Smart Plastic Antibody Material (SPAM) tailored on disposable screen printed electrodes for protein recognition: application to Myoglobin detection

This work introduces two major changes to the conventional protocol for designing plastic antibodies: (i) the imprinted sites were created with charged monomers while the surrounding environment was tailored using neutral material; and (ii) the protein was removed from its imprinted site by means of a protease, aiming at preserving the polymeric network of the plastic antibody. To our knowledge, these approaches were never presented before and the resulting material was named here as smart plastic antibody material (SPAM). As proof of concept, SPAM was tailored on top of disposable gold-screen printed electrodes (Au-SPE), following a bottom-up approach, for targeting myoglobin (Myo) in a point-of-care context. The existence of imprinted sites was checked by comparing a SPAM modified surface to a negative control, consisting of similar material where the template was omitted from the procedure and called non-imprinted materials (NIMs). All stages of the creation of the SPAM and NIM on the Au layer were followed by both electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV). AFM imaging was also performed to characterize the topography of the surface. There are two major reasons supporting the fact that plastic antibodies were effectively designed by the above approach: (i) they were visualized for the first time by AFM, being present only in the SPAM network; and (ii) only the SPAM material was able to rebind to the target protein and produce a linear electrical response against EIS and square wave voltammetry (SWV) assays, with NIMs showing a similar-to-random behavior. The SPAM/Au-SPE devices displayed linear responses to Myo in EIS and SWV assays down to 3.5 μg/mL and 0.58 μg/mL, respectively, with detection limits of 1.5 and 0.28 μg/mL. SPAM materials also showed negligible interference from troponin T (TnT), bovine serum albumin (BSA) and urea under SWV assays, showing promising results for point-of-care applications when applied to spiked biological fluids.

Smart Plastic Antibody Material for Hemoglobin Tailored by Silica Surface Imprinting and with Charged Binding Sites: Its use as Ionophore in Potentiometric Transduction

JORNADAS DE ELECTROQUÍMICA E INOVAÇÃO 2013

Swordfish: an Autonomous Surface Vehicle for Network Centric Operations

The design and development of the swordfish autonomous surface vehicle (ASV) system is discussed. Swordfish is an ocean capable 4.5 m long catamaran designed for network centric operations (with ocean and air going vehicles and human operators). In the basic configuration, Swordfish is both a survey vehicle and a communications node with gateways for broadband, Wi-Fi and GSM transports and underwater acoustic modems. In another configuration, Swordfish mounts a docking station for the autonomous underwater vehicle Isurus from Porto University. Swordfish has an advanced control architecture for multi-vehicle operations with mixed initiative interactions (human operators are allowed to interact with the control loops).

An automatic voice pleasantness classification system based on prosodic and acoustic patterns of voice preference

In the last few years the number of systems and devices that use voice based interaction has grown significantly. For a continued use of these systems the interface must be reliable and pleasant in order to provide an optimal user experience. However there are currently very few studies that try to evaluate how good is a voice when the application is a speech based interface. In this paper we present a new automatic voice pleasantness classification system based on prosodic and acoustic patterns of voice preference. Our study is based on a multi-language database composed by female voices. In the objective performance evaluation the system achieved a 7.3% error rate.

Improved polymeric medical devices for active substances delivery

The work presented in this thesis was developed in collaboration with a Portuguese company, BeyonDevices, devoted to pharmaceutical packaging, medical technology and device industry. Specifically, the composition impact and surface modification of two polymeric medical devices from the company were studied: inhalers and vaginal applicators. The polyethylene-based vaginal applicator was modified using supercritical fluid technology to acquire self-cleaning properties and prevent the transport of bacteria and yeasts to vaginal flora. For that, in-situ polymerization of 2-substituted oxazolines was performed within the polyethylene matrix using supercritical carbon dioxide. The cationic ring-opening polymerization process was followed by end-capping with N,N-dimethyldodecylamine. Furthermore, for the same propose, the polyethylene matrix was impregnated with lavender oil in supercritical medium. The obtained materials were characterized physical and morphologically and the antimicrobial activity against bacteria and yeasts was accessed. Materials modified using 2-substituted oxazolines showed an effective killing ability for all the tested microorganisms, while the materials modified with lavender oil did not show antimicrobial activity. Only materials modified with oligo(2-ethyl-2-oxazoline) maintain the activity during the long term stability. Furthermore, the cytotoxicity of the materials was tested, confirming their biocompatibilty. Regarding the inhaler, its surface was modified in order to improve powder flowability and consequently, to reduce powder retention in the inhaler´s nozzle. New dry powder inhalers (DPIs), with different needle’s diameters, were evaluated in terms of internal resistance and uniformity of the emitted dose. It was observed that they present a mean resistance of 0.06 cmH2O0.5/(L/min) and the maximum emitted dose obtained was 68.9% for the inhaler with higher needle´s diameter (2 mm). Thus, this inhaler was used as a test and modified by the coating with a commonly-used force control agent, magnesium stearate, dried with supercritical carbon dioxide (scCO2) and the uniformity of delivered dose tests were repeated. The modified inhaler showed an increase in emitted dose from 68.9% to 71.3% for lactose and from 30.0% to 33.7% for Foradil.

Improving the early diagnostic of prostate cancer by multiple biomarker detection with new biosensing devices

Prostate cancer (PCa) is the most common form of cancer in men, in Europe (World Health Organization data). The most recent statistics, in Portuguese territory, confirm this scenario, which states that about 50% of Portuguese men may suffer from prostate cancer and 15% of these will die from this condition. Its early detection is therefore fundamental. This is currently being done by Prostate Specific Antigen (PSA) screening in urine but false positive and negative results are quite often obtained and many patients are sent to unnecessary biopsy procedures. This early detection protocol may be improved, by the development of point-of-care cancer detection devices, not only to PSA but also to other biomarkers recently identified. Thus, the present work aims to screen several biomarkers in cultured human prostate cell lines, serum and urine samples, developing low cost sensors based on new synthetic biomaterials. Biomarkers considered in this study are the following: prostate specific antigen (PSA), annexin A3 (ANXA3), microseminoprotein-beta (MSMB) and sarcosine (SAR). The biomarker recognition may occurs by means of molecularly imprinted polymers (MIP), which are a kind of plastic antibodies, and enzymatic approaches. The growth of a rigid polymer, chemically stable, using the biomarker as a template allows the synthesis of the plastic antibody. MIPs show high sensitivity/selectivity and present much longer stability and much lower price than natural antibodies. This nanostructured material was prepared on a carbon solid. The interaction between the biomarker and the sensing-material produces electrical signals generating quantitative or semi-quantitative data. These devices allow inexpensive and portable detection in point-of-care testing.

Interaction between vortices and impurities in a d-wave superconductor /

High temperature superconductors were discovered in 1986, but despite considerable research efforts, both experimental and theoretical, these materials remain poorly understood. Because their electronic structure is both inhomogeneous and highly correlated, a full understanding will require knowledge of quasiparticle properties both in real space and momentum space. In this thesis, we will present a theoretical analysis of the scanning tunneling microscopy (STM) data in BSCCO. We introduce the Bogoliubov-De Gennes Hamiltonian and solve it numerically on a two-dimensional 20 x 20 lattice under a magnetic field perpendicular to the surface. We consider a vortex at the center of our model. We introduce a Zn impurity in our lattice as a microscopic probe of the physical properties of BSCCO. By direct numerical diagonalization of the lattice BogoliubovDe Gennes Hamiltonian for different positions of the impurity, we can calculate the interaction between the vortex and the impurity in a d-wave superconductor.

Personal soundtracks on public transit : personal listening devices and socio-spatial negotiations of students' bus journeys

One way of exploring the power of sound in the experience and constitution of space is through the phenomenon of personal listening devices (PLDs) in public environments. In this thesis, I draw from in-depth interviews with eleven Brock University students in S1. Catharines, Ontario, to show how PLDs (such as MP3 players like the iPod) are used to create personalized soundscapes and mediate their public transit journeys. I discuss how my interview participants experience the space-time of public transit, and show how PLDs are used to mediate these experiences in acoustic and non-acoustic ways. PLD use demonstrates that acoustic and environmental experiences are co-constitutive, which highlights a kinaesthetic quality of the transit-space. My empirical findings show that PLDs transform space, particularly by overlapping public and private appropriations of the bus. I use these empirical findings to discuss the PLD phenomenon in the theoretical context of spatiality, and more specifically, acoustic space. J develop the ontological notion of acoustic space, stating that space shares many of the properties of sound, and argue that sound is a rich epistemological tool for understanding and explaining our everyday experiences.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Étude de l'influence de la réassociation en surface des atomes N et O sur l'inactivation des spores bactériennes dans une post-décharge N2-O2 basse pression en flux

Le recours au plasma pour stériliser des dispositifs médicaux (DM) est un domaine de recherche ne datant véritablement que de la fin des années 1990. Les plasmas permettent, dans les conditions adéquates, de réaliser la stérilisation à basse température (≤ 65°C), tel qu’exigé par la présence de polymères dans les DM et ce contrairement aux procédés par chaleur, et aussi de façon non toxique, contrairement aux procédés chimiques comme, par exemple, l’oxyde d’éthylène (OEt). Les laboratoires du Groupe de physique des plasmas à l’Université de Montréal travaillent à l’élaboration d’un stérilisateur consistant plus particulièrement à employer les effluents d’une décharge N2-%O2 basse pression (2-8 Torrs) en flux, formant ce que l’on appelle une post-décharge en flux. Ce sont les atomes N et O de cette décharge qui viendront, dans les conditions appropriées, entrer en collisions dans la chambre de stérilisation pour y créer des molécules excitées NO*, engendrant ainsi l’émission d’une quantité appréciable de photons UV. Ceux-ci constituent, dans le cas présent, l’agent biocide qui va s’attaquer directement au bagage génétique du micro-organisme (bactéries, virus) que l’on souhaite inactiver. L’utilisation d’une lointaine post-décharge évite du même coup la présence des agents érosifs de la décharge, comme les ions et les métastables. L’un des problèmes de cette méthode de stérilisation est la réduction du nombre de molécules NO* créées par suite de la perte des atomes N et O, qui sont des radicaux connus pour interagir avec les surfaces, sur les parois des matériaux des DM que l’on souhaite stériliser. L’objectif principal de notre travail est de déterminer l’influence d’une telle perte en surface, dite aussi réassociation en surface, par l’introduction de matériaux comme le Téflon, l’acier inoxydable, l’aluminium et le cuivre sur le taux d’inactivation des spores bactériennes. Nous nous attendons à ce que la réassociation en surface de ces atomes occasionne ainsi une diminution de l’intensité UV et subséquemment, une réduction du taux d’inactivation. Par spectroscopie optique d’émission (SOE), nous avons déterminé les concentrations perdues de N et de O par la présence des matériaux dans le stérilisateur, ainsi que la diminution de l’émission UV en découlant. Nous avons observé que cette diminution des concentrations atomiques est d’autant plus importante que les surfaces sont catalytiques. Au cours de l’étude du phénomène de pertes sur les parois pour un mélange N2-%O2 nous avons constaté l’existence d’une compétition en surface entre les atomes N et O, dans laquelle les atomes d’oxygènes semblent dominer largement. Cela implique qu’au-delà d’un certain %O2 ajouté à la décharge N2, seuls les atomes O se réassocient en surface. Par ailleurs, l’analyse des courbes de survie bi-phasiques des micro-organismes a permis d’établir une étroite corrélation, par lien de cause à effet, entre la consommation des atomes N et O en surface et la diminution du taux d’inactivation des spores dans la première phase. En revanche, nous avons constaté que notre principal agent biocide (le rayonnement ultraviolet) est moins efficace dans la deuxième phase et, par conséquent, il n’a pas été possible d’établir un lien entre la diminution des concentrations et le taux d’inactivation de cette phase-là.

WiMAX ou l’évolution des réseaux sans-fil ?

L'adoption des technologies de réseaux sans-fil de type WiFi a connu une croissance impressionnante ces dernières années. Cette vague de popularité ne semble pas vouloir s'estomper, il est estimé que 84 millions d’appareils seront vendus en 2007 totalisant des revenus de 3.7 milliards de dollars. Devant cette forte demande, les fabricants d’appareils de télécommunications ont songés à développer des produits encore plus performants. Appuyé par la norme IEEE 802.16, un consortium du nom de WiMAX Forum a regroupé 350 membres dans le but de promouvoir des produits standardisés portant la marque WiMAX. À l'inverse des premières versions du WiFi, le WiMAX sera doté de mécanismes de sécurité beaucoup plus fiables. L'avantage du WiMAX, comme pour plusieurs de ses concurrents, repose sur sa capacité d'opérer sur une large bande de fréquences, réglementées ou non. Sa portée théorique de 50 Km et son débit escompté de 75 Mbit/s a capté l'attention des fournisseurs de services qui cherchent à réduire leurs coûts d'exploitations mais également de divers organismes gouvernementaux qui espèrent améliorer les services de communications dans les communautés des régions éloignées. Grâce à l'appui du ministre des Affaires indiennes et du nord canadien, le territoire du Nunavut a mis sur pied un réseau à large bande qui dessert actuellement l’ensemble de ses 29 communautés sur tout son territoire. La possibilité de couvrir une superficie de plusieurs kilomètres ramène à la surface le concept d’omniprésence ou de « Pervasive computing ». Cette notion représente l’intégration des technologies dans notre entourage afin de rendre nos interactions avec celle-ci plus naturelles. Nos déplacements dans cet environnement pourraient être facilités puisque les ordinateurs seraient en mesure de détecter et réagir à notre présence pour nous offrir des solutions personnalisées. Les déploiements de réseaux de type WiMAX sont déjà en cours dans plusieurs pays, d'après la situation actuelle du marché, il est envisageable de voir une forte adoption de cette forme de diffusion d’informations dans les prochaines années. Le présent document trace un résumé des applications liées au WiMAX et discute de certaines problématiques engendrées par ce type de réseau.

Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

Design, Fabrication and Characterization of Passive and Active Polymer Photonic Devices

The rapid developments in fields such as fibre optic communication engineering and integrated optical electronics have expanded the interest and have increased the expectations about guided wave optics, in which optical waveguides and optical fibres play a central role. The technology of guided wave photonics now plays a role in generating information (guided-wave sensors) and processing information (spectral analysis, analog-to-digital conversion and other optical communication schemes) in addition to its original application of transmitting information (fibre optic communication). Passive and active polymer devices have generated much research interest recently because of the versatility of the fabrication techniques and the potential applications in two important areas – short distant communication network and special functionality optical devices such as amplifiers, switches and sensors. Polymer optical waveguides and fibres are often designed to have large cores with 10-1000 micrometer diameter to facilitate easy connection and splicing. Large diameter polymer optical fibres being less fragile and vastly easier to work with than glass fibres, are attractive in sensing applications. Sensors using commercial plastic optical fibres are based on ideas already used in silica glass sensors, but exploiting the flexible and cost effective nature of the plastic optical fibre for harsh environments and throw-away sensors. In the field of Photonics, considerable attention is centering on the use of polymer waveguides and fibres, as they have a great potential to create all-optical devices. By attaching organic dyes to the polymer system we can incorporate a variety of optical functions. Organic dye doped polymer waveguides and fibres are potential candidates for solid state gain media. High power and high gain optical amplification in organic dye-doped polymer waveguide amplifier is possible due to extremely large emission cross sections of dyes. Also, an extensive choice of organic dye dopants is possible resulting in amplification covering a wide range in the visible region.

Young’s modulus of silicon nitride used in scanning force microscope cantilevers

The Young’s modulus and Poisson’s ratio of high-quality silicon nitride films with 800 nm thickness, grown on silicon substrates by low-pressure chemical vapor deposition, were determined by measuring the dispersion of laser-induced surface acoustic waves. The Young’s modulus was also measured by mechanical tuning of commercially available silicon nitride cantilevers, manufactured from the same material, using the tapping mode of a scanning force microscope. For this experiment, an expression for the oscillation frequencies of two-media beam systems is derived. Both methods yield a Young’s modulus of 280–290 GPa for amorphous silicon nitride, which is substantially higher than previously reported (E5146 GPa). For Poisson’s ratio, a value of n 50.20 was obtained. These values are relevant for the determination of the spring constant of the cantilever and the effective tip–sample stiffness

Design and development of an LED based fiber optic evanescent wave sensor for simultaneous detection of chromium and nitrite traces in water

The design and development of a cost-effective, simple, sensitive and portable LED based fiber optic evanescent wave sensor for simultaneously detecting trace amounts of chromium and nitrite in water are presented. In order to obtain the desired performance, the middle portions of two multimode plastic clad silica fibers are unclad and are used as the sensing elements in the two arms of the sensor. Each of the sensor arms is sourced by separate super bright green LEDs, which are modulated in a time-sharing manner and a single photo detector is employed for detecting these light signals. The performance and characteristics of this system clearly establish the usefulness of the technique for detecting very low concentrations of the dissolved contaminants.