Libertação fotocontrolada de moléculas bioativas a partir de conjugados de cumarinas

Dissertação de mestrado em Química Medicinal

Preparação de suspensões aquosas de nanopartículas de carbono para deposição em superfícies

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

Synthesis of new peptide derivatives that self-assemble into nanostructured hydrogels for biomedical applications

Tese de Doutoramento em Ciências (área de especialização em Química)

Remoção fotocatalítica de micropoluentes em meios porosos funcionalizados

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Aromatic amines sources, environmental impact and remediation

Aromatic amines are widely used industrial chemicals as their major sources in the environment include several chemical industry sectors such as oil refining, synthetic polymers, dyes, adhesives, rubbers, perfume, pharmaceuticals, pesticides and explosives. They result also from diesel exhaust, combustion of wood chips and rubber and tobacco smoke. Some types of aromatic amines are generated during cooking, special grilled meat and fish, as well. The intensive use and production of these compounds explains its occurrence in the environment such as in air, water and soil, thereby creating a potential for human exposure. Since aromatic amines are potential carcinogenic and toxic agents, they constitute an important class of environmental pollutants of enormous concern, which efficient removal is a crucial task for researchers, so several methods have been investigated and applied. In this chapter the types and general properties of aromatic amine compounds are reviewed. As aromatic amines are continuously entering the environment from various sources and have been designated as high priority pollutants, their presence in the environment must be monitored at concentration levels lower than 30 mg L1, compatible with the limits allowed by the regulations. Consequently, most relevant analytical methods to detect the aromatic amines composition in environmental matrices, and for monitoring their degradation, are essential and will be presented. Those include Spectroscopy, namely UV/visible and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR); Chromatography, in particular Thin Layer (TLC), High Performance Liquid (HPLC) and Gas chromatography (GC); Capillary electrophoresis (CE); Mass spectrometry (MS) and combination of different methods including GC-MS, HPLC-MS and CE-MS. Choosing the best methods depend on their availability, costs, detection limit and sample concentration, which sometimes need to be concentrate or pretreated. However, combined methods may give more complete results based on the complementary information. The environmental impact, toxicity and carcinogenicity of many aromatic amines have been reported and are emphasized in this chapter too. Lately, the conventional aromatic amines degradation and the alternative biodegradation processes are highlighted. Parameters affecting biodegradation, role of different electron acceptors in aerobic and anaerobic biodegradation and kinetics are discussed. Conventional processes including extraction, adsorption onto activated carbon, chemical oxidation, advanced oxidation, electrochemical techniques and irradiation suffer from drawbacks including high costs, formation of hazardous by-products and low efficiency. Biological processes, taking advantage of the naturally processes occurring in environment, have been developed and tested, proved as an economic, energy efficient and environmentally feasible alternative. Aerobic biodegradation is one of the most promising techniques for aromatic amines remediation, but has the drawback of aromatic amines autooxidation once they are exposed to oxygen, instead of their degradation. Higher costs, especially due to power consumption for aeration, can also limit its application. Anaerobic degradation technology is the novel path for treatment of a wide variety of aromatic amines, including industrial wastewater, and will be discussed. However, some are difficult to degrade under anaerobic conditions and, thus, other electron acceptors such as nitrate, iron, sulphate, manganese and carbonate have, alternatively, been tested.

An R package for the integrated analysis of metabolomics and spectral data

Recently, there has been a growing interest in the field of metabolomics, materialized by a remarkable growth in experimental techniques, available data and related biological applications. Indeed, techniques as Nuclear Magnetic Resonance, Gas or Liquid Chromatography, Mass Spectrometry, Infrared and UV-visible spectroscopies have provided extensive datasets that can help in tasks as biological and biomedical discovery, biotechnology and drug development. However, as it happens with other omics data, the analysis of metabolomics datasets provides multiple challenges, both in terms of methodologies and in the development of appropriate computational tools. Indeed, from the available software tools, none addresses the multiplicity of existing techniques and data analysis tasks. In this work, we make available a novel R package, named specmine, which provides a set of methods for metabolomics data analysis, including data loading in different formats, pre-processing, metabolite identification, univariate and multivariate data analysis, machine learning, and feature selection. Importantly, the implemented methods provide adequate support for the analysis of data from diverse experimental techniques, integrating a large set of functions from several R packages in a powerful, yet simple to use environment. The package, already available in CRAN, is accompanied by a web site where users can deposit datasets, scripts and analysis reports to be shared with the community, promoting the efficient sharing of metabolomics data analysis pipelines.

Estudios de compuestos heterocíclicos y modificaciones químicas de membranas con fines farmacéuticos 4127

Teniendo en cuenta las propiedades bactericidas y tripanosas de algunos de los derivados sintetizados en nuestro laboratorio, se continuará con la obtención de nuevos derivados naftoquinónicos con sustituyentes hetericíclicos, derivados del isoxazol y del pirazol. A los compuestos obtenidos se le estudiarán sus propiedades físico-químicas y su estabilidad, tanto en solución como en estado sólido. Por otro lado se prepararán y caracterizarán membranas de polisacáridos naturales o semisintéticos con el objeto de obtener materiales farmacéuticos con propiedades especiales. Los estudios comprenderán: I. Síntesis de nuevos análogos nitrogenados de naftoquinonas. Se obtendrán derivados con sustituyentes carboxílicos, y con la posterior formación de sales se intentarán mejorar las propiedades hidrofílicas de derivados de isoxazolilnaftoquinonas. Se continuará con la síntesis de las pirazolilnaftoquinonas. II. Estabilidad de isoxazolilnaftoquinonas. Se realizarán estudios hidrolíticos, utilizando espectrofotometría UV-visible y cromatografía líquida de alta presión, y térmicos, por DSC, TG y DTA, a diversas isoxazolilnaftoquinonas con finalidad de establecer las mejores condiciones para su formulación. III. Se aplicarán los conceptos de QSAR a fin de establecer los parámetros que mejor se correlacionen con la actividad biológica. También se determinarán las modificaciones moleculares que incrementen la actividad biológica mediante cálculos utilizando métodos semiempíricos. IV. Preparación de membranas asimétricas de polisacáridos naturales o semisintéticos y sus modificaciones químicas. Estas investigaciones comprenderán cuatro etapas: 1- preparación de membranas; 2- reacciones de superficie; 3- estudios de liberación de los principios activos en diferentes medios; 4- caracterización de las membranas.

Efectos biológicos del empleo de implantes ortopédicos de polipropileno en perros

Este trabajo pretende aportar conocimientos sobre el desarrollo de nuevos materiales para implantes ortopédicos en Medicina Veterinaria y Humana, de bajo costo y sin efectos biológicos indeseables. Para esto se pretende verificar los posibles efectos biológicos de los implantes de polipropileno, mediante una evaluación clínica, bioquímica e histopatológica en 12 caninos a los que se les implantará una placa ortopédica, por las técnicas quirúrgicas de rutina. Sobre el material de implante (polipropileno) se efectuará un estudio de homogeneidad química y de los posibles efectos del organismo sobre el mismo, mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier y espectroscopía Uv-visible. Objetivos generales Aportar conocimientos para: desarrollar nuevos materiales para implantes ortopédicos, de bajo costo, buena adaptabilidad mecánica y toxicidad mínima. Objetivos específicos 1. Verificar los posibles efectos biológicos de los implantes (placas ortopédicas) de polipropileno en perros, mediante una evaluación clínica, bioquímica e histopatológica de los animales implantados. 2. Determinar la homogeneidad química, la presencia y concentración de antioxidantes y los posibles estados superficiales del material utilizado para la confección de las placas, mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier. 3. Determinar el efecto del organismo sobre el polímero mediante espectroscopía UV-visible.

Determinación analítica de compuestos orgánicos en complejos huésped-receptor

Los complejos Huésped-Receptor son supermoléculas en las cuales se producen interacciones específicas que modifican las propiedades físicas y químicas de los sustratos incluidos. Dentro de los receptores más comunes para compuestos orgánicos se encuentran los éteres corona y sus derivados, las ciclodextrinas y los metaciclofanos. Estudios fotofísicos y fotoquímicos con estos receptores indican que los sustratos orgánicos incluidos experimentan un notable incremento de sus propiedades luminiscentes. Un gran número de compuestos orgánicos que son de interés en varios campos como el biológico, farmacéutico y agroquímico presentan estructuras derivados en núcleos como el indólico, naftalénico o benzofuránico que tienen propiedades fluorescentes. Se considera interesante desarrollar métodos analíticos sensibles para la determinación de compuestos orgánicos que presentan estructuras derivadas de estos núcleos, haciendo para ello uso del incremento en la propiedad fluorescente de los mismos en presencia de agentes acomplejantes. Se determinarán las condiciones más favorables para la detección por fluorescencia en presencia de los receptores que muestren la mayor interacción con cantidades límites de compuestos como serotonina (hormona), metatonina (fármaco), carbaryl y carbofuran (pesticidas), cuya determinación por otros métodos (espectofotometría UV-Visible, cromatografía líquida de alta presión) es engorrosa, poco sensible o requiere reacciones de derivatización para su mejor cuantificación. (...) La importancia potencial de este proyecto es el desarrollo de técnicas analíticas sensibles para la determinación de compuestos orgánicos que tienen importancia fundamental en la detección de algunas enfermedades o trastornos funcionales, como el caso de las hormonas o de determinados psicofármacos como alcaloides, y en la toxicidad de ciertos alimentos vegetales que pueden contener residuos de herbicidas o sus metabolitos en frutos y semillas. (...)

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

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

Sensores basados en nanocavidades de sistemas supramoleculares. Sensors based on nanocavities of supramolecular systems.

Uno de los grandes desafíos analíticos es resolver la complejidad del análisis de cantidades trazas de compuestos orgánicos debido a la baja sensibilidad analítica de las técnicas usuales que permiten una determinación específica como IR o RMN. El uso de espectrofotometría UV-Visible y espectroluminiscencia, técnicas que presentan mayor sensibilidad, se ve dificultada en muchos casos por el efecto matriz producido en el tratamiento de muestras reales y complejas o pérdida de la selectividad debido a la superposición de bandas.La interacción por formación de complejos entre determinados sustratos y receptores macrocíclicos que presentan poros o cavidades nanométricas, puede afectar las propiedades espectroscópicas de los sustratos. La respuesta de técnicas sensibles puede traducirse así en un análisis selectivo debido al reconocimiento molecular que se establece entre un dado receptor y el sustrato de interés. Por otra parte puede mejorar la sensibilidad debido a efectos de micropolaridad del medio, a efectos de restricciones de grados de libertad, por compartamentalización o protección de los estados excitados de los sustratos incluidos. El uso analítico de receptores selectivos es un área actualmente en desarrollo, que permite una rápida determinación de especies químicas, disminuyendo el efecto de interferentes, mejorando la sensibilidad y disminuyendo el tratamiento de la muestra.Se estudiarán los mecanismos involucrados en las interacciones y los factores que los modifican por técnicas espectroscópicas como UV-visible, RMN y luminiscencia. Se determinarán los parámetros analíticos por luminiscencia en los medios y condiciones en que la sensibilidad analítica muestre el mayor incremento. Se realizarán las pruebas de validación en las mejores condiciones para cada uno y mezclas de analitos relacionados en muestras reales.

Desarrollo de sistemas nano/micro-particulados con aplicación en la fotodegradación selectiva de contaminantes orgánicos en solución. Development of nano / micro-particles systems with application to selective photodegradation of organic pollutants in solution.

IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA DE ESTUDIO. Las sustancias orgánicas solubles en agua no biodegradables tales como ciertos herbicidas, colorantes industriales y metabolitos de fármacos de uso masivo son una de las principales fuentes de contaminación en aguas subterráneas de zonas agrícolas y en efluentes industriales y domésticos. Las reacciones fotocatalizadas por irradiación UV-visible y sensitizadores orgánicos e inorgánicos son uno de los métodos más económicos y convenientes para la descomposición de contaminantes en subproductos inocuos y/o biodegradables. En muchas aplicaciones es deseable un alto grado de especificidad, efectividad y velocidad de degradación de un dado agente contaminante que se encuentra presente en una mezcla compleja de sustancias orgánicas en solución. En particular son altamente deseables sistemas nano/micro -particulados que formen suspensiones acuosas estables debido a que estas permiten una fácil aplicación y una eficaz acción descontaminante en grandes volúmenes de fluidos. HIPÓTESIS Y PLANTEO DE LOS OBJETIVOS. El objetivo general de este proyecto es desarrollar sistemas nano/micro particulados formados por polímeros de impresión molecular (PIMs) y foto-sensibilizadores (FS). Un PIMs es un polímero especialmente sintetizado para que sea capaz de reconocer específicamente un analito (molécula plantilla) determinado. La actividad de unión específica de los PIMs en conjunto con la capacidad fotocatalizadora de los sensibilizadores pueden ser usadas para lograr la fotodescomposición específica de moléculas “plantilla” (en este caso un dado contaminante) en soluciones conteniendo mezclas complejas de sustancias orgánicas. MATERIALES Y MÉTODOS A UTILIZAR. Se utilizaran técnicas de polimerización en mini-emulsión para sintetizar los sistemas nano/micro PIM-FS para buscar la degradación de ciertos compuestos de interés. Para caracterizar eficiencias, mecanismos y especificidad de foto-degradación en dichos sistemas se utilizan diversas técnicas espectroscópicas (estacionarias y resueltas en el tiempo) y de cromatografía (HPLC y GC). Así mismo, para medir directamente distribuciones de afinidades de unión y eficiencia de foto-degradación se utilizaran técnicas de fluorescencia de molécula/partícula individual. Estas determinaciones permitirán obtener resultados importantes al momento de analizar los factores que afectan la eficiencia de foto-degradación (nano/micro escala), tales como cantidad y ubicación de foto- sensibilizadores en las matrices poliméricas y eficiencia de unión de la plantilla y los productos de degradación al PIM. RESULTADOS ESPERADOS. Los estudios propuestos apuntan a un mejor entendimiento de procesos foto-iniciados en entornos nano/micro-particulados para aplicar dichos conocimientos al diseño de sistemas optimizados para la foto-destrucción selectiva de contaminantes acuosos de relevancia social; tales como herbicidas, residuos industriales, metabolitos de fármacos de uso masivo, etc. IMPORTANCIA DEL PROYECTO. Los sistemas nano/micro-particulados PIM-FS que se propone desarrollar en este proyecto se presentan como candidatos ideales para tratamientos específicos de efluentes industriales y domésticos en los cuales se desea lograr la degradación selectiva de compuestos orgánicos. Los conocimientos adquiridos serán indispensables para construir una plataforma versátil de sistemas foto-catalíticos específicos para la degradación de diversos contaminantes orgánicos de interés social. En lo referente a la formación de recursos humanos, el proyecto propuesto contribuirá en forma directa a la formación de 3 estudiantes de postgrado y 2 estudiantes de grado. En las capacidades institucionales se contribuirá al acondicionamiento del Laboratorio para Microscopía Óptica Avanzada (LMOA) en el Dpto. de Química de la UNRC y al montaje de un sistema de microscopio de fluorescencia que permitirá la aplicación de técnicas avanzadas de espectroscopia de fluorescencia de molecula individual. Water-soluble organic molecules such as certain non-biodegradable herbicides, industrial dyes and metabolites of widespread use drugs are a major source of pollution in groundwater from agricultural areas and in industrial and domestic effluents. Photo-catalytic reactions by UV-visible irradiation and organic sensitizers are one of the most economical and convenient methods for the decomposition of pollutants into harmless byproducts. In many applications it is highly desirable a high degree of specificity, effectiveness and speed of degradation of specific pollutants present in a complex mixture. In particular nano/micro-particles systems that form stable aqueous suspensions are highly desirable because they allow for easy application and effective decontamination of large volumes of fluids. Herein we propose the development of nano/micro particles composed by molecularly imprinted polymers (MIP) and photo-sensitizers (PS). The specific binding of MIP and the photo-catalytic ability of the sensitizers are used to achieve the photo-decomposition of specific "template" molecules in complex mixtures. Mini-emulsion polymerization techniques will be used to synthesize nano/micro MIP-FS systems. Spectroscopy (steady-state and time resolved) and chromatography (GC and HPLC) will be used to characterize efficiency, mechanisms and specificity of photo-degradation in these systems. In addition single molecule/particle fluorescence spectroscopy techniques will be used to directly measure distributions of binding affinities and photo-degradation efficiency in individual particles. The proposed studies point to a more detailed understanding of the factors affecting the photo-degradation efficiency in nano/micro-particles and to apply that knowledge in the design of optimized systems for photo-selective destruction of socially relevant aqueous pollutants.

Bioconjugated lanthanide luminescent helicates as multilabels for lab-on-a-chip detection of cancer biomarkers.

The lanthanide binuclear helicate [Eu(2)(L(C2(CO(2)H)))(3)] is coupled to avidin to yield a luminescent bioconjugate EuB1 (Q = 9.3%, tau((5)D(0)) = 2.17 ms). MALDI/TOF mass spectrometry confirms the covalent binding of the Eu chelate and UV-visible spectroscopy allows one to determine a luminophore/protein ratio equal to 3.2. Bio-affinity assays involving the recognition of a mucin-like protein expressed on human breast cancer MCF-7 cells by a biotinylated monoclonal antibody 5D10 to which EuB1 is attached via avidin-biotin coupling demonstrate that (i) avidin activity is little affected by the coupling reaction and (ii) detection limits obtained by time-resolved (TR) luminescence with EuB1 and a commercial Eu-avidin conjugate are one order of magnitude lower than those of an organic conjugate (FITC-streptavidin). In the second part of the paper, conditions for growing MCF-7 cells in 100-200 microm wide microchannels engraved in PDMS are established; we demonstrate that EuB1 can be applied as effectively on this lab-on-a-chip device for the detection of tumour-associated antigens as on MCF-7 cells grown in normal culture vials. In order to exploit the versatility of the ligand used for self-assembling [Ln(2)(L(C2(CO(2)H)))(3)] helicates, which sensitizes the luminescence of both Eu(III) and Tb(III) ions, a dual on-chip assay is proposed in which estrogen receptors (ERs) and human epidermal growth factor receptors (Her2/neu) can be simultaneously detected on human breast cancer tissue sections. The Ln helicates are coupled to two secondary antibodies: ERs are visualized by red-emitting EuB4 using goat anti-mouse IgG and Her2/neu receptors by green-emitting TbB5 using goat anti-rabbit IgG. The fact that the assay is more than 6 times faster and requires 5 times less reactants than conventional immunohistochemical assays provides essential advantages over conventional immunohistochemistry for future clinical biomarker detection.

Exploring chromium (VI) dioxodihalides chemistry: is density functional theory the most suitable tool?

A comparative systematic study of the CrO2F2 compound has been performed using different conventional ab initio methodologies and density functional procedures. Two points have been analyzed: first, the accuracy of results yielded by each method under study, and second, the computational cost required to reach such results. Weighing up both aspects, density functional theory has been found to be more appropriate than the Hartree-Fock (HF) and the analyzed post-HF methods. Hence, the structural characterization and spectroscopic elucidation of the full CrO2X2 series (X=F,Cl,Br,I) has been done at this level of theory. Emphasis has been given to the unknown CrO2I2 species, and specially to the UV/visible spectra of all four compounds. Furthermore, a topological analysis in terms of charge density distributions has revealed why the valence shell electron pair repulsion model fails in predicting the molecular shape of such CrO2X2 complexes

Progress in a-Si:H/c-Si heterojunction emitters obtained by Hot-Wire CVD at 200°C

In this work, we investigate heterojunction emitters deposited by Hot-Wire CVD on p-type crystalline silicon. The emitter structure consists of an n-doped film (20 nm) combined with a thin intrinsic hydrogenated amorphous silicon buffer layer (5 nm). The microstructure of these films has been studied by spectroscopic ellipsometry in the UV-visible range. These measurements reveal that the microstructure of the n-doped film is strongly influenced by the amorphous silicon buffer. The Quasy-Steady-State Photoconductance (QSS-PC) technique allows us to estimate implicit open-circuit voltages near 700 mV for heterojunction emitters on p-type (0.8 Ω·cm) FZ silicon wafers. Finally, 1 cm 2 heterojunction solar cells with 15.4% conversion efficiencies (total area) have been fabricated on flat p-type (14 Ω·cm) CZ silicon wafers with aluminum back-surface-field contact.