Time-Resolved DRIFTS, MS, and Resistance Study of SnO2 Materials: The Role of Surface Hydroxyl Groups in Formation of Donor States

Time-resolved DRIFTS, MS, and resistance measurements were used to study the interaction of undoped and Pd-doped SnO2 with H-2 in air and argon at 300 degrees C. Using first-order kinetics, we compare the time constants for the resistance drop and its partial recovery with those of the surface hydroxyl evolution and water formation in the gas phase upon exposure to hydrogen. In the case of the undoped oxide, resistance and bridging hydroxyls (BOHs) evolve similarly, manifesting a fast main drop followed by recovery at a similar rate. The rate of water formation for this material was found to be much slower than that of the main drop in both the resistance and BOHs. In contrast, the resistance change for SnO2-Pd appeared to be similar to that of water formation, and no correlation was found between the evolution of resistance and surface OHs. Isotopic exchange on both materials revealed that water formation occurs via fast and slow hydrogen transfer to surface oxygen species. While the former originates from just-adsorbed hydrogen, the latter appears to proceed from the preadsorbed OHs. Both surfaces exhibit close interaction between chemisorbed oxygen and existing bridging OH groups, indicating that the latter is an intermediate in the hydrogen oxidation and generation of donor states on the surface.

Methanol oxidation on PtRu electrodes. Influence of surface structure and Pt-Ru atom distribution

The activities of different types of PtRu catalysts for methanol oxidation are compared. Materials used were: UHV-cleaned PtRu alloys, UHV-evaporated Ru onto Pt(111) as well as adsorbed Ru on Pt(111) prepared with and without additional reduction by hydrogen. Differences in the catalytic activity are observed to depend on the preparation procedure of the catalysts. The dependence of the respective catalytic activities upon the surface composition is reported. UHV-STM data for Pt(111)/Ru show the formation of two- and three-dimensional structures depending on surface coverage. A molecular insight on the electrochemical reaction is given via in situ infrared spectroscopy. Analysis of the data indicates that the most probable rate-determining step is the reaction of adsorbed CO with Ru oxide.

On-line FTIR spectroscopic investigations of methanol oxidation in a direct methanol fuel cell

A real-time Fourier transform infrared spectroscopy (FTIRS) analysis of the products of methanol oxidation in a prototype direct-methanol fuel cell operating at high temperatures (150 to 185°C) is reported here. The methanol oxidation products on platinum black and platinum-ruthenium catalyst surfaces were determined as a function of the fuel cell operating temperature, current density, and methanol/water mole ratio. Neither formaldehyde nor formic acid was detected in anode exhaust gas at all cell operating conditions. The product distributions of methanol oxidation obtained by on-line FTIRS are consistent with our previous results obtained by on-line mass spectroscopy under similar conditions. With pure methanol in anode feed, methanaldimethylacetal was found to be the main product, methyl formate and CO were also found. However, when water was present in the anode feed, the main product was CO , and the formation of methanaldimethylacetal and methyl formate decreased significantly with increase of the water/methanol mole ratio. Increase of cell operating temperature enhanced the formation of CO and decreased the formation of methanaldimethylacetal and methyl formate. Pt/Ru catalyst is more active for methanol oxidation and has a higher selectivity toward CO formation than Pt-black. Nearly complete methanol oxidation, i.e., the product was almost exclusively CO , was achieved using a Pt/Ru catalyst and a water/methanol mole ratio of 2 or higher in the anode feed at a temperature of 185°C or above.

Temperature dependence of the mid-infrared dielectric function of YBCO in the ab plane

We have excited mid-infrared surface plasmons in two YBCO thin films of contrasting properties using attenuated total reflection of light and found that the imaginary part of the dielectric function decreases linearly with reduction in temperature. This result is in contrast with the commonly reported conclusion of infrared normal reflectance studies. If sustained it may clarify the problem of understanding the normal state properties of YBCO and the other cuprates. The dielectric function of the films, epsilon = epsilon(1) + i epsilon(2), was determined between room temperature and 80K: epsilon(1) was found to be only slightly temperature dependent but somewhat sample dependent, probably as a result of surface and grain boundary contamination. The imaginary part, epsilon(2), (and the real part of the conductivity, sigma(1),) decreased linearly with reduction in temperature in both films. Results obtained were: for film 1: epsilon(1) = - 14.05 - 0.0024T and epsilon(2) - 4.11 + 0.086T and for film 2: epsilon(1) = - 24.09 + 0.0013T and epsilon(2) = 7.66 + 0.067T where T is the temperature in Kelvin. An understanding of the results is offered in terms of temperature-dependent intrinsic intragrain inelastic scattering and temperature-independent contributions: elastic and inelastic grain boundary scattering and optical interband (or localised charge) absorption. The relative contribution of each is estimated. A key conclusion is that the interband (or localised charge) absorption is only similar to 10%. Most importantly, the intrinsic scattering rate, 1/tau, decreases linearly with fall in temperature, T, in a regime where current theory predicts dependence on frequency, omega, to dominate. The coupling constant, lambda, between the charge carriers and the thermal excitations has a value of 1.7, some fivefold greater than the far infrared value. These results imply a need to restate the phenomenology of the normal state of high temperature superconductors and seek a corresponding theoretical understanding.

Using Flory-Huggins phase diagrams as a pre-formulation tool for the production of amorphous solid dispersions; a comparison between hot-melt extrusion and spray drying

Objectives: Amorphous drug forms provide a useful method of enhancing the dissolution performance of poorly water-soluble drugs; however, they are inherently unstable. In this article, we have used Flory–Huggins theory to predict drug solubility and miscibility in polymer candidates, and used this information to compare spray drying and melt extrusion as processes to manufacture solid dispersions.
Method:  Solid dispersions were characterised using a combination of thermal (thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry) and spectroscopic (Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction methods. 
Key Findings: Spray drying permitted generation of amorphous solid dispersions to be produced across a wider drug concentration than melt extrusion. Melt extrusion provided sufficient energy for more intimate mixing to be achieved between drug and polymer, which may improve physical stability. It was also confirmed that stronger drug–polymer interactions might be generated through melt extrusion. Remixing and dissolution of recrystallised felodipine into the polymeric matrices did occur during the modulated differential scanning calorimetry analysis, but the complementary information provided from FTIR confirms that all freshly prepared spray-dried samples were amorphous with the existence of amorphous drug domains within high drug-loaded samples. 
Conclusion: Using temperature–composition phase diagrams to probe the relevance of temperature and drug composition in specific polymer candidates facilitates polymer screening for the purpose of formulating solid dispersions.

Caracterização e transformação de Lenhosulfonatos de Eucalyptus globulus

Os lenhosulfonatos representam um sub-produto formado durante o cozimento ao sulfito ácido, sendo queimados para a regeneração da base e recuperação de energia. No entanto, os lenhosulfonatos são também considerados uma importante matéria-prima para a produção de vários produtos de valor acrescentado. Os objectivos principais deste trabalho foram contribuir para uma melhor compreensão sobre a caracterização química e estrutural dos lenhosulfonatos do Eucalyptus globulus, assim como, para complementar a informação disponível sobre a síntese e a caracterização estrutural e térmica de materiais poliméricos obtidos a partir de compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos. O licor de cozimento ao sulfito foi analisado em termos do teor de cinzas, extractáveis, compostos voláteis, açúcares e lenhosulfonatos. O teor de cinzas e açúcares no licor de cozimento é muito elevado, tendo sido necessário purificar o mesmo (2,8-13,8 % e 3,2-9,1 %, respectivamente). A análise dos açúcares mostrou uma quantidade considerável de pentoses, sendo o açúcar predominante a xilose. Os lenhosulfonatos foram purificados, isolados e caracterizados por química molhada (titulação potenciométrica e oxidação com permanganato), análise elementar, espectroscopia de ultravioleta/visível (UV/Vis), espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão (RMN de 1H) e carbono (RMN de 13C), espectrometria de massa de ionização por electrospray (ESI-MS), cromatografia de permeação em gel (GPC), termogavimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Os lenhosulfonatos são constituídos principalmente por unidades S, são parcialmente sulfonados e possuem um peso molecular relativamente baixo (Mw = 1250-2400 Da). A ruptura das ligações β-O-4 e α-O-4 da lenhina do Eucalyptus globulus após cozimento ao sulfito ácido originam olígomeros de baixo peso molecular cuja estrutura foi elucidada por RMN 1D/2D e ESI-MS. A degradação térmica dos lenhosulfonatos apresentou dois máximos de degradação a 188-190ºC e a 315-380ºC. As curvas de DSC mostraram um pico endotérmico para temperaturas inferiores a 130ºC e um pico exotérmico a 300-500ºC. Os lenhosulfonatos foram despolimerizados na presença de oxigénio molecular em meio alcalino. Os produtos de oxidação principais foram o aldeído siríngico, a vanilina, o ácido vanílico e o ácido siríngico. A adição do catalisador (sal de cobre) promoveu a oxidação dos lenhosulfonatos aumentando o rendimento dos aldeídos aromáticos (< 50%). A presença de açúcares nos lenhosulfonatos teve um efeito negativo no rendimento dos produtos de oxidação principais. Alguns compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos foram polimerizados por poliadição (catiónica e radicalar) e policondensação. Os monómeros e os polímeros foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier e reflectância total atenuada (FTIR-ATR), RMN em solução e no estado sólido, UV/Vis no estado sólido, GPC, difracção de raios-X (XRD), TGA e DSC. Os compostos modelo estudados foram os estirenos metoxi-substituídos (p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno) e os ácidos hidroxi aromáticos metoxi-substituídos (ácido vanílico e ácido siríngico). O 3,4-dimetoxiestireno foi ainda copolimerizado com o éter isobutil vinílico e os seus copolímeros foram desmetilados, assim como, o poli(p-metoxiestireno) e o poli(3,4-dimetoxiestireno). A polimerização catiónica do p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno é mais rápida e mais completa do que a polimerização radicalar produzindo polímeros com pesos moleculares elevados. O poli(p-metoxiestireno) (Mw = 235000 Da) possui um peso molecular maior do que o poli(3,4-dimetoxiestireno) (Mw = 18800 Da). A estabilidade térmica e a temperatura de transição vítrea diminuiram com a presença do segundo grupo metoxilo. A desmetilação dos homopolímeros foi bem sucedida, tendo sido corroborada por FTIR-ATR e RMN. A policondensação do ácido siríngico foi dificultada pela presença do segundo grupo metoxilo, tendo sido necessário adicionar uma maior quantidade do agente de condensação devido a factores estéricos. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) são insolúveis na maior parte dos solventes orgânicos, sendo parcialmente solúveis em clorofórmio, ácido triflúoracético, 1,1,2,2- tetracloroetano, dimetilsulfóxido, tetrahidrofurano, N,N’-dimetilformamida e 1,1,1,3,3,3-hexaflúor-2-propanol. A estabilidade térmica diminuiu com a presença do segundo grupo metoxilo e os dois polímeros não exibiram temperatura de transição vítrea. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) apresentaram uma estrutura muito cristalina (grau de cristalinidade 70% e 50%, respectivamente). O segundo grupo metoxilo aumentou o valor da absorvância, mas a forma do espectro de UV/Vis foi similar. A polimerização catiónica do éter isobutil vinílico resultou na produção de um polímero muito viscoso com peso molecular elevado (Mw = 20400 Da). A degradação térmica do polímero ocorreu em várias gamas de temperatura e foi completa (0% de resíduo a 800ºC). A copolimerização catiónica do 3,4-dimetoxiestireno com o éter isobutil vinílico foi realizada com proporções diferentes 80:20, 50:50 e 20:80. Os copolímeros apresentaram uma viscosidade elevada e um peso molecular baixo (Mw = 2000-4000 Da) que aumentou com a quantidade de éter isobutil vinílico. A degradação térmica dos copolímeros ocorreu também em várias gamas de temperatura, sendo a sua degradação completa (0,9-1,5% de resíduo a 800ºC). A desmetilação dos copolímeros não foi bem sucedida, tendo sido confirmada por FTIR-ATR e RMN.

Preparation of new materials by heterogeneous modification of cellulose

O presente trabalho teve como principal objectivo estudar a modificação química heterogénea controlada de fibras de celulose com diferentes reagentes de modo a alterar as suas propriedades de superfície, em especial em termos da criação de um carácter hidrofóbico e lipofóbico, preservando, sempre que possível, as suas propriedades mecânicas e, consequentemente, abrindo novas perspectivas de aplicação. O desenvolvimento do trabalho envolveu três abordagens principais, envolvendo, em cada caso, o estudo de diferentes condições reaccionais. Na primeira abordagem foram utilizados como reagentes de modificação compostos perfluorados, nomeadamente o anidrido trifluoroacético (TFAA), o cloreto de 2,3,4,5,6-pentafluorobenzoílo (PFBz) e o cloreto de 3,3,3- trifluoropropanoílo (TFP), para promover a acilação heterogénea da superfície das fibras. A segunda estratégia usada consistiu na preparação de híbridos de celulose do tipo orgânico-inorgânico classe-II, através da modificação das fibras de celulose com o (3-isocianatopropil)trietoxissilano (ICPTEOS), um reagente organossilano bifuncional. A ligação às fibras de celulose foi efectuada através das funções isocianato e, posteriormente, os grupos etoxissilano foram sujeitos a tratamentos de hidrólise ácida, como tal ou na presença de outros siloxanos, nomeadamente o tetraetoxissilano (TEOS) e o 1H,1H,2H,2Hperfluorodeciltrietoxissilano (PFDTEOS). Finalmente, a última abordagem foi baseada na modificação das fibras com triclorometilssilano (TCMS), através de uma reacção gás-sólido, que dispensou assim o uso de solventes orgânicos. A ocorrência de modificação química foi em cada caso confirmada por Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier e Reflectância Total Atenuada (FTIR-ATR), Análise Elementar (EA) e determinação de ângulos de contacto. Adicionalmente, e dependendo de cada caso específico, diversas outras técnicas foram empregues na caracterização aprofundada dos materiais preparados, nomeadamente Ressonância Magnética Nuclear CPMAS no Estado Sólido (RMN), Espectroscopia de Difracção de Raios-X (XRD), Análise Termogravimétrica (TGA), Espectrometria de Massa de Iões Secundários com Análise de Tempo de Vôo (ToF-SIMS), Espectroscopia Fotoelectrónica de Raios-X (XPS) e Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM). Relativamente à acilação das fibras de celulose com reagentes perfluorados, o sucesso da reacção foi comprovado por FTIR-ATR, EA, XPS e ToF-SIMS. Neste contexto, obtiveram-se fibras modificadas possuindo graus de substituição (DS) compreendidos entre 0.006 e 0.39. Verificou-se por XRD que, em geral, mesmo para os valores de DS mais elevados, a cristalinidade das fibras não foi afectada, indicando que a modificação foi limitada às camadas mais superficiais das mesmas ou a regiões amorfas das suas camadas mais internas. Adicionalmente, observou-se por ToF-SIMS que a distribuição dos grupos perfluorados à superfície das fibras foi, de facto, bastante heterogénea. Todos os derivados de celulose perfluorados apresentaram elevada hidrofobicidade e lipofobicidade, tendo-se atingido ângulos de contacto com água e diiodometano de 126º e 104º, respectivamente. Um aspecto interessante relativo a estes materiais é que a elevada omnifobicidade foi observada mesmo para valores de DS muito reduzidos, não se mostrando significativamente afectada pelo aumento dos mesmos. Em consonância, verificou-se por XPS que a cobertura da superfície das fibras de celulose com grupos perfluorados aumentou apenas ligeiramente com o aumento do DS, apontando para a esterificação de camadas mais internas das fibras, associada, neste caso, predominantemente aos seus domínios amorfos. No que diz respeito à estabilidade hidrolítica destes derivados, obtiveram-se dois tipos distintos de comportamento. Por um lado, as fibras de celulose trifluoroacetiladas são facilmente hidrolisáveis em meio neutro, e, por outro, as fibras pentafluorobenzoiladas e trifluoropropanoiladas mostram-se bastante resistentes face a condições de hidrólise em meio neutro e ácido (pH 4), podendo, contudo, ser facilmente hidrolisadas em meio alcalino (pH 9 e 12, para derivados do PFBz e do TFP, respectivamente). Na segunda abordagem verificou-se a ocorrência de reacção por FTIR-ATR e EA. Em geral, a modificação química com ICPTEOS ocorre predominantemente nas zonas mais superficiais das fibras de celulose ou em regiões amorfas. Contudo, em condições reaccionais mais severas (maior quantidade de reagente e tempo de reacção), esta atingiu também regiões cristalinas, afectando, consequentemente, a estrutura cristalina das fibras, como verificado por XRD. Por RMN de 29Si observou-se que após reacção com o ICPTEOS já existiam indícios de alguma hidrólise dos grupos etoxissilano, e que a sua subsequente condensação parcial tinha levado à formação de uma película inorgânica em redor das fibras (verificado por SEM), constituída maioritariamente por estruturas lineares, com uma contribuição mais modesta de estruturas “diméricas” e outras mais ramificadas. Consequentemente, este revestimento inorgânico transformou as fibras de celulose em materiais híbridos com elevada hidrofobicidade (ângulos de contacto com água entre 103-129º). A hidrólise ácida dos restantes grupos etoxissilano, como tal ou na presença de TEOS, originou híbridos de celulose com elevada hidrofilicidade, sendo impossível medirem-se os ângulos de contacto com água dos produtos finais, devido à presença maioritária de grupos silanol (Si-OH) e ligações Si-O-Si à superfície, os quais contribuíram para o consequente aumento de energia de superfície. No entanto, quando a hidrólise foi realizada na presença de PFDTEOS, obtiveram-se materiais híbridos com elevada hidrofobicidade e lipofobicidade (ângulos de contacto com água e diiodometano de 140º e 134º, respectivamente), devido à combinação da presença de grupos perfluorados e micro- e nano-rugosidades na superfície das fibras de celulose, conforme confirmado por SEM. Finalmente, a última abordagem permitiu preparar materiais derivados de celulose altamente hidrofóbicos e lipofóbicos (ângulos de contacto com água e diiodometano de 136º e 109º, respectivamente) por um processo simples, envolvendo tempos de tratamento tão curtos como 0.5 min. Este comportamento omnifóbico foi gerado pelo efeito sinergético entre a diminuição de energia de superfície das fibras, devido à presença de grupos metilo dos resíduos de TCMS ligados a estas, e a condensação dos resíduos de TCMS na forma de micro- e nano-partículas inorgânicas, que levou à criação de um revestimento rugoso à superfície das fibras, conforme observado por RMN de 29Si e SEM, respectivamente. A pré-humidificação das fibras de celulose demonstrou desempenhar um importante papel de “acelerador” dos processos de hidrólise e condensação das moléculas de TCMS. Nestas condições, o tempo de tratamento foi um dos parâmetros mais relevantes, pois para tempos de tratamento muito curtos (0.5 min) os materiais resultantes não apresentaram quaisquer diferenças a nível de propriedades físico-químicas em relação ao substrato de partida (a humidade em excesso consumiu todo o TCMS antes que este conseguisse reagir com os grupos hidroxilo das fibras de celulose), possuindo, por exemplo, valores de ângulos de contacto com água idênticos. Para tempos de tratamento mais longos, como 30 min, os materiais finais apresentaram a maior quantidade de componentes inorgânicos, tal como verificado por EA e TGA. Assim, o controlo da humidade das fibras é imperativo para se poder moldar as propriedades finais dos produtos. Esta última abordagem é particularmente promissora uma vez que tem como base um sistema simples e “verde” que pode ser facilmente implementado. Em conclusão, este trabalho permitiu demonstrar que a modificação química heterogénea controlada das fibras de celulose representa uma iniciativa promissora para a preparação de novos materiais obtidos a partir de recursos renováveis, com propriedades interessantes e passíveis de ser potencialmente aplicados em diferentes áreas. Para além do mais, as estratégias de modificação estudadas podem também ser precursoras de novos estudos que possam vir a ser desenvolvidos dentro do mesmo âmbito.

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

Metabonomics of human amniotic fluid for prenatal diagnostics

O trabalho apresentado nesta tese teve como principais objectivos contribuir para o conhecimento da composição do líquido amniótico humano (LA), colhido no 2º trimestre de gravidez, assim como investigar possíveis alterações na sua composição devido à ocorrência de patologias pré-natais, recorrendo à metabonómica e procurando, assim, definir novos biomarcadores de doenças da grávida e do feto. Após uma introdução descrevendo o estado da arte relacionado com este trabalho (Capítulo 1) e os princípios das metodologias analíticas usadas (Capítulo 2), seguida de uma descrição dos aspectos experimentais associados a esta tese (Capítulo 3), apresentam-se os resultados da caracterização da composição química do LA (gravidez saudável) por espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), assim como da monitorização da sua estabilidade durante o armazenamento e após ciclos de congelamento-descongelamento (Capítulo 4). Amostras de LA armazenadas a -20°C registaram alterações significativas, tornando-se estas menos pronunciadas (mas ainda mensuráveis) a -70°C, temperatura recomendada para o armazenamento de LA. Foram também observadas alterações de composição após 1-2 ciclos de congelamento-descongelamento (a ter em conta aquando da reutilização de amostras), assim como à temperatura ambiente (indicando um período máximo de 4h para a manipulação e análise de LA). A aquisição de espectros de RMN de 1H de alta resolução e RMN acoplado (LC-NMR/MS) permitiu a detecção de 75 compostos no LA do 2º trimestre, 6 dos quais detectados pela primeira vez no LA. Experiências de difusão (DOSY) permitiram ainda a caracterização das velocidades de difusão e massas moleculares médias das proteínas mais abundantes. O Capítulo 5 descreve o estudo dos efeitos de malformações fetais (FM) e de cromossomopatias (CD) na composição do LA do 2º trimestre de gravidez. A extensão deste trabalho ao estudo dos efeitos de patologias no LA que ocorrem no 3º trimestre de gravidez é descrita no Capítulo 6, nomeadamente no que se refere ao parto pré-termo (PTD), pré-eclampsia (PE), restrição do crescimento intra-uterino (IUGR), ruptura prematura de membranas (PROM) e diabetes mellitus gestacional (GDM). Como complemento a estes estudos, realizou-se uma análise preliminar da urina materna do 2º trimestre para o estudo de FM e GDM, descrita no Capítulo 7. Para interpretação dos dados analíticos, obtidos por espectroscopia RMN de 1H, cromatografia líquida de ultra eficiência acoplada a espectrometria de massa (UPLC-MS) e espectroscopia do infravermelho médio (MIR), recorreu-se à análise discriminante pelos métodos dos mínimos quadrados parciais e o método dos mínimos quadrados parciais ortogonal (PLS-DA e OPLS-DA) e à correlação espectral. Após análise por validação cruzada de Monte-Carlo (MCCV), os modelos PLS-DA de LA permitiram distinguir as FM dos controlos (sensibilidades 69-85%, especificidades 80-95%, taxas de classificação 80-90%), revelando variações metabólicas ao nível do metabolismo energético, dos metabolismos dos aminoácidos e glícidos assim como possíveis alterações ao nível do funcionamento renal. Observou-se também um grande impacto das FM no perfil metabólico da urina materna (medido por UPLC-MS), tendo no entanto sido registados modelos PLS-DA com menor sensibilidade (40-60%), provavelmente devido ao baixo número de amostras e maior variabilidade da composição da urina (relativamente ao LA). Foram sugeridos possíveis marcadores relacionados com a ocorrência de FM, incluindo lactato, glucose, leucina, valina, glutamina, glutamato, glicoproteínas e conjugados de ácido glucurónico e/ou sulfato e compostos endógenos e/ou exógenos (<1 M) (os últimos visíveis apenas na urina). No LA foram também observadas variações metabólicas devido à ocorrência de vários tipos de cromossomopatias (CD), mas de menor magnitude. Os perfis metabólicos de LA associado a pré- PTD produziram modelos que, apesar do baixo poder de previsão, sugeriram alterações precoces no funcionamento da unidade fetoplacentária, hiperglicémia e stress oxidativo. Os modelos obtidos para os grupos pré- IUGR pré- PE, pré- PROM e pré-diagnóstico GDM (LA e urina materna) registaram baixo poder de previsão, indicando o pouco impacto destas condições na composição do LA e/ou urina do 2º trimestre. Os resultados obtidos demonstram as potencialidades da análise dos perfis metabólicos do LA (e, embora com base em menos estudos, da urina materna) do 2º trimestre para o desenvolvimento de novos e complementares métodos de diagnóstico, nomeadamente para FM e PTD.

Test and development of microcapsules for rigid polyurethane foam

Tese de mestrado em Química Tecnológica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

Enzymatic grafting: A novel approach to develop multifunctional materials of interest

Today more than 99% of plastics are petroleum-based because of the availability and cost of the raw material. The durability of disposed plastics contributes to the environmental problems as waste and their persistence in the environment causes deleterious effects on the ecosystem. Environmental pollution awareness and the demand for green technology have drawn considerable attention of both academia and industry into biodegradable polymers. In this regard green chemistry technology has the potential to provide solution to this issue. Enzymatic grafting has recently been the focus of green chemistry technologies due to the growing environmental concerns, legal restrictions, and increasing availability of scientific knowledge. Over the last several years, research covering various applications of robust enzymes like laccases and lipases has been increased rapidly, particularly in the field of polymer science, to graft multi-functional materials of interest. In principle, enzyme-assisted grafting may modify/impart a variety of functionalities to the grafted composites which individual materials fail to demonstrate on their own. The modified polymers through grafting have a bright future and their development is practically boundless. In the present study series of graft composites with poly(3-hydroxybutyrate) (P(3HB) as side chain and cellulose as a backbone polymer were successfully synthesised by introducing enzymatic grafting technique where laccase and lipase were used as model catalysts [1-3]. Subsequently, the resulting composites were removed from the casting surface under ambient environment and characterised by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD) in detail. Moreover, the thermo-mechanical behaviours of the grafted composites were investigated by differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analyser (DMA) measurements, respectively. In addition, hydrophobic and hydrophilic characteristics of the grafted polymers were studied through drop contour analysis using water contact angle (WCA). In comparison to the individual counterparts improvement was observed in the thermo- mechanical properties of the composites to varied extent. The tensile strength, elongation at break, and Young’s modulus values of the composites reached their highest levels in comparison to the films prepared with pure P(3HB) only which was too fragile to measure any of the above said characteristics. Interestingly, untreated P(3HB) was hydrophobic in nature and after lipase treatment P(3HB) and P(3HB)-EC-based graft composite attained higher level of hydrophilicity. This is a desired characteristic that enhances the biocompatibility of the materials for proper cell adhesion and proliferation therefore suggesting potential candidates for tissue engineering/bio-medical type applications [3]. The present research will be a first step in the biopolymer modification. To date no report has been found in literature explaining the laccase/lipase assisted grafting of P(3HB) [1-3]. The newly grafted composites exhibit unique functionalities with wider range of potential applications in bio-plastics, pharmaceutical, and cosmetics industries, tissue engineering, and biosensors. [1] H.M.N. Iqbal, G. Kyazze, T. Tron and T. Keshavarz, Cellulose 21, 3613-3621 (2014). [2] H.M.N. Iqbal, G. Kyazze, T. Tron and T. Keshavarz, Carbohydrate Polymers 113, 131-137 (2014). [3] H.M.N. Iqbal, G. Kyazze, T. Tron and T. Keshavarz, Polymer Chemistry In-Press, DOI: 10.1039/C4PY0 0857J (2014).

Electrochemical biosensor based on biomimetic material for myoglobin detection

A novel reusable molecularly imprinted polymer (MIP) assembled on a polymeric layer of carboxylated poly(vinyl chloride) (PVCsingle bondCOOH) for myoglobin (Myo) detection was developed. This polymer was casted on the gold working area of a screen printed electrode (Au-SPE), creating a novel disposable device relying on plastic antibodies. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) studies confirmed the surface modification. The MIP/Au-SPE devices displayed a linear behaviour in EIS from 0.852 to 4.26 μg mL−1, of positive slope 6.50 ± 1.48 (kΩ mL μg−1). The limit of detection was 2.25 μg mL−1. Square wave voltammetric (SWV) assays were made in parallel and showed linear responses between 1.1 and 2.98 μg mL−1. A current decrease was observed against Myo concentration, producing average slopes of −0.28 ± 0.038 μA mL μg−1. MIP/Au-SPE also showed good results in terms of selectivity. The error% found for each interfering species were 7% for troponin T (TnT), 11% for bovine serum albumin (BSA) and 2% for creatine kinase MB (CKMB), respectively. Overall, the technical modification over the Au-SPE was found a suitable approach for screening Myo in biological fluids.

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.

Engineering bio-based polymers using alternative solvents and processes

The work presented in this thesis explores novel routes for the processing of bio-based polymers, developing a sustainable approach based on the use of alternative solvents such as supercritical carbon dioxide (scCO2), ionic liquids (ILs) and deep eutectic solvents (DES). The feasibility to produce polymeric foams via supercritical fluid (SCF) foaming, combined with these solvents was assessed, in order to replace conventional foaming techniques that use toxic and harmful solvents. A polymer processing methodology is presented, based on SCF foaming and using scCO2 as a foaming agent. The SCF foaming of different starch based polymeric blends was performed, namely starch/poly(lactic acid) (SPLA) and starch/poly(ε-caprolactone) (SPCL). The foaming process is based on the fact that CO2 molecules can dissolve in the polymer, changing their mechanical properties and after suitable depressurization, are able to create a foamed (porous) material. In these polymer blends, CO2 presents limited solubility and in order to enhance the foaming effect, two different imidazolium based ILs (IBILs) were combined with this process, by doping the blends with IL. The use of ILs proved useful and improved the foaming effect in these starch-based polymer blends. Infrared spectroscopy (FTIR-ATR) proved the existence of interactions between the polymer blend SPLA and ILs, which in turn diminish the forces that hold the polymeric structure. This is directly related with the ability of ILs to dissolve more CO2. This is also clear from the sorption experiments results, where the obtained apparent sorption coefficients in presence of IL are higher compared to the ones of the blend SPLA without IL. The doping of SPCL with ILs was also performed. The foaming of the blend was achieved and resulted in porous materials with conductivity values close to the ones of pure ILs. This can open doors to applications as self-supported conductive materials. A different type of solvents were also used in the previously presented processing method. If different applications of the bio-based polymers are envisaged, replacing ILs must be considered, especially due to the poor sustainability of some ILs and the fact that there is not a well-established toxicity profile. In this work natural DES – NADES – were the solvents of choice. They present some advantages relatively to ILs since they are easy to produce, cheaper, biodegradable and often biocompatible, mainly due to the fact that they are composed of primary metabolites such as sugars, carboxylic acids and amino-acids. NADES were prepared and their physicochemical properties were assessed, namely the thermal behavior, conductivity, density, viscosity and polarity. With this study, it became clear that these properties can vary with the composition of NADES, as well as with their initial water content. The use of NADES in the SCF foaming of SPCL, acting as foaming agent, was also performed and proved successful. The SPCL structure obtained after SCF foaming presented enhanced characteristics (such as porosity) when compared with the ones obtained using ILs as foaming enhancers. DES constituted by therapeutic compounds (THEDES) were also prepared. The combination of choline chloride-mandelic acid, and menthol-ibuprofen, resulted in THEDES with thermal behavior very distinct from the one of their components. The foaming of SPCL with THEDES was successful, and the impregnation of THEDES in SPCL matrices via SCF foaming was successful, and a controlled release system was obtained in the case of menthol-ibuprofen THEDES.

Identification of a novel determinant for membrane association in hepatitis C virus nonstructural protein 4B.

Nonstructural protein 4B (NS4B) plays an essential role in the formation of the hepatitis C virus (HCV) replication complex. It is a relatively poorly characterized integral membrane protein predicted to comprise four transmembrane segments in its central portion. Here, we describe a novel determinant for membrane association represented by amino acids (aa) 40 to 69 in the N-terminal portion of NS4B. This segment was sufficient to target and tightly anchor the green fluorescent protein to cellular membranes, as assessed by fluorescence microscopy as well as membrane extraction and flotation analyses. Circular dichroism and nuclear magnetic resonance structural analyses showed that this segment comprises an amphipathic alpha-helix extending from aa 42 to 66. Attenuated total reflection infrared spectroscopy and glycosylation acceptor site tagging revealed that this amphipathic alpha-helix has the potential to traverse the phospholipid bilayer as a transmembrane segment, likely upon oligomerization. Alanine substitution of the fully conserved aromatic residues on the hydrophobic helix side abrogated membrane association of the segment comprising aa 40 to 69 and disrupted the formation of a functional replication complex. These results provide the first atomic resolution structure of an essential membrane-associated determinant of HCV NS4B.