Evaluation of Opuntia spp. bioactive products as promising natural chemotherapeutical agents- an in vitro approach

Dissertation to obtain a Master Degree in Biotechnology

Development of a piezoelectric biosensor based on PVDF films

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

Development of molecularly imprinted polymers using supercritical fluid technology

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável

Protein–polyphenol interaction on silica beads for astringency tests based on eye, photography or reflectance detection modes

Astringency is an organoleptic property of beverages and food products resulting mainly from the interaction of salivary proteins with dietary polyphenols. It is of great importance to consumers, but the only effective way of measuring it involves trained sensorial panellists, providing subjective and expensive responses. Concurrent chemical evaluations try to screen food astringency, by means of polyphenol and protein precipitation procedures, but these are far from the real human astringency sensation where not all polyphenol–protein interactions lead to the occurrence of precipitate. Here, a novel chemical approach that tries to mimic protein–polyphenol interactions in the mouth is presented to evaluate astringency. A protein, acting as a salivary protein, is attached to a solid support to which the polyphenol binds (just as happens when drinking wine), with subsequent colour alteration that is fully independent from the occurrence of precipitate. Employing this simple concept, Bovine Serum Albumin (BSA) was selected as the model salivary protein and used to cover the surface of silica beads. Tannic Acid (TA), employed as the model polyphenol, was allowed to interact with the BSA on the silica support and its adsorption to the protein was detected by reaction with Fe(III) and subsequent colour development. Quantitative data of TA in the samples were extracted by colorimetric or reflectance studies over the solid materials. The analysis was done by taking a regular picture with a digital camera, opening the image file in common software and extracting the colour coordinates from HSL (Hue, Saturation, Lightness) and RGB (Red, Green, Blue) colour model systems; linear ranges were observed from 10.6 to 106.0 μmol L−1. The latter was based on the Kubelka–Munk response, showing a linear gain with concentrations from 0.3 to 10.5 μmol L−1. In either of these two approaches, semi-quantitative estimation of TA was enabled by direct eye comparison. The correlation between the levels of adsorbed TA and the astringency of beverages was tested by using the assay to check the astringency of wines and comparing these to the response of sensorial panellists. Results of the two methods correlated well. The proposed sensor has significant potential as a robust tool for the quantitative/semi-quantitative evaluation of astringency in wine.

Distribuição de Contaminantes Orgânicos em Solos Calcários – Influência dos minerais de Argila

O solo é um recurso multifuncional e vital para a humanidade, apresentando funções ecológicas, técnico-industriais, socioeconómicas e culturais, estabelecendo um vasto capital natural insubstituível. Face à sua taxa de degradação potencialmente rápida que, devido ao crescente desenvolvimento económico e incremento da população mundial, tem vindo a aumentar nas últimas décadas, o solo é, atualmente, um recurso finito e limitado. Devido a esta problemática, o presente documento visa abordar a progressiva preocupação sobre as questões geoambientais e toda a investigação que as envolvem, avaliando o modo como os contaminantes se dispersam pelo solo nas diferentes fases do mesmo (fases sólida, líquida e gasosa). A parte experimental centrou-se na análise da adsorção do benzeno, a partir da determinação das isotérmicas de adsorção. Para tal, foram previamente preparados reatores com calcário, sendo alguns deles previamente contaminados com um biocombustível, biodiesel, a uma concentração constante. Este processo foi monitorizado com base na evolução temporal da concentração na fase gasosa, através da cromatografia gasosa. De entre os objetivos, procurou-se analisar a distribuição dos contaminantes pelas fases constituintes do solo, ajustar os dados experimentais obtidos os modelos matemáticos de Langmuir, Freundlich e Polinomial, e verificar e discutir as soluções mais adequadas.

BIiossensor Enzimático para avaliação da Capacidade Antioxidente

Os radicais livres formam-se naturalmente nos organismos vivos, pois a sua produção/geração está interligada com o processo de produção de energia (respiração), processos inflamatórios (fagocitose), regulação do crescimento celular, sinalização intercelular e síntese de substâncias biológicas relevantes. Estes também podem ser introduzidos por vias exógenas (poluição, radiação, tabaco, alimentação, etc). Os radicais livres têm capacidade de reagir com o material nucleico (ADN e ARN), proteínas e substâncias oxidáveis, causando danos oxidativos responsáveis pelo envelhecimento e originar doenças degenerativas, tais como, o cancro, arteriosclerose, artrite reumatoide, entre outras. De forma a combater os efeitos pejorativos provocados pelos radicais, os organismos vivos desenvolveram complexos sistemas de defesa antioxidante. Estes sistemas são constituídos por antioxidantes endógenos, produzidos pelos seres vivos, tais como enzimas ou por antioxidantes exógenos obtidos por via da alimentação (por exemplo o ácido ascórbico). Neste sentido, um antioxidante tem capacidade de eliminar ou reduzir a propagação da cadeia de geração de radicais livres. Neste trabalho foi desenvolvido um biossensor enzimático para a quantificação da capacidade antioxidante total de matrizes alimentares. A construção deste biossensor consistiu na eletroimobilização da adenina no elétrodo de pasta de carbono (EPC) ou na adsorção física da dA20 na superfície do EPC. O dano oxidativo foi induzido pelo radical hidroxilo gerado pela reação de Fenton. Nesta dissertação, foi estudada a capacidade de alguns antioxidantes em eliminar o efeito pejorativo dos radicais livres e combater a integridade das bases de adenina ou do dA20.Os antioxidantes estudados foram o ácido ascórbico e alguns ácidos fenólicos como o ácido hidroxibenzoico (ácido gálico) e ácidos hidroxicinâmicos (ácido cafeico e ácido cumárico). Estes antioxidantes têm a capacidade de neutralizar o radical hidroxilo e proteger a adenina/dA20 imobilizado na superfície do EPC. O comportamento da Lacase foi estudado na presença do ácido gálico e do ácido ascórbico. Os estudos eletroquímicos foram realizados através da voltametria de onda quadrada (VOQ), sendo que a interação entre a adenina/ou o dA20 imobilizada na superfície do EPC e os radicais livres na ausência e presença de antioxidantes foi avaliada por meio de mudanças no pico anódico produzido pela oxidação da adenina /dA20. Os resultados demonstraram que estes biossensores permitem a avaliação da capacidade antioxidante total em águas aromatizadas.

Predictivity Strength of the Spatial Variability of Phenanthrene Sorption Across Two Sandy Loam Fields

Sorption is commonly agreed to be the major process underlying the transport and fate of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soils. However, there is still a scarcity of studies focusing on spatial variability at the field scale in particular. In order to investigate the variation in the field of phenanthrene sorption, bulk topsoil samples were taken in a 15 × 15-m grid from the plough layer in two sandy loam fields with different texture and organic carbon (OC) contents (140 samples in total). Batch experiments were performed using the adsorption method. Values for the partition coefficient K d (L kg−1) and the organic carbon partition coefficient K OC (L kg−1) agreed with the most frequently used models for PAH partitioning, as OC revealed a higher affinity for sorption. More complex models using different OC compartments, such as non-complexed organic carbon (NCOC) and complexed organic carbon (COC) separately, performed better than single K OC models, particularly for a subset including samples with Dexter n < 10 and OC <0.04 kg kg−1. The selected threshold revealed that K OC-based models proved to be applicable for more organic fields, while two-component models proved to be more accurate for the prediction of K d and retardation factor (R) for less organic soils. Moreover, OC did not fully reflect the changes in phenanthrene retardation in the field with lower OC content (Faardrup). Bulk density and available water content influenced the phenanthrene transport mechanism phenomenon.

Heparinized nanohydroxyapatite/collagen granules for controlled release of vancomycin

The purpose of this study was to develop a bone substitute material capable of preventing or treating osteomyelitis through a sustainable release of vancomycin and simultaneously inducing bone regeneration. Porous heparinized nanohydroxyapatite (nanoHA)/collagen granules were characterized using scanning electron microscopy, micro-computed tomography and attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy. After vancomycin adsorption onto the granules, its releasing profile was studied by UV molecular absorption spectroscopy. The heparinized granules presented a more sustainable release over time, in comparison with nonheparinized nanoHA and nanoHA/collagen granules. Vancomycin was released for 360 h and proved to be bioactive until 216 h. Staphylococcus aureus adhesion was higher on granules containing collagen, guiding the bacteria to the material with antibiotic, improving their eradication. Moreover, cytotoxicity of the released vancomycin was assessed using osteoblast cultures, and after 14 days of culture in the presence of vancomycin, cells were able to remain viable, increasing their metabolic activity and colonizing the granules, as observed by scanning electron microscopy and confocal laser scanning microscopy. These findings suggest that heparinized nanoHA/collagen granules are a promising material to improve the treatment of osteomyelitis, as they are capable of releasing vancomycin, eliminating the bacteria, and presented morphological and chemical characteristics to induce bone regeneration.

Competitive paths for methanol decomposition on ruthenium: a DFT study

Methanol decomposition is one of the key reactions in direct methanol fuel cell (DMFC) state-of-the-art technology, research, and development. However, its mechanism still presents many uncertainties, which, if answered, would permit us to refine the manufacture of DMFCs. The mechanism of methanol decomposition on ruthenium surfaces was investigated using density functional theory and a periodic supercell approach. The possible pathways, involving either initial C−H, C−O or O−H scission, were defined from experimental evidence regarding the methanol decomposition on ruthenium and other metallic surfaces. The study yielded the O−H scission pathway as having both the most favorable energetics and kinetics. The computational data, which present a remarkable closeness with the experimental results, also indicate methanol adsorption, the starting point in all possible pathways, to be of weak nature, implying a considerable rate of methanol desorption from the ruthenium, compromising the reaction.

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de contaminantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos contaminantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por contaminantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três contaminantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como contaminantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se usou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (526 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L).

Heavy metals removal in dual media filters

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente – Perfil de Engenharia Sanitária

Construção de um sensor eletroquímico molecularmente impresso para monitorização do cancro da mama

O Cancro da mama é uma doença cuja incidência tem vindo a aumentar de ano para ano e além disso é responsável por um grande número de mortes em todo mundo. De modo a combater esta doença têm sido propostos e utilizados biomarcadores tumorais que permitem o diagnóstico precoce, o acompanhamento do tratamento e/ou a orientação do tipo tratamento a adotar. Atualmente, os biomarcadores circulantes no sangue periférico recomendados pela Associação Americana de Oncologia Clinica (ASCO) para monitorizar os pacientes durante o tratamento são o cancer antigen 15-3 (CA 15-3), o cancer antigen 27.29 (CA 27.29) e o cancer embryobic antigen (CEA). Neste trabalho foi desenvolvido um sensor eletroquímico (voltamétrico) para monitorizar o cancro da mama através da análise do biomarcador CA 15-3. Inicialmente realizou-se o estudo da adsorção da proteína na superfície do elétrodo para compreender o comportamento do sensor para diferentes concentrações. De seguida, estudaram-se três polímeros (poliaminofenol, polifenol e polifenilenodiamina) e selecionou-se o poliaminofenol como o polímero a utilizar, pois possuía a melhor percentagem de alteração de sinal. Após a seleção do polímero, este foi depositado na superfície do elétrodo por eletropolimerização, formando um filme polimérico molecularmente impresso (MIP) à volta da proteína (molde). Posteriormente, foram analisados cinco solventes (água, mistura de dodecil sulfato de sódio e ácido acético, ácido oxálico, guanidina e proteinase K) e o ácido oxálico revelou ser mais eficaz na extração da proteína. Por último, procedeu-se à caraterização do sensor e analisou-se a resposta analítica para diferentes concentrações de CA 15-3 revelando diferenças claras entre o NIP (polímero não impresso) e o MIP.

Study of the valorisation of the solid by-products obtained in the co-pyrolysis of different wastes

Dissertação para obtenção do grau de doutor em Energia e Bioenergia

Role of surfactants in filtration and fouling of colloidal silica

The EM3E Master is an Education Programme supported by the European Commission, the European Membrane Society (EMS), the European Membrane House (EMH), and a large international network of industrial companies, research centres and universities

Gas gap heat switch for CryoFree project

Cryogen-free superconducting magnet systems have become popular during the last two decades for the simple reason that with the use of liquid helium is rather cumbersome and is a scarce resource. Some available CFMS uses a mechanical cryocooler as cold source of the superconductor magnet. However, the cooling of the sample holder is still made through an open circuit of helium. A thermal management of a completely cryogen-free system is possible to be implemented by using a controlled gas gap heat switch (GGHS) between the cryocooler and the variable temperature insert (VTI). This way it would eliminate the helium open circuit. Heat switches are devices that allow to toggle between two distinct thermal states (ON and OFF state). Several cryogenic applications need good thermal contact and a good thermal insulation at different stages of operation. A versatile GGHS was designed and built with a 100 mm gap and tested with helium as exchange gas. An analytic thermal model was developed and a good agreement with the experimental data was obtained. The device was tested on a crycooler at 4 to 80 K ranges. A 285 mW/K thermal conductance was measured at ON state and 0.09 mW/K at OFF. 3000 ON/OFF thermal conductance ratio was obtained at 4 K with helium.