Novos receptores moleculares baseados em calix[4]arenos: aplicação à química sensorial

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Monitorização de cobre em vinhos verdes

A presente dissertação descreve o desenvolvimento e a caracterização de sensores potenciométricos com base em polímeros de impressão molecular e de sensores ópticos com base em membranas de poli(cloreto de vinilo), PVC, para a determinação de cobre em vinhos verdes. Os sensores potenciométricos foram preparados a partir de diferentes solventes (metanol e clorofórmio), tendo o seu crescimento decorrido na presença ou ausência da molécula molde (cobre). Os sistemas sensores selectivos ao cobre continham partículas de polímeros com ou sem impressão molecular como material electroactivo, dispersas em solvente plastificante, PVC e, em alguns casos, aditivo aniónico. A avaliação dos vários sistemas baseou-se na comparação das características operacionais dos diversos eléctrodos onde foram aplicados. Estas características foram obtidas a partir de curvas de calibração, cujos declives e limites de detecção variaram entre -39,9 – 37,0 mV decada-1 e 4,2 – 29,1 μg mL-1, respectivamente. Os sensores não são independentes do pH uma vez que o complexo formado entre o cobre e a difenilcarbazida é favorecido por valores de pH próximos de 5. Assim, obtiveram-se melhores resultados usando água desionizada ou solução tampão de HEPES revelando-se um método rápido e relativamente eficaz nestas condições. Os sensores ópticos basearam-se na reacção colorimétrica entre o cobre e um complexante. Os reagentes complexantes escolhidos foram a neocuproína, a difenilcarbazida e o dietilditiocarbamato de sódio. Avaliou-se o efeito de vários parâmetros experimentais na resposta destes sensores, tais como o pH (avaliado para os valores 3,00 e 5,00), a concentração de cobre (que variou entre 0,06 e 317,7 mg L- 1) e as próprias características da membrana. Os melhores resultados foram obtidos a pH 3, numa gama de concentrações de 0,06 e 31,8 mg L-1 usando a difenilcarbazida como reagente complexante. A aplicação destes sensores a vinhos requer ainda estudos adicionais, especialmente no que diz respeito à necessidade de implementar algum procedimento de pré-tratamento de amostra.

Avaliação ecotoxicológica de solos contaminados por ibuprofeno

Os produtos farmacêuticos são substâncias químicas muito utilizados em medicina, veterinária e ainda na agricultura. Nos anos 90, foi descoberta a presença de fármacos em meio aquático, verificando-se que a sua remoção nas Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) não era completa. Durante as duas últimas décadas foi identificada a presença de mais de oitenta compostos no meio ambiente e actualmente são considerados poluentes emergentes. Podem contaminar solos e águas, depois de serem usados e excretados (inalterados ou metabolizados) por humanos e animais, ou quando são indevidamente lançados directamente no meio ambiente. Os estudos ecotoxicológicos efectuados com estes poluentes têm sido direccionados, sobretudo, para as águas, existindo uma ausência de trabalhos sobre solos. O Ibuprofeno (IB) é um anti-inflamatório não esteróide, utilizado também como analgésico e antipirético, sendo um dos produtos farmacêuticos mais vendidos em todo o mundo, o que justifica a sua forte presença no meio ambiente. Por isso, e dada a ausência de trabalhos ecotoxicológicos de solos contaminados por fármacos, o IB foi o produto farmacêutico selecionado para a realização deste trabalho. A ecotoxicidade pode ser avaliada através de bioensaios. Estes têm a capacidade de avaliar a toxicidade de uma determinada substância de forma global, usando organismos vivos que funcionam como bio-indicadores. O presente trabalho tem como objectivos avaliar o impacte causado nos solos pelo IB, testar a toxicidade de dois processos de descontaminação para remover o referido fármaco dos solos assim como avaliar a toxicidade provocada por águas residuais, de três unidades hospitalares e de uma indústria farmacêutica. Esta avaliação foi efectuada através de ensaios de toxicidade aguda de germinação e de alongamento de raiz de sementes de alface, variedade bola de manteiga (Lactuca sativa), em solo arenoso. Os ensaios de ecotoxicidade aguda em solos contaminados por IB foram realizados para uma gama de concentrações entre 0,1 e 1000 μg/L. Verificou-se uma redução do número de sementes germinadas e do comprimento médio da planta no solo contaminado com 0,5 e 20 μg/L de IB. No solo contaminado com 1000 μg/L de IB observou-se uma redução da germinação, acompanhada por uma indução de crescimento da raiz da espécie Lactuca sativa. Os dois tratamentos de descontaminação de solos, reagente de Fenton e Nanopartículas de ferro zero valente, revelaram toxicidade, tendo-se obtido uma percentagem de germinação entre 32,2 ± 3,5 e 48,5 ± 6,2 e inibição do crescimento da raiz do organismo teste em cerca de 85,0 %. Em relação às águas residuais hospitalares verificou-se uma redução da percentagem de germinação entre 31,1 ± 5,0 e 72,3 ± 12,4 e uma inibição do crescimento da raiz situada entre 13,0 ± 6,4 e 20,2 ± 10,0 %. Para a água residual industrial ocorreu uma inibição da percentagem de germinação de 60,5 ± 13,1, contudo nas plantas germinadas observou-se uma indução do crescimento da raiz de 14,9 ± 7,7 %.

Determination of polyphenols in wines by reaction with 4-aminoantipyrine and photometric flow-injection analysis

A new flow-injection analytical procedure is proposed for the determination of the total amount of polyphenols in wines; the method is based on the formation of a colored complex between 4-aminoantipyrine and phenols, in the presence of an oxidizing reagent. The oxidizing agents hexacyanoferrate(III), peroxodisulfate, and tetroxoiodate(VII) were tested. Batch trials were first performed to select appropriate oxidizing agents, pH, and concentration ratios of reagents, on the basis of their effect on the stability of the colored complex. Conditions selected as a result of these trials were implemented in a flow-injection analytical system in which the influence of injection volume, flow rate, and reaction- coil length, was evaluated. Under the optimum conditions the total amount of polyphenols, expressed as gallic acid, could be determined within a concentration range of 36 to 544 mg L–1, and with a sensitivity of 344 L mol–1 cm–1 and an RSD <1.1%. The reproducibility of analytical readings was indicative of standard deviations <2%. Interference from sugars, tartaric acid, ascorbic acid, methanol, ammonium sulfate, and potassium chloride was negligible. The proposed system was applied to the determination of total polyphenols in red wines, and enabled analysis of approximately 55 samples h–1. Results were usually precise and accurate; the RSD was <3.9% and relative errors, by the Folin–Ciocalteu method, <5.1%.

Análise do sistema de tratamento de efluentes gasosos de uma central de valorização energética de resíduos sólidos urbanos

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre Em Engenharia Química e Biológica Ramo de processos Químicos

Amplificação em imunohistoquímica: estudo comparativo de sistemas de polímeros

Desde o início da utilização da imunohistoquímica em anatomia patológica, um dos objetivos tem sido detetar as quantidades mais ínfimas de antigénio, tornando-o visível ao microscópio ótico. Vários sistemas de amplificação têm sido aplicados de forma a concretizar este objetivo, tendo surgido um grupo genérico de métodos simples e que apresentam uma amplificação superior: são os denominados métodos do polímero indireto. Tendo em conta a variedade de métodos disponíveis, o autor propõe-se a comparar a qualidade de quatro sistemas de amplificação, que recorrem ao método do polímero indireto com horseradish peroxidase (HRP). Foram utilizadas lâminas de diferentes tecidos, fixados em formol e incluídos em parafina, nos quais se procedeu à identificação de 15 antigénios distintos. Na amplificação recorreu-se a quatro sistemas de polímero indireto (Dako EnVision+ System – K4006; LabVision UltraVision LP Detection System – TL-004-HD; Leica NovoLink – RE7140-k; Vector ImmPRESS Reagent Kit – MP-7402). A observação microscópica e classificação da imunomarcação obtida foram feitas com base num algoritmo que enquadra intensidade, marcação específica, marcação inespecífica e contraste, num score global que pode tomar valores entre 0 e 25. No tratamento dos dados, para além da estatística descritiva, foi utilizado o teste one-way ANOVA com posthoc de tukey (alfa=0.05). O melhor resultado obtido, em termos de par média/desvio-padrão, dos scores globais foi o do NovoLink (22,4/2,37) e o pior foi o do EnVision+ (17,43/3,86). Verificou-se ainda que existe diferença estatística entre os resultados obtidos pelo sistema NovoLink e os sistemas UltraVision (p=.004), ImmPRESS (p=.000) e EnVision+ (p=.000). Concluiu-se que o sistema que permitiu a obtenção de melhores resultados, neste estudo, foi o Leica NovoLink.

Lectins for the detection of IgM antibodies to T. gondii in the diagnosis of acute toxoplasmosis by immunofluorescence test

Lectins were labeled with fluorescein and tried as conjugates in the immunofluorescence (IP) test for the detection of IgM antibodies to T. gondii, in the diagnosis of acute toxoplasmosis. This approach was an attempt to find alternative reagents for anti-human IgM fluorescent conjugates (AHIgMFC), which contain quite frequently anaibcdies to toxoplasma, as contaminants, due to natural T. gondii infections among animals used for imunization. Lentil (Lens culinaris) lectin fluorescence conjugates (LcFC) provided most satisfactory results. The evaluation of LcFC carried out in a total of 179 sera from patients with acute and chronic toxoplasmosis, with non-related infections or healthy subjects, gave high values of relative efficiency, co-positivity and co-negativity indices, respectively 0.989, 0.969 and 1.000, in reference to the conventional AHIgMFC. Moreover, three batches of LcFC successively prepared gave reproducible test results. The advantage of LcFC as an alternative reagent for the serodiagnosis of acute toxoplasmosis is supported by practical aspects of its preparation.

Remediação de solos contaminados por compostos farmacêuticos

O recente surgimento de nanopartículas de ferro valente-zero (nFZV), um material com elevada capacidade de remediação de solos por via de reacções de oxidação/redução pode ser uma opção viável para a remoção de fármacos do solo. A sua aplicação já é uma realidade em alguns tipos de solos contaminados por compostos específicos e, com este trabalho, procura-se estudar a sua capacidade de remediação de solos contaminados por compostos farmacêuticos, recorrendo-se a uma tecnologia “verde” de síntese destas nanopartículas. Esta tecnologia é bastante recente, ainda não aplicada no campo de trabalho, que se baseia no uso de folhas de certas árvores para produzir extratos naturais que reduzem o ferro (III) a ferro zero valente, formando nFZV. Desta forma procedeu-se, à escala laboratorial, ao estudo da eficiência das nFZV na degradação de um fármaco – paracetamol – e comparou-se com a eficiência demonstrada por oxidantes, muito utilizados hoje em dia em casos de remediação in situ como o permanganato de potássio, o peróxido de hidrogénio, o persulfato de sódio e o reagente de Fenton. O estudo foi efectuado em dois meios diferentes: solução aquosa e solo arenoso. De forma muito sucinta, o estudo baseou-se na introdução dos oxidantes/nFZV em soluções/solos contaminados com paracetamol e consequente monitorização do processo de remediação através de cromatografia líquida de alta eficiência. Nos ensaios com soluções aquosas contaminadas com paracetamol, o permanganato de potássio e o reagente de Fenton revelaram capacidade para degradar o paracetamol, atingindo mesmo um grau de degradação de 100%. O persulfato de sódio também demonstrou uma capacidade de degradação do paracetamol, chegando a atingir 99% de degradação, mas apenas recorrendo ao uso de um volume de oxidante elevado quando comparado com os outros dois oxidantes já referidos. Por outro lado, o peróxido de hidrogénio não demonstrou qualquer capacidade de degradação do paracetamol, pelo que o seu uso não passou desta fase. Verificou-se também que o uso de ferro granulado para o tratamento de água contaminada com paracetamol revelou resultados diferentes dos observados no uso de nFZV, obtendo-se eficiências de 87%. Existiram dificuldades analíticas na quantificação do paracetamol, especificamente relacionadas com o uso do extracto de folhas de amoreira, cuja composição continha substâncias que causaram dificuldades acentuadas na análise dos cromatogramas. Por fim, um pequeno teste de combinação do reagente de Fenton com os fenómenos de biodegradação resultantes dos microrganismos presentes em folhas do extracto de chá preto demonstrou que este pode ser uma área que pode e deve ser mais estudada. Desta forma, a utilização das nFZV para o tratamento de água contaminada com paracetamol não permitiu a retirada de conclusões seguras sobre a capacidade que as nFZV produzidas com extractos de folhas de amoreira e de chá preto têm de degradação do paracetamol. Nos testes de remediação de solos contaminados os resultados demonstraram que, mais uma vez, tanto o permanganato de potássio como o reagente de Fenton se revelam como os melhores oxidantes para a degradação do paracetamol, obtendo-se a degradação total do paracetamol. Por outro lado, voltou a ser necessário uma elevada quantidade de persulfato de sódio quando comparada com os dois anteriores, para que ocorra a degradação desta mesma quantidade de paracetamol, demonstrando mais uma vez que, apesar de não ideal, o persulfato demonstra capacidade de degradação do paracetamol.

A comprehensive high-throughput FTIR spectroscopy-based method for evaluating the transfection event: estimating the transfection efficiency and extracting associated metabolic responses

Reporter genes are routinely used in every laboratory for molecular and cellular biology for studying heterologous gene expression and general cellular biological mechanisms, such as transfection processes. Although well characterized and broadly implemented, reporter genes present serious limitations, either by involving time-consuming procedures or by presenting possible side effects on the expression of the heterologous gene or even in the general cellular metabolism. Fourier transform mid-infrared (FT-MIR) spectroscopy was evaluated to simultaneously analyze in a rapid (minutes) and high-throughput mode (using 96-wells microplates), the transfection efficiency, and the effect of the transfection process on the host cell biochemical composition and metabolism. Semi-adherent HEK and adherent AGS cell lines, transfected with the plasmid pVAX-GFP using Lipofectamine, were used as model systems. Good partial least squares (PLS) models were built to estimate the transfection efficiency, either considering each cell line independently (R 2 ≥ 0.92; RMSECV ≤ 2 %) or simultaneously considering both cell lines (R 2 = 0.90; RMSECV = 2 %). Additionally, the effect of the transfection process on the HEK cell biochemical and metabolic features could be evaluated directly from the FT-IR spectra. Due to the high sensitivity of the technique, it was also possible to discriminate the effect of the transfection process from the transfection reagent on KEK cells, e.g., by the analysis of spectral biomarkers and biochemical and metabolic features. The present results are far beyond what any reporter gene assay or other specific probe can offer for these purposes.

Identification of Toxoplasma gondii antigens involved in the IgM AND IgG indirect hemagglutination tests for the diagnosis of toxoplasmosis

Crude Toxoplasma gondii antigens represent raw material used to prepare reagents to be employed in different serologic tests for the diagnosis of toxoplasmosis, including the IgM and IgG indirect hemagglutination (IgG-HA and IgM-HA) tests. So far, the actual antigenic molecules of the parasite involved in the interaction with agglutinating anti-T. gondii antibodies in these tests are unknown. The absorption process of serum samples from toxoplasmosis patients with the IgG-HA reagent (G-toxo-HA) demonstrated that red cells from this reagent were coated with T. gondii antigens with Mr of 39, 35, 30, 27, 22 and 14 kDa. The immune-absorption process with the IgM-HA reagent (M-toxo-HA), in turn, provided antibody eluates which recognized antigenic bands of the parasite corresponding to Mr of 54, 35 and 30 kDa, implying that these antigens are coating red cells from this reagent. The identification of most relevant antigens for each type of HA reagent seems to be useful for the inspection of the raw antigenic material, as well as of reagent batches routinely produced. Moreover the present findings can be used to modify these reagents in order to improve the performance of HA tests for the diagnosis of toxoplasmosis

A clinical, epidemological, laboratorial, histological and ultrasonographical evaluation of anti-HCV EIA-2 positive blood donors

Between 1992 and 1997, 790 blood donors with anti-HCV EIA-2 strongly reagent (relationship between the sample optical density/cut-off > 3) detected at the blood bank serological screening, were evaluated in ambulatory environment. They were all negative for Chagas disease, syphilis, hepatitis B (HBsAg) and AIDS. Blood samples were collected at the first ambulatorial evaluation, for hemogram, biochemical tests and new serological tests for HCV (anti-HCV EIA-2). In blood samples of 226 repeatedly reagent anti-HCV EIA-2 blood donors, supplementary "immunoblot" test for HCV (RIBA-2) was used. In 209 donors, the presence of HCV-RNA was investigated by the PCR test. The abdominal ultrasonography was realized in 366 donors. In 269 patients liver biopsy was performed for the histopathological study. The follow-up of blood donors showed that 95.6% were repeatedly EIA-2 reagent, 94% were symptomless and denied any hepatitis history, with only 2% mentioning previous jaundice. In 47% of this population at least one risk factor has been detected for the HCV transmission, the use of intravenous drugs being the main one (27.8%). Blood transfusion was the second factor for HCV transmission (27.2%). Hepatomegaly was detected in 54% of the cases. Splenomegaly and signs of portal hypertension have seldom been found in the physical examination, indicating a low degree of hepatic compromising in HCV. Abdominal ultrasound showed alterations in 65% of the subjects, being the steatosis the most frequent (50%). In 83.5% of the donors submitted to the liver biopsy, the histopathological exam showed the presence of chronic hepatitis, usually classified as active (89%) with mild or moderate grade in most of the cases (99.5%). The histopathological exam of the liver was normal in 1.5% of blood donors. The RIBA-2 test and the HCV-RNA investigation by PCR were positive in respectively 91.6 and 75% of the anti-HCV EIA-2 reagent donors. The HCV-RNA research was positive in 82% of the RIBA-2 positive subjects, in 37.5% of the indeterminate RIBA-2 donors and in 9% of the negative RIBA-2 donors. Chronic hepatitis has also been observed in 50% of the histopathological exams of the anti-HCV EIA-2 reagent donors which were indeterminate RIBA-2. Among 18 blood donors with minimal changes histopathological exam 11 (61%) were HCV-RNA positive. Our blood donors anti-HCV reagent generally had clinical, laboratorial and histopathological features observed in patients with chronic HCV hepatitis and a high proportion could be identified in interviews and medical evaluation realized in blood blanks. Generally, these HCV infected donors are identified and discharged only by the serological tests results.

Evaluation of standard reagents for radial-immunodiffusion assays. In vitro control of rabies vaccines

The RID assay is one of the in vitro methods used for in-process control in the production of rabies vaccines for veterinary use. It has been shown to be very useful for determining antigen concentration in the final bulk product. The work presented in this paper, including the production and standardization of candidate standard reagents for use in the Radial Immunodiffusion Assay (RID) was carried out at the Pan American Institute for Food Protection and Zoonoses (INPPAZ/PAHO/WHO). The study was completed with the cooperation of the Faculty of Veterinary Sciences, National University of La Plata (NULP), Argentina, where the validation of the proposed standards and the quality control of samples from 28 different batches of rabies vaccines produced with Pasteur strain rabies virus (PV) in BHK cells were performed. The activity of the vaccines was determined by in vivo (NIH) and in vitro (RID)assays. The results of the candidate reagents for the reagent standardization tests showed stability, sensitivity and reproducibility. The Relative Potency the 1.2 between the problem vaccines and the reference vaccine was estimated by variance and regression analysis. The results of our validation study show that the INPPAZ (PAHO/WHO) is capable of producing and distributing the above-mentioned standard reagents, as well as of providing support for the incorporation of the RID technique (sensitive, rapid and inexpensive) to the laboratories that manufacture rabies vaccines in Latin America and the Caribbean.

Alternative solvents in carvone hydrogenation

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquimica

Oriented Tailoring of Plastic Antibodies for Prostate Specific Antigen and Application of the Imprinted Material as Ionophore in Potentiometric Detection

Prostate Specific Antigen (PSA) is the biomarker of choice for screening prostate cancer throughout the population, with PSA values above 10 ng/mL pointing out a high probability of associated cancer1. According to the most recent World Health Organization (WHO) data, prostate cancer is the commonest form of cancer in men in Europe2. Early detection of prostate cancer is thus very important and is currently made by screening PSA in men over 45 years old, combined with other alterations in serum and urine parameters. PSA is a glycoprotein with a molecular mass of approximately 32 kDa consisting of one polypeptide chain, which is produced by the secretory epithelium of human prostate. Currently, the standard methods available for PSA screening are immunoassays like Enzyme-Linked Immunoabsorbent Assay (ELISA). These methods are highly sensitive and specific for the detection of PSA, but they require expensive laboratory facilities and high qualify personal resources. Other highly sensitive and specific methods for the detection of PSA have also become available and are in its majority immunobiosensors1,3-5, relying on antibodies. Less expensive methods producing quicker responses are thus needed, which may be achieved by synthesizing artificial antibodies by means of molecular imprinting techniques. These should also be coupled to simple and low cost devices, such as those of the potentiometric kind, one approach that has been proven successful6. Potentiometric sensors offer the advantage of selectivity and portability for use in point-of-care and have been widely recognized as potential analytical tools in this field. The inherent method is simple, precise, accurate and inexpensive regarding reagent consumption and equipment involved. Thus, this work proposes a new plastic antibody for PSA, designed over the surface of graphene layers extracted from graphite. Charged monomers were used to enable an oriented tailoring of the PSA rebinding sites. Uncharged monomers were used as control. These materials were used as ionophores in conventional solid-contact graphite electrodes. The obtained results showed that the imprinted materials displayed a selective response to PSA. The electrodes with charged monomers showed a more stable and sensitive response, with an average slope of -44.2 mV/decade and a detection limit of 5.8X10-11 mol/L (2 ng/mL). The corresponding non-imprinted sensors showed smaller sensitivity, with average slopes of -24.8 mV/decade. The best sensors were successfully applied to the analysis of serum samples, with percentage recoveries of 106.5% and relatives errors of 6.5%.

Novel optical PVC probes for on-site detection/determination of fluoroquinolones in a solid/liquid interface: Application to the determination of Norfloxacin in aquaculture water

A novel optical disposable probe for screening fluoroquinolones in fish farming waters is presented, having Norfloxacin (NFX) as target compound. The colorimetric reaction takes place in the solid/liquid interface consisting of a plasticized PVC layer carrying the colorimetric reagent and the sample solution. NFX solutions dropped on top of this solid-sensory surface provided a colour change from light yellow to dark orange. Several metals were tested as colorimetric reagents and Fe(III) was selected. The main parameters affecting the obtained colour were assessed and optimised in both liquid and solid phases. The corresponding studies were conducted by visible spectrophotometry and digital image acquisition. The three coordinates of the HSL model system of the collected image (Hue, Saturation and Lightness) were obtained by simple image management (enabled in any computer). The analytical response of the optimised solid-state optical probe against concentration was tested for several mathematical transformations of the colour coordinates. Linear behaviour was observed for logarithm NFX concentration against Hue+Lightness. Under this condition, the sensor exhibited a limit of detection below 50 μM (corresponding to about 16 mg/mL). Visual inspection also enabled semi-quantitative information. The selectivity was ensured against drugs from other chemical groups than fluoroquinolones. Finally, similar procedure was used to prepare an array of sensors for NFX, consisting on different metal species. Cu(II), Mn(II) and aluminon were selected for this purpose. The sensor array was used to detect NFX in aquaculture water, without any prior sample manipulation.