Imunobiossensores capacitivos interdigitais com camadas sensíveis micro e nano-estruturadas

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Processos físico-químicos de tratamento de águas residuais industriais: estado da arte e novas fronteiras

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Mestrado Integrado de Engenharia do Ambiente, perfil Engenharia Sanitária

Revestimentos hidrofóbicos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

Nanoestruturas orgânicas anfifílicas: síntese e caraterização

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

Materiais termocrómicos de filme fino

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

Tópicos especiais em microbiologia.

Taxonomia bacteriana ? aspectos atuais e perspectivas. Aggregatibacter actinomycetemcomitans: fatores de virulência e modulação do sistema imune. Escherichia coli diarreiogênica em animais. Fatores de virulência em escherichia coli patogênica Extraintestinal. Enterococcus sp em alimentos: paradigmas. Resistência a carbapenêmicos em enterobactérias. Resistência em Staphylococcus aureus. Relação mútua entre Candida albicans e imunidade. Switching fenotípico em Candida spp Phytomonas spp.: modelo para estudo de processos biológicos da família Trypanosomatidae? Rotavirus. Antimicrobianos naturais produzidos por microrganismos: da busca à identificação. Antivirais naturais. Nanopartículas metálicas com atividade antimicrobiana. Plantas medicinais: A busca de novos fármacos no tratamento de doenças causadas por protozoários tripanossomatídeos. Introdução, estabelecimento e adaptação de Bradirrizóbios simbiontes da soja em solos brasileiros. Microrganismos e processos microbianos como bioindicadores de qualidade ambiental.

Design and development of a microfluidic platform for use with colorimetric gold nanoprobe assays

Due to the importance and wide applications of the DNA analysis, there is a need to make genetic analysis more available and more affordable. As such, the aim of this PhD thesis is to optimize a colorimetric DNA biosensor based on gold nanoprobes developed in CEMOP by reducing its price and the needed volume of solution without compromising the device sensitivity and reliability, towards the point of care use. Firstly, the price of the biosensor was decreased by replacing the silicon photodetector by a low cost, solution processed TiO2 photodetector. To further reduce the photodetector price, a novel fabrication method was developed: a cost-effective inkjet printing technology that enabled to increase TiO2 surface area. Secondly, the DNA biosensor was optimized by means of microfluidics that offer advantages of miniaturization, much lower sample/reagents consumption, enhanced system performance and functionality by integrating different components. In the developed microfluidic platform, the optical path length was extended by detecting along the channel and the light was transmitted by optical fibres enabling to guide the light very close to the analysed solution. Microfluidic chip of high aspect ratio (~13), smooth and nearly vertical sidewalls was fabricated in PDMS using a SU-8 mould for patterning. The platform coupled to the gold nanoprobe assay enabled detection of Mycobacterium tuberculosis using 3 8l on DNA solution, i.e. 20 times less than in the previous state-of-the-art. Subsequently, the bio-microfluidic platform was optimized in terms of cost, electrical signal processing and sensitivity to colour variation, yielding 160% improvement of colorimetric AuNPs analysis. Planar microlenses were incorporated to converge light into the sample and then to the output fibre core increasing 6 times the signal-to-losses ratio. The optimized platform enabled detection of single nucleotide polymorphism related with obesity risk (FTO) using target DNA concentration below the limit of detection of the conventionally used microplate reader (i.e. 15 ng/μl) with 10 times lower solution volume (3 μl). The combination of the unique optical properties of gold nanoprobes with microfluidic platform resulted in sensitive and accurate sensor for single nucleotide polymorphism detection operating using small volumes of solutions and without the need for substrate functionalization or sophisticated instrumentation. Simultaneously, to enable on chip reagents mixing, a PDMS micromixer was developed and optimized for the highest efficiency, low pressure drop and short mixing length. The optimized device shows 80% of mixing efficiency at Re = 0.1 in 2.5 mm long mixer with the pressure drop of 6 Pa, satisfying requirements for the application in the microfluidic platform for DNA analysis.

Lab on paper: biossensores colorimétricos de papel para a detecção de membros do complexo Mycobacterium tuberculosis

Este trabalho foi realizado no âmbito do projecto Lab on Paper, desenvolvido no Centro de Investigação de Materiais (CENIMAT) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCT - UNL)

Nanoimunoensaios para a detecção de antigénios da malária em amostras clínicas

Sendo a malária uma doença infecciosa que põe em risco uma elevada percentagem da população mundial, a presente dissertação apresenta o desenvolvimento de um teste de diagnóstico rápido (RDT) para a detecção da infecção. Para a detecção dos antigénios de Plasmodium falciparum (Pf), parasita da malária, foram estudadas nanopartículas de ouro (AuNPs) com dois diâmetros médios diferentes, 17nm e 48nm, funcionalizadas e conjugadas com anticorpos específicos, formando os bionanoconjugados. Este trabalho abrange dois focos de investigação, interligados, de forma a atingir-se o objectivo prosposto: i) Caracterização físico-quimica das AuNPs e dos bionanoconjugados em solução, usando a espectrocopia de UV-Visível, variando a força iónica e o pH do meio. A compreensão do comportamento e estabilidade das partículas consoante o seu diâmetro e revestimento tem em vista o melhoramento do RDT, tanto em sensibilidade como em custo; ii) Desenvolvimento do RDT usando um método que envolve uma ligação competitiva entre o antigénio e o anticorpo específico imobilizado à superfície das AuNPs. Os antigénios correspondem a biomarcadores da presença de Pf: Heat Shock Protein 70 (PfHsp70) e Histidine Rich Protein II (PfHRPII). Como superfícies para o desenvolvimento do RDT foram usados a nitrocelulose e o papel de filtro. Quanto maior é o diâmetro das AuNPs, maior é a estabilidade apresentada em solução quando aumentada a força iónica. Quando é variado o valor de pH do meio, as partículas adoptam um comportamento dependente do seu revestimento, independente do diâmetro. Os bionanoconjugados formados com AuNPs de ambos os diâmetros revelaram-se muito estáveis em solução, numa gama de forças iónicas de 0 a 0,5M de cloreto de sódio, e de pH de 2 a 7. Uma vez que a proteína Hsp70 é produzida constitutivamente em diversas células humanas, é necessário trabalhar com proteínas específicas da infecção, que nesta dissertação foi a PfHRPII. Foram efectuados testes no suporte de nitrocelulose que provaram o reconhecimento da PfHRPII pelos bionanoconjugados AuNPs-MUA-anti-PfHRPII. Estes ensaios necessitam ainda de algumas optimizações. Ensaios de Western-Blot permitiram a identificação da presença da PfHRPII em culturas infectadas, bem como a confirmação da sua ligação ao anticorpo específico, anti-PfHRPII. Um novo método de revelação é introduzido nesta técnica, efectuado através do uso dos bionanoconjugados. Este método mostrou-se promissor na medida em que é rápido, específico e de baixo custo. O principal contributo do trabalho consistiu no desenvolvimento, com sucesso, de um RDT para diagnóstico de malária, usando o antigénio PfHsp70, tendo como base a detecção colorimétrica com AuNPs de 17nm de diâmetro. Usando uma tira de nitrocelulose foi estabelecido um limite de detecção correspondente a 1600parasitas/μL, valor este considerado válido pela OMS para um correcto diagnóstico de malária. O limite de detecção obtido para as AuNPs de 48nm foi superior, não tendo trazido melhorias para o teste desenvolvido com AuNPs de menor diâmetro.

Desenvolvimento de microgéis híbridos para a sua aplicação em tratamentos de hipertermia magnética

A adição de nanopartículas magnéticas a polímeros termossensíveis permite desenvolver sistemas híbridos com possíveis aplicações biomédicas no âmbito do diagnóstico e/ou da terapia. A variedade de aplicações ao nível biomédico advêm da capacidade de resposta a vários estímulos, podendo tornar estes sistemas multifuncionais. O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de microgéis híbridos termossensíveis com capacidade de resposta tanto à temperatura como ao campo magnético aplicado. Os microgéis híbridos sintetizados por polimerização por emulsão sem tensioativo (polimerização por precipitação) são constituídos por poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm) reticulado e quitosano (CS), sendo a componente inorgânica composta por nanopartículas magnéticas de óxido de ferro (IONPs), previamente sintetizadas por precipitação química. Foram sintetizados microgéis com diferentes percentagens (%m/m) de CS: 2, 10, 15, 20 e 40; bem como com diferentes percentagens (%m/m) de IONPs: 5 e 10%. Os microgéis sintetizados foram caracterizados de forma a otimizar o seu processo de produção. Para tal foi avaliada a sua estrutura, as propriedades físico-químicas e magnéticas e a capacidade de inchamento dos diferentes microgéis produzidos. Por último, foi avaliado o potencial destes microgéis híbridos funcionarem como agentes de hipertermia magnética. Confirmou-se que os microgéis obtidos apresentam uma morfologia esférica com diâmetros médios inferiores a um micrómetro. A introdução tanto do CS como das IONPs não alterou a termossensíbilidade dos microgéis, embora tenha provocado uma diminuição nas suas capacidades de inchamento. Verificou-se ainda que o encapsulamento das nanopartículas de óxido de ferro não alterou as propriedades superparamagnéticas das mesmas. Estes dados, em conjunto com os resultados de hipertermia magnética, revelam um potencial para a aplicação destes microgéis híbridos em hipertermia magnética.

Desenvolvimento de um sensor colorimétrico em papel para a deteção de bactérias eletroquimicamente ativas

Bactérias eletroquimicamente ativas possuem a capacidade de transferir eletrões extracelularmente, durante a respiração celular. Esta característica tem sido atualmente explorada para aplicação na produção de eletricidade, tratamento de águas residuais, biorremediação e em diversas áreas da biotecnologia, onde a transferência eletrónica ocorre na presença de aceitadores insolúveis (tais como, óxidos metálicos e ânodos metálicos). Contudo, o número de espécies identificadas, isoladas e caracterizadas até à data é bastante reduzido. Os métodos atualmente disponíveis para deteção de bactérias eletroquimicamente ativas são morosos, dispendiosos e complexos de operar, tornando-se necessário o desenvolvimento de outros métodos mais rápidos, simples e menos dispendiosos que auxiliem na otimização das aplicações mencionadas. O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um sensor colorimétrico de papel utilizando um material eletrocrómico, trióxido de tungsténio, como camada ativa para a deteção destas bactérias. Para isso, foram definidos no papel poços delimitados por barreiras hidrofóbicas, através da impressão e difusão de uma camada de cera. As várias amostras de nanopartículas de WO3, sintetizadas por um método hidrotermal assistido por micro-ondas, foram depositadas nos poços por drop casting. As nanopartículas com estrutura cristalográfica hexagonal, impregnadas no sensor de papel, foram capazes de detetar com sucesso uma bactéria eletroquimicamente ativa, Geobacter sulfurreducens, desde uma fase de crescimento bastante inicial (Abs600 nm = 0,1, correspondente a 0,07 g/L com um rácio RGB de 1,10 ± 0,040) até à fase exponencial-tardia (Abs600 nm = 0,5, correspondente a 0,33 g/L com um rácio RGB de 1,33 ± 0,005), com P <0,0001. O sensor de papel e respetivo método de deteção colorimétrico desenvolvido neste trabalho, revelou ser sensível e específico à deteção destas bactérias, de uma forma rápida, simples e pouco dispendiosa.

Desenvolvimento de um papel de filtro de baixo custo para tratamento de água

É sabido que devido à escassez de água potável, nomeadamente em países sub-desenvolvidos, morrem milhares de pessoas por ano, com a procura de fontes de água alternativas, que por sua vez se encontram contaminadas com microrganismos patogénicos; a este facto também se salienta a possibilidade de ocorrência de catástrofes naturais, tornando-se necessário o desenvolvimento de sistemas de desinfecção prácticos, de baixo custo e eficientes. O trabalho experimental desenvolvido focou-se nestas realidades, tendo por objectivo principal o desenvolvimento de um papel bactericida, em particular, um papel de baixo custo como é o caso do papel de filtro de café, para aplicação em desinfecção de água. Este papel foi funcionalizado com nanopartículas sintetizadas de prata, óxido de zinco e com ambas, assim como com nanopartículas comerciais, cuja caracterização foi feita por Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM, Scanning Electron Microscopy), Energia Dispersiva de Raios-X (EDS, Energy-dispersive X-ray Spectroscopy), Espectroscopia de Ultravioleta-Visível (UV-VIS Uv-Visible Spectroscopy), Difracção de Raios-X (DRX, X-Rays Diffraction), Análise Termogravimétrica (TA, Thermal Analysis), e Calorimetria Diferencial de Varrimento (DSC, Differencial Scanning Calorimetry) e a actividade anti-bacteriana dos papéis foi avaliada através de Testes de Sensibilidade aos Antibióticos, pelo Método de Kirby-Bauer, contra as bactérias S.a.ATCC25923 e E.coli ATCC25922. No decorrer das sínteses variaram-se alguns parâmetros consoante o tipo de nanopartícula, para as np´s de prata variou-se essencialmente a metodologia de síntese e o tipo de redutor, para as np´s de óxido de zinco, dado ser um composto fotossensível, submeteu-se o papel á luz ultravioleta, o que, por outro lado também esterelizava o papel, e para ter uma comparação, esterelizou-se também o papel pela autoclave, constatando-se, pelas técnicas de caracterização, nomeadamente DRX, que os papeis não continham nanopartículas de óxido de zinco mas sim de acetato de zinco. Surpreendentemente, nos papéis autoclavados já se detectou a presença de óxido de zinco. Com os papéis que evidenciararam maior actividade anti-bacteriana realizaram-se filtrações de membrana com amostras de água contaminada e a determinação da concentração de metal no filtrado foi realizada pela técnica de Espectroscopia de Absorção Atómica de Chama (Flame Atomic Absorption Spectroscopy) conseguindo-se uma taxa de redução bacteriana de practicamente 100% para E.coli NCTC 9001 e E.f NCTC775 com os papéis contendo acetato de zinco numa concentração de 50 mM e np´sAg e acetato de zinco, numa concentração de 10 mM. De forma a validar o trabalho desenvolvido a parte final consistiu em testar os filtros com melhores propriedades em águas contaminadas, tendo esse trabalho sido feito no Laboratório de Água de Consumo dos Serviços Municipalizados de Água e Saneamento de Almada.

Photochemical degradation of triclosan: a comparison between different light sources

New emerging contaminants could represent a danger to the environment and Humanity with repercussions not yet known. One of the major worldwide pharmaceutical and personal care productions are antimicrobials products, triclosan, is an antimicrobial agent present in most products. Despite the high removal rate of triclosan present in wastewater treatments, triclosan levels are on the rise in the environment through disposal of wastewater effluent and use of sewage sludge in land application. Regulated in the EC/1272/2008 (annex VI, table 3.1), this compound is considered very toxic to aquatic life and it has been reported that photochemical transformation of triclosan produces dioxins. In the current work it was defined three objectives; determination of the most efficient process in triclosan degradation, recurring to photochemical degradation methods comparing different sources of light; identification of the main by-products formed during the degradation and the study of the influence of the Fenton and photo-Fenton reaction. Photochemical degradation methods such as: photocatalysis under florescent light (UV), photocatalysis under visible light (sunlight), photocatalysis under LEDs, photo-Fenton and Fenton reaction have been compared in this work. The degradation of triclosan was visualized through gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS). In this study photo-Fenton reaction has successfully oxidized triclosan to H2O and CO2 without any by-products within 2 hours. Photocatalysis by titanium dioxide (TiO2) under LEDs was possible, having a degradation rate of 53% in an 8 hours essay. The degradation rate of the Fenton reaction, UV light and sunlight showed degradation between 90% and 95%. The results are reported to the data observed without statistic support, since this was not possible during the work period. Hydroquinone specie and 2,4-dichlorophenol by-products were identified in the first hour of photocatalysis by UV. A common compound, possibly identified has C7O4H , was present at the degradation by UV, sunlight and LEDs and was concluded to be a contaminant. In the future more studies in the use of LEDs should be undertaken given the advantages of long durability and low consumption of energy of these lamps and that due to their negative impact on the environment fluorescent lamps are being progressively made unavailable by governments, requiring new solutions to be found. Fenton and photo-Fenton reactions can also be costly processes given the expensive reagents used.

Biological colonization on majolica glazed tiles: biodeterioration, bioreceptivity and mitigation strategies

The impact of microbial activity on the deterioration of cultural heritage is a well-recognized global problem. Glazed wall tiles constitute an important part of the worldwide cultural heritage. When exposed outdoors, biological colonization and consequently biodeterioration may occur. Few studies have dealt with this issue, as shown in the literature review on biodiversity, biodeterioration and bioreceptivity of architectural ceramic materials. Due to the lack of knowledge on the biodeteriogens affecting these assets, the characterization of microbial communities growing on Portuguese majolica glazed tiles, from Pena National Palace (Sintra, Portugal) and another from Casa da Pesca (Oeiras, Portugal) was carried out by culture and molecular biology techniques. Microbial communities were composed of microalgae, cyanobacteria, bacteria and fungi, including a new fungal species (Devriesia imbrexigena) described for the first time. Laboratory-based colonization experiments were performed to assess the biodeterioration patterns and bioreceptivity of glazed wall tiles produced in laboratory. Microorganisms previously identified on glazed tiles were inoculated on pristine and artificially aged tile models and incubated under laboratory conditions for 12 months. Phototrophic microorganisms were able to grow into glaze fissures and the tested fungus was able to form oxalates over the glaze. The bioreceptivity of artificially aged tiles was higher for phototrophic microorganisms than pristine tile models. A preliminary approach on mitigation strategies based on in situ application of commercial biocides and titanium dioxide (TiO2) nanoparticles on glazed tiles demonstrated that commercial biocides did not provide long term protection. In contrast, TiO2 treatment caused biofilm detachment. In addition, the use of TiO2 thin films on glazed wall tiles as a protective coating to prevent biological colonization was analysed under laboratorial conditions. Finally, conservation notes on tiles exposed to biological colonization were presented.

Complexos Organometálicos: caracterização preliminar de compostos de vanádio e de moléculas libertadoras de CO como potenciais fármacos

Vários complexos metálicos têm sido explorados visando uma melhoria de atuais tratamentos das mais variadas doenças. Os compostos de vanádio apresentam uma capacidade de mimetizar a ação da insulina, insurgindo-se assim como uma aposta no tratamento da doença Diabetes mellitus. O monóxido de carbono (CO), outrora visto como apenas um agente tóxico, atualmente é explorado pelas suas capacidades anti-inflamatórias, tendo-se desenvolvido moléculas libertadoras de CO, os CORMs, de modo a tirar partido dos seus efeitos biológicos. Com vista a determinar a formação de aductos entre os complexos organometálicos de vanádio e diferentes proteínas e caracterizar o tipo de interação estabelecida recorreu-se à Cristalografia de raios-X. A estrutura cristalográfica do aducto VOIV(picolinato)2–tripsina bovina foi obtida a 1,09 Å de resolução, mostrando o complexo VOIV(pic)2 no centro ativo da enzima, coordenado à cadeia lateral da serina catalítica (Ser195), numa geometria octaédrica. Ensaios cinéticos preliminares realizados com o complexo VO(pic)2 foram efetuados para determinar potenciais efeitos inibitórios na atividade das enzimas lisozima da clara do ovo (HEWL) e tripsina. O potencial terapêutico dos CORMs associado à Nanotecnologia foi explorado para o [Ru(CO)3Cl(glicinato)] (CORM-3), visando desenvolver nanopartículas de ouro (AuNPs) funcionalizadas com o composto e diferentes proteínas. A toxicidade celular direta do CORM-3, bem como alguns potenciais efeitos biológicos de CORM-3–albumina de soro humano (BSA) e CORM-3–HEWL foram também avaliados, recorrendo a ensaios de viabilidade celular , riscados celulares, e RT-qPCR em várias linhas celulares tumorais e linha primária de fibroblastos humanos. Foi possível iniciar o desenvolvimento de nanosistemas de AuNPs@PEG@BSA e AuNPs@PEG@HEWL, seguindo-se futuramente a conjugação com o CORM-3. Não foi possível determinar o efeito anti-inflamatório do CORM-3 e seus conjugados através da análise dos genes de resposta por RT-qPCR em tempo real, no entanto determinou-se que o composto CORM-3 não possui toxicidade em linhas celulares tumorais, e que aparenta fomentar a regeneração celular em fibroblastos e células tumorais NINA, sendo este efeito potenciado aquando conjugação com BSA.