A retrievable and highly selective fluorescent probe for monitoring dihydrogen phosphate ions based on a naphthalimide framework

A novel selective fluorescent chemosensor based on naphthalimide derivatives (AN-SB) was synthesized and characterized. Once combined with Cu2+, compound AN-SB could give rise to a visible yellow to orange color change and fluorescence quenching, while other metal ions showed subtle disturbance. The complex (AN-SB-Cu2+) formed by Cu2+ and AN-SB displayed high specificity for H2PO4-. Among the various anions, only H2PO4- induced the revival of color and fluorescence of AN-SB, resulting in "off-on" type sensing of H2PO4- anion. The signal transduction occured via reversible formation-separation of complex AN-SB-Cu2+, however, slight changes were observed in the presence of other anions. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Efficient and selective hydrogen peroxide-mediated oxidation of sulfides in batch and segmented and continuous flow using a peroxometalate-based polymer immobilised ionic liquid phase catalyst

The peroxometalate-based polymer immobilized ionic liquid phase catalyst [PO4{WO(O-2)(2)}(4)]@PIILP has been prepared by anion exchange of ring opening metathesis-derived pyrrolidinium-decorated norbornene/ cyclooctene copolymer and shown to be a remarkably efficient system for the selective oxidation of sulfides under mild conditions. A cartridge packed with a mixture of [PO4{WO(O-2)(2)}(4)]@PIILP and silica operated as a segmented or continuous flow process and gave good conversions and high selectivity for either sulfoxide (92% in methanol at 96% conversion for a residence time of 4 min) or sulfone (96% in acetonitrile at 96% conversion for a residence time of 15 min). The immobilized catalyst remained active for 8 h under continuous flow operation with a stable activity/selectivity profile that allowed 6.5 g of reactant to be processed (TON = 46 428) while a single catalyst cartridge could be used for the consecutive oxidation of multiple substrates giving activity-selectivity profiles that matched those obtained with fresh catalyst.

Stoichiometric Molecularly Imprinted Polymers for the Recognition of Anti-Cancer Pro-drug Tegafur

Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) targeting tegafur, an anti-cancer 5-fluorouracil pro-drug, have been prepared by stoichiometric imprinting using 2,6-bis(acrylamido)pyridine (BAAPy) as the functional monomer. Solution association between tegafur and BAAPy was studied by 1H NMR titration, which confirmed the formation of 1:1 complexes with an affinity constant of 574±15 M-1 ¬in CDCl3. Evaluation of the synthesised materials by HPLC and equilibrium rebinding experiments revealed high selectivity of the imprinted polymer for the pro-drug versus 5-fluorouracil and other competing analytes, with maximum imprinting factors of 25.3 and a binding capacity of 45.1 μmol g-1. The synthesised imprinted polymer was employed in solid-phase extraction of the pro-drug using an optimised protocol that included a simple wash with the porogen used in the preparation of the material. Tegafur recoveries of up to 96% were achieved from aqueous samples and 92% from urine samples spiked with the template and three competing analytes. The results demonstrate the potential of the prepared polymers in the pre-concentration of tegafur from biological samples, which could be an invaluable tool in the monitoring of patient compliance and drug uptake and excretion.

Combining Bio- and Chemo-catalysis for the Sustainable Production of Chemicals

The combination of bio- and chemo-catalysis to form a single synthetic route is a powerful methodology for the improvement of chemical synthesis. The extreme methods of biocatalysis (whole cell and isolated enzyme) fulfill very different roles. Biocatalysis by isolated enzymes enables highly efficient chemical transformations of extremely high selectivity and low contamination; however, conditions and substrates are limited to a narrow range. Whole cell biocatalysis enables the conversion of crude substrates, such as those derived from biomass; however, the products tend to be impure and delivered in dilute aqueous solution. Chemocatalysis is a well-established technique, and the addition of chemical catalysis and chemocatalytic methods to biocatalysis enables synthetic chemists to avoid the shortcomings of a biocatalytic step. For example, in enzymatic catalysis the addition of a chemical catalyst can allow the conversion of a racemic alcohol to an enantiopure, instead of racemic, product. In whole cell biocatalysis chemical reagents can assist the separation, transformation, and further isolation of the functionality of interest. The cooperation of bio- and chemocatalysts enables sustainable production of chemicals that would be impossible using biocatalysis alone, while achieving selectivities and using substrates not currently possible with chemocatalysis alone.

Síntese e aplicações catalíticas na funcionalização de alcanos de novos compostos com polioxometalatos e catiões orgânicos

A presente dissertação, que no seu conjunto se propõe apresentar o estudo de oxidação de compostos orgânicos com peróxido de hidrogénio na presença dos aniões do tipo Keggin, mono-substituídos por MnIII e FeIII, sob a forma de sais de tetra-n-butilamónio (TBA) e suportados em matriz de sílica funcionalizada, enquanto vital método de obtenção de importante precursores de síntese orgânica, tem na sua base o trabalho de Doutoramento desenvolvido no Departamento de Química da Universidade de Aveiro. Os compostos preparados e testados em sistema homogéneo foram os sais de TBA dos aniões de Keggin, de fórmula geral [XW11M(H2O)O39]n-, onde X = P, Si ou B e M = MnIII e FeIII. Em sistema heterogéneo foram testados diferentes materiais, que diferem entre si na matriz de sílica. Assim, fez-se a heterogeneização de [PW11Fe(H2O)O39]4- em sílica funcionalizada com catiões de césio e grupos propilamónio; [BW11Fe(H2O)O39]6- e [SiW11Fe(H2O)O39]5- foram imobilizados em sílica contendo grupos aminopropilo e o anião [PW11Mn(H2O)O39]4- foi suportado em sílica quimicamente modificada com grupos alquilamónio. Os substratos orgânicos estudados incluem o 1H-indeno, 1,2-di-hidronaftaleno, etilbenzeno, cumeno, p-cimeno, sec-butilbenzeno, 1- e 2-etilnaftaleno, cis-cicloocteno e ciclooctano. Paralelamente usaram-se alguns outros substratos, quando necessário obter esclarecimentos mecanísticos. A tese assenta numa estrutura composta por 7 capítulos. Na primeira, faz-se uma abordagem aos polioxometalatos e às reacções de oxidação de hidrocarbonetos, com particular destaque no uso de polioxometalatos em catálise oxidativa e também no uso de peróxido de hidrogénio como oxidante. A eficiência catalítica dos aniões de Keggin mono substituídos por MnIII e FeIII, em sistema homogéneo foi avaliada na oxidação de compostos orgânicos característicos, nomeadamente de ciclo-alcenilbenzenos, alquilbenzenos, ciclo-alquilbenzenos e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos com H2O2, em acetonitrilo. Os resultados destes estudos encontram-se descritos nos capítulos dois, três e quatro desta tese. Estes compostos mostraram-se catalisadores eficientes e selectivos para a oxidação de alcanos e alcenos. O quinto capítulo da tese prossegue com a síntese, caracterização e eficiência catalítica dos polioxotungstatos referidos anteriormente imobilizados numa matriz de sílica funcionalizada com iões césio (SiO2-Cs), grupos aminopropilo (SiO2–(CH2)3NH2) ou trietilpropilamónio (SiO2-(CH2)3N(Et)3). A actividade catalítica destes compostos foi estudada utilizando o cis-cicloocteno e ciclooctano como substratos padrão. A oxidação de cis-clicoocteno originou o epóxido com 100% de selectividade e o catalisador foi reutilizado durante 4 ciclos com elevada eficiência. No sexto capítulo, são descritas as metodologias experimentais de síntese dos novos compostos, as condições catalíticas, a instrumentação e demais métodos e procedimentos usados. No sétimo e último capítulo, tecem-se as conclusões finais e apresentam-se algumas perspectivas de trabalho futuro utilizando o sistema, POM/H2O2, usado neste trabalho.

Microextração adsortiva em barra (BAuE) : fundamentos avanços e aplicações na análise vestigial de compostos emergentes em matrizes reais

Tese de doutoramento, Química (Química Analítica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Molecularly imprinted polymer based on MWCNTs-QDs as fluorescent biomimetic sensor for specific recognition of target protein

A novel molecularly imprinted optosensing material based on multi-walled carbon nanotube-quantum dots (MWCNT-QDs) has been designed and synthesized for its high selectivity, sensitivity and specificity in the recognition of a target protein bovine serum albumin (BSA). Molecularly imprinted polymer coated MWCNT-QDs using BSA as the template (BMIP-coated MWCNT-QDs) exhibits a fast mass-transfer speed with a response time of 25 min. It is found that the BSA as a target protein can significantly quench the luminescence of BMIP-coated MWCNT-QDs in a concentration-dependent manner that is best described by a Stem-Volmer equation. The K-SV for BSA is much higher than bovine hemoglobin and lysozyme, implying a highly selective recognition of the BMIP-coated MWCNT-QDs to BSA. Under optimal conditions, the relative fluorescence intensity of BMIP-coated MWCNT-QDs decreases linearly with the increasing target protein BSA in the concentration range of 5.0 x 10(-7)-35.0 x 10(-7) M with a detection limit of 80 nM.

Desenvolvimento e aplicação de um biossensor para monitorização de creatinina, um biomarcador associado a doenças emergentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um material sensor para creatinina por impressão molecular em estrutura polimérica (MIP) e a sua aplicação no desenvolvimento de um dispositivo de natureza potenciométrica para a determinação da molécula alvo em fluidos biológicos. A creatinina é um dos biomarcadores mais utilizados no acompanhamento da doença renal, já que é um bom indicador da taxa de filtração glomerular (TFG). Os materiais biomiméticos desenhados para interação com a creatinina foram obtidos por polimerização radicalar, recorrendo a monómeros de ácido metacríclico ou de vinilpiridina e a um agente de reticulação apropriado. De modo a aferir o efeito da impressão da creatinina na resposta dos materiais MIP à sua presença, foram também preparados e avaliados materiais de controlo, obtidos sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais, incluindo a extração da molécula impressa, foi realizado por Espectroscopia de Raman e de Infravermelho com Transformada de Fourrier. A afinidade de ligação entre estes materiais e a creatinina foi também avaliada com base em estudos cinéticos. Todos os materiais descritos foram integrados em membranas selectivas de elétrodos seletivos de ião, preparadas sem ou com aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais de funcionamento destes elétrodos, em meios de composição e pH diferentes, indicaram que as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico eram as únicas com utilidade analítica. Os melhores resultados foram obtidos em solução tampão Piperazine-N,N′-bis(2- ethanesulfonic acid), PIPES, de pH 2,8, condição que permitiu obter uma resposta quasi-Nernstiana, a partir de 1,6×10-5 mol L-1. Estes elétrodos demonstraram ainda uma boa selectividade ao apresentaram uma resposta preferencial para a creatinina quando na presença de ureia, carnitina, glucose, ácido ascórbico, albumina, cloreto de cálcio, cloreto de potássio, cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Os elétrodos foram ainda aplicados com sucesso na análise de amostras sintéticas de urina, quando os materiais sensores eram baseados em ácido metacrilico, e soro, quando os materiais sensores utilizados eram baseados em vinilpiridina.

Chitosan/AuNPs Modified Graphene Electrochemical Sensor for Label-Free Human Chorionic Gonadotropin Detection

A new immunosensor is presented for human chorionic gonadotropin (hCG), made by electrodepositing chitosan/gold-nanoparticles over graphene screen-printed electrode (SPE). The antibody was covalently bound to CS via its Fc-terminal. The assembly was controlled by electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and followed by Fourier Transformed Infrared (FTIR). The hCG-immunosensor displayed linear response against the logarithm-hCG concentration for 0.1–25 ng/mL with limit of detection of 0.016 ng/mL. High selectivity was observed in blank urine and successful detection of hCG was also achieved in spiked samples of real urine from pregnant woman. The immunosensor showed good detection capability, simplicity of fabrication, low-cost, high sensitivity and selectivity.

Label-free human chorionic gonadotropin detection at picogram levels using oriented antibodies bound to graphene screen-printed electrodes

Human chorionic gonadotropin (hCG) is a key diagnostic marker of pregnancy and an important biomarker for cancers in the prostate, ovaries and bladder and therefore of great importance in diagnosis. For this purpose, a new immunosensor of screen-printed electrodes (SPEs) is presented here. The device was fabricated by introducing a polyaniline (PANI) conductive layer, via in situ electropolymerization of aniline, onto a screen-printed graphene support. The PANI-coated graphene acts as the working electrode of a three terminal electrochemical sensor. The working electrode is functionalised with anti-hCG, by means of a simple process that enabled oriented antibody binding to the PANI layer. The antibody was attached to PANI following activation of the –COOH group at the Fc terminal. Functionalisation of the electrode was analysed and optimized using Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Chemical modification of the surface was characterised using Fourier transform infrared, and Raman spectroscopy with confocal microscopy. The graphene–SPE–PANI devices displayed linear responses to hCG in EIS assays from 0.001 to 50 ng mL−1 in real urine, with a detection limit of 0.286 pg mL−1. High selectivity was observed with respect to the presence of the constituent components of urine (urea, creatinine, magnesium chloride, calcium chloride, sodium dihydrogen phosphate, ammonium chloride, potassium sulphate and sodium chloride) at their normal levels, with a negligible sensor response to these chemicals. Successful detection of hCG was also achieved in spiked samples of real urine from a pregnant woman. The immunosensor developed is a promising tool for point-of-care detection of hCG, due to its excellent detection capability, simplicity of fabrication, low-cost, high sensitivity and selectivity.

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

Développement de méthodes d’analyse directe de polluants organiques volatils à l’état de traces dans l’air et les biogaz

Il est reconnu que le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et les isomères du xylène, composés organiques volatils (COVs) communément désignés BTEX, produisent des effets nocifs sur la santé humaine et sur les végétaux dépendamment de la durée et des niveaux d’exposition. Le benzène en particulier est classé cancérogène et une exposition à des concentrations supérieures à 64 g/m3 de benzène peut être fatale en 5–10 minutes. Par conséquent, la mesure en temps réel des BTEX dans l’air ambiant est essentielle pour détecter rapidement un danger associé à leur émission dans l’air et pour estimer les risques potentiels pour les êtres vivants et pour l’environnement. Dans cette thèse, une méthode d’analyse en temps réel des BTEX dans l’air ambiant a été développée et validée. La méthode est basée sur la technique d’échantillonnage direct de l’air couplée avec la spectrométrie de masse en tandem utilisant une source d’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI-MS/MS directe). La validation analytique a démontré la sensibilité (limite de détection LDM 1–2 μg/m3), la précision (coefficient de variation CV < 10%), l’exactitude (exactitude > 95%) et la sélectivité de la méthode. Des échantillons d’air ambiant provenant d’un site d’enfouissement de déchets industriels et de divers garages d’entretien automobile ont été analysés par la méthode développée. La comparaison des résultats avec ceux obtenus par la technique de chromatographie gazeuse on-line couplée avec un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) a donné des résultats similaires. La capacité de la méthode pour l’évaluation rapide des risques potentiels associés à une exposition aux BTEX a été prouvée à travers une étude de terrain avec analyse de risque pour la santé des travailleurs dans trois garages d’entretien automobile et par des expériences sous atmosphères simulées. Les concentrations mesurées dans l’air ambiant des garages étaient de 8,9–25 µg/m3 pour le benzène, 119–1156 µg/m3 pour le toluène, 9–70 µg/m3 pour l’éthylbenzène et 45–347 µg/m3 pour les xylènes. Une dose quotidienne environnementale totale entre 1,46 10-3 et 2,52 10-3 mg/kg/jour a été déterminée pour le benzène. Le risque de cancer lié à l’exposition environnementale totale au benzène estimé pour les travailleurs étudiés se situait entre 1,1 10-5 et 1,8 10-5. Une nouvelle méthode APCI-MS/MS a été également développée et validée pour l’analyse directe de l’octaméthylcyclotétrasiloxane (D4) et le décaméthylcyclopentasiloxane (D5) dans l’air et les biogaz. Le D4 et le D5 sont des siloxanes cycliques volatils largement utilisés comme solvants dans les processus industriels et les produits de consommation à la place des COVs précurseurs d’ozone troposphérique tels que les BTEX. Leur présence ubiquitaire dans les échantillons d’air ambiant, due à l’utilisation massive, suscite un besoin d’études de toxicité. De telles études requièrent des analyses qualitatives et quantitatives de traces de ces composés. Par ailleurs, la présence de traces de ces substances dans un biogaz entrave son utilisation comme source d’énergie renouvelable en causant des dommages coûteux à l’équipement. L’analyse des siloxanes dans un biogaz s’avère donc essentielle pour déterminer si le biogaz nécessite une purification avant son utilisation pour la production d’énergie. La méthode développée dans cette étude possède une bonne sensibilité (LDM 4–6 μg/m3), une bonne précision (CV < 10%), une bonne exactitude (> 93%) et une grande sélectivité. Il a été également démontré qu’en utilisant cette méthode avec l’hexaméthyl-d18-disiloxane comme étalon interne, la détection et la quantification du D4 et du D5 dans des échantillons réels de biogaz peuvent être accomplies avec une meilleure sensibilité (LDM ~ 2 μg/m3), une grande précision (CV < 5%) et une grande exactitude (> 97%). Une variété d’échantillons de biogaz prélevés au site d’enfouissement sanitaire du Complexe Environnemental de Saint-Michel à Montréal a été analysée avec succès par cette nouvelle méthode. Les concentrations mesurées étaient de 131–1275 µg/m3 pour le D4 et 250–6226 µg/m3 pour le D5. Ces résultats représentent les premières données rapportées dans la littérature sur la concentration des siloxanes D4 et D5 dans les biogaz d’enfouissement en fonction de l’âge des déchets.

Développement de papier bioactif par couchage à grande échelle d’enzymes immobilisées par microencapsulation

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG.

A PVC plasticized membrane sensor for nickel ions

A new PVC membrane sensor, which is highly selective towards Ni (II) ions, has been developed using a thiophene-derivative Schiff base as the ionophore. The best performance was exhibited by the membrane having the composition percentage ratio of 5:3:61:31 (ionophore:NaTPB:DBP:PVC) (w=w), where NaTPB is the anion excluder, sodium tetraphenylborate and DBP is the plasticizing agent (dibutyl phthalate). The membrane exhibited a good Nernstian response for nickel ions over the concentration range of 1.0 10 1– 5.0 10 6M (limit of detection is 1.8 10 6 M) with a slope of 29.5 1.0mV per decade of activity. It has a fast response time of<20 s and can be used for a period of 4 months with good reproducibility. The sensor is suitable for use in aqueous solutions of a wide pH range of 3.2–7.9. The sensor shows high selectivity to nickel ions over a large number of mono-, bi- and trivalent cations. It has been successfully used as an indicator electrode in the potentiometric titration of nickel ions against EDTA and also for direct determination of nickel content in real samples – wastewater samples from electroplating industries and Indian chocolates.

A PVC Plasticized Membrane Sensor for Nickel Ions

A new PVC membrane sensor, which is highly selective towards Ni (II) ions, has been developed using a thiophene-derivative Schiff base as the ionophore. The best performance was exhibited by the membrane having the composition percentage ratio of 5:3:61:31 (ionophore:NaTPB:DBP:PVC) (w=w), where NaTPB is the anion excluder, sodium tetraphenylborate and DBP is the plasticizing agent (dibutyl phthalate). The membrane exhibited a good Nernstian response for nickel ions over the concentration range of 1.0 10 1– 5.0 10 6M (limit of detection is 1.8 10 6 M) with a slope of 29.5 1.0mV per decade of activity. It has a fast response time of<20 s and can be used for a period of 4 months with good reproducibility. The sensor is suitable for use in aqueous solutions of a wide pH range of 3.2–7.9. The sensor shows high selectivity to nickel ions over a large number of mono-, bi- and trivalent cations. It has been successfully used as an indicator electrode in the potentiometric titration of nickel ions against EDTA and also for direct determination of nickel content in real samples – wastewater samples from electroplating industries and Indian chocolates.