Concentration of tumor biomarkers using aqueous biphasic systems

According to the World Health Organization, around 8.2 million people die each year with cancer. Most patients do not perform routine diagnoses and the symptoms, in most situations, occur when the patient is already at an advanced stage of the disease, consequently resulting in a high cancer mortality. Currently, prostate cancer is the second leading cause of death among males worldwide. In Portugal, this is the most diagnosed type of cancer and the third that causes more deaths. Taking into account that there is no cure for advanced stages of prostate cancer, the main strategy comprises an early diagnosis to increase the successful rate of the treatment. The prostate specific antigen (PSA) is an important biomarker of prostate cancer that can be detected in biological fluids, including blood, urine and semen. However, the commercial kits available are addressed for blood samples and the commonly used analytical methods for their detection and quantification requires specialized staff, specific equipment and extensive sample processing, resulting in an expensive process. Thus, the aim of this MSc thesis consisted on the development of a simple, efficient and less expensive method for the extraction and concentration of PSA from urine samples using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ionic liquids. Initially, the phase diagrams of a set of aqueous biphasic systems composed of an organic salt and ionic liquids were determined. Then, their ability to extract PSA was ascertained. The obtained results reveal that in the tested systems the prostate specific antigen is completely extracted to the ionic-liquid-rich phase in a single step. Subsequently, the applicability of the investigated ABS for the concentration of PSA was addressed, either from aqueous solutions or urine samples. The low concentration of this biomarker in urine (clinically significant below 150 ng/mL) usually hinders its detection by conventional analytical techniques. The obtained results showed that it is possible to extract and concentrate PSA, up to 250 times in a single-step, so that it can be identified and quantified using less expensive techniques.

Development of a sustainable method for the extraction of lycopene and β-carotene from food wastes

The main objective of the present work is the study of a profitable process not only in the extraction and selective separation of lycopene and β-carotene, two compounds present in tomato, but also in its potential application to food industry wastes. This is one of the industries that produce larger amounts of wastes, which are rich in high value biomolecules with great economic interest. However, the conventional methods used to extract this kind of compounds are expensive which limits their application at large scale. Lycopene and βcarotene are carotenoids with high commercial value, known for their antioxidant activity and benefits to human health. Their biggest source is tomato, one of the world’s most consumed fruits, reason for which large quantities of waste is produced. This work focuses on the study of diverse solvents with a high potential to extract carotenoids from tomato, as well as the search for more environmentally benign solvents than those currently used to extract lycopene and β-carotene from biomass. Additionally, special attention was paid to the creation of a continuous process that would allow the fractionation of the compounds for further purification. Thus, the present work started with the extraction of both carotenoids using a wide range of solvents, namely, organic solvents, conventional salts, ionic liquids, polymers and surfactants. In this stage, each solvent was evaluated in what regards their capacity of extraction as well as their penetration ability in biomass. The results collected showed that an adequate selection of the solvents may lead to the complete extraction of both carotenoids in one single step, particularly acetone and tetrahydrofuran were the most effective ones. However, the general low penetration capacity of salts, ionic liquids, polymers and surfactants makes these solvents ineffective in the solid-liquid extraction process. As the organic solvents showed the highest capacity to extract lycopene and βcarotene, in particular tetrahydrofuran and acetone, the latter solvent used in the development process of fractionation, using to this by strategic use of solvents. This step was only successfully developed through the manipulation of the solubility of each compound in ethanol and n-hexane. The results confirmed the possibility of fractionating the target compounds using the correct addition order of the solvents. Approximately, 39 % of the β-carotene was dissolved in ethanol and about 64 % of lycopene was dissolved in n-hexane, thus indicating their separation for two different solvents which shows the selective character of the developed process without any prior stage optimization. This study revealed that the use of organic solvents leads to selective extraction of lycopene and β-carotene, allowing diminishing the numerous stages involved in conventional methods. At the end, it was possible to idealize a sustainable and of high industrial relevance integrated process, nevertheless existing the need for additional optimization studies in the future.

New synthetic methodologies from biorenewable resources

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

Development of new technologies for the selective removal of volatile compounds with applications in forensic science and natural aromas

Tese de doutoramento, Farmácia (Química Farmacêutica e Terapêutica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2015

Aplicação de filmes de suberina na produção de materiais bio-funcionais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

Catalytic hydrogenation of carbon dioxide to form methanol and methane

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Photochemical control of rheology

The main objective of the research work developed in the framework of this PhD thesis was the preparation and development of novel photorheological fluids. This was pursued following two distinct strategies. The first one focused on the synthesis of tripodal compounds functionalized with photodimerizable moieties of cinnamic acid, coumarin and anthracene. Two sets of compounds were prepared, varying the central unit as well as spacers resulting in molecules with different solubilities and molecular weight. All compounds were characterized towards their photochemical properties and all exhibited photoreactivity upon irradiation with ultra-violet light. In particular, both coumarin derivatives exhibited the greatest photopolymerization reactivity, resulting in the formation of dendrimeric nanoparticles or in the increase of viscosity of organic solutions. The second strategy was focused on the careful design of photosensitive ionic liquids, based on the results of several quantitative structure-property relationship studies. Thus, photosensitive ionic liquids were synthesized bearing cinnamic acid or coumarin moieties in the organic cation. Upon irradiation, all compounds exhibited reactivity, which resulted in changes in their physical properties, such as melting point or viscosity. In addition, novel coumarin chromophores with different photophysical and photochemical properties were developed. It is expected that these compounds may find application in the preparation of new photosensitive ionic liquids.

Étude des propriétés de liquides ioniques protiques en tant qu'électrolytes pour des supercapacités à base de dioxyde de ruthénium

Ce mémoire portant sur le développement de liquides ioniques protiques à l'état liquide à température ambiante en tant qu'électrolytes pour des supercapacités faradiques à base de dioxyde de ruthénium est divisé en trois études distinctes. La première permet d'évaluer quelles propriétés de ces sels fondus doivent être optimisées pour cette application en utilisant les données recueillies avec une série de nouveaux liquides ioniques protiques constitués de l'acide trifluoroacétique et différentes bases hétérocycliques azotées. La seconde discute de l'effet d'impuretés colorées sur les propriétés des liquides ioniques ainsi que sur des aspects pratiques devant être pris en considération lors des synthèses. La troisième traite d'importantes relations structure–propriétés pour une série de liquides ioniques protiques ayant des cations du type pyridinium et différents anions. Dans leur ensemble, les travaux présentés devraient permettre une recherche plus efficace de liquides ioniques avec des propriétés désirables en vue d'application comme électrolyte dans le futur.

La dihydrofolate réductase R67, comme une cible d’antibiotiques et biocatalyseur potentiel

La dihyrofolate réductase de type II R67 (DHFR R67) est une enzyme bactérienne encodée par un plasmide donc aisément transmissible. Elle catalyse la réaction de réduction du dihydrofolate (DHF) en tétrahydrofolate (THFA) essentiel pour la prolifération cellulaire. La DHFR R67 est une enzyme qui dépend du cofacteur NADPH. La DHFR R67 est différente, structurellement et génétiquement, de l’enzyme DHFR chromosomale présente chez tous les organismes et elle est résistante au triméthoprime (TMP) qui est largement utilisé dans les traitements antibactériens chez l’Homme. Aucun inhibiteur sélectif contre la DHFR R67 n’est actuellement répertorié. Le but de cette étude a été d’identifier des molécules qui pourront inhiber la DHFR R67 sélectivement, sans affecter la DHFR humaine (DHFRh). La vérification de la qualité des essais enzymatiques en conditions déterminées pour le criblage d’inhibiteurs sur plusieurs lectrices à plaques a identifié des appareils appropriés pour l’analyse. L’étude de l’activité enzymatique de la DHFR R67 et de la DHFRh en présence des solvants organiques et liquides ioniques (LIs), comme des co-solvants pour le criblage rationnel d’inhibiteurs, a montré que certains LIs peuvent servir de milieu alternatif pour les essais enzymatiques. Le criblage rationnel basé sur l’approche du design d’un inhibiteur à partir de petites molécules, a révélé des molécules primaires qui inhibent la DHFR R67 de façon faible, mais sélective. Le test des composés biologiquement actifs qui comprennent des petits fragments, a montré l’augmentation de l’affinité entre la DHFR R67 et les composés testés. Trois composés ont été déterminés comme des inhibiteurs sélectifs prometteurs pour la DHFR R67.

Propriétés des monocouches auto-assemblées du liquide ionique 1-(12-mercaptododécyl)-3-méthylimidazolium

Les propriétés d'une nouvelle classe de chimie de surface basée sur les monocouches auto-assemblées de liquides ioniques (ILs-SAMs), ont été étudiées pour une utilisation dans la construction de biocapteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Les biocapteurs sont utiles pour détecter des biomolécules spécifiques dans une matrice biologique complexe. Cependant, le signal analytique de la biomolécule spécifique peut être masqué par l’adsorption non spécifique de la matrice biologique, produisant une réponse faussement positive. Par ailleurs, l'activité des récepteurs moléculaires est souvent réduite par des techniques d'immobilisation chimique. Ainsi, il est essentiel de déterminer une surface idéale pour la préparation de biocapteurs. Les liquides ioniques sont bien connus pour favoriser l'activité des récepteurs moléculaires et cette étude enquête si cette propriété importante peut se traduire sur des capteurs SPR. Différents liquides ioniques ont été utilisés pour former des monocouches auto-assemblées sur une surface d'or. Les ILs-SAMs sont tous basés sur les sels de mercapto-(chaîne alkyle)nCH2-méthylimidazolium avec différentes chaînes alkyles (n = 3, 6, 9, 12) et différents contre-anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Des études cinétiques de l'adsorption non spécifique de sérum bovin ont été réalisées sur des capteurs SPR avec un instrument construit sur mesure, basé sur l'interrogation des longueurs d’ondes SPR sur un prisme d’inversion d’image (dove). Par la suite, l’anti-IgG de chèvre sélective à l’IgG humain a été utilisé en tant que modèle pour la confection de biocapteurs sur les ILs-SAMs. En solution, il est possible d’effectuer des échanges du contre-anion des liquides ioniques pour un contre-anion de plus en plus hydrophobe. Cependant, l’échange inverse, soit vers des anions de plus en plus hydrophile, s’avère impossible. Toutefois, il a été observé par les travaux présentés dans ce mémoire, que les liquides ioniques immobilisés sur une surface d'or ont la capacité d'échanger leurs contre-anions réversiblement, procurant une méthode simple de moduler leurs propriétés physico-chimiques. Ce phénomène a été observé par la mesure d’angles de contacts et par les techniques spectroscopiques de l’infrarouge moyen (mid-IR), des photoélectrons de rayon-X (XPS) et par la diffusion Raman exaltée par les surfaces (SERS) ii ainsi que par la spectrométrie de masse (MS). La connaissance des propriétés d’échange d’anion est importante pour prédire le comportement de ces surfaces de liquides ioniques dans les tampons et fluides biologiques.

Évaluation de nouveaux électrolytes à base de liquides ioniques protiques en supercapacités asymétriques de type MnO2/carbone

Les supercapacités hybrides se taillent de plus en plus une place dans le secteur des énergies renouvelables. L’oxyde de manganèse possède certaines caractéristiques (faible coût, caractère écologique et une capacitance spécifique supérieure) qui font de ce dernier un matériau très attirant pour l’assemblage de tels dispositifs. Ce mémoire, divisé en trois parties, propose l’utilisation des liquides ioniques protiques comme électrolytes pour l’assemblage de supercapacités hybrides à base d’oxyde de manganèse et carbone. D’abord, le comportement pseudocapacitif des électrodes à base de films minces d’oxyde de manganèse dans les liquides ioniques protiques ainsi que leurs propriétés optiques sont étudiés et évalués. Des valeurs de capacitance spécifique allant jusqu’à 397 F/g ont été trouvées dans cette partie. Ensuite, des mélanges composés par un solvant organique (acétonitrile) et le liquide ionique protique sont présentés comme une manière de contourner la faible conductivité de ce dernier qui limite les valeurs de capacitance spécifique à obtenir. Une amélioration de la capacitance spécifique d’environ 30% est reportée dans ce chapitre. Finalement, l’assemblage d’une supercapacité hybride est présenté comme une stratégie efficace qui permet l’élargissement de la faible fenêtre de potentiel de travail obtenue avec les électrodes à base d’oxyde de manganèse. De cette façon, la faisabilité de tel arrangement est montré ici, obtenant de valeurs de capacitance spécifique (16 F/g) ainsi que de puissance (81 W/kg) et d’énergie spécifique (1,9 Wh/kg) acceptables en utilisant des liquides ioniques protiques comme électrolytes de remplissage.

Electrochemical single-molecule transistors with optimized gate coupling

Electrochemical gating at the single molecule level of viologen molecular bridges in ionic liquids is examined. Contrary to previous data recorded in aqueous electrolytes, a clear and sharp peak in the single molecule conductance versus electrochemical potential data is obtained in ionic liquids. These data are rationalized in terms of a two-step electrochemical model for charge transport across the redox bridge. In this model the gate coupling in the ionic liquid is found to be fully effective with a modeled gate coupling parameter, ξ, of unity. This compares to a much lower gate coupling parameter of 0.2 for the equivalent aqueous gating system. This study shows that ionic liquids are far more effective media for gating the conductance of single molecules than either solid-state three-terminal platforms created using nanolithography, or aqueous media.

Improving the enantioselective bioreduction of aromatic ketones mediated by Aspergillus terreus and Rhizopus oryzae: the role of glycerol as a co-solvent

The improvement of the enzymatic performance of Aspergillus terreus and Rhizopus oryzae in enantioselective bioreductions by using glycerol as a co-solvent has been studied. In the most of the bioreductions, glycerol has demonstrated its potential for improved conversions (up to >99%) and enantioselectivities (up to >99%) when compared to reactions in aqueous or other aqueous-organic media (THF, diethyl ether, toluene, DMSO and acetonitrile). Moreover, high isolated yields of the desired chiral alcohols have been obtained on a preparative scale showing the great potential of this green solvent in biocatalysis. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Chitosan, sisal cellulose, and biocomposite chitosan/sisal cellulose films prepared from thiourea/NaOH aqueous solution

Environmentally friendly biocomposites were successfully prepared by dissolving chitosan and cellulose in a NaOH/thiourea solvent with subsequent heating and film casting. Under the considered conditions, NaOH/thiourea led to chain depolymerization of both biopolymers without a dramatic loss of film forming capacities. Compatibility of both biopolymers in the biocomposite was firstly assessed through scanning electron microscopy, revealing an intermediate organization between cellulose fiber network and smoothness of pure chitosan. DSC analyses led to exothermic peaks close to 285 and 315 degrees C for the biocomposite, compared to the exothermic peaks of chitosan (275 degrees C) and cellulose (265 and 305 degrees C), suggesting interactions between chitosan and cellulose. Contact angle analyses pointed out the deformation that can occur at the surface due to the high affinity of the;e materials with water. T(2) NMR relaxometry behavior of biocomposites appeared to be dominated by chitosan. Other properties of films, as crystallinity, water sorption isotherms, among others, are also discussed. (C) 2010 Published by Elsevier Ltd.

Síntese e caracterização do líquido iônico tetrafluoroborato de 1-metil-3-(2,6-(S)-dimetiloct-2-eno)-imidazol como eletrólito para produção de hidrogênio via eletrólise da água

Ionic liquids (ILs) are organic compounds liquid at room temperature, good electrical conductors, with the potential to form as a means for electrolyte on electrolysis of water, in which the electrodes would not be subjected to such extreme conditions demanding chemistry [1]. This paper describes the synthesis, characterization and study of the feasibility of ionic liquid ionic liquid 1-methyl-3(2,6-(S)-dimethyloct-2-ene)-imidazole tetrafluoroborate (MDI-BF4) as electrolyte to produce hydrogen through electrolysis of water. The MDI-BF4 synthesized was characterized by thermal methods of analysis (Thermogravimetric Analysis - TG and Differential Scanning Calorimetry - DSC), mid-infrared spectroscopy with Fourier transform by method of attenuated total reflectance (FTIR-ATR), nuclear magnetic resonance spectroscopy of hydrogen (NMR 1H) and cyclic voltammetry (CV). Where thermal methods were used to calculate the yield of the synthesis of MDI-BF4 which was 88.84%, characterized infrared spectroscopy functional groups of the compound and the binding B-F 1053 cm-1; the NMR 1H analyzed and compared with literature data defines the structure of MDI-BF4 and the current density achieved by MDI-BF4 in the voltammogram shows that the LI can conduct electrical current indicating that the MDI-BF4 is a good electrolyte, and that their behavior does not change with the increasing concentration of water