Predicting organic acid concentration from UV/vis spectrometry measurements - A comparison of machine learning techniques

The concentration of organic acids in anaerobic digesters is one of the most critical parameters for monitoring and advanced control of anaerobic digestion processes. Thus, a reliable online-measurement system is absolutely necessary. A novel approach to obtaining these measurements indirectly and online using UV/vis spectroscopic probes, in conjunction with powerful pattern recognition methods, is presented in this paper. An UV/vis spectroscopic probe from S::CAN is used in combination with a custom-built dilution system to monitor the absorption of fully fermented sludge at a spectrum from 200 to 750 nm. Advanced pattern recognition methods are then used to map the non-linear relationship between measured absorption spectra to laboratory measurements of organic acid concentrations. Linear discriminant analysis, generalized discriminant analysis (GerDA), support vector machines (SVM), relevance vector machines, random forest and neural networks are investigated for this purpose and their performance compared. To validate the approach, online measurements have been taken at a full-scale 1.3-MW industrial biogas plant. Results show that whereas some of the methods considered do not yield satisfactory results, accurate prediction of organic acid concentration ranges can be obtained with both GerDA and SVM-based classifiers, with classification rates in excess of 87% achieved on test data.

Engineering of Vis-NIR Metamaterials towards Revolutionary Ultrasensitive and Versatile Plasmonic Biosensors

By enabling subwavelength light localization and strong electromagnetic field enhancement, plasmonic biosensors have opened up a new realm of possibilities for a broad range of chemical and biological sensing applications owing to their label-free and real-time attributes. Although significant progress has been made, many fundamental and practical challenges still remain to be addressed. For instance, the plasmonic biosensors are nonselective sensing platforms; they are not well-suited to provide information regarding conformation or chemical fingerprint of unknown biomolecules. Furthermore, tunability of the plasmonic resonance in visible frequency regime is still limited; this will prevent their efficient and reproducible exploitation in single-molecule sensitivity. Here, we show that by engineering geometry of plasmonic metamaterials,1 consisting of periodic arrays of artificial split-ring resonators (SRRs), the plasmonic resonance of metamaterials could be tuned to visible-near infrared regimes (Vis-NIR) such that it allows parallel acquisition of optical transmission and highly surface-enhanced Raman (SERS) spectra from large functionalized SRR arrays. The Au SRRs were designed in form of alphabet letters (U, V, S, H, Y) with various line width (from 80 to 30 nm). By tailoring their size and shape, plasmonic resonance wavelength of the SRRs could be actively tuned so that it gives the strongest SERS effect under given excitation energy and polarization for biological and organic molecules. On the other hand, the plasmonic tunability was also achieved for a given SRR pattern by tuning the laser wavelength to obtain the highest electromagnetic field enhancement. The geometry- and laser-tunable channels typically provide an electromagnetic field enhancement as high as 20 times. This will provide the basis of versatile and multichannel devices for identification of different conformational states of Guanine-rich DNA, detection of a cancer biomarker nucleolin, and femtomolar sensitivity detection of food and drink additives. These results show that the tunable Vis-IR metamaterials are very versatile biosensing platforms and suggest considerable promise in genomic research, disease diagnosis, and food safety analysis.

Label-free Analysis of Conformational Dynamics and Molecular Interaction of Biomolecules by Vis-NIR Metasensor

Analysis of binding recognition and conformation of biomolecules is of paramount important in understanding of their vital functions in complex biological systems. By enabling sub-wavelength light localization and strong local field enhancement, plasmonic biosensors have become dominant tools used for such analysis owing to their label-free and real-time attributes1,2. However, the plasmonic biosensors are not well-suited to provide information regarding conformation or chemical fingerprint of biomolecules. Here, we show that plasmonic metamaterials, consisting of periodic arrays of artificial split-ring resonators (SRRs)3, can enable capabilities of both sensing and fingerprinting of biomolecules. We demonstrate that by engineering geometry of individual SRRs, localized surface plasmon resonance (LSPR) frequency of the metamaterials could be tuned to visible-near infrared regimes (Vis-NIR) such that they possess high local field enhancement for surface-enhanced Raman scattering spectroscopy (SERS). This will provide the basis for the development of a dual mode label-free conformational-resolving and quantitative detection platform. We present here the ability of each sensing mode to independently detect binding adsorption and to identify different conformational states of Guanine (G)-rich DNA monolayers in different environment milieu. Also shown is the use of the nanosensor for fingerprinting and detection of Arginine-Glycine-Glycine (RGG) peptide binding to the G-quadruplex aptamer. The dual-mode nanosensor will significantly contribute to unraveling the complexes of the conformational dynamics of biomolecules as well as to improving specificity of biodetection assays that the conventional, population-averaged plasmonic biosensors cannot achieve.

Synthesis and functionalization of hydroxyapatite nanoparticles

Graças aos desenvolvimentos na área da síntese de nanomaterais e às potentes técnicas de caracterização à nanoescala conseguimos hoje visualizar uma nanopartícula (NP) como um dispositivo de elevado potencial terapêutico. A melhoria da sua efectividade terapêutica requer no entanto o aprofundamento e sistematização de conhecimentos, ainda muito incipientes, sobre toxicidade, selectividade, efeitos colaterais e sua dependência das próprias características físico-químicas da NP em análise. O presente trabalho, elegendo como alvo de estudo uma substância considerada biocompatível e não tóxica, a hidroxiapatite (Hap), pretende dar um contributo para esta área do conhecimento. Definiram-se como metas orientadoras deste trabalho (i) estudar a síntese de nanoparticulas de Hap (Hap NP), e a modificação das características físico-químicas e morfológicas das mesmas através da manipulação das condições de síntese; (ii) estudar a funcionalização das Hap NP com nanoestruturas de ouro e com ácido fólico, para lhes conferir capacidades acrescidas de imagiologia e terapêuticas, particularmente interessantes em aplicações como o tratamento do cancro (iii) estudar a resposta celular a materiais nanométricos, com propriedades físico-químicas diversificadas. No que se refere à síntese de Hap NP, comparam-se dois métodos de síntese química distintos, a precipitação química a temperatura fisiológica (WCS) e a síntese hidrotérmica (HS), em meios aditivados com ião citrato. A síntese WCS originou partículas de tamanho nanométrico, com uma morfologia de agulha, pouco cristalinas e elevada área superficial especifica. A síntese HS à temperatura de 180ºC permitiu obter partículas de dimensões também nanométricas mas com área específica inferior, com morfologia de bastonete prismático com secção recta hexagonal e elevada cristalinidade. Com o objectivo de aprofundar o papel de algumas variáveis experimentais na definição das características finais das partículas de hidroxiapatite, designadamente o papel do ião citrato (Cit), variou-se a razão molar [Cit/Ca] da solução reagente e o tempo de síntese. Demonstrou-se que o ião citrato e outras espécies químicas resultantes da sua decomposição nas condições térmicas (180ºC) de síntese tem um papel preponderante na velocidade de nucleação e de crescimento dessas mesmas partículas e por conseguinte nas características físico-químicas das mesmas. Elevadas razões [Cit/Ca] originam partículas de dimensão micrométrica cuja morfologia é discutida no contexto do crescimento com agregação. Com o objectivo de avaliar a citotoxicidade in vitro das nanopartículas sintetizadas procedeu-se à esterilização das mesmas. O método de esterilização escolhido foi a autoclavagem a 121º C. Avaliou-se o impacto do processo de esterilização nas características das partículas, verificando-se contrariamente às partículas WCS, que as partículas HS não sofrem alterações significativas de morfologia, o que se coaduna com as condições de síntese das mesmas, que são mais severas do que as de esterilização. As partículas WCS sofrem processos de dissolução e recristalização que se reflectem em alterações significativas de morfologia. Este estudo demonstrou que a etapa de esterilização de nanopartículas para aplicações biomédicas, por autoclavagem, pode alterar substancialmente as propriedades das mesmas, sendo pois criticamente importante caracterizar os materiais após esterilização. Os estudos citotoxicológicos para dois tipos de partículas esterilizadas (HSster e WCSster) revelaram que ambas apresentam baixa toxicidade e possuem potencial para a modelação do comportamento de células osteoblásticas. Tendo em vista a funcionalização da superfície das Hap NP para multifunções de diagnóstico e terapia exploraram-se condições experimentais que viabilizassem o acoplamento de nanopartículas de ouro à superfície das nanopartículas de Hidroxiapatite (Hap-AuNP). Tirando partido da presença de grupos carboxílicos adsorvidos na superfície das nanopartículas de Hap foi possível precipitar partículas nanométricas de ouro (1,5 a 2,5 nm) na superfície das mesmas adaptando o método descrito por Turkevich. No presente trabalho as nanopartículas de Hap funcionaram assim como um template redutor do ouro iónico de solução, propiciando localmente, na superfície das próprias nanopartículas de Hap, a sua redução a ouro metálico. A nucleação do ouro é assim contextualizada pelo papel redutor das espécies químicas adsorvidas, designadamente os grupos carboxílicos derivados de grupos citratos que presidiram à síntese das próprias nanopartículas de Hap. Estudou-se também a funcionalização das Hap NP com ácido fólico (FA), uma molécula biologicamente interessante por ser de fácil reconhecimento pelos receptores existentes em células cancerígenas. Os resultados confirmaram a ligação do ácido fólico à superfície das diferentes partículas produzidas HS e Hap-AuNPs. Graças às propriedades ópticas do ouro nanométrico (efeito plasmão) avaliadas por espectroscopia vis-UV e às potencialidades de hipertermia local por conversão fototérmica, as nanoestruturas Hap-AuNPs produzidas apresentam-se com elevado interesse enquanto nanodispositivos capazes de integrar funções de quimio e terapia térmica do cancro e imagiologia. O estudo da resposta celular aos diversos materiais sintetizados no presente trabalho foi alvo de análise na tentativa de se caracterizar a toxicidade dos mesmos bem como avaliar o seu desempenho em aplicações terapêuticas. Demonstrou-se que as Hap NP não afectam a proliferação das células para concentrações até 500 g/ml, observando-se um aumento na expressão genética da BMP-2 e da fosfatase alcalina. Verificou-se também que as Hap NP são susceptíveis de internalização por células osteoblásticas MG63, apresentando uma velocidade de dissolução intracelular relativamente reduzida. A resposta celular às Hap-AuNP confirmou a não citotoxicidade destas partículas e revelou que a presença do ouro na superfície das Hap NP aumenta a taxa proliferação celular, bem como a expressão de parâmetros osteogénicos. No seu conjunto os resultados sugerem que os vários tipos de partículas sintetizadas no presente estudo apresentam também comportamentos interessantes para aplicações em engenharia de tecido ósseo.

Unus et omnis amoenitas bonae mentis ; qua unius et sic omnis vis ac proprietas, partim sermonis, partim rerum varietate explicatur, ex magno Amoenitatum opere. Adjunctus est Severini Boetii libellus de Unitate et uno

Comprend : Libellus de unitate et uno...

L'equilibre europeen a la fin du dix-neuvieme siecle; francais and russes vis-a-vis la triple alliance

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