Raman spectroscopic studies of the cure of dicyclopentadiene (DCPD)

The cure of polydicyclopentadiene conducted by ring-opening metathesis polymerisation in the presence of a Grubbs catalyst was studied using non-invasive Raman spectroscopy. The spectra of the monomer precursor and polymerised product were fully characterised and all stages of polymerisation monitored. Because of the monomer's high reactivity, the cure process is adaptable to reaction injection moulding and reactive rotational moulding. The viscosity of the dicyclopentadiene undergoes a rapid change at the beginning of the polymerisation process and it is critical that the induction time of the viscosity increase is determined and controlled for successful manufacturing. The results from this work show non-invasive Raman spectroscopic monitoring to be an effective method for monitoring the degree of cure, paving the way for possible implementation of the technique as a method of real-time analysis for control and optimisation during reactive processing. Agreement is shown between Raman measurements and ultrasonic time of flight data acquired during the initial induction period of the curing process. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

The potential of electron beam radiation for simultaneous surface modification and bioresorption control of PLLA

Bioresorbable polymers have been widely investigated as materials exhibiting significant potential for successful application in the fields of tissue engineering and drug delivery. Further to the ability to control degradation, surface engineering of polymers has been highlighted as a key method central to their development. Previous work has demonstrated the ability of electron beam (e-beam) technology to control the degradation profiles and bioresorption of a number of commercially relevant bioresorbable polymers (poly-l-lactic acid (PLLA), Llactide/DL-lactide co-polymer (PLDL) and poly(lactic-co-glycolic acid (PLGA)). This work investigates the further potential of ebeam technology to impart added biofunctionality through the manipulation of polymer (PLLA) surface properties. PLLA samples were subjected to e-beam treatments in air, with varying beam energies and doses. Surface characterization was then performed using contact angle analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy, and atomic force microscopy. Results demonstrated a significant increase in surface wettability post e-beam treatment. In correlation with this, XPS data showed the introduction of oxygen-containing functional groups to the surface of PLLA. Raman spectroscopy indicated chain scission in the near surface region of PLLA (as predicted). However, e-beam effects on surface properties were not shown to be dependent on beam energy or dose. E-beam irradiation did not seem to affect the surface roughness of PLLA as a direct consequence of the treatment.

Competitive adsorption of aqueous metal ions on an oxidized nanoporous activated carbon\

Competitive adsorption is the usual situation in real applications, and it is of critical importance in determining the overall performance of an adsorbent. In this study, the competitive adsorption characteristics of all the combinations of binary mixtures of aqueous metal ion species Ca2+(aq), Cd2+(aq), Pb2+(aq), and Hg2+(aq) on a functionalized activated carbon were investigated. The porous structure of the functionalized active carbon was characterized using N-2 (77 K) and CO2 (273 K) adsorption. The surface group characteristics were examined by temperature-programmed desorption, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, acid/base titrations, and measurement of the point of zero charge (pH(PZC)). The adsorption of aqueous metal ion species M2+(aq), on acidic oxygen functional group sites mainly involves an ion exchange mechanism. The ratios of protons displaced to the amount of M2+(aq) metal species adsorbed have a linear relationship for both single-ion and binary mixtures of these species. Hydrolysis of metal species in solution may affect the adsorption, and this is the case for adsorption of Hg2+(aq) and Pb2+(aq). Competitive adsorption decreases the amounts of individual metal ions adsorbed, but the maximum amounts adsorbed still follow the order Hg2+(aq) > Pb2+(aq) > Cd2+(aq) > Ca2+(aq) obtained for single metal ion adsorption. The adsorption isotherms for single metal ion species were used to develop a model for competitive adsorption in binary mixtures, involving exchange of ions in solution with surface proton sites and adsorbed metal ions, with the species having different accessibilities to the porous structure. The model was validated against the experimental data.

Tip-enhanced Raman microscopy: practicalities and limitations

The feasibility of apertureless scanning near-field Raman microscopy, exploiting the local enhancement in Raman scattering in the vicinity of a silver or gold tip, was investigated. Using the finite difference time domain method we calculated the enhancement of electric field strength, and hence Raman scattering, achieved through the resonant excitation of local modes in the tip. By modelling the frequency-dependent dielectric response of the metal tip we were able to highlight the resonant nature of the tip-enhancement and determine the excitation wavelength required for the strongest electric field enhancement, and hence Raman scattering intensity, which occurs for the excitation of modes localized at the tip apex. It is demonstrated that a peak Raman enhancement of 10(7)-fold should be achievable with <5 nm spatial resolution. We show that surface-enhanced Raman scattering from carbon contamination on a silver or gold tip can be significant. However, we find for a tip of radius of curvature 20 nm that the Raman enhancement should decay totally within 20 nm from the tip. Hence withdrawal of the tip by this distance should lead to the disappearance of the tip-enhanced signal, leaving only that from carbon contamination on the tip itself and the intrinsic signal from the sample. Copyright (C) 2003 John Wiley Sons, Ltd.

Better understanding of mechanochemical reactions: Raman monitoring reveals surprisingly simple 'pseudo-fluid' model for a ball milling reaction

Quantitative monitoring of a mechanochemical reaction by Raman spectroscopy leads to a surprisingly straightforward second-order kinetic model in which the rate is determined simply by the frequency of reactive collisions between reactant particles.

The feasibility of using near infrared and Raman spectroscopic techniques to detect fraudulent adulteration of chili powders with Sudan dye

Chili powder is a globally traded commodity which has been found to be adulterated with Sudan dyes from 2003 onwards. In this study, chili powders were adulterated with varying quantities of Sudan I dye (0.1-5%) and spectra were generated using near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) and Raman
spectroscopy (on a spectrometer with a sample compartment modified as part of the study). Chemometrics were applied to the spectral data to produce quantitative and qualitative calibration models and prediction statistics. For the quantitative models coefficients of determination (R2) were found to be
0.891-0.994 depending on which spectral data (NIRS/Raman) was processed, the mathematical algorithm used and the data pre-processing applied. The corresponding values for the root mean square error of calibration (RMSEC) and root mean square error of prediction (RMSEP) were found to be 0.208-0.851%
and 0.141-0.831% respectively, once again depending on the spectral data and the chemometric treatment applied to the data. Indications are that the NIR spectroscopy based models are superior to the models produced from Raman spectral data based on a comparison of the values of the chemometric
parameters. The limit of detection (LOD) based on analysis of 20 blank chili powders against each calibration model gave 0.25% and 0.88% for the NIR and Raman data, respectively. In addition, adopting a qualitative approach with the spectral data and applying PCA or PLS-DA, it was possible to discriminate
between adulterated chili powders from non-adulterated chili powders.

The potential of electron beam irradiation for simultaneous surface modification and bioresorption control of PLLA for medical device applications

Bioresorbable polymers have been widely investigated as materials exhibiting significant potential for successful application in the medical fields of bone fixation devices and drug delivery. Further to the ability to control degradation, surface engineering of polymers has been highlighted as a key method central to their development. Previous work has demonstrated the ability of electron beam (e-beam) technology to control the degradation profiles and bioresorption of a number of commercially relevant bioresorbable polymers (poly-l-lactic acid (PLLA), L-lactide/ DL-lactide co-polymer (PLDL) and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA). This work investigates the further potential of e-beam technology to impart added biofunctionality through the manipulation of polymer (PLLA) surface properties. A Dynamatron Continuous DC e-beam unit (Synergy Health, UK), with beam energies of 0.5, 0.75, and 1.5 MeV, was used for the irradiation of PLLA samples with delivered surface doses of 150 or 500 kGy at each energy level. The chosen conditions reflect the need to achieve a specific surface modification for the control of surface degradation as demonstrated in previous work. Surface characterization was then performed using contact angle analysis, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy, and atomic force microscopy.
Results demonstrated a significant increase in surface wettability post e-beam treatment. In correlation with this, XPS data showed the introduction of oxygen-containing functional groups to the surface of PLLA. Raman spectroscopy indicated chain scission in the near surface region of PLLA. E-beam irradiation did not seem to affect the surface roughness of PLLA as a direct consequence of the treatment. In conclusion electron beam surface modification has been found to modify both the surface-to-bulk bioresorption profile and the surface hydrophilicity. Both could provide benefits in relation to the performance of implantable medical devices.

Raman spectra of SiC nanorods with different excitation wavelengths

With increasing excitation wavelength from 514 to 782 nm, a significant difference in the Raman spectra of SiC nanorods was observed as compared to bulk material. The intensity ratio of the LO mode to that of the IF mode increases with the excitation wavelength increasing. This has been identified as resonant Raman scattering caused by Fröhlich interaction.

Comparative Raman Study of Carbon Nanotubes Prepared by D.C. Arc Discharge and Catalytic Methods

The Raman spectra of carbon nanotubes prepared by catalytic (C-CNT) and d.c. arc discharge (D-CNT) methods are reported. A previously unnoticed third-order Raman peak at ca. 4248 cm-1 was observed in the Raman spectrum of D-CNT. The Raman features of D-CNT and C-CNT are similar to those of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and active carbon, respectively. The data also suggest that the increase in disorder in D-CNT compared with HOPG is due to structural defects in D-CNT. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.

Infrared and Raman screening of seized novel psychoactive substances: A large scale study of >200 samples

The potential of IR absorption and Raman spectroscopy for rapid identification of novel psychoactive substances (NPS) has been tested using a set of 221 unsorted seized samples suspected of containing NPS. Both IR and Raman spectra showed large variation between the different sub-classifications of NPS and smaller, but still distinguishable, differences between closely related compounds within the same class. In initial tests, screening the samples using spectral searching against a limited reference library allowed only 41% of the samples to be fully identified. The limiting factor in the identification was the large number of active compounds in the seized samples for which no reference vibrational data were available in the libraries rather than poor spectral quality. Therefore, when 33 of these compounds were independently identified by NMR and mass spectrometry and their spectra used to extend the libraries, the percentage of samples identified by IR and Raman screening alone increased to 76%, with only 7% of samples having no identifiable constituents. This study, which is the largest of its type ever carried out, therefore demonstrates that this approach of detecting non-matching samples and then identifying them using standard analytical methods has considerable potential in NPS screening since it allows rapid identification of the constituents of the majority of street quality samples. Only one complete feedback cycle was carried out in this study but there is clearly the potential to carry out continuous identification/updating when this system is used in operational settings.

Híbridos orgânicos-inorgânicos para aplicações de baixo custo em óptica integrada

O objectivo desta tese é a utilização de materiais híbridos orgânicos-inorgânicos, designados por di-ureiasis modificados pela adição de tetra-propóxido de zircónio (Zr(i-OPr)4) estabilizado com ácido metacrílico (CH2=C(CH3)COOH), obtidos pela via sol-gel, para aplicações em dispositivos ópticos integrados de baixo custo. A estrutura local dos di-ureiasis com diferentes concentrações de propóxido de zircónio (20 a 80 % mol) foi estudada por difracção de raios-X, espalhamento de raios X a baixos ângulos, microscopia de força atómica, ressonância magnética nuclear dos núcleos dos átomos de 29Si e 13C, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier, espectroscopia de Raman por transformada de Fourier e termogravimetria. A influência dos parâmetros de síntese, concentração de tetra propóxido de zircónio e rácio tetra propóxido de zircónio: ácido metacrilico na estrutura e propriedades das amostras em monólito e filmes finos (depositados pela técnica de deposição por rotação do substrato) foram avaliadas, permitindo obter amostras transparentes, fotopolimerizáveis e estáveis termicamente até aos 100 ºC. Foram determinadas as propriedades dos guias planares em substratos de vidro borosilicato e silício oxidado (1

Nanocomposites for SERS : synthesis, optical and analytical studies

Esta tese descreve diversas estratégias preparativas assim como estudos de caracterização de nanocompósitos e outras nanoestruturas, para a análise em espectroscopia de Raman com intensificação por superfície (SERS). Em particular foi estudada a incorporação de nanopartículas (NPs) metálicas de Ag e Au em matrizes poliméricas visando avaliar o potencial destes materiais como novos substratos para SERS na deteção de moléculas. O primeiro capítulo consiste numa revisão bibliográfica, onde é destacado o desenvolvimento de novos substratos para SERS utilizando nomeadamente nanopartículas de Ag, Au e Cu. Numa primeira fase, esta secção apresenta uma breve descrição sobre as propriedades plasmónicas dos metais utilizados e alguns conceitos básicos de espectroscopia de difusão de Raman. Posteriormente, descreve-se em mais detalhe o efeito de SERS, revendo-se sobretudo a química de materiais descrita em trabalhos recentes tendo em conta a sua utilização como novas plataformas para análise química por SERS. O capítulo 2 descreve a síntese e caracterização de nanocompósitos de poli(acrilato de butilo) obtidos através de polimerização in situ por miniemulsão na presença de nanopartículas de Ag. Os nanocompósitos Ag/PtBA foram investigados como novos substratos de SERS visando o desenvolvimento de novas plataformas versáteis para deteção molecular. Estudos como o efeito da temperatura, pH e pressão foram investigados, visando a compreensão do efeito da matriz polimérica na difusão/adsorção do analito (ácido tiossalicílico) na superfície metálica. No capítulo 3, os nanocompósitos de Ag/PtBA descritos anteriormente foram investigados detalhadamente como substratos para bio-deteção em SERS, usando a adenina como analito modelo. Os nanocompósitos foram submetidos a vários tratamentos pré-analíticos para a bio-deteção da adenina. Foram realizadas experiências nos sistemas Ag/PtBA de modo a obter informação sobre o efeito do pH na deteção deste analito em soluções aquosas diluídas. Os nanocompósitos poliméricos obtidos apresentam a vantagem de poderem ser processados utilizando tecnologia disponível. Pelo que o estudo das suas propriedades térmicas é especialmente relevante. Assim, a influência da incorporação de NPs inorgânicas na temperatura de transição vítrea (Tg) do polímero PtBA foi investigada por meio de calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e os resultados são apresentados no capítulo 4. Estes estudos descrevem efeitos na Tg do PtBA quando analisado em nanocompósitos obtidos por diferentes métodos (métodos ex situ e in situ), contendo nanopartículas metálicas com diferentes distribuições de tamanho e presentes em quantidade variável na matriz polimérica. Estes estudos possibilitaram relacionar a influência das NPs metálicas na mobilidade das cadeias poliméricas com as propriedades térmicas observadas. O capítulo 5 descreve a preparação e caracterização de materiais compósitos de base polimérica (PtBA) e NPs de Au com morfologia de bastonetes (NRs). Estes materiais foram investigados como substratos para SERS tendo originado um bom sinal de SERS na análise de 2-2’-ditiodipiridina. Investigouse igualmente o efeito da variação da morfologia das NPs metálicas (esferas e bastonetes), a razão de aspecto (R.A.) dos bastonetes e o tipo de matriz polimérica (PtBA e PnBA) no sinal de SERS. No capítulo 6 é descrita a utilização da técnica de SERS como método alternativo para a monitorização de alterações morfológicas de coloides de NRs de Au. Os NRs de Au foram recolhidos em diferentes fases de oxidação promovida pela presença de K2S2O8 e a sua sensibilidade como substratos de SERS foi avaliada utilizando o anião dietilditiocarbamato (DTC) como analito modelo. Os estudos foram realizados utilizando as linhas de excitação a 1064 nm e 633 nm. Este estudo demonstrou que a sensibilidade dos NRs de Au como substratos de SERS diminui à medida que a sua R.A. diminui devido à competitividade do CTAB (estabilizante) e o DTC pela superfície dos NRs. É de salientar que este processo é acompanhado por um diferente comportamento em termos de adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. O capítulo 7 introduz um novo tipo de compósitos para SERS, utilizando matrizes biopoliméricas. Assim, descreve-se a preparação e caracterização de nanocompósitos de carragenano e NPs de Ag. Nesta secção é avaliada a utilização destes materiais como novos substratos para a análise em SERS, utilizando a 2-2’-ditiodipiridina como molécula modelo. Descrevem-se estudos pioneiros que procuram relacionar a dependência do sinal de SERS com a força do gel. Para tal, realizou-se um estudo sistemático aos nanobiocompósitos usados como substratos de SERS em diferentes condições analíticas e investigaram-se as suas propriedades reológicas. No capitulo 8 é descrita a investigação de nanocompósitos de Ag/Gelatina como substratos para SERS, utilizando o anião dietilditiocarbamato como analito modelo. Realizaram-se várias experiências para correlacionar a variação da força do gel com o aumento do sinal de SERS bem como a diferente adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. Ao longo desta dissertação são apresentados metodologias distintas para a preparação e obtenção de nanocompósitos com base em polímeros (sintéticos ou naturais) e NPs metálicas (Ag e Au). Esta investigação não só permitiu a síntese e estudo de novos substratos para SERS mas também a compreensão do efeito matriz/NPs metálicas no sinal de SERS e na formação de “hot spots”. Este trabalho contribui para o enriquecimento na área da Nanociência e Nanotecnologia demonstrando a eficácia e reprodutibilidade de nanocompósitos com base em polímeros como novos substratos para SERS. Embora as propriedades óticas apresentadas por estes materiais serem aqui direcionadas para a deteção molecular pela técnica de SERS, estes materiais podem ser investigados em outras área tecnológicas.

Desenvolvimento de Anticorpos Plásticos para um Biomarcador do Cancro

O trabalho descrito compreende o desenvolvimento de um anticorpo plástico (MIP, do inglês Molecularly Imprinted Polymer) para o antigénio carcinoembrionário (CEA, do inglês Carcinoembriogenic Antigen) e a sua aplicação na construção de dispositivos portáteis, de tamanho reduzido e de baixo custo, tendo em vista a monitorização deste biomarcador do cancro do colo-retal em contexto Point-of-Care (POC). O anticorpo plástico foi obtido por tecnologia de impressão molecular orientada, baseada em eletropolimerização sobre uma superfície condutora de vidro recoberto por FTO. De uma forma geral, o processo foi iniciado pela electropolimerização de anilina sobre o vidro, seguindo-se a ligação por adsorção do biomarcador (CEA) ao filme de polianilina, com ou sem monómeros carregados positivamente (Cloreto de vinilbenziltrimetilamónio, VB). A última fase consistiu na electropolimerização de o-fenilenodiamina (oPD) sobre a superfície, seguindo-se a remoção da proteína por clivagem de ligações peptídicas, com o auxílio de tripsina. A eficiência da impressão do biomarcador CEA no material polimérico foi controlada pela preparação de um material análogo, NIP (do inglês, Non-Imprinted Polymer), no qual nem a proteína nem o monómero VB estavam presentes. Os materiais obtidos foram caracterizados quimicamente por técnicas de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR, do inglês, Fourier Transform Infrared Spectroscopy) e microscopia confocal de Raman. Os materiais sensores preparados foram entretanto incluídos em membranas poliméricas de Poli(cloreto de vinilo) (PVC) plastificado, para construção de sensores (biomiméticos) seletivos a CEA, tendo-se avaliado a resposta analítica em diferentes meios. Obteve-se uma boa resposta potenciométrica em solução tampão de Ácido 4-(2-hidroxietil)piperazina-1-etanosulfónico (HEPES), a pH 4,4, com uma membrana seletiva baseada em MIP preparada com o monómero carregado VB. O limite de deteção foi menor do que 42 pg/mL, observando-se um comportamento linear (versus o logaritmo da concentração) até 625 pg/mL, com um declive aniónico igual a -61,9 mV/década e r2>0,9974. O comportamento analítico dos sensores biomiméticos foi ainda avaliado em urina, tendo em vista a sua aplicação na análise de CEA em urina. Neste caso, o limite de deteção foi menor do que 38 pg/mL, para uma resposta linear até 625 pg/mL, com um declive de -38,4 mV/década e r2> 0,991. De uma forma geral, a aplicação experimental dos sensores biomiméticos evidenciou respostas exatas, sugerindo que os biossensores desenvolvidos prossigam estudos adicionais tendo em vista a sua aplicação em amostras de indivíduos doentes.

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.