Characterization of water-soluble organic matter from urban aerosols

Water-soluble organic matter (WSOM) from atmospheric particles comprises a complex array of molecular structures that play an important role on the physic-chemical properties of atmospheric particles and, therefore, are linked to several global-relevant atmospheric processes which impact the climate and public health. Due to the large variety of sources and formation processes, adequate knowledge on WSOM composition and its effects on the properties of atmospheric aerosol are still limited. Therefore, this thesis aims at providing new insights on the molecular composition of WSOM from fine atmospheric aerosols typical of an urban area (Aveiro, Portugal). In a first step, adsorption phenomena of semivolatile organic compounds on quartz fibre filters employed in the collection of atmospheric aerosols were assessed. Afterwards, atmospheric aerosol samples were collected during fifteen months, on a weekly basis. A mass balance of aerosol samples was performed in order to set the relative contribution of elemental carbon, WSOM and water-insoluble organic matter to the aerosol mass collected at the urban area of Aveiro, with a special focus on the assessment of the influence of different meteorological conditions. In order to assess the chemical complexity of the WSOM from urban aerosols, their structural characteristics were studied by means of Fourier transform infrared infrared - Attenuated Total Reflectance (FTIR-ATR) and solid-state cross polarization with magic angle spinning 13C nuclear magnetic resonance (CPMAS 13C NMR) spectroscopies, as well as their elemental composition. The structural characterization of aerosol WSOM samples collected in the urban area highlighted a highly complex mixture of functional groups. It was concluded that aliphatic and aromatic structures, hydroxyl groups and carboxyl groups are characteristic to all samples. The semi-quantitative assessment of the CPMAS 13C NMR data showed different distributions of the various functional groups between the aerosol samples collected at different seasons. Moreover, the presence of signals typical of lignin-derived structures in both CPMAS 13C NMR and FTIR-ATR spectra of the WSOM samples from the colder seasons, highlights the major contribution of biomass burning processes in domestic fireplaces, during low temperature conditions, into the bulk chemical properties of WSOM from urban aerosols. A comprehensive two-dimensional liquid chromatography (LC x LC) method, on-line coupled to a diode array, fluorescence, and evaporative light scattering detectors, was employed for resolving the chemical heterogeneity of the aerosol WSOM samples and, simultaneously, to map the hydrophobicity versus the molecular weight distribution of the samples. The LC x LC method employed a mixed-mode hydrophilic interaction column operating under aqueous reversed phase mode in the first dimension, and a size-exclusion column in the second dimension, which was found to be useful for separating the aerosol WSOM samples into various fractions with distinct molecular weight and hydrophobic features. The estimative of the average molecular weight (Mw) distribution of the urban aerosol WSOM samples ranged from 48 to 942 Da and from 45 to 1241 Da in terms of UV absorption and fluorescence detection, respectively. Findings suggest that smaller Mw group fractions seem to be related to a more hydrophobic nature.

Nanocomposites as probes for biodetection by SERS

The present work aimed to explore the potential of new nanocomposites based on carbon nanostructures and metal nanoparticles for the detection of biomolecules through surface enhanced Raman scattering (SERS). In a first step, polyvinyl alcohol composites were prepared incorporating silver nanoparticles by two different reduction procedures. At first without introduction of carbon nanostructures. These composites showed good results for the SERS identification of nucleic acids. Next, the synthesis and characterization of graphene oxide was studied to be used in the preparation of silver and gold nanocomposites. The reduction of this nanomaterial with different chemical agents was explored, since its reduction degree may be a determinant factor for the application envisaged (biomolecules interaction). The preparation of the nanocomposites with silver and gold was performed with different reducing agents. The SERS activity of these new nanocomposites was then explored in the presence of different analytes, varying the experimental conditions for Raman spectra acquisition. It was interesting to verify that the silver containing nanocomposites presented the particularity to intensify the graphene D and G bands. It is also important to highlight that a new eco-friendly reducing agent was tested for the synthesis of the graphene oxide composites, an Eucalyptus Globulus extract. Other variable introduced was the preparation of gold nanostars synthesized with hydroxylamine in the presence of graphene oxide, which allowed the preparation of a new nanocomposite with SERS potential. Fibrous membranes were also prepared by electrospinning with the aim to prepare SERS supports with adequate topography and porosity for the formation of nanoparticles agglomerates for the creation of the so-called hot-spots and also to allow the penetration of the analyte molecules. The polymers polyvinyl alcohol and polyacrylonitrile were selected for electrospinning. Using this technique, electrospun mantles with silver and gold nanoparticles and nanocomposites were prepared. Several variables were studied, such as the introduction of the nano-fillers during the electrospinning process, later deposition of the nano-fillers on the simple electrospun polymeric fibres and surface functionalization of the simple polymeric membranes to link the nano-fillers. At last, the potentialities of using carbon nanotubes forests, produced by chemical vapor deposition and coated with gold film by sputtering, as new SERS substrates were explored. It was found that the SERS detection of DNA bases and ADN itself is possible using these substrates.

Diamond microelectrodes for corrosion studies

Este trabalho teve como objetivos a produção, caracterização e aplicação de microelétrodos (MEs) de diamante como sensores amperométricos e potenciométricos em sistemas de corrosão nos quais a agressividade do meio e a presença de produtos de corrosão, constituem obstáculos que podem diminuir o desempenho, ou inviabilizar a utilização, de outros tipos de sensores. Os microeléctrodos são baseados em filmes finos de diamante dopado com boro (BDD – Boron Doped Diamond) depositados sobre fios de tungsténio afiados, através do método de deposição química a partir da fase vapor, assistida por filamento quente (HFCVD – Hot Filament Chemical Vapor Deposition). A otimização das diversas etapas de fabricação dos MEs deu origem ao desenvolvimento de um novo sistema de afiamento eletroquímico para obtenção destes fios e a várias opções para a obtenção dos filmes de diamante condutor e seu isolamento com resinas para exposição apenas da ponta cilíndrica. A qualidade cristalina dos filmes de diamante foi avaliada por espectroscopia de Raman. Esta informação foi complementada com uma caracterização microestrutural dos filmes de diamante por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), em que se fez a identificação da tipologia dos cristais como pertencendo às gamas de diamante nanocristalino ou microcristalino. Os filmes de BDD foram utilizados na sua forma não modificada, com terminações em hidrogénio e também com modificação da superfície através de tratamentos de plasma RF de CF4 e O2 indutores de terminações C-F no primeiro caso e de grupos C=O, C-O-C e C-OH no segundo, tal como determinado por XPS. A caracterização eletroquímica dos MEs não modificados revelou uma resposta voltamétrica com elevada razão sinal/ruído e baixa corrente capacitiva, numa gama de polarização quasi-ideal com extensão de 3 V a 4 V, dependente dos parâmetros de crescimento e pós-tratamentos de superfície. Estudou-se a reversibilidade de algumas reações heterogéneas com os pares redox Fe(CN)6 3-/4- e FcOH0/+ e verificou-se que a constante cinética, k0, é mais elevada em elétrodos com terminações em hidrogénio, nos quais não se procedeu a qualquer modificação da superfície. Estes MEs não modificados foram também testados na deteção de Zn2+ onde se observou, por voltametria cíclica, que a detecção da redução deste ião é linear numa escala log-log na gama de 10-5-10-2 M em 5 mM NaCl. Realizaram-se também estudos em sistemas de corrosão modelares, em que os microeléctrodos foram usados como sensores amperométricos para mapear a distribuição de oxigénio e Zn2+ sobre um par galvânico Zn-Fe, com recurso a um sistema SVET (Scanning Vibrating Electrode Technique). Foi possível detetar, com resolução lateral de 100 μm, um decréscimo da concentração de O2 junto a ambos os metais e produção de catiões de zinco no ânodo. Contudo verificou-se uma significativa deposição de zinco metálico na superfície dos ME utilizados. Os MEs com superfície modificada por plasma de CF4 foram testados como sensores de oxigénio dissolvido. A calibração dos microeléctrodos foi efetuada simultaneamente por voltametria cíclica e medição óptica através de um sensor de oxigénio comercial. Determinou-se uma sensibilidade de ~0.1422 nA/μM, com um limite de deteção de 0.63 μM. Os MEs modificados com CF4 foram também testados como sensores amperométricos com os quais se observou sensibilidade ao oxigénio dissolvido em solução, tendo sido igualmente utilizados durante a corrosão galvânica de pares Zn-Fe. Em alguns casos foi conseguida sensibilidade ao ião Zn2+ sem que o efeito da contaminação superficial com zinco metálico se fizesse sentir. Os microeléctrodos tratados em plasma de CF4 permitem uma boa deteção da distribuição de oxigénio, exibindo uma resposta mais rápida que os não tratados além de maior estabilidade de medição e durabilidade. Nos MEs em que a superfície foi modificada com plasma de O2 foi possível detetar, por cronopotenciometria a corrente nula, uma sensibilidade ao pH de ~51 mV/pH numa gama de pH 2 a pH 12. Este comportamento foi associado à contribuição determinante de grupos C-O e C=O, observados por XPS com uma razão O/C de 0,16. Estes MEs foram igualmente testados durante a corrosão galvânica do par Zn-Fe onde foi possível mapear a distribuição de pH associada ao desenvolvimento de regiões alcalinas causadas pela redução do oxigénio, acima da região catódica, e de regiões ácidas decorrentes da dissolução anódica do ânodo de zinco. Com o par galvânico imerso em 50 mM NaCl registou-se uma variação de pH aproximadamente entre 4,8 acima do ânodo de zinco a 9,3 sobre o cátodo de ferro. A utilização pioneira destes MEs como sensores de pH é uma alternativa promissora aos elétrodos baseados em membranas seletivas.

Structural analysis of glycans and development of microarrays from Helcobacter pylori cell surface glycome

Helicobacter pylori is a bacterial pathogen that affects more than half of the world’s population with gastro-intestinal diseases and is associated with gastric cancer. The cell surface of H. pylori is decorated with lipopolysaccharides (LPSs) composed of three distinct regions: a variable polysaccharide moiety (O-chain), a structurally conserved core oligosaccharide, and a lipid A region that anchors the LPS to the cell membrane. The O-chain of H. pylori LPS, exhibits unique oligosaccharide structures, such as Lewis (Le) antigens, similar to those present in the gastric mucosa and are involved in interactions with the host. Glucan, heptoglycan, and riban domains are present in the outer core region of some H. pylori LPSs. Amylose-like glycans and mannans are also constituents of some H. pylori strains, possibly co-expressed with LPSs. The complexity of H. pylori LPSs has hampered the establishment of accurate structure-function relationships in interactions with the host, and the design of carbohydrate-based therapeutics, such as vaccines. Carbohydrate microarrays are recent powerful and sensitive tools for studying carbohydrate antigens and, since their emergence, are providing insights into the function of carbohydrates and their involvement in pathogen-host interactions. The major goals of this thesis were the structural analysis of LPSs from H. pylori strains isolated from gastric biopsies of symptomatic Portuguese patients and the construction of a novel pathogen carbohydrate microarray of these LPSs (H. pylori LPS microarray) for interaction studies with proteins. LPSs were extracted from the cell surface of five H. pylori clinical isolates and one NCTC strain (26695) by phenol/water method, fractionated by size exclusion chromatography and analysed by gas chromatography coupled to mass spectrometry. The oligosaccharides released after mild acid treatment of the LPS were analysed by electrospray mass spectrometry. In addition to the conserved core oligosaccharide moieties, structural analyses revealed the presence of type-2 Lex and Ley antigens and N-acetyllactosamine (LacNAc) sequences, typically found in H. pylori strains. Also, the presence of O-6 linked glucose residues, particularly in LPSs from strains 2191 and NCTC 26695, pointed out to the expression of a 6-glucan. Other structural domains, namely ribans, composed of O-2 linked ribofuranose residues were observed in the LPS of most of H. pylori clinical isolates. For the LPS from strain 14382, large amounts of O-3 linked galactose units, pointing to the occurrence of a galactan, a domain recently identified in the LPS of another H. pylori strain. A particular feature to the LPSs from strains 2191 and CI-117 was the detection of large amounts of O-4 linked N-acetylglucosamine (GlcNAc) residues, suggesting the presence of chitin-like glycans, which to our knowledge have not been described for H. pylori strains. For the construction of the H. pylori LPS microarray, the structurally analysed LPSs, as well as LPS-derived oligosaccharide fractions, prepared as neoglycolipid (NGL) probes were noncovalently immobilized onto nitrocellulosecoated glass slides. These were printed together with NGLs of selected sequence defined oligosaccharides, bacterial LPSs and polysaccharides. The H. pylori LPS microarray was probed for recognition with carbohydratebinding proteins (CBPs) of known specificity. These included Le and blood group-related monoclonal antibodies (mAbs), plant lectins, a carbohydratebinding module (CBM) and the mammalian immune receptors DC-SIGN and Dectin-1. The analysis of these CBPs provided new information that complemented the structural analyses and was valuable in the quality control of the constructed microarray. Microarray analysis revealed the occurrence of type-2 Lex and Ley, but not type-1 Lea or Leb antigens, supporting the results obtained in the structural analysis. Furthermore, the H. pylori LPSs were recognised by DC-SIGN, a mammalian lectin known to interact with this bacterium through fucosylated Le epitopes expressed in its LPSs. The -fucose-specific lectin UEA-I, showed restricted binding to probes containing type-2 blood group H sequence and to the LPSs from strains CI-117 and 14382. The presence of H-type-2, as well Htype- 1 in the LPSs from these strains, was confirmed using specific mAbs. Although H-type-1 determinant has been reported for H. pylori LPSs, this is the first report of the presence of H-type-2 determinant. Microarray analysis also revealed that plant lectins known to bind 4-linked GlcNAc chitin oligosaccharide sequences bound H. pylori LPSs. STL, which exhibited restricted and strong binding to 4GlcNAc tri- and pentasaccharides, differentially recognised the LPS from the strain CI-117. The chitin sequences recognised in the LPS could be internal, as no binding was detected to this LPS with WGA, known to be specific for nonreducing terminal of 4GlcNAc sequence. Analyses of the H. pylori LPSs by SDS-PAGE and Western blot with STL provided further evidence for the presence of these novel domains in the O-chain region of this LPS. H. pylori LPS microarray was also applied to analysis of two human sera. The first was from a case infected with H. pylori (H. pylori+ CI-5) and the second was from a non-infected control.The analysis revealed a higher IgG-reactivity towards H. pylori LPSs in the H. pylori+ serum, than the control serum. A specific IgG response was observed to the LPS isolated from the CI-5 strain, which caused the infection. The present thesis has contributed to extension of current knowledge on chemical structures of LPS from H. pylori clinical isolates. Furthermore, the H. pylori LPS microarray constructed enabled the study of interactions with host proteins and showed promise as a tool in serological studies of H. pyloriinfected individuals. Thus, it is anticipated that the use of these complementary approaches may contribute to a better understanding of the molecular complexity of the LPSs and their role in pathogenesis.

Controle activo de estruturas adaptativas com sensores e actuadores piezoeléctricos

Nos últimos anos o estudo de estruturas inteligentes tem atraído vários investigadores devido às suas potenciais vantagens numa larga gama de aplicações, tais como controle de forma, supressão de vibrações, atenuação de ruído e detecção de dano. O uso de materiais “inteligentes” tal como os materiais piezoeléctricos na forma de lâminas ou “patches”, embebidas ou coladas na superfície de estruturas construídas de materiais compósitos, permite assim obter estruturas que por um lado são adaptativas e por outro revelam excelentes propriedades mecânicas, aumentando assim bastante o desempenho e a fiabilidade de sistemas estruturais. Os materiais piezoeléctricos têm a propriedade de gerar uma carga eléctrica sob a acção duma carga mecânica e o reverso, isto é, aplicando um campo eléctrico nos elementos piezoeléctricos da estrutura, esta deforma-se. Neste trabalho, é apresentado um modelo de elementos finitos, baseado na teoria clássica de placas, desenvolvido para a análise do controle activo em estática e dinâmica lineares de estruturas integrando sensores e actuadores piezoeléctrico na forma de lâminas, os quais introduzem um grau de liberdade referente ao potencial eléctrico, por cada camada piezoeléctrica do elemento finito. É utilizado método de Newmark para a solução iterativa das equações de equilíbrio. Apresentam-se os resultados obtidos em três exemplos ilustrativos.

Segmentação de imagens acústicas

O processamento de imagem tem entre outras aplicações a melhoria a codificação e o reconhecimento de padrões, pode se citar como exemplos de áreas onde se efectua essa aplicação: o diagnostico medico (raios X, ressonância magnética, ultra som) a detecção remota (aviões e satélites) e a geologia (análise dados sonares e sísmocos).

Optimisation of an aptamer-biosensor to detect C-reactive protein

Dissertação de Mestrado, Engenharia Biológica, Faculdade de Engenharia de Recursos Naturais, Universidade do Algarve, 2009

Estudo do efeito de contaminantes na espécie sentinela, a amêijoa Ruditapes decussatus, por intermédio da análise da expressão proteica: aplicação à monitorização do meio marinho

Tese dout., Ciências e Tecnologias do Ambiente, 2009, Universidade do Algarve

Sub-produtos de desinfecção da água: síntese e caracterização espectroscópica, implementação de metodologias analíticas e estudo da actividade genotóxica

Dissertação de mest., Engenharia Biológica, Faculdade de Engenharia e de Recursos Naturais, Univ. do Algarve, 2008

Spectral analysis of embolic signals

Tese de dout., Engenharia Electrónica e Computação, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ. do Algarve, 2005

Caracterização das capturas de tartaruga careta (Caretta caretta) e influência de parâmetros ambientais e pesqueiros, na pesca dirigida ao espadarte (Xiphias gladius) nos Açores

Dissertação de mest., Estudos Marinhos e Costeiros, Faculdade de Ciências do Mar e Ambiente, Univ. do Algarve, 2005

Farmacovigilância em ambiente hospitalar

As reacções adversas a medicamentos (RAM) encontram-se entre uma das principais causas de morbilidade e mortalidade em muitos países. [1, 2] Assim sendo, torna-se necessário promover uma utilização segura e efectiva dos medicamentos de forma a garantir a segurança do doente. Neste contexto surge a farmacovigilância, a qual se encontra definida pela Organização Mundial de Saúde (OMS) como “a ciência e actividades relacionadas com a detecção, avaliação, compreensão e prevenção dos efeitos adversos ou de quaisquer outros problemas relacionados com os medicamentos”. [3] A farmacovigilância hospitalar constitui um instrumento importante uma vez que neste ambiente é mais provável a ocorrência de RAM graves e de RAM novas e inesperadas, devido à utilização de terapêuticas inovadoras e potencialmente agressivas. [4] Além disso, a posição privilegiada do farmacêutico hospitalar no acompanhamento farmacoterapêutico dos doentes agudos e de grupos de risco (idosos, grávidas e crianças) pode auxiliar na prevenção e detecção de algumas RAM. O objectivo geral desta monografia é caracterizar a farmacovigilância, especialmente em ambiente hospitalar e na perspectiva do farmacêutico

O estado da arte da mamografia, aplicação ao âmbito técnico

A mama é um órgão com um papel preponderante na estética, na imagem corporal e na sexualidade da mulher. O cancro da mama engloba deste modo não só a incerteza e angustia perante a doença, como convoca também questões de auto-estima. O aumento da incidência do cancro da mama nos países ocidentais, torna a Mamografia um exame mais divulgado e indicado ao diagnóstico precoce. Este trabalho tem como principais objectivos promover a investigação na área técnica, conferindo maiores competências ao Técnico Licenciado em Radiologia, na área da Mamografia. O presente trabalho estabelece os conceitos teóricos que definem a Mamografia, abordando as indicações, a física, a técnica de execução correcta de acordo com o manual de boas praticas e o controlo de qualidade. Da revisão sistemática efectuada, conclui-se que o melhor meio para reduzir a mortalidade devido ao cancro da mama é o seu diagnóstico precoce. A detecção da lesão maligna num estado inicial passa pela execução de uma Mamografia, de óptima qualidade e que permita examinar a totalidade do volume mamário. Desde o aparecimento da técnica ocorreram evoluções técnicas importantes, que se abordam neste trabalho. Dada a importância pelo diagnóstico é importante manter parâmetros de qualidade imprescindíveis, pelo que o Controlo de Qualidade é um dos temas também englobados neste trabalho.

Sistemas de antenas MIMO

Os sistemas de rádio comunicação com múltiplas antenas transmissoras (Tx) e receptoras (Rx), também conhecidos como sistemas MIMO (Multiple Input-Multiple Output), são um dos mais importantes avanços nos sistemas de telecomunicações. Estes sistemas tiram vantagem do uso de várias antenas transmissoras e várias antenas receptoras para explorar as propriedades espaciais do canal rádio. O crescimento dramático da capacidade dos canais que os sistemas MIMO vêm acrescentar, faz com que esta tecnologia seja promissora para os futuros serviços de Internet Wireless. Estes sistemas MIMO utilizam diversidade espacial, ou seja, tiram partido da natureza aleatória da propagação das ondas através do multipercurso e na qual réplicas de um sinal são combinadas no receptor com o intuito de se obter maior fiabilidade na detecção desse sinal. Assim sendo, um canal MIMO é o meio por onde se propaga a informação transmitida por este conjunto de antenas. O conceito inerente aos sistemas MIMO passa por combinar os sinais emitidos e recebidos de modo que seja possível melhorar a performance do sistema. Esta melhoria de desempenho irá reflectir-se na maximização dos ritmos de transmissão associados e na melhoria da qualidade de serviço oferecida ao cliente final. Esta tecnologia tem sido aprofundada com o objectivo de se resolver o problema de estrangulamento da capacidade de tráfego nas futuras redes de telecomunicações sem fios. Isto é extremamente importante em sistemas onde a capacidade é bastante limitada devido às características do ambiente de propagação. Existe portanto, um grande interesse em comparar o comportamento, características, vantagens e desvantagens dos vários tipos de sistemas existentes (SISO - Single Input - Single Output, SIMO - Single Input - Multiple Output, MISO - Multiple Input - Single Output, MIMO - Multiple Input - Multiple Output). Torna-se então necessário o estudo dos sistemas de antenas Multiple Input - Multiple Output (MIMO) e as suas vantagens/desvantagens na transmissão de informação relativamente aos sistemas Single Input - Single Output (SISO). Este estudo vem comprovar que a tecnologia MIMO é uma evolução natural para as tecnologias sem fios, visto que existe uma crescente demanda de serviços multimédia e um esforço constante para se aumentar as taxas de transmissão nas redes sem fios. Os sistemas MIMO vêm também dar um enorme contributo à investigação nesta área das telecomunicações.

Estudo de alterações na função salivar de um modelo de ratos pré-diabéticos

A Diabetes Mellitus é uma doença metabólica com uma distribuição mundial cada vez mais acentuada, acarretando consigo, elevada morbilidade e mortalidade. Deste modo, é de suma importância a compreensão e estudo em fases precoces desta doença. Nos últimos anos a saliva tem sido usada como fonte de biomarcadores para detecção e monitorização de doenças. Para além disso, há referencia a alterações na secreção salivar e percepção dos alimentos em indivíduos diabéticos, tornando-se importante um maior conhecimento da função salivar associada a esta patologia. O objectivo geral deste trabalho é estudar a função salivar num modelo de roedores intolerantes à glicose, avaliando-se a concentração proteica total da saliva, morfologia e morfometria das glândulas salivares maiores e expressão da amilase na saliva e glândulas salivares. Não se observam diferenças entre os grupos, para a concentração em proteína total, nem para a expressão de α-amilase, na saliva. Na análise histológica das glândulas salivares maiores é possível observar dimensões significativamente maiores dos ácinos das glândulas analisadas (parótida, submandibular e sublingual), em relação aos animais normoglicémicos, sugerindo o que pode ser o início de uma patologia comum em diabéticos, a sialose (hipertrofia e hiperplasia das glândulas salivares). Através de imunomarcação para a actina observa-se um aumento da expressão de células mioepiteliais na seguinte ordem: parótida, submandibular e sublingual. Não se observam diferenças entre os grupos. A imunomarcação para a α-amilase é mais intensa nos ácinos da parótida, nos ductos granulares da submandibular e nas meias luas serosas da sublingual, em ambos os grupos. Verifica-se uma sobre-expressão nos ductos intralobulares da parótida e nos ductos granulares da sumandibular, nos animais pré-diabéticos, sugerindo alguma endocitose da enzima por parte das células dos ductos. Os resultados obtidos sugerem alterações na função salivar, numa fase prévia ao desenvolvimento da Diabetes Mellitus, as quais merecem ser exploradas.