Development of molecularly imprinted polymers using supercritical fluid technology

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável

New molecularly-imprinted polymer for carnitine and its application as ionophore in potentiometric selective membranes

Carnitine (CRT) is a biological metabolite found in urine that contributes in assessingseveral disease conditions, including cancer. Novel quick screening procedures for CRT are therefore fundamental. This work proposes a novel potentiometric device where molecularly imprinted polymers (MIPs) were used as ionophores. The host-tailored sites were imprinted on a polymeric network assembled by radical polymerization of methacrylic acid (MAA) and trimethylpropane trimethacrylate (TRIM). Non-imprinted polymers (NIPs) were produced as control by removing the template from the reaction media. The selective membrane was prepared by dispersing MIP or NIP particles in plasticizer and poly(vinyl chloride), PVC, and casting this mixture over a solid contact support made of graphite. The composition of the selective membrane was investigated with regard to kind/amount of sensory material (MIP or NIP), and the need for a lipophilic additive. Overall, MIP sensors with additive exhibited the best performance, with near-Nernstian response down to ~ 1 × 10− 4 mol L− 1, at pH 5, and a detection limitof ~ 8 × 10− 5 mol L− 1. Suitable selectivity was found for all membranes, assessed by the matched potential method against some of the most common species in urine (urea, sodium, creatinine, sulfate, fructose and hemoglobin). CRT selective membranes including MIP materials were applied successfully to the potentiometric determination of CRT in urine samples.

New modified electrochemical conductive paper support for BSA detection

Chemical sensors and biosensors are widely used to detect various kinds of protein target biomolecules. Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) have raised great interest in this area, because these act as antibody-like recognition materials, with high affinity to the template molecule. Compared to natural antibodies, these are also of lower cost and higher stability. There are different types of supports used to carry MIP materials, mostly of these made of gold, favourably assembled on a Screen Printed Electrode (SPE) strategy. For this work a new kind of support for the sensing layer was developed: conductive paper. This support was made by modifying first cellulose paper with paraffin wax (to make it waterproof), and casting a carbon-ink on it afterwards, to turn it conductive. The SPAM approach previously reported in1 was employed herein to assemble to MIP sensing material on the conductive paper. The selected charged monomers were (vinylbenzyl) trimethlammonium chloride (positive charge) or vinylbenzoic acid (negative charge), used to generate binding positions with single-type charge (positive or negative). The non-specific binding area of the MIP layer was assembled by chronoamperometry-assisted polymerization (at 1 V, for 60, 120 or 180 seconds) of vinylbenzoate, cross-linked with ethylene glycol vinyl ether. The BSA biomolecules lying within the polymeric matrix were removed by Proteinase K action. All preparation stages of the MIP assembly were followed by FTIR, Raman spectroscopy and, electrochemical analysis. In general, the best results were obtained for longer polymerization times and positively charged binding sites (which was consistent with a negatively-charged protein under physiological pH, as BSA). Linear responses against BSA concentration ranged from 0.005 to 100 mg/mL, in PBS buffer standard solutions. The sensor was further calibrated in standard solutions that were prepared in synthetic or real urine, and the analytical response became more sensitive and stable. Compared to the literature, the detection capability of the developed device is better than most of the reported electrodes. Overall, the simplicity, low cost and good analytical performance of the BSA SPE device, prepared with positively charged binding positions, seems a suitable approach for practical application in clinical context. Further studies with real samples are required, as well as gathering with electronic-supporting devices to allow on-site readings.

Trimethoprim-selective electrodes with molecularly imprinted polymers acting as ionophores and potentiometric transduction on graphite solid-contact

This work proposes a new biomimetic sensor material for trimethoprim. It is prepared by means of radical polymerization, having trimethylolpropane trimethacrylate as cross-linker, benzoyl peroxide as radicalar iniciator, chloroform as porogenic solvent, and methacrylic acid and 2-vinyl pyridine as monomers. Different percentages of sensor in a range between 1 and 6% were studied. Their behavior was compared to that obtained with ion-exchanger quaternary ammonium salt (additive tetrakis(p-chlorophenyl)borate or tetraphenylborate). The effect of an anionic additive in the sensing membrane was also tested. Trimethoprim sensors with 1% of imprinted particles from methacrylic acid monomers showed the best response in terms of slope (59.7 mV/decade) and detection limit (4.01 × 10− 7 mol/L). These electrodes displayed also a good selectivity towards nickel, manganese aluminium, ammonium, lead, potassium, sodium, iron, chromium, sulfadiazine, alanine, cysteine, tryptophan, valine and glycine. The sensors were not affected by pH changes from 2 to 6. They were successfully applied to the analysis of water from aquaculture.

A new biomimetic sensor for detecting carnitine, a potential biomarker in ovarian cancer

1st ASPIC International Congress

Supporting NAT traversal and secure communications in a protocol implementation framework

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Cytotoxicity Induced by Extracts of Pisolithus tinctorius Spores on Human Cancer and Normal Cell Lines—Evaluation of the Anticancer Potential

Fungi have been considered a potential source of natural anticancer drugs. However, studies on these organisms have mainly focused on compounds present in the sporocarp and mycelium. The aim of this study was to assess the anticancer potential of fungal spores using a bioassay-guided fractionation with cancer and normal cell lines. Crude extracts from spores of the basidiomycetous fungus Pisolithus tinctorius were prepared using five solvents/solvent mixtures in order to select the most effective crude extraction procedure. A dichloromethane/methanol (DCM/MeOH) mixture was found to produce the highest extraction yield, and this extract was fractionated into 11 fractions. Crude extracts and fractions were assayed for cytotoxicity in the human osteocarcinoma cell line MG63, the human breast carcinoma cell line T47D, the human colon adenocarcinoma cell line RKO, and the normal human brain capillary endothelial cell line hCMEC/D3. Cytotoxicity was assessed by the 3-(4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide (MTT) reduction assay. The results showed a reduction in cancer cell viability of approximately 95% with 4 of 11 fractions without a significant reduction in viability of hCMEC/D3 cells. Data demonstrated that spores of P. tinctorius might serve as an interesting source of compounds with potential anticancer properties.

Melhoria do Processo Produtivo da Pietec Através das Ferramentas Kaizen

Esta Tese de Mestrado foi realizada na empresa Pietec Cortiças S.A.. A empresa Pietec Cortiças S.A. é a unidade industrial responsável pela produção de rolhas técnicas de cortiça do Grupo Piedade. O objetivo desta tese prende-se com a melhoria do processo produtivo de uma das suas secções, a secção da Marcação. Esta secção é responsável pela marcação da superfície da rolha, pela aplicação do tratamento de superfície e pelo embalamento das rolhas. A otimização do processo da secção de Marcação, na qualidade de última secção do processo produtivo, permitirá à empresa obter vantagens competitivas. De forma a atingir o objetivo proposto, foi realizado um levantamento exaustivo do processo produtivo e das respetivas operações. Esta análise permitiu a identificação dos possíveis pontos de desperdício, a sua avaliação e a definição de possíveis melhorias que visam o aumento de produtividade e a redução do número de produtos não conformes. Uma vez identificados os pontos críticos do processo, procedeu-se à definição das ações de melhoria a implementar de forma a melhorar o processo produtivo. As ações tomadas assentam na filosofia Lean e nos seus princípios, utilizando-se algumas das ferramentas desta filosofia para concretizar os objetivos traçados. A ferramenta de análise Plan-Do-Check-Act (PDCA) foi a ferramenta base do projeto, acompanhando na elaboração do plano de ação, na implementação das ferramentas 5S e Single Minute Exchange of Die (SMED), na verificação dos resultados e no plano de manutenção das melhorias alcançadas. Após a implementação das medidas definidas no processo de marcação da superfície das rolhas, foi mensurada uma melhoria de 23 % no tempo médio de setup da máquina de marcação. Esta melhoria global foi alcançada através de intervenções no processo de vazamento do circuito da máquina de marcação, no procedimento de armazenamento dos moldes de marcação e na alteração dos mecanismos de ajuste da máquina de marcar e de orientar. No processo de embalamento das rolhas, as medidas implementadas produziram um aumento de 1,7 % no número de rolhas produzidas e uma redução do número de rolhas não conformes de 3,6 %. Os resultados obtidos no projeto demonstram que é possível continuar a melhorar o estado atual dos processos. Constatou-se ainda que, com a adoção de ferramentas de análise e de proposta de melhoria adequadas, é possível atuar sobre os processos e obter melhorias a curto prazo, sem que para isso seja necessário efetuar grandes investimentos.

Establishing the main Guidelines for Cast Steel to Produce Truck Parts

Este trabalho foi realizado na Scania CV AB e teve como principal objectivo estabelecer uma diretriz sobre a possível utilização de aços vazados. Existe uma grande necessidade na realização deste trabalho, de forma a apoiar os engenheiros de projecto no seu processo de selecção dos materiais mais adequados, para produzir componentes mais leves e de elevado desempenho. Esta diretriz apresenta informação relacionada com propriedades mecânicas, processos de fundição, vazabilidade, tipologia de defeitos, tratamentos térmicos, soldabilidade e tratamentos superficiais dos aços vazados. Este trabalho foi limitado, na seleção de materiais para componentes do camião, a aços vazados que poderiam ser aplicados em dois componentes específicos: um componente estrutural da carroçaria sujeito a esforços de fadiga e a um colector de gases de combustão, sujeito a fluência, oxidação, fadiga por corrosão, fadiga-térmica e fadiga-mecânica. Foi realizado um benchmark focado nestes dois componentes de forma a saber que materiais são utilizados de momento por outras empresas concorrentes. Foi realizada ainda uma análise sobre possíveis materiais que possam ser aplicados em cada componente referido. Foi conduzida uma caracterização no estado bruto de fundição de um aço inoxidável vazado usado para produzir um protótipo do colector de gases. Esta caracterização consistiu numa análise microestrutural e medição de macro e microdurezas. Além da caracterização inicial, foram aplicados um conjunto de tratamentos térmicos, de forma a estudar a possibilidade de eliminar os carbonetos presentes inicialmente nas fronteiras de grão. As principais conclusões deste trabalho são que o aço vazado apresenta potencial para ser uma escolha válida em diversas aplicações, devido a um leque alargado de propriedades apresentadas tipicamente por este material. Relativamente a aplicações estruturais, o aço vazado é vantajoso comparativamente ao ferro fundido, quando são requeridos, por exemplo, soldabilidade e elevada resistência, combinada com elevada tenacidade à fractura. Para componentes sujeitos a elevadas temperaturas de serviço, o aço inoxidável vazado é vantajoso quando usado a temperaturas superiores a 750°C, apesar do seu elevado custo. O tratamento térmico composto por um recozimento de solubilização seguido de envelhecimento, elimina quase na totalidade os carbonetos presentes nas fronteiras de grão e verifica-se um aumento de dureza através de uma precipitação de carbonetos finamente dispersos na matriz, que poderão também aumentar a resistência à fluência.

Embalagens Flexíveis: estudo do processo de reticulação de adesivos e do coeficiente de atrito

A dissertação foi realizada em ambiente industrial, mais precisamente na empresa Monteiro, Ribas – Embalagens Flexíveis, S.A.. Esta empresa dedica-se à impressão e laminagem de filmes, assim como à confeção de sacos. Os seus produtos são direcionados na sua maioria para a indústria alimentar, exportando mais de 50% da sua produção, e dizem respeito a complexos (dois ou mais filmes unidos pela presença de um adesivo) que podem possuir impressão ou não. Estes complexos podem ser enviados para o cliente em bobina ou já em saco. Os objetivos propostos pela empresa diziam respeito a estudos relacionados com a força de laminagem dos complexos, com o coeficiente de atrito dos mesmos e com a identificação dos espetros dos componentes dos adesivos, assim como o estudo do processo de reticulação dos mesmos por espetrofotometria de Infravermelho. Relativamente aos resultados obtidos verificou-se que tanto a tinta como os metalizados influenciam negativamente a força de laminagem. Por sua vez o coeficiente de atrito é afetado por vários fatores. Através dos ensaios experimentais verificou-se que o adesivo, a tinta e o verniz mate favorecem o aumento do valor do COF. Além disso, nos complexos em que se utilizaram filmes de polietileno de maior espessura obtiveram-se valores de COF mais baixos, e no que diz respeito à temperatura e à tensão de enrolamento, verificou-se que valores mais elevados e muito baixos da primeira traduzem-se num aumento do valor do COF e uma tensão de enrolamento maior também tem o mesmo efeito. Relativamente ao tipo de filme impresso, substratos com maior energia superficial atraem mais o agente de deslizamento (slip). Por último, não se conseguiu perceber qual o tipo de adesivo (com ou sem solvente) que tem maior impacto no COF uma vez que em 55% dos casos o valor do COF é superior nas amostras que foram complexadas com adesivo sem solvente e em 45% o COF era superior nas amostras complexadas com adesivo base solvente. No que diz respeito aos espetros obtidos verificou-se que a reticulação dos adesivos é identificada pela diminuição da extensão do pico correspondente à ligação N=C=O.

Desenvolvimento de Aplicação para a Otimização de Processo Produtivo

Empreendimentos industriais requerem o acompanhamento completo e preciso de dados de máquinas em tempo real, integrando as atividades do chão de fábrica com a engenharia, suporte e negócios. É reconhecido que sistemas de monitorização são fundamentais para melhorar a qualidade do produto, reduzir os tempos e para a adaptação rápida às mudanças de produção. Os sensores de processos possuem custos altos, não são compactos e são de difícil implementação. Portanto, seria estratégico desenvolver sistemas de monitorização que usufruem ao máximo dos recursos já existentes nas máquinas e ferramentas e que não representem custos adicionais elevados e de difícil implementação. O uso de PLC nas indústrias é crescente. Estes mostram-se como ferramentas potenciais para atender a estas exigências. Os PLC possuem os recursos necessários para a aquisição de informações e controlo das máquinas, facilitando a interação com um sistema SCADA. O objetivo do presente trabalho é pesquisar soluções sobre sistemas de monitorização que possam substituir um sistema instalado antiquado e encontrar uma solução para o controlo de um processo de vazamento. Para tal, foram consideradas duas soluções: uma passaria por desenvolver um sistema de monitorização que controlasse o processo de vazamento, e outra que permitisse ser o PLC a fazer o controlo, adquirindo um HMI apenas para monitorização. Esta última solução revelou-se como a melhor, visto que um PLC tem mais durabilidade em relação a um PC, em termos de atualizações de hardware e software. Assim, foram criadas funções no PLC para fazer o controlo de vazamento e foi adquirido uma consola Beijer, e respetivo software de programação SCADA, para a criação do sistema de monitorização. Os resultados mostram que o PLC é capaz de executar o controlo, não sendo necessário investir em PC que são mais caros, bastando para isso adquirir sistemas SCADA simples e capazes.

QuEChERS: a sample preparation for extraction of carbaryl from rat feces

Carbamate compounds are an important group of cholinesterase inhibitors. There is a need for creating awareness regarding the risks of the inadequate carbamate use in the residential areas due to potential adverse human effects. Carbaryl is a commonly used pesticide worldwide. A simple, fast, and high throughput method was developed employing liquid chromatography with fluorescence detector to determine carbaryl residues in rat feces. The extraction was performed by using a rapid, easy, cheap, effective, reliable, and safe (QuEChERS) method, using acetonitrile as the extracting solvent. The parameters for the performance of the extraction method were optimized, such as ratio of mass of sample per volume of extraction solvent, QuEChERS content, and cleanup columns. Linear response was obtained for all calibration curves (solven and matrix-matched) over the established concentration range (5 500 mg/L) with a correlation coefficients higher than 0.999. The achieved recovery was 97.9% with relative standard deviation values of 1.1% (n D 4) at 167 mg/kg fortified concentration level and the limits of detection and quantification were 27.7 and 92.3 mg/kg respectively.

New approach for vitamin E extraction in rainbow trout flesh: Application in fish fed commercial and red seaweed-supplemented diets

A vitamin E extraction method for rainbow trout flesh was optimized, validated, and applied in fish fed commercial and Gracilaria vermiculophylla-supplemented diets. Five extraction methods were compared. Vitamers were analyzed by HPLC/DAD/fluorescence. A solid-liquid extraction with n-hexane, which showed the best performance, was optimized and validated. Among the eight vitamers, only α- and γ-tocopherol were detected in muscle samples. The final method showed good linearity (>0.999), intra- (<3.1%) and inter-day precision (<2.6%), and recoveries (>96%). Detection and quantification limits were 39.9 and 121.0 ng/g of muscle, for α-tocopherol, and 111.4 ng/g and 337.6 ng/g, for γ-tocopherol, respectively. Compared to the control group, the dietary inclusion of 5% G. vermiculophylla resulted in a slight reduction of lipids in muscle and, consequently, of α- and γ-tocopherol. Nevertheless, vitamin E profile in lipids was maintained. In general, the results may be explained by the lower vitamin E level in seaweed-containing diet. Practical Applications: Based on the validation results and the low solvent consumption, the developed method can be used to analyze vitamin E in rainbow trout. The results of this work are also a valuable information source for fish feed industries and aquaculture producers, which can focus on improving seaweed inclusion in feeds as a source of vitamin E in fish muscle and, therefore, take full advantage of all bioactive components with an important role in fish health and flesh quality.

Diagnóstico Energético e proposta de melhorias numa unidade de Produção de Peças de Borracha

O consumo de energia de forma irracional acarreta desvantagens a nível económico para o consumidor e problemas ambientais para toda a sociedade, como a escassez de recursos naturais e o aumento da poluição. Neste contexto, a otimização energética na indústria, e em particular no setor das borrachas, é indispensável de forma a utilizar racionalmente a energia e assim contribuir para a viabilidade das empresas. Este trabalho, efetuado na Flexocol - Fábrica de Artefactos de Borracha, Lda., teve como principal objetivo efetuar um levantamento energético à unidade fabril e propor alternativas que permitissem a redução do consumo de energia elétrica. Foi ainda realizado um estudo sobre a possibilidade de substituir o n-hexano, solvente utilizado na limpeza dos moldes, por um solvente mais adequado. O levantamento energético efetuado permitiu identificar o consumo das utilidades existentes na Flexocol. Esta empresa consome gasóleo e energia elétrica, sendo esta última, a forma de energia mais consumida correspondendo a 96%. O consumo global de energia é cerca 151 tep anuais, inferior a 500 tep/ano, ou seja é considerada uma empresa não consumidora intensiva de energia. Com base neste levantamento determinou-se os indicadores de consumo específico de energia e da intensidade carbónica, 2,73 tep/ ton e 1684,5 kg CO2/tep. A análise do consumo de energia elétrica dos diferentes equipamentos permitiu verificar que o setor que mais consome energia elétrica é a Vulcanização com 45,8%, seguido do setor da Mistura e Serralharia com 27,5% e 26,7%, respetivamente. O sistema de iluminação nos vários setores foi também alvo de estudo e permitiu identificar a Vulcanização como o setor com mais consumo e o da Mistura como o que menos consome. O estudo das variáveis anteriormente referidas permitiu apresentar algumas propostas de melhoria. Uma das propostas analisada foi implementação de condensadores no quadro parcial de forma a diminuir a energia reativa. Com esta medida prevê-se uma poupança de 5631 €/ano e um retorno de investimento de 0,045 anos. Foi também analisada relativamente à iluminação a possibilidade de instalação de balastros eletrónicos que conduziria a uma poupança na energia elétrica de cerca 7072 kWh/ano, mas com um retorno de investimento desfavorável. Por último estudou-se o solvente alternativo ao n-hexano. A acetona foi o solvente proposto uma vez que tem as propriedades indicadas para o fim a que se destina.

Estudo electroquímico de compostos naturais e semicondutores com possível utilização em células foto voltaicas

As células foto voltaicas orgânicas ou células de Gräetzel (depois do seu descobridor) são aparelhos para a colecta de energia solar que utilizam um semicondutor inorgânico e uma molécula orgânica. Dita molécula orgânica é capaz de excitar-se na presença de radiação electromagnética e ceder esta energia através da doação de electrões a este semicondutor. Embora estas estruturas e o seu processo de fabrico sejam relativamente pouco onerosas, o aproveitamento da energia solar é ainda muito baixo. Para além desta deficiência, os corantes sintéticos sofrem de “bleaching” ou então são reduzidos ou oxidados facilmente quando não conseguem transferir a energia que foi absorvida ou quando é difícil voltar ao estado original por dificuldades no completamento de circulação de electrões. Neste trabalho pretende-se então estudar o comportamento de moléculas e misturas complexas de moléculas com capacidade para serem excitadas pela luz solar. Como a dita xcitação promove a transferência de um electrão, este processo será seguido pela técnica de Voltametria cíclica. Como substâncias absorventes de luz utilizaremos compostos naturais (principalmente flavonóides) puros, ou então na forma de complexos naturais extraídos de algumas plantas. Estas misturas de corantes serão extractos aquosos (infusões) de casca de laranja e limão assim como extractos de folhas de cerejeira, com o objectivo de proporcionar lternativas aos flavonóides utilizados neste estudo. A caracterização voltamétrica desta célula é feita em diferentes formas de iluminação. Sobre a célula assim formada faz-se incidir rimeiro luz de lâmpadas fluorescentes, depois luz ultra violeta e por fim sem qualquer tipo de luz incidente. Na base do fabrico da variante mais clássica destas células está o semicondutor óxido de itânio (TiO2), por ser uma substância muito comum e barata e com propriedades semicondutoras notáveis. Uma forma comum de melhorar a eficiência deste material é introduzir dopantes com o intuito de melhorar a eficiência do processo de transferência electrónica. Um segundo objectivo deste trabalho é o estudo de sistemas semicondutor/molécula foto activa. Semicondutores como ZnO, TiO2 e TiO2 dopado serão então estudados. O gels de TiO2 ou o TiO2 dopado serão depositados sobre lâminas de vidro comum, nas quais foi anteriormente depositado uma película de alumínio que serve de condutor (eléctrodo egativo). Uma outra variante será a utilização de óxido de zinco, um semicondutor de baixo custo que por sua vez vai ser depositado em lâminas de alumínio comercial. A nossa célula foto electroquímica será então formada por moléculas de corante, uma lâmina e um semicondutor (que funcionará como eléctrodo de trabalho), com ou sem electrólito/catalizador (solução de iodo/iodeto), e eléctrodos de referência de Ag/AgCl, e outro auxiliar de grafite. Um outro objectivo é fazer um pequeno estudo sobre influencia do catalisador I2/etilenodiamina no comportamento electroquímico da célula, de forma a poder utilizar o solvente (etilenodiamina) com menor volatilidade do que a água, que é empregada no par I2/I3.m A importância deste facto prende-se com a limitada vida destas células quando o electrólito/solvente é evaporado pelas altas temperaturas da radiação incidente.