 3.5 μg/mL and 0.58 μg/mL, respectively, with detection limits of 1.5 and 0.28 μg/mL. SPAM materials also showed negligible interference from troponin T (TnT), bovine serum albumin (BSA) and urea under SWV assays, showing promising results for point-of-care applications when applied to spiked biological fluids.

Synthesis of an antibody-like material for the detection of Albumin

6th Graduate Student Symposium on Molecular Imprinting

Smart Plastic Antibody Material for Hemoglobin Tailored by Silica Surface Imprinting and with Charged Binding Sites: Its use as Ionophore in Potentiometric Transduction

JORNADAS DE ELECTROQUÍMICA E INOVAÇÃO 2013

A novel antibody-like material for breast cancer antigen CA15-3, used to track breast cancer by potentiometric transduction

This work presents the development of a low cost sensor device for the diagnosis of breast cancer in point-of-care, made with new synthetic biomimetic materials inside plasticized poly(vinyl chloride), PVC, membranes, for subsequent potentiometric detection. This concept was applied to target a conventional biomarker in breast cancer: Breast Cancer Antigen (CA15-3). The new biomimetic material was obtained by molecularly-imprinted technology. In this, a plastic antibody was obtained by polymerizing around the biomarker that acted as an obstacle to the growth of the polymeric matrix. The imprinted polymer was specifically synthetized by electropolymerization on an FTO conductive glass, by using cyclic voltammetry, including 40 cycles within -0.2 and 1.0 V. The reaction used for the polymerization included monomer (pyrrol, 5.0×10-3 mol/L) and protein (CA15-3, 100U/mL), all prepared in phosphate buffer saline (PBS), with a pH of 7.2 and 1% of ethylene glycol. The biomarker was removed from the imprinted sites by proteolytic action of proteinase K. The biomimetic material was employed in the construction of potentiometric sensors and tested with regard to its affinity and selectivity for binding CA15-3, by checking the analytical performance of the obtained electrodes. For this purpose, the biomimetic material was dispersed in plasticized PVC membranes, including or not a lipophilic ionic additive, and applied on a solid conductive support of graphite. The analytical behaviour was evaluated in buffer and in synthetic serum, with regard to linear range, limit of detection, repeatability, and reproducibility. This antibody-like material was tested in synthetic serum, and good results were obtained. The best devices were able to detect 5 times less CA15-3 than that required in clinical use. Selectivity assays were also performed, showing that the various serum components did not interfere with this biomarker. Overall, the potentiometric-based methods showed several advantages compared to other methods reported in the literature. The analytical process was simple, providing fast responses for a reduced amount of analyte, with low cost and feasible miniaturization. It also allowed the detection of a wide range of concentrations, diminishing the required efforts in previous sample pre-treating stages.

Sol-gel biomimetic material designed to target CEA cancer biomarker

1st ASPIC International Congress

Cravo de Pascal Taskin (1782): caracterização material da policromia exterior

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Conservação e Restauro, Especialização em Ciências da Conservação

Acompanhamento do Processo de Compostagem e Identificação de Hipóteses de Melhoria, Tendo em Vista a Valorização do Produto Comercializado

A compostagem tem-se revelado uma boa alternativa na gestão, tratamento e valorização de resíduos sólidos urbanos. Dependendo das matérias-primas usadas no processo, os produtos podem ser considerados fertilizantes/corretivos orgânicos com utilidade agrícola. A Suldouro, Valorização e Tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos, S.A., é responsável pela gestão, valorização, recuperação e destino final dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) produzidos em Vila Nova de Gaia e Santa Maria da Feira. Um dos processos do sistema de gestão é a valorização orgânica, que através da compostagem dos resíduos biodegradáveis origina um corretivo orgânico, denominado comercialmente de Agrovida. O objetivo deste trabalho foi caracterizar o composto produzido na Suldouro através da análise de alguns metais, nomeadamente cobre, zinco e chumbo, pois o seu teor condiciona a classe em que o composto está inserido, e da avaliação da razão C/N, visto ser um parâmetro importante para o desenvolvimento dos microrganismos. Um outro objetivo foi a determinação do tempo ótimo de compostagem, através da avaliação da temperatura máxima, recorrendo ao teste de auto-aquecimento usando vasos de Dewar. O estudo da presença de chumbo não chegou a ser realizado, pois a sua concentração era muito baixa (da ordem dos ppb), ou seja, não era limitativa para a utilização do composto. Quanto à análise de cobre e zinco no composto verificou-se que era necessário fazer alterações no processo, no sentido de reduzir estes valores, tanto a nível da qualidade dos resíduos usados como matéria-prima como a nível da limpeza, essencial depois das operações de manutenção aos pulpers. Em relação à razão C/N esta apresenta valores muito elevados, ou seja, uma quantidade de azoto total muito baixa, indicativa de que seria necessário acrescentar, no início do processo, resíduos mais ricos em azoto. A análise do teste de auto-aquecimento indica que o tempo necessário para a estabilização e maturação das pilhas de compostagem é superior a 3 meses. Assim, sugerem-se melhorias a nível da qualidade do resíduo, tentando incluir resíduos mais facilmente biodegradáveis, uma redução da altura da pilha proporcionando um melhor arejamento ou em alternativa proceder periodicamente ao seu revolvimento como complemento à insuflação de ar. Para concluir, neste trabalho foi realizada uma pesquisa sobre processos de valorização energética, alternativas potenciais à valorização orgânica, tendo sido dado especial relevo a um dos processos, a carbonização hidrotérmica (HTC).

Projecto de Instalação de Processamento de Material Feldspático. Caso de Estudo:Argemela

Feldspato é o nome dado a uma importante família de minerais, do grupo dos tectossilicatos, que compõem o material rochoso de mais de 60% da crusta terrestre. Estes minerais são constituintes essenciais da maior parte das rochas cristalinas e a sua importância é tal que o seu estudo constitui um capítulo fundamental da petrografia. Dada a sua grande incidência na crusta terrestre, os feldspatos ocorrem em diversos cenários geológicos, desde os depósitos pegmatitos, aos aplitos, granitos, sienitos nefelínicos e ainda areias feldspáticas. As suas características químicas, físicas e mineralógicas fazem com que este grupo de minerais esteja presente nas mais diversificadas indústrias, tais como a vidreira, cerâmica, tintas, borrachas, plásticos, abrasivos ligeiros, elétrodos de soldadura, entre outros. Em Portugal, as principais unidades produtoras de feldspatos encontram‐se distribuídas pelo Norte e Centro do país, mais concretamente pelos distritos de Viana do Castelo, Braga, Vila Real, Porto, Viseu e Guarda. Novos estudos geológicos acompanhados de prospeções, nomeadamente na região do maciço central, têm sido efetuados com vista à descoberta de novos depósitos com potencial para exploração deste importante mineral. O depósito aplítico da Argemela, no concelho do Fundão apresenta‐se como um depósito cujas dimensões e qualidade apresentadas indicam a possibilidade de exploração. Nesse sentido, o presente trabalho consiste em analisar e caracterizar os materiais presentes na quele depósito mineral, tendo em vista a respectiva aplicação industrial, e posteriormente propor uma instalação de processamento do material para que o mesmo seja comercializado. Também será objeto deste trabalho a análise da viabilidade económica do projeto, mais concretamente fazendo a previsão do investimento inicial de modo a somar os custos de produção correntes e avaliar o retorno com base na comercialização do material no modo “Ex Works”.