Novel biosensing device for point-of-care applications with plastic antibodies grown on Au-Screen Printed Electrodes

A gold screen printed electrode (Au-SPE) was modified by merging Molecular Imprinting and Self-Assembly Monolayer techniques for fast screening cardiac biomarkers in point-of-care (POC). For this purpose, Myoglobin (Myo) was selected as target analyte and its plastic antibody imprinted over a glutaraldehyde (Glu)/cysteamine (Cys) layer on the gold-surface. The imprinting effect was produced by growing a reticulated polymer of acrylamide (AAM) and N,N′-methylenebisacrylamide (NNMBA) around the Myo template, covalently attached to the biosensing surface. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) studies were carried out in all chemical modification steps to confirm the surface changes in the Au-SPE. The analytical features of the resulting biosensor were studied by different electrochemical techniques, including EIS, square wave voltammetry (SWV) and potentiometry. The limits of detection ranged from 0.13 to 8 μg/mL. Only potentiometry assays showed limits of detection including the cut-off Myo levels. Quantitative information was also produced for Myo concentrations ≥0.2 μg/mL. The linear response of the biosensing device showed an anionic slope of ~70 mV per decade molar concentration up to 0.3 μg/mL. The interference of coexisting species was tested and good selectivity was observed. The biosensor was successfully applied to biological fluids.

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.

Optimizing potentiometric ionophore and electrode design for environmental on-site control of antibiotic drugs: Application to sulfamethoxazole

Potentiometric sensors are typically unable to carry out on-site monitoring of environmental drug contaminants because of their high limits of detection (LODs). Designing a novel ligand material for the target analyte and managing the composition of the internal reference solution have been the strategies employed here to produce for the first time a potentiometric-based direct reading method for an environmental drug contaminant. This concept has been applied to sulfamethoxazole (SMX), one of the many antibiotics used in aquaculture practices that may occur in environmental waters. The novel ligand has been produced by imprinting SMX on the surface of graphitic carbon nanostructures (CN) < 500 nm. The imprinted carbon nanostructures (ICN) were dispersed in plasticizer and entrapped in a PVC matrix that included (or not) a small amount of a lipophilic additive. The membrane composition was optimized on solid-contact electrodes, allowing near-Nernstian responses down to 5.2 μg/mL and detecting 1.6 μg/mL. The membranes offered good selectivity against most of the ionic compounds in environmental water. The best membrane cocktail was applied on the smaller end of a 1000 μL micropipette tip made of polypropylene. The tip was then filled with inner reference solution containing SMX and chlorate (as interfering compound). The corresponding concentrations were studied for 1 × 10−5 to 1 × 10−10 and 1 × 10−3 to 1 × 10−8 mol/L. The best condition allowed the detection of 5.92 ng/L (or 2.3 × 10−8 mol/L) SMX for a sub-Nernstian slope of −40.3 mV/decade from 5.0 × 10−8 to 2.4 × 10−5 mol/L.

Myoglobin-biomimetic electroactive materials made by surface molecular imprinting on silica beads and their use as ionophores in polymeric membranes for potentiometric transduction

Myoglobin (Mb) is among the cardiac biomarkers playing a major role in urgent diagnosis of cardiovascular diseases. Its monitoring in point-of-care is therefore fundamental. Pursuing this goal, a novel biomimetic ionophore for the potentiometric transduction of Mb is presented. It was synthesized by surface molecular imprinting (SMI) with the purpose of developing highly efficient sensor layers for near-stereochemical recognition of Mb. The template (Mb) was imprinted on a silane surface that was covalently attached to silica beads by means of self-assembled monolayers. First the silica was modified with an external layer of aldehyde groups. Then, Mb was attached by reaction with its amine groups (on the external surface) and subsequent formation of imine bonds. The vacant places surrounding Mb were filled by polymerization of the silane monomers 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and propyltrimethoxysilane (PTMS). Finally, the template was removed by imine cleavage after treatment with oxalic acid. The results materials were finely dispersed in plasticized PVC selective membranes and used as ionophores in potentiometric transduction. The best analytical features were found in HEPES buffer of pH 4. Under this condition, the limits of detection were of 1.3 × 10−6 mol/L for a linear response after 8.0 × 10−7 mol/L with an anionic slope of −65.9 mV/decade. The imprinting effect was tested by preparing non-imprinted (NI) particles and employing these materials as ionophores. The resulting membranes showed no ability to detect Mb. Good selectivity was observed towards creatinine, sacarose, fructose, galactose, sodium glutamate, and alanine. The analytical application was conducted successfully and showed accurate and precise results.

Novel LTCC-potentiometric microfluidic device for biparametric analysis of organic compounds carrying plastic antibodies as ionophores: Application to sulfamethoxazole and trimethoprim

Monitoring organic environmental contaminants is of crucial importance to ensure public health. This requires simple, portable and robust devices to carry out on-site analysis. For this purpose, a low-temperature co-fired ceramics (LTCC) microfluidic potentiometric device (LTCC/μPOT) was developed for the first time for an organic compound: sulfamethoxazole (SMX). Sensory materials relied on newly designed plastic antibodies. Sol–gel, self-assembling monolayer and molecular-imprinting techniques were merged for this purpose. Silica beads were amine-modified and linked to SMX via glutaraldehyde modification. Condensation polymerization was conducted around SMX to fill the vacant spaces. SMX was removed after, leaving behind imprinted sites of complementary shape. The obtained particles were used as ionophores in plasticized PVC membranes. The most suitable membrane composition was selected in steady-state assays. Its suitability to flow analysis was verified in flow-injection studies with regular tubular electrodes. The LTCC/μPOT device integrated a bidimensional mixer, an embedded reference electrode based on Ag/AgCl and an Ag-based contact screen-printed under a micromachined cavity of 600 μm depth. The sensing membranes were deposited over this contact and acted as indicating electrodes. Under optimum conditions, the SMX sensor displayed slopes of about −58.7 mV/decade in a range from 12.7 to 250 μg/mL, providing a detection limit of 3.85 μg/mL and a sampling throughput of 36 samples/h with a reagent consumption of 3.3 mL per sample. The system was adjusted later to multiple analyte detection by including a second potentiometric cell on the LTCC/μPOT device. No additional reference electrode was required. This concept was applied to Trimethoprim (TMP), always administered concomitantly with sulphonamide drugs, and tested in fish-farming waters. The biparametric microanalyzer displayed Nernstian behaviour, with average slopes −54.7 (SMX) and +57.8 (TMP) mV/decade. To demonstrate the microanalyzer capabilities for real applications, it was successfully applied to single and simultaneous determination of SMX and TMP in aquaculture waters.

The potential of molecular imprinting as a biosensing devices for monitoring the CEA cancer biomarker

6th Graduate Student Symposium on Molecular Imprinting

Otimização de um processo produtivo e formulação de um novo produto utilizando ferramentas estatísticas

Na tentativa de se otimizar o processo de fabrico associado a uma tinta base aquosa (TBA), para minimizar os desvios de viscosidade final verificados, e de desenvolver um novo adjuvante plastificante para betão, recorreu-se a métodos e ferramentas estatísticas para a concretização do projeto. Relativamente à TBA, procedeu-se numa primeira fase a um acompanhamento do processo de fabrico, a fim de se obter todos os dados mais relevantes que poderiam influenciar a viscosidade final da tinta. Através de uma análise de capacidade ao parâmetro viscosidade, verificou-se que esta não estava sempre dentro das especificações do cliente, sendo o cpk do processo inferior a 1. O acompanhamento do processo resultou na escolha de 4 fatores, que culminou na realização de um plano fatorial 24. Após a realização dos ensaios, efetuou-se uma análise de regressão a um modelo de primeira ordem, não tendo sido esta significativa, o que implicou a realização de mais 8 ensaios nos pontos axiais. Com arealização de uma regressão passo-a-passo, obteve-se uma aproximação viável a um modelo de segunda ordem, que culminou na obtenção dos melhores níveis para os 4 fatores que garantem que a resposta viscosidade se situa no ponto médio do intervalo de especificação (1400 mPa.s). Quanto ao adjuvante para betão, o objetivo é o uso de polímeros SIKA ao invés da matériaprima comum neste tipo de produtos, tendo em conta o custo final da formulação. Escolheram-se 3 fatores importantes na formulação do produto (mistura de polímeros, mistura de hidrocarbonetos e % de sólidos), que resultou numa matriz fatorial 23. Os ensaios foram realizados em triplicado, em pasta de cimento, um para cada tipo de cimento mais utilizado em Portugal. Ao efetuar-se a análise estatística de dados obtiveram-se modelos de primeira ordem para cada tipo de cimento. O processo de otimização consistiu em otimizar uma função custo associada à formulação, garantindo sempre uma resposta superior à observada pelo produto considerado padrão. Os resultados foram animadores uma vez que se obteve para os 3 tipos de cimentocustos abaixo do requerido e espalhamento acima do observado pelo padrão.

Elétrodo de pasta de carbono molecularmente impresso para deteção voltamétrica de Furazolidona

A furazolidona é uma substância ativa do medicamento Giarlam que contém um espetro anti-bacteriano relativamente amplo e que é frequentemente usado para tratar certas doenças bacterianas e protozoárias no homem. A maioria dos fármacos exige uma dosagem que garanta os níveis de segurança e eficácia de atuação. A necessidade de dosear os medicamentos e os seus metabólitos exige o desenvolvimento constante de métodos analíticos eficientes. Neste trabalho desenvolveu-se um novo sensor eletroquímico para a deteção da furazolidona, baseado num elétrodo de pasta de carbono modificado com um polímero molecularmente impresso. A procura de novos materiais que permitam uma melhor seletividade e sensibilidade aos sistemas de deteção é especialmente importante no desenvolvimento de métodos analíticos. Os polímeros molecularmente impressos enquadram-se nesse perfil e o seu uso tem vindo a ser cada vez mais frequente como ferramenta importante em química analítica. Assim, sintetizou-se um polímero com cavidades seletivas para a Furazolidona. Este polímero foi, misturado com grafite e perafina de modo a produzir uma pasta de carbono. Uma seringa de plástico foi usada como suporte da pasta de carbono. O comportamento eletroquímico do sensor foi avaliado e diversas condições de utilização foram estudadas e otimizadas. O sensor apresenta um comportamento linear entre a intensidade do pico e a concentração numa gama de concentrações entre 1 e 100 μM, um limite de deteção de 1 μM e uma precisão (repetibilidade) inferior a 7%. A aplicabilidade do sensor fabricado em amostras complexas foi avaliada pela deteção do fármaco em amostras de urina.

Re-Use Assessment of Thermoset Composite Wastes as Aggregate and Filler Replacement for Concrete-Polymer Composite Materials: A case study regarding GFRP pultrusion wastes

Glass fibre-reinforced plastics (GFRP), nowadays commonly used in the construction, transportation and automobile sectors, have been considered inherently difficult to recycle due to both the cross-linked nature of thermoset resins, which cannot be remoulded, and the complex composition of the composite itself, which includes glass fibres, polymer matrix and different types of inorganic fillers. Hence, to date, most of the thermoset based GFRP waste is being incinerated or landfilled leading to negative environmental impacts and additional costs to producers and suppliers. With an increasing awareness of environmental matters and the subsequent desire to save resources, recycling would convert an expensive waste disposal into a profitable reusable material. In this study, the effect of the incorporation of mechanically recycled GFRP pultrusion wastes on flexural and compressive behaviour of polyester polymer mortars (PM) was assessed. For this purpose, different contents of GFRP recyclates (0%, 4%, 8% and 12%, w/w), with distinct size grades (coarse fibrous mixture and fine powdered mixture), were incorporated into polyester PM as sand aggregates and filler replacements. The effect of the incorporation of a silane coupling agent was also assessed. Experimental results revealed that GFRP waste filled polymer mortars show improved mechanical behaviour over unmodified polyester based mortars, thus indicating the feasibility of GFRP waste reuse as raw material in concrete-polymer composites.

Otimização da Hidrofugação do Couro Wetwhite

O processo de hidrofugação é definido como um tratamento efetuado com gorduras e agentes químicos, nomeadamente polímeros e acrílicos que dão características de lubrificação e propriedades hidrofóbicas ao material, cujas etapas são adicionadas na fase de recurtume. Um dos objetivos principais foi a obtenção de um couro com alto grau hidrofóbico, isto é um couro com baixo poder de absorção da água, resistência a sua penetração e conservação da permeabilidade ao vapor de água, sem a utilização do sal de crómio na fase de fixação, e mais pelas problemáticas ambientais que existem na atualidade com o uso deste metal no mundo dos couros. É de salientar que, o único parâmetro que foi possível analisar, de acordo com a disponibilidade do laboratório foi a percentagem de absorção da água. Portanto, para este trabalho escrito foram desenhadas uma série de ensaios, onde se testaram inúmeros produtos utilizados na indústria de produção dos couros, alterando-se fatores de temperatura, dosagem, posição dos produtos aplicados, tempos, entre outros parâmetros, de modo a obter um couro com melhores resultados na percentagem de absorção. A hidrofugação é um processo bastante delicado e mais quando se tenta produzir um couro isento de metais e com alto poder hidrofóbico. Os resultados obtidos experimentalmente apontam para uma percentagem de absorção de cerca de 30% para espaços de tempo de 10 minutos, utilizando sempre sais de alumínio na etapa de fixação, pelo que ainda se requer mais investigação para obter um couro wet-white sem adição de sais metálicas e com alto poder de absorção.

Produção de biodiesel a partir de pastas de gordura e resíduo de glicerol

O principal objectivo deste trabalho consistiu na produção de biodiesel a partir de resíduos fornecidos pela Empresa SOCIPOLE, S.A. Esta, forneceu, pastas de gordura (depósito formado nos óleos usados), só aproveitadas pela empresa para a produção de sabões, e resíduo de glicerol proveniente da produção de biodiesel. Com as pastas de gordura, foi feito um estudo onde se variaram alguns parâmetros, tais como: o tipo de reactor, catalisador, temperatura, agitação, tempo de reacção, razão molar gordura:metanol e condições de secagem. O estudo mais pormenorizado foi efectuado com o NaOH, como catalisador. Foram feitos vários ensaios para os tempos de reacção de 30minutos, 1hora e 2horas, a 65ºC e razão molar gordura:metanol 1:6, tendo-se obtido respectivamente 86,7; 88,1 e 87,5% para o teor de ésteres. No caso da resina catiónica forte como catalisador, aparentemente não houve reacção ao fim de 12h, enquanto no ensaio que utilizou o ácido sulfúrico, o teor de ésteres foi de 82,6%, ao fim de 12h com razão molar gordura:metanol igual a 1:11. Quanto à produção de biodiesel a partir do resíduo de ácidos gordos resultante da purificação do resíduo de glicerol, foi feito um estudo preliminar usando diferentes catalisadores, uma resina catiónica forte, ácido sulfúrico e zircónia sulfatada. Este resíduo continha cerca de 60% de ácidos gordos e aproximadamente 39% de ésteres metílicos. Dos três catalisadores usados, o que permitiu obter maior teor de ésteres foi a zircónia sulfatada, tendo-se obtido 82,9% trabalhando a 60ºC durante 18horas com agitação de 230rpm e razão molar ácidos gordos:metanol de 1:12 . O ensaio em que se obteve menor percentagem de ésteres (56,4%) foi com resina catiónica. Com as duas matérias-primas obteve-se sempre um teor de ésteres, no produto final, abaixo dos 96,5% estabelecidos pela Norma Europeia EN 14103. Estes resultados reflectem provavelmente a composição complexa das matérias-primas. As pastas de gordura podem conter compostos não esterificáveis, solúveis no biodiesel, ou mais dificilmente esterificáveis nas condições operacionais usadas. Já o resíduo de ácidos gordos apresenta uma cor escura o que indica a existência de compostos corados, talvez polímeros. Portanto, para se tirar conclusões fundamentadas é necessário fazer análises mais completas das pastas de gordura e do resíduo de ácidos gordos, assim como ao biodiesel produzido de forma a identificar as possíveis contaminações existentes nos produtos com esta proveniência.

Selective synthesis under microwave irradiation of new monomers for potential applications in PDLC films

Dissertation to obtain the degree of master in Bioorganic

Valorização da Drêche Cervejeira: Fermentação de Pentoses

O presente trabalho tem como objetivo a otimização da etapa de fermentação dos açúcares obtidos a partir da drêche cervejeira para produção do bioetanol através da utilização das leveduras Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NCYC 2791 como agentes fermentativos. O meio de cultura usado para manter as culturas destas leveduras foi Yeast Extract Peptone Dextrose (YEPD). O principal propósito deste trabalho foi o de encontrar alternativas aos combustíveis fósseis, pautando-se por soluções inofensivas para o meio ambiente e sustentáveis. Assim, o trabalho está dividido em quatro etapas: 1) caraterização química e biológica da drêche; 2) pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática para primeiramente quebrar as moléculas de lenhina que envolvem os polímeros de celulose e hemicelulose e em seguida romper as ligações poliméricas destas macromoléculas por ação enzimática e transforma-las em açúcares simples, respetivamente, obtendo-se então a glucose, a maltose, a xilose e a arabinose; e, por último, 3) otimização da etapa de fermentação da glucose, maltose e das pentoses que constitui a condição essencial para se chegar à síntese do bioetanol de um modo eficiente e sustentável e 4) a recuperação do bioetanol produzido por destilação fracionada. A quantificação dos açúcares libertados no processo foi feita recorrendo a análises por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). Neste estudo foram identificados e quantificados cinco açúcares: Arabinose, Glucose, Maltose, Ribose e Xilose. Na etapa de pré-tratamento e hidrólise enzimática foram usados os ácidos clorídrico (HCl) e nítrico (HNO3) com a concentração de 1% (m/m), e as enzimas Glucanex 100g e Ultraflo L. Foram testadas seis condições de pré-tratamento e hidrólise enzimática, alterando os parâmetros tempo de contacto e razão enzimas/massa de drêche, respetivamente, e mantendo a temperatura (50 ºC), velocidade de agitação (75 rpm) e concentração dos ácidos (1% (m/m)). No processamento de 25 g de drêche seca com 0,5 g de Glucanex, 0,5 mL de Ultraflo e um tempo de reação de 60 minutos para as enzimas foi obtida uma eficiência de 15%, em hidrolisado com 6% da celulose. Realizou-se a fermentação do hidrolisado resultante do pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática de drêche cervejeira e de meios sintéticos preparados com os açúcares puros, usando as duas estirpes selecionadas para este estudo: Pichia stipitis NCYC 1541 e Kluyveromyces marxianus NYCY 2791. As eficiências de fermentação dos açúcares nos meios sintéticos foram superiores a 80% para ambas as leveduras. No entanto, as eficiências de fermentação do hidrolisado da drêche foram de 45,10% pela Pichia stipitis e de 36,58 para Kluyveromyces marxianus, para um tempo de fermentação de 72 horas e à temperatura de 30 °C. O rendimento teórico em álcool no hidrolisado da drêche é de 0,27 g/g, três vezes maior do que o real (0,0856 g/g), para Pichia stipitis e de 0,19 g/g seis vezes maior do que o real (0,0308 g/g), para a Kluyveromyces marxianus.

MOLECULAR IDENTIFICATION OF Bartonella henselae IN A SERONEGATIVE CAT SCRATCH DISEASE PATIENT WITH AIDS IN RIO DE JANEIRO, BRAZIL

Bartonella henselae is associated with a wide spectrum of clinical manifestations, including cat scratch disease, endocarditis and meningoencephalitis, in immunocompetent and immunocompromised patients. We report the first molecularly confirmed case of B. henselae infection in an AIDS patient in state of Rio de Janeiro, Brazil. Although DNA sequence of B. henselae has been detected by polymerase chain reaction in a lymph node biopsy, acute and convalescent sera were nonreactive.

Preparation of gas-filled porous microparticles (GPPs) and microbubbles (MBs) by PGSS method

Dissertation to obtain the Master Degree in Biotechnology