Development of biomimetic sensor for fast and sensitive detection of Norfloxacin

A biomimetic sensor is proposed as a promising new analytical method for determination of norfloxacin (NF) in pharmaceuticals. The sensor was prepared by modifying a glassy carbon electrode surface with a Nafion® membrane doped with poly(copper phthalocyanine) complex [poly-CuPc]. Amperometric measurements carried out with the sensor under an applied potential of -0.05 V vs Ag|AgCl in 0.1 mol L-1 acetic acid containing 1.5 × 10-3 mol L-1 hydrogen peroxide showed a linear response range from 2.0 × 10-4 to 1.2 × 10-3 mol L-1. Selectivity and interference studies were also performed. A sensor response mechanism is proposed, based on the experimental evidence. Recovery studies were carried out using environmental samples, in order to evaluate the sensor’s potential for use with these sample classes. Finally, sensor performance was evaluated using analyses of commercial formulations.

Aplicação eletroanalítica de complexos oxo-manganês biomimetizadores de centros ativos enzimáticos na determinação de espécies de interesse analítico

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Evaluation of glucose biosensors based on Prussian Blue and lyophilised, crystalline and cross-linked glucose oxidases (CLEC (R))

Glucose biosensors based on lyophilised, crystalline and cross-linked glucose oxidase (GOx, CLEC(R)) and commercially available lyophilised GOx immobilised on top of glassy carbon electrodes modified with electrodeposited Prussian Blue are critically compared. Two procedures were carried out for preparing the biosensors: (1) deposition of one layer of adsorbed GOx dissolved in an aqueous solution followed by deposition of two layers of low molecular weight Nafion(R) dissolved in 90% ethanol, and (2) deposition of two layers of a mixture of GOx with Nafion dissolved in 90% ethanol. The performance of the biosensors was evaluated in terms of linear response range for hydrogen peroxide and glucose, detection limit, and susceptibility to some common interfering species (ascorbic acid, acetaminophen and uric acid). The operational stability of the biosensors was evaluated by applying a steady potential of -50 mV versus Ag/AgCl to the glucose biosensor and injecting standard solutions of hydrogen peroxide and glucose (50 muM and 1.0 mM, respectively, in phosphate buffer) for at least 5 h in a flow-injection system. Scanning electron microscopy was used for visualisation of the Prussian Blue redox catalyst and in the presence of the different GOx preparations on the electrode surface. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Simulação da nanoestruturação de nanofolhas de óxido de grafeno reduzido através de dinâmica molecular

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Poly(2,5-bibenzimidazole) Membranes: Physico-Chemical Characterization Focused on Fuel Cell Applications

Membranes of Poly(2,5-benzimidazole) (ABPBI), prepared by polycondensation in polyphosphoric acid, were characterized from the fuel cell application point of view: mechanical properties of the membranes for different acid doping levels, thermal stability, permeability for the different gases/vapors susceptible of use in the cell (hydrogen, oxygen, methanol and ethanol), electro-osmotic water drag coefficient, oxidation stability to hydroxyl radicals, phosphoric acid leaching rate and, finally, in-plane membrane conductivity. ABPBI membranes presented an excellent thermal stability, above 500 degrees C in oxygen, suitable mechanical properties for high phosphoric acid doping levels, a low methanol and ethanol limiting permeation currents, and oxygen permeability compared to Nafion membranes, and a low phosphoric acid leaching rate when exposed to water vapor. On the contrary, hydrogen permeation current was higher than that of Nafion, and the chemical stability was very limited. Membrane conductivity achieved 0.07 S cm(-1) after equilibration with a humid environment. Fuel cell tests showed reasonable good performances, with a maximum power peak of 170 mW cm(-2) for H-2/air at 170 degrees C operating under a humidified hydrogen stream, 39.9 mW cm(-2) for CH3OH/O-2 at 200 degrees C for a methanol/water weight ratio of 1: 2, and 31.5 mW cm(-2) for CH3CH2OH/O-2 at the same conditions than for methanol. (C) 2012 The Electrochemical Society. [DOI: 10.1149/2.014207jes] All rights reserved.

Water-in-Oil Micro-Emulsion Enhances the Secondary Structure of a Protein by Confinement

A scheme is presented in which an organic solvent environment in combination with surfactants is used to confine a natively unfolded protein inside an inverse microemulsion droplet. This type of confinement allows a study that provides unique insight into the dynamic structure of an unfolded, flexible protein which is still solvated and thus under near-physiological conditions. In a model system, the protein osteopontin (OPN) is used. It is a highly phosphorylated glycoprotein that is expressed in a wide range of cells and tissues for which limited structural analysis exists due to the high degree of flexibility and large number of post-translational modifications. OPN is implicated in tissue functions, such as inflammation and mineralisation. It also has a key function in tumour metastasis and progression. Circular dichroism measurements show that confinement enhances the secondary structural features of the protein. Small-angle X-ray scattering and dynamic light scattering show that OPN changes from being a flexible protein in aqueous solution to adopting a less flexible and more compact structure inside the microemulsion droplets. This novel approach for confining proteins while they are still hydrated may aid in studying the structure of a wide range of natively unfolded proteins.

Influence of Modifications to the Pechini Method on the Electroactivity and Stability of Pt-RuOx/C Catalysts

Since electrode electroactivity and stability depend directly on the nature, morphology, and structure of the material, we have investigated how modifications to the Pechini method during the synthesis of Pt-RuOx/C electrocatalysts affected catalyst activity. The structure and stability of the resulting materials were investigated after their submission to a large number of potential scans and to constant potential for a prolonged time period in sulfuric acid 0.5 mol L-1 and methanol 0.1 mol L-1 solution. DMFC tests were accomplished using membrane electrode assemblies (MEAs) prepared by hot-pressing a pretreated Nafion 117 membrane together with the prepared Pt-RuOx anodes and a Pt cathode (from E-TEK), in order to compare the catalytic activity of the materials prepared by different methods. The stability studies demonstrated that the catalyst whose resin/carbon support mixture was agitated in a balls mill before undergoing heat-treatment was more stable than the other prepared catalysts. The catalysts synthesized with the single resin consisting of Pt and Ru and subjected to ultrasound before heat-treatment furnished the highest power density in the single fuel cell. (C) 2012 The Electrochemical Society. [DOI: 10.1149/2.011208jes]

Ionic Transport and Water Vapor Uptake of Ammonium Exchanged Perfluorosulfonic Acid Membranes

Nafion membranes series N117 doped with ammonium, at different cation fractions (H+/NH4+), were investigated for ionic transport and water vapor uptake, for several water activities and temperatures. Ammonium cations change both properties of the polymer in a similar manner. Membrane ionic conductivity and water vapor uptake (lambda) decrease as the ammonium concentration increases in the polymer. Ionic transport activation energies are calculated and the transport mechanism of ammonium ions in Nafion is discussed. (C) 2012 The Electrochemical Society. [DOI: 10.1149/2.040203jes] All rights reserved.

Glycerol oxidation on nickel based nanocatalysts in alkaline medium – Identification of the reaction products

In this work, carbon supported nickel based nanoparticles were prepared by impregnation method and used as anode electrocatalysts for the glycerol conversion. These metallic powders were mixed with a suitable amount of a Nafion/water solution to make catalytic inks which were then deposited onto the surface of carbon Toray used as a conductive substrate. Long-term electrolyses of glycerol were carried out in alkaline medium by chronoamperometry experiments. Analysis of the oxidation products was performed with ion-exclusion liquid chromatography which separates the analytes by ascending pKa. The spectroscopic measurements have shown that the cobalt content in the anode composition did contribute to the CAC bond cleavage of the initial molecule of glycerol.

Sviluppo di biosensori: modifiche di superfici elettrodiche e sistemi di immobilizzazione enzimatica

An amperometric glucose biosensor was developed using an anionic clay matrix (LDH) as enzyme support. The enzyme glucose oxidase (GOx) was immobilized on a layered double hydroxide Ni/Al-NO3 LDH during the electrosynthesis, which was followed by crosslinking with glutaraldehyde (GA) vapours or with GA and bovine serum albumin (GABSA) to avoid the enzyme release. The electrochemical reaction was carried out potentiostatically, at -0.9V vs. SCE, using a rotating disc Pt electrode to assure homogeneity of the electrodeposition suspension, containing GOx, Ni(NO3)2 and Al(NO3)3 in 0.3 M KNO3. The mechanism responsible of the LDH electrodeposition involves the precipitation of the LDH due to the increase of pH at the surface of the electrode, following the cathodic reduction of nitrates. The Pt surface modified with the Ni/Al-NO3 LDH shows a much reduced noise, giving rise to a better signal to noise ratio for the currents relative to H2O2 oxidation, and a linear range for H2O2 determination wider than the one observed for bare Pt electrodes. We pointed out the performances of the biosensor in terms of sensitivity to glucose, calculated from the slope of the linear part of the calibration curve for enzimatically produced H2O2; the sensitivity was dependent on parameters related to the electrodeposition in addition to working conditions. In order to optimise the glucose biosensor performances, with a reduced number of experimental runs, we applied an experimental design. A first screening was performed considering the following variables: deposition time (30 - 120 s), enzyme concentration (0.5 - 3.0 mg/mL), Ni/Al molar ratio (3:1 or 2:1) of the electrodeposition solution at a total metals concentration of 0.03 M and pH of the working buffer solution (5.5-7.0). On the basis of the results from this screening, a full factorial design was carried out, taking into account only enzyme concentration and Ni/Al molar ratio of the electrosynthesis solution. A full factorial design was performed to study linear interactions between factors and their quadratic effects and the optimal setup was evaluated by the isoresponse curves. The significant factors were: enzyme concentration (linear and quadratic terms) and the interaction between enzyme concentration and Ni/Al molar ratio. Since the major obstacle for application of amperometric glucose biosensors is the interference signal resulting from other electro-oxidizable species present in the real matrices, such as ascorbate (AA), the use of different permselective membranes on Pt-LDHGOx modified electrode was discussed with the aim of improving biosensor selectivity and stability. Conventional membranes obtained using Nafion, glutaraldehyde (GA) vapours, GA-BSA were tested together with more innovative materials like palladium hexacyanoferrate (PdHCF) and titania hydrogels. Particular attention has been devoted to hydrogels, because they possess some attractive features, which are generally considered to favour biosensor materials biocompatibility and, consequently, the functional enzyme stability. The Pt-LDH-GOx-PdHCF hydrogel biosensor presented an anti-interferant ability so that to be applied for an accurate glucose analysis in blood. To further improve the biosensor selectivity, protective membranes containing horseradish peroxidase (HRP) were also investigated with the aim of oxidising the interferants before they reach the electrode surface. In such a case glucose determination was also accomplished in real matrices with high AA content. Furthermore, the application of a LDH containing nickel in the oxidised state was performed not only as a support for the enzyme, but also as anti-interferant sistem. The result is very promising and it could be the starting point for further applications in the field of amperometric biosensors; the study could be extended to other oxidase enzymes.

Untersuchung molekularer Erkennungsreaktionen mit einem integriert-optischen Mach-Zehnder-Interferometer

Abstract (deutsch)Zielsetzung des Dissertationsvorhabens war die Beobachtung und Analyse von Gast-Wirt-Wechselwirkungen an oxidischen Oberflächen. Einer der Wechselwirkungspartner sollte dabei auf der Oberfläche immobilisiert, der andere in wäßriger Lösung darüber vorliegen.Eine empfindliche und oberflächensensitive Methode zur Beobachtung der Anlagerung unmarkierter Moleküle ist die Wellenleiterspektroskopie, insbesondere mit dem hier verwendeten und weiterentwickelten integriert-optischen Mach-Zehnder-Interferometer in Siliziumtechnik (Siliziumoxynitrid auf oxidiertem Siliziumwafer). Mit Hilfe des Interferometers wurden unterschiedliche Wirt-Gast-Systeme untersucht. Grundlage der Immobilisierung war jeweils die Funktionalisierung der Sensoroberfläche durch Selbstadsorption von Organosilanen. Durch unterschiedliche Organosilane, die zum Teil im Rahmen dieser Arbeit synthetisiert wurden, ließen sich die Wirtmoleküle beta-Cyclodextrin, Streptavidin, sowie unterschiedliche monoklonale Antikörperfragmente immobilisieren.- Der Einfluß der Oberfläche auf die Bindungsstärke des Wirtmoleküls beta-Cyclodextrin und unterschiedlicher Gastmoleküle wurde konzentrationsabhängig untersucht.- Silan-Biotinderivate mit unterschiedlicher Streptavidin-Affinität wurden an die Oberfläche immobilisiert und die Adsorption von Streptavidin an die Biotinderivate beobachtet. Dabei konnte unter anderem nachgewiesen werden, daß das Streptavidinadsorbat gequollen ist.- Als mögliche Anwendung wurde geprüft, ob das vorgestellte Interferometer durch die Funktionalisierung mit Antikörperfragmenten als Biosensor in Frage kommt. Es konnte nachgewiesen werden, daß sich Antikörper auf der Sensoroberfläche immobilisieren lassen und Antigene spezifisch an diese Antikörper adsorbieren.

Funktionalisierte Polyphenylen-Dendrimere als nanoskopische Bausteine in der Sensorik

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese funktionalisierter Polyphenylen-Dendrimere für den Einsatz als Nanobausteine in übermolekularen 3-D Aggregaten für potentielle sensorische Anwendungen. Im ersten Teil werden zwei Konzepte zur Synthese von funktionalisierten Cyclopentadienonbausteinen vorgestellt: einer führt zu Bausteinen die zur Synthese von peripher-funktionalisierten Polyphenylen-Dendrimere geeignet sind, und ein zweiter Ansatz zielt auf Cyclopentadienonbausteine, die es erlauben Polyphenylen-Dendrimere im Inneren zu funktionalisieren. Für das erste Ziel erwies sich die Suzuki-Kreuzkupplung von Arylboronsäuren und Arylboronsäurenester mit Arylhalogeniden als ein optimales synthetisches Werkzeug. Demgegenüber wurden für das zweite Ziel -methylesterfunktionalisierten Cyclopentadienonbausteine anhand der Knoevenagel-Kondensation von bereits funktionstragenden-Partnern synthetisiert. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Synthesen von funktionalisierten Polyphenylen-Dendrimeren vorgestellt. Hierbei kamen zwei verschiedene synthetische Ansätze zum Einsatz: Einerseits wurden durch die Diels-Alder-Addition der funktionalisierten Cyclopentadienonbausteine an ethinylfunktionalisierten Polyphenylen-Grundkörper unterschiedlicher Generation die verfolgten funktionalisierten Zielverbindungen erhalten. Andererseits wurde in bestimmten Fällen die polymeranaloge Konversion von „Übergangsfunktionen“ in einem a posteriori-Funktionalisierungsschritt angewendet. Dementsprechend wurde die Einführung von funktionellen Gruppen möglich die entweder die alkalischen Bedingungen der Knoevenagel – Kondensation oder die hohen Temperaturen der Diels-Alder-Cycloaddition nicht überstehen. Die synthetischen Werkzeuge, die bei der a posteriori-Funktionalisierung zum Einsatz kamen, mussten die vollständige und nebenreaktionsfreie Konversion der Übergangsfunktionen ermöglichen. Als Reaktionen, die dieser Bedingungen genügen, wurden die Williamson –Ethersynthese und die Esterknüpfung nach der DCC-Methode in Verbindung mit hydroxyfunktionalisierten Polyphenylen-Grundkörper und die basische Esterspaltung an methyleseterfunktionalisierten Dendrimeren angewandt. Die aufgezählten Reaktionen führten zu Endprodukten, die ihre Monodispersität beibehielten und eine definierte Anzahl an Funktionalität aufwiesen. Anhand eingehenden Untersuchungen (der Aufbau von Sensorschichten für flüchtige organische Lösungsmittel, die Untersuchungen an elektrostatisch-wechselwirkenden übermolekularen Aggregaten sowie die Einlagerung von Gastmolekülen) wird es ersichtlich dass die synthetisierten Polyphenylen-Dendrimere vielseitig als Nanobausteine zur Erzeugung von funktionalen Materialien von potenzieller Bedeutung sind.

Entwicklung neuartiger stickstoffreicher Polyphenylene

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Darstellung und elektronische Anwendungsmöglichkeiten von neuartigen stickstoff- und damit elektronenreichen Poly(para-phenylenen) untersucht. Der Teilbereich „Polycarbazole“ befasst sich mit der Synthese von konjugierten (Stufen)leiterpolymeren auf der Basis von Carbazol. Dazu wurde ein neuer und effizienter Syntheseweg zur Gewinnung von 2,7-Dibromcarbazol entwickelt. Durch die weitere Funktionalisierung von 2,7-Dibromcarbazol gelang es, elektronenreiche Leiterpolymere zu gewinnen, die eine grüne Emissionsfarbe aufwiesen. Mit der Verwendung von R = 2-Decyltetradecyl als löslichkeitsfördernder Seitenkette in einem Poly(2,7-carbazol) konnte erstmals ein hochmolekulares Polycarbazol gewonnen werden. Dieses gut lösliche Poly(2,7-carbazol) erwies sich als ein exzellentes Donatormaterial in Solarzellen, welches in Kombination mit dem Farbstoff PDI eine effiziente Solarzelle ergab. Eine OLED mit einem neuartigen arylierten Polycarbazol als Emittermaterial zeigte eine sehr niedrige Turn-on-Spannung und eine intensive blaue EL-Emission. Das Kapitel über imidazolhaltige Poly(para-phenylene) und Discoten stellt die Darstellung von planarisierten Bisimidazolen vor, welche in hohen Ausbeuten durch eine intramolekulare Buchwald-Reaktion zwischen den Imidazolringen und der zentralen Terphenyleinheit durchgeführte wurde. Die dreistufige Darstellung der Discoten aus einem Terephthalaldehyd-Derivat und einem Benzil erlaubt eine einfache sowie variable Einführung von löslichkeitsfördernden Alkylsubstituenten. Auf diese Weise ist der Zugang zu einer völlig neuartigen Klasse an discotischen Materialien möglich, die eine Kombination aus Discoten auf der Basis von Benzolringen (wie z.B. HBC) mit Heteroaromaten darstellen. Die gewonnenen scheibenförmigen Bisimidazole wiesen dementsprechend auf Selbstanordnung zurückzuführende kolumnare Anordnungen und hexagonale Überstrukturen auf. Im dritten Themengebiet wird der Einbau eines Phthalimidchromophors direkt in das Rückgrad von Polyanilin vorgestellt. Da jegliche Veränderung des Oxidationsgrades zu einer unterschiedlichen Donatorfähigkeit des Polyanilinhauptkette führt, variiert in Abhängigkeit davon das Absorptionsverhalten des eingebauten Farbstoffes. Durch die Einführung des Phthalimidchromophores war es zudem möglich, ein leitfähiges Polymer zu erhalten, das im Gegensatz zum nicht-fluoreszierenden Polyanilin eine intensive gelbe Fluoreszenz (lmax = 547 nm) aufweist.

New proton conducting membranes for fuel cell applications

In order to synthesize proton-conducting materials which retain acids in the membrane during fuel cell operating conditions, the synthesis of poly(vinylphosphonic acid) grafted polybenzimidazole (PVPA grafted PBI) and the fabrication of multilayer membranes are mainly focussed in this dissertation. Synthesis of PVPA grafted PBI membrane can be done according to "grafting through" method. In "grafting through" method (or macromonomer method), monomer (e.g., vinylphosphonic acid) is radically copolymerized with olefin group attached macromonomer (e.g., allyl grafted PBI and vinylbenzyl grafted PBI). This approach is inherently limited to synthesize graft-copolymer with well-defined architectural and structural parameters. The incorporation of poly(vinylphosphonic acid) into PBI lead to improvements in proton conductivity up to 10-2 S/cm. Regarding multilayer membranes, the proton conducting layer-by-layer (LBL) assembly of polymers by various strong acids such as poly(vinylphosphonic acid), poly(vinylsulfonic acid) and poly(styrenesulfonic acid) paired with basic polymers such as poly(4-vinylimidazole) and poly(benzimidazole), which are appropriate for ‘Proton Exchange Membranes for Fuel Cell’ applications have been described. Proton conductivity increases with increasing smoothness of the film and the maximum measured conductivity was 10-4 S/cm at 25°C. Recently, anhydrous proton-conducting membranes with flexible structural backbones, which show proton-conducting properties comparable to Nafion have been focus of current research. The flexible backbone of polymer chains allow for a high segmental mobility and thus, a sufficiently low glass transition temperature (Tg), which is an essential factor to reach highly conductive systems. Among the polymers with a flexible chain backbone, poly(vinylphosphonic acid), poly(vinylbenzylphosphonic acid), poly(2-vinylbenzimidazole), poly(4-styrenesulfonic acid), poly(4-vinylimidazole), poly(4-vinylimidazole-co-vinylphosphonic acid) and poly(4-vinylimidazole-co-4-styrenesulfonic acid) are interesting materials for fuel cell applications. Synthesis of polybenzimidazole with anthracene structural unit was carried out in order to avoid modification reaction in the imidazole ring, because anthracene would encourage the modification reaction with an olefin by Diels-Alder reaction.

Charakterisierung von plasmafunktionalisierten Oberflächen mittels ToF-SIMS und multivariaten Analysemethoden

Die grundlegenden Prinzipien und Möglichkeiten der Oberflächencharakterisierung mittels ToF-SIMS (Flugzeit-Sekundärionen Massenspektrometrie) werden an ausgewählten Beispielen aus einem aktuell laufenden und vom BMBF geförderten Verbundforschungsprojekt (Fkz: 03N8022A) zum Thema Nanofunktionalisierung von Grenzflächen vorgestellt. Ein Schwerpunkt innerhalb des Projekts stellen die nichtgeschlossenen Schichtsysteme dar, die entweder über Domänenstrukturen oder einer definierten Einzelfunktionalisierung neuartige funktionelle Oberflächen bereitstellen. Mithilfe der sehr oberflächensensitiven ToF-SIMS Methode sowie der Möglichkeit einer graphischen Darstellung lateraler Molekülionenverteilungen auf funktionalisierten Oberflächen können Informationen über Struktur und Belegungsdichte der Funktionsschicht gewonnen werden. Die Kombination des ToF-SIMS Experimentes und eines multivariaten Algorithmus (partial least squares, PLS) liefert eine interessante Möglichkeit zur quantitativen und simultanen Bestimmung von Oberflächeneigenschaften (Element- und molekulare Konzentrationen sowie Kontaktwinkelwerte). Da das ToF-SIMS Spektrum einer plasmafunktionalisierten Oberfläche im Allgemeinen eine Vielzahl unterschiedlicher Fragmentsignale enthält, lässt eine einfache eindimensionale Korrelation (z.B. CF3 - Fragmentintensität ßà CF3-Konzentration) den größten Teil der im Spektrum prinzipiell enthaltenen Information unberücksichtigt. Aufgrund der großen Anzahl von atomaren und molekularen Signalen, die repräsentativ für die chemische Struktur der analysierten Oberflächen sind, ist es sinnvoll, diese Fülle von Informationen zur Quantifizierung der Oberflächeneigenschaften (Elementkonzentrationen, Kontaktwinkel etc.) zu verwenden. Zusätzlich ermöglicht diese Methode eine quantitative Bestimmung der Oberflächeneigenschaften auf nur µm-großen Bereichen. Das ist vorteilhaft für Untersuchungen chemisch strukturierter Oberflächen, da die Größe der Strukturierung für viele Anwendungen in einem Bereich von mehreren µm liegt. Anhand eines Beispieles aus dem biologisch-medizinischen Fachgebiet, soll der erfolgreiche Einsatz multivariater Modelle aufgezeigt werden. In diesem Experiment wurden menschlichen Bindegewebs- (Fibroblasten) und Pankreaszellen auf plasmafunktionalisiserten Oberflächen kultiviert, um die Beeinflussung der Funktionalisierung auf das Zellwachstum zu untersuchen. Die plasmabehandelten Oberflächen wurden durch die Verwendung von TEM-Gittern mit µm-großen Öffnungen chemisch strukturiert und das Wachstumsverhalten der Zellen beobachtet. Jedem dieser µm-großen Bereiche können mithilfe der multivariaten Modelle quantitative Größen zugeordnet werden (Konzentrationen und Kontaktwinkelwerte), die zur Interpretation des Wachstumsverhaltens der Zellen beitragen.