Development of 2-oxazoline-based hydrogels and porous polyester microparticles in scCO2

Thesis submitted to Faculdade de Ciências e Tecnologia from Universidade Nova de Lisboa in partial fulfillment of the requirements for the obtention of the degree of Master of Science in Biotechnology

Poly(ethylene-co-acrylic acid) random copolymers : amphiphilic properties and self-assembly in aqueous medium

Les travaux de recherche présentés ici avaient pour objectif principal la synthèse de copolymères statistiques à base d’éthylène et d’acide acrylique (AA). Pour cela, la déprotection des groupements esters d’un copolymère statistique précurseur, le poly(éthylène-co-(tert-butyl)acrylate), a été effectuée par hydrolyse à l’aide d’iodure de triméthylsilyle. La synthèse de ce précurseur est réalisée par polymérisation catalytique en présence d’un système à base de Palladium (Pd). Le deuxième objectif a été d’étudier et de caractériser des polymères synthétisés à l’état solide et en suspension colloïdale. Plusieurs copolymères précurseurs comprenant différents pourcentages molaires en tert-butyl acrylate (4 à 12% molaires) ont été synthétisés avec succès, puis déprotégés par hydrolyse pour obtenir des poly(éthylène-coacide acrylique) (pE-co-AA) avec différentes compositions. Seuls les copolymères comprenant 10% molaire ou plus de AA sont solubles dans le Tétrahydrofurane (THF) et uniquement dans ce solvant. De telles solutions peuvent être dialysées dans l’eau, ce qui conduit à un échange lent entre cette dernière et le THF, et l’autoassemblage du copolymère dans l’eau peut ensuite être étudié. C’est ainsi qu’ont pu être observées des nanoparticules stables dans le temps dont le comportement est sensible au pH et à la température. Les polymères synthétisés ont été caractérisés par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) ainsi que par spectroscopie Infra-Rouge (IR), avant et après déprotection. Les pourcentages molaires d’AA ont été déterminés par combinaison des résultats de RMN et ii de titrages conductimètriques. A l’état solide, les échantillons ont été analysés par Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par Diffraction des rayons X. Les solutions colloïdales des polymères pE-co-AA ont été caractérisées par Diffusion dynamique de la lumière et par la DSC-haute sensibilité. De la microscopie électronique à transmission (TEM) a permis de visualiser la forme et la taille des nanoparticules.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.

Characterization of glutaraldehyde-immobilized chymotrypsin and an in-situ immobilized enzyme reactor using capillary electrophoresis-based peptide mapping

La digestion enzymatique des protéines est une méthode de base pour les études protéomiques ainsi que pour le séquençage en mode « bottom-up ». Les enzymes sont ajoutées soit en solution (phase homogène), soit directement sur le gel polyacrylamide selon la méthode déjà utilisée pour l’isolation de la protéine. Les enzymes protéolytiques immobilisées, c’est-à-dire insolubles, offrent plusieurs avantages tels que la réutilisation de l’enzyme, un rapport élevé d’enzyme-sur-substrat, et une intégration facile avec les systèmes fluidiques. Dans cette étude, la chymotrypsine (CT) a été immobilisée par réticulation avec le glutaraldehyde (GA), ce qui crée des particules insolubles. L’efficacité d’immobilisation, déterminée par spectrophotométrie d’absorbance, était de 96% de la masse totale de la CT ajouté. Plusieurs différentes conditions d’immobilisation (i.e., réticulation) tels que la composition/pH du tampon et la masse de CT durant la réticulation ainsi que les différentes conditions d’entreposage tels que la température, durée et humidité pour les particules GA-CT ont été évaluées par comparaison des cartes peptidiques en électrophorèse capillaire (CE) des protéines standards digérées par les particules. Les particules de GA-CT ont été utilisés pour digérer la BSA comme exemple d’une protéine repliée large qui requit une dénaturation préalable à la digestion, et pour digérer la caséine marquée avec de l’isothiocyanate de fluorescéine (FITC) comme exemple d’un substrat dérivé afin de vérifier l’activité enzymatique du GA-CT dans la présence des groupements fluorescents liés au substrat. La cartographie peptidique des digestions par les particules GA-CT a été réalisée par CE avec la détection par absorbance ultraviolet (UV) ou fluorescence induite par laser. La caséine-FITC a été, en effet, digérée par GA-CT au même degré que par la CT libre (i.e., soluble). Un microréacteur enzymatique (IMER) a été fabriqué par immobilisation de la CT dans un capillaire de silice fondu du diamètre interne de 250 µm prétraité avec du 3-aminopropyltriéthoxysilane afin de fonctionnaliser la paroi interne avec les groupements amines. Le GA a été réagit avec les groupements amine puis la CT a été immobilisée par réticulation avec le GA. Les IMERs à base de GA-CT étaient préparé à l’aide d’un système CE automatisé puis utilisé pour digérer la BSA, la myoglobine, un peptide ayant 9 résidus et un dipeptide comme exemples des substrats ayant taille large, moyenne et petite, respectivement. La comparaison des cartes peptidiques des digestats obtenues par CE-UV ou CE-spectrométrie de masse nous permettent d’étudier les conditions d’immobilisation en fonction de la composition et le pH du tampon et le temps de réaction de la réticulation. Une étude par microscopie de fluorescence, un outil utilisé pour examiner l’étendue et les endroits d’immobilisation GA-CT dans l’IMER, ont montré que l’immobilisation a eu lieu majoritairement sur la paroi et que la réticulation ne s’est étendue pas si loin au centre du capillaire qu’anticipée.

Luminescence from Surfactant-Free ZnO Quantum Dots Prepared by Laser Ablation in Liquid

Highly transparent, luminescent and biocompatible ZnO quantum dots were prepared in water, methanol, and ethanol using liquid-phase pulsed laser ablation technique without using any surfactant. Transmission electron microscopy analysis confirmed the formation of good crystalline ZnO quantum dots with a uniform size distribution of 7 nm. The emission wavelength could be varied by varying the native defect chemistry of ZnO quantum dots and the laser fluence. Highly luminescent nontoxic ZnO quantum dots have exciting application potential as florescent probes in biomedical applications.

Scanning Electron Microscopy Studies on Tear and Wear Failure of Short Kevlar Fiber-Thermoplastic- Polyurethane Composite

Tear and wear properties of short kevlar fiber, thermoplastic polcurethane (TPU) composite with respect to fiber loading-and fiber onentation has been studied and the fracture surfaces were examined under scanning electron microscope (SEM). Tear strength first decreased up to 20 phr fiber loading and then gradually increased with increasing fiber loading. Anisotropy in tear strength was evident beyond a fiber loading of 20 phr. Tear fracture surface of unfilled TPU showed sinusoidal folding characteristics of high strength matrix. At low fiber loading the tear failure was mainly due to fibermatrix failure whereas at higher fiber loading the failure occurred by fiber breakage. Abrasion loss shows a continuous rise with increasing fiber loading, the loss in the transverse orientation of fibers being higher than that in the longitudinal orientation. The abraded surface showed lone cracks and ridges parallel to the direction of abrasion indicating an abrasive wear mechanism. In the presence of fber the abrasion loss was mainly due to fiber low.

HRTEM assessment of Wurtzite and Zinc-Blende phases in GaAs nanowires for optoelectronic devices

Màster en Nanociència i Nanotecnologia. Curs 2007-2008. Directors: Francesca Peiró i Martínez and Jordi Arbiol i Cobos

Size effects in the magneto-optical response of Co nanoparticles

A study of the magneto-optical (MO) spectral response of Co nanoparticles embedded in MgO as a function of their size and concentration in the spectral range from 1.4 to 4.3 eV is presented. The nanoparticle layers were obtained by sputtering at different deposition temperatures. Transmission electron microscopy measurements show that the nanoparticles have a complex structure which consists of a crystalline core having a hexagonal close-packed structure and an amorphous crust. Using an effective-medium approximation we have obtained the MO constants of the Co nanoparticles. These MO constants are different from those of continuous Co layers and depend on the size of the crystalline core. We associate these changes with the size effect of the intraband contribution to the MO constants, related to a reduction of the relaxation time of the electrons into the nanoparticles.

Pathological changes in Fenneropenaeus indicus experimentally infected with white spot virus and virus morphogenesis

To demonstrate pathological changes due to white spot virus infection in Fenneropenaeus indicus, a batch of hatchery bred quarantined animals was experimentally infected with the virus. Organs such as gills, foregut, mid-gut, hindgut, nerve, eye, heart, ovary and integument were examined by light and electron microscopy. Histopathological analyses revealed changes hitherto not reported in F. indicus such as lesions to the internal folding of gut resulted in syncytial mass sloughed off into lumen, thickening of hepatopancreatic connective tissue with vacuolization of tubules and necrosis of rectal pads in hindgut. Virus replication was seen in the crystalline tract region of the compound eye and eosinophilic granules infiltrated from its base. In the gill arch, dilation and disintegration of median blood vessel was observed. In the nervous tissues, encapsulation and subsequent atrophy of hypertrophied nuclei of the neurosecretory cells were found. Transmission electron microscopy showed viral replication and morphogenesis in cells of infected tissue. De novo formed vesicles covered the capsid forming a bilayered envelop opened at one end inside the virogenic stroma. Circular vesicles containing nuclear material was found fused with the envelop. Subsequent thickening of the envelop resulted in the fully formed virus. In this study, a correlation was observed between the stages of viral multiplication and the corresponding pathological changes in the cells during the WSV infection. Accordingly, gill and foregut tissues were found highly infected during the onset of clinical signs itself, and are proposed to be used as the tissues for routine disease diagnosis.

Size-dependent surface plasmon resonance in silver silica nanocomposites

Silver silica nanocomposites were obtained by the sol–gel technique using tetraethyl orthosilicate (TEOS) and silver nitrate (AgNO3) as precursors. The silver nitrate concentration was varied for obtaining composites with different nanoparticle sizes. The structural and microstructural properties were determined by x-ray diffractometry (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and transmission electron microscopy (TEM). X-ray photoelectron spectroscopic (XPS) studies were done for determining the chemical states of silver in the silica matrix. For the lowest AgNO3 concentration, monodispersed and spherical Ag crystallites, with an average diameter of 5 nm, were obtained. Grain growth and an increase in size distribution was observed for higher concentrations. The occurrence of surface plasmon resonance (SPR) bands and their evolution in the size range 5–10 nm is studied. For decreasing nanoparticle size, a redshift and broadening of the plasmon-related absorption peak was observed. The observed redshift and broadening of the SPR band was explained using modified Mie scattering theory

Microstructure and random magnetic anisotropy in Fe–Ni based nanocrystalline thin films

Nanocrystalline Fe–Ni thin films were prepared by partial crystallization of vapour deposited amorphous precursors. The microstructure was controlled by annealing the films at different temperatures. X-ray diffraction, transmission electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy investigations showed that the nanocrystalline phase was that of Fe–Ni. Grain growth was observed with an increase in the annealing temperature. X-ray photoelectron spectroscopy observations showed the presence of a native oxide layer on the surface of the films. Scanning tunnelling microscopy investigations support the biphasic nature of the nanocrystalline microstructure that consists of a crystalline phase along with an amorphous phase. Magnetic studies using a vibrating sample magnetometer show that coercivity has a strong dependence on grain size. This is attributed to the random magnetic anisotropy characteristic of the system. The observed coercivity dependence on the grain size is explained using a modified random anisotropy model

Optically transparent magnetic nanocomposites based on encapsulated Fe3O4 nanoparticles in a sol–gel silica network

Composite Fe3O4–SiO2 materials were prepared by the sol–gel method with tetraethoxysilane and aqueous-based Fe3O4 ferrofluids as precursors. The monoliths obtained were crack free and showed both optical and magnetic properties. The structural properties were determined by infrared spectroscopy, x-ray diffractometry and transmission electron microscopy. Fe3O4 particles of 20 nm size lie within the pores of the matrix without any strong Si–O–Fe bonding. The well established silica network provides effective confinement to these nanoparticles. The composites were transparent in the 600–800 nm regime and the field dependent magnetization curves suggest that the composite exhibits superparamagnetic characteristics

Nonlinear and magneto-optical transmission studies on magnetic nanofluids of non-interacting metallic nickel nanoparticles

Oxide free stable metallic nanofluids have the potential for various applications such as in thermal management and inkjet printing apart from being a candidate system for fundamental studies. A stable suspension of nickel nanoparticles of ∼5 nm size has been realized by a modified two-step synthesis route. Structural characterization by x-ray diffraction and transmission electron microscopy shows that the nanoparticles are metallic and are phase pure. The nanoparticles exhibited superparamagnetic properties. The magneto-optical transmission properties of the nickel nanofluid (Ni-F) were investigated by linear optical dichroism measurements. The magnetic field dependent light transmission studies exhibited a polarization dependent optical absorption, known as optical dichroism, indicating that the nanoparticles suspended in the fluid are non-interacting and superparamagnetic in nature. The nonlinear optical limiting properties of Ni-F under high input optical fluence were then analyzed by an open aperture z-scan technique. The Ni-F exhibits a saturable absorption at moderate laser intensities while effective two-photon absorption is evident at higher intensities. The Ni-F appears to be a unique material for various optical devices such as field modulated gratings and optical switches which can be controlled by an external magnetic field

Mechanism of ac conduction in nanostructured manganese zinc mixed ferrites

Mn1−xZnxFe2O4 nanoparticles (x = 0 to 1) were synthesized by the wet chemical co-precipitation technique. X-ray diffraction and transmission electron microscopy and high resolution transmission electron microscopy were effectively utilized to investigate the different structural parameters. The ac conductivity of nanosized Mn1−xZnxFe2O4 were investigated as a function of frequency, temperature and composition. The frequency dependence of ac conductivity is analysed by the power law σ(ω)ac = Bωn which is typical for charge transport by hopping or tunnelling processes. The temperature dependence of frequency exponent n was investigated to understand the conduction mechanism in different compositions. The conduction mechanisms are mainly based on polaron hopping conduction