Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

Análise de acetona em ar exalado: desenvolvimento de método eletroanalítico e algoritmo para processamento de sinais

Propõe-se método novo e completo para análise de acetona em ar exalado envolvendo coleta com pré-concentração em água, derivatização química e determinação eletroquímica assistida por novo algoritmo de processamento de sinais. Na literatura recente a acetona expirada vem sendo avaliada como biomarcador para monitoramento não invasivo de quadros clínicos como diabetes e insuficiência cardíaca, daí a importância da proposta. Entre as aminas que reagem com acetona para formar iminas eletroativas, estudadas por polarografia em meados do século passado, a glicina apresentou melhor conjunto de características para a definição do método de determinação por voltametria de onda quadrada sem a necessidade de remoção de oxigênio (25 Hz, amplitude de 20 mV, incremento de 5 mV, eletrodo de gota de mercúrio). O meio reacional, composto de glicina (2 mol·L-1) em meio NaOH (1 mol·L-1), serviu também de eletrólito e o pico de redução da imina em -1,57 V vs. Ag|AgCl constituiu o sinal analítico. Para tratamento dos sinais, foi desenvolvido e avaliado um algoritmo inovador baseado em interpolação de linha base por ajuste de curvas de Bézier e ajuste de gaussiana ao pico. Essa combinação permitiu reconhecimento e quantificação de picos relativamente baixos e largos sobre linha com curvatura acentuada e ruído, situação em que métodos convencionais falham e curvas do tipo spline se mostraram menos apropriadas. A implementação do algoritmo (disponível em http://github.com/batistagl/chemapps) foi realizada utilizando programa open source de álgebra matricial integrado diretamente com software de controle do potenciostato. Para demonstrar a generalidade da extensão dos recursos nativos do equipamento mediante integração com programação externa em linguagem Octave (open source), implementou-se a técnica da cronocoulometria tridimensional, com visualização de resultados já tratados em projeções de malha de perspectiva 3D sob qualquer ângulo. A determinação eletroquímica de acetona em fase aquosa, assistida pelo algoritmo baseado em curvas de Bézier, é rápida e automática, tem limite de detecção de 3,5·10-6 mol·L-1 (0,2 mg·L-1) e faixa linear que atende aos requisitos da análise em ar exalado. O acetaldeído, comumente presente em ar exalado, em especial, após consumo de bebidas alcoólicas, dá origem a pico voltamétrico em -1,40 V, contornando interferência que prejudica vários outros métodos publicados na literatura e abrindo possibilidade de determinação simultânea. Resultados obtidos com amostras reais são concordantes com os obtidos por método espectrofotométrico, em uso rotineiro desde o seu aperfeiçoamento na dissertação de mestrado do autor desta tese. Em relação à dissertação, também se otimizou a geometria do dispositivo de coleta, de modo a concentrar a acetona num volume menor de água gelada e prover maior conforto ao paciente. O método completo apresentado, englobando o dispositivo de amostragem aperfeiçoado e o novo e efetivo algoritmo para tratamento automático de sinais voltamétricos, está pronto para ser aplicado. Evolução para um analisador portátil depende de melhorias no limite de detecção e facilidade de obtenção eletrodos sólidos (impressos) com filme de mercúrio, vez que eletrodos de bismuto ou diamante dopado com boro, entre outros, não apresentaram resposta.

Remoção de atividade estrogênica do hormônio 17β-Estradiol em processos de oxidação de águas para abastecimento

Muitos oxidantes químicos reativos acarretam na ruptura de estruturas moleculares complexas de vários tipos de compostos orgânicos decompondo-as em estruturas mais simples e propiciando condições melhores para uma efetiva ação de micro-organismos na degradação biológica. A presença de hormônios, entre eles o 17β-estradiol, em estações de tratamento de esgoto e em águas subterrâneas e superficiais mostra a necessidade de uma avaliação dos processos de tratamento convencionais. O objetivo deste trabalho foi a análise e remoção de hormônios através de técnicas de cloração e ozonização de amostras reais de águas de saída de filtro de estações de tratamento de água (ETAs), operadas pelo Serviço Autônomo de Água e Esgoto (SAAE) de São Carlos (ETA Centro), que capta águas dos ribeirão Feijão e córrego Espraiado e pela Sociedade de Abastecimento de Água e Saneamento S/A (SANASA) de Campinas (ETAs 3 e 4), que capta águas do rio Atibaia. Foram realizados ensaios contaminando-se as amostras com 17β-estradiol, que é o hormônio natural mais presente no meio ambiente, em concentração de 6.000 ng L-1, submetendo-se tratamento com dosagens em torno de 0,5 e 2,0 mg L-1 desses oxidantes, em tempos de contato de, respectivamente, 10 e 30 min. As amostras submetidas à contaminação e tratamento e as de controle (sem contaminação e tratamento) foram analisadas através da remoção do 17β-estradiol com a verificação da atividade estrogênica das amostras por ensaios de Sistema de Expressão de Estrogênio Induzida por Levedura Bioluminescente (BLYES), que apresentou-se como uma ferramenta simples. Os resultados apresentados neste trabalho demonstram que a oxidação por ozônio se mostrou mais eficiente do que aquela por cloro para a remoção da atividade estrogênica causada, única e exclusivamente, pelo 17β-estradiol para uma dosagem inicial desse hormônio relativamente alta (6.000 ng L-1). Todavia, em todos os ensaios a concentração final da atividade estrogênica permaneceu acima do limite de quantificação desses hormônio, indicando que a remoção não foi completa, mesmo em condições favoráveis, isto é, matriz limpa, com padrões de potabilidade para os parâmetros físico-químicos.

Modelagem de sinais neuronais utilizando filtros lineares de tempo discreto.

A aquisição experimental de sinais neuronais é um dos principais avanços da neurociência. Por meio de observações da corrente e do potencial elétricos em uma região cerebral, é possível entender os processos fisiológicos envolvidos na geração do potencial de ação, e produzir modelos matemáticos capazes de simular o comportamento de uma célula neuronal. Uma prática comum nesse tipo de experimento é obter leituras a partir de um arranjo de eletrodos posicionado em um meio compartilhado por diversos neurônios, o que resulta em uma mistura de sinais neuronais em uma mesma série temporal. Este trabalho propõe um modelo linear de tempo discreto para o sinal produzido durante o disparo do neurônio. Os coeficientes desse modelo são calculados utilizando-se amostras reais dos sinais neuronais obtidas in vivo. O processo de modelagem concebido emprega técnicas de identificação de sistemas e processamento de sinais, e é dissociado de considerações sobre o funcionamento biofísico da célula, fornecendo uma alternativa de baixa complexidade para a modelagem do disparo neuronal. Além disso, a representação por meio de sistemas lineares permite idealizar um sistema inverso, cuja função é recuperar o sinal original de cada neurônio ativo em uma mistura extracelular. Nesse contexto, são discutidas algumas soluções baseadas em filtros adaptativos para a simulação do sistema inverso, introduzindo uma nova abordagem para o problema de separação de spikes neuronais.

Classificação das amostras do ensaio de Baumann através do processamento digital de imagens.

O presente trabalho apresenta uma alternativa ao processo de classificação do defeito da segregação central em amostras de aço, utilizando as imagens digitais que são geradas durante o ensaio de Baumann. O algoritmo proposto tem como objetivo agregar as técnicas de processamento digital de imagens e o conhecimento dos especialistas sobre o defeito da segregação central, visando a classificação do defeito de referência. O algoritmo implementado inclui a identificação e a segmentação da linha segregada por meio da aplicação da transformada de Hough e limiar adaptativo. Adicionalmente, o algoritmo apresenta uma proposta para o mapeamento dos atributos da segregação central nos diferentes graus de severidade do defeito, em função dos critérios de continuidade e intensidade. O mapeamento foi realizado por meio da análise das características individuais, como comprimento, largura e área, dos elementos segmentados que compõem a linha segregada. A avaliação do desempenho do algoritmo foi realizada em dois momentos específicos, de acordo com sua fase de implementação. Para a realização da avaliação, foram analisadas 255 imagens de amostras reais, oriundas de duas usinas siderúrgicas, distribuídas nos diferentes graus de severidade. Os resultados da primeira fase de implementação mostram que a identificação da linha segregada apresenta acurácia de 93%. As classificações oriundas do mapeamento realizado para as classes de criticidade do defeito, na segunda fase de implementação, apresentam acurácia de 92% para o critério de continuidade e 68% para o critério de intensidade.

Effect of Cyclic Topology on Charge-Transfer Properties of Organic Molecular Semiconductors: The Case of Cycloparaphenylene Molecules

We have studied the role played by cyclic topology on charge-transfer properties of recently synthesized π -conjugated molecules, namely the set of [n]cycloparaphenylene compounds, with n the number of phenylene rings forming the curved nanoring. We estimate the charge-transfer rates for holes and electrons migration within the array of molecules in their crystalline state. The theoretical calculations suggest that increasing the size of the system would help to obtain higher hole and electron charge-transfer rates and that these materials might show an ambipolar behavior in real samples, independently of the different mode of packing followed by the [6]cycloparaphenylene and [12]cycloparaphenylene cases studied.

Elemental analysis of biological matrices by laser ablation high resolution inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-HR-ICP-MS) and high resolution inductively coupled plasma mass spectrometry (HR -ICP -MS)

The need for elemental analysis of biological matrices such as bone, teeth, and plant matter for sourcing purposes has emerged within the forensic and geochemical laboratories. Trace elemental analyses for the comparison of materials such as glass by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and laser ablation ICP-MS has been shown to offer a high degree of discrimination between different manufacturing sources. Unit resolution ICP-MS instruments may suffer from some polyatomic interferences including 40Ar16O+, 40Ar 16O1H+, and 40Ca 16O+ that affect iron measurement at trace levels. Iron is an important element in the analysis of glass and also of interest for the analysis of several biological matrices. A comparison of the analytical performance of two different ICP-MS systems for iron analysis in glass for determining the method detection limits (MDLs), accuracy, and precision of the measurement is presented. Acid digestion and laser ablation methods are also compared. Iron polyatomic interferences were reduced or resolved by using dynamic reaction cell and high resolution ICP-MS. MDLs as low as 0.03 μg g-1 and 0.14 μg g-1 for laser ablation and solution based analyses respectively were achieved. The use of helium as a carrier gas demonstrated improvement in the detection limits of both iron isotopes (56Fe and 57Fe) in medium resolution for the HR-ICP-MS and with a dynamic reaction cell (DRC) coupled to a quadrupole ICP-MS system. ^ The development and application of robust analytical methods for the quantification of trace elements in biological matrices has lead to a better understanding of the potential utility of these measurements in forensic chemical analyses. Standard reference materials (SRMs) were used in the development of an analytical method using HR-ICP-MS and LA-HR-ICP-MS that was subsequently applied on the analysis of real samples. Bone, teeth and ashed marijuana samples were analyzed with the developed method. ^ Elemental analysis of bone samples from 12 different individuals provided discrimination between individuals, when femur and humerus bones were considered separately. Discrimination of 14 teeth samples based on elemental composition was achieved with the exception of one case where samples from the same individual were not associated with each other. The discrimination of 49 different ashed plant (cannabis) samples was achieved using the developed method. ^

Elemental Analysis of Biological Matrices by Laser Ablation High Resolution Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-HR-ICP-MS) and High Resolution Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (HR-ICP-MS)

The need for elemental analysis of biological matrices such as bone, teeth, and plant matter for sourcing purposes has emerged within the forensic and geochemical laboratories. Trace elemental analyses for the comparison of aterials such as glass by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and laser ablation ICP-MS has been shown to offer a high degree of discrimination between different manufacturing sources. Unit resolution ICP-MS instruments may suffer from some polyatomic interferences including 40Ar16O+, 40Ar16O1H+, and 40Ca16O+ that affect iron measurement at trace levels. Iron is an important element in the analysis of glass and also of interest for the analysis of several biological matrices. A comparison of the nalytical performance of two different ICP-MS systems for iron analysis in glass for determining the method detection limits (MDLs), accuracy, and precision of the measurement is presented. Acid digestion and laser ablation methods are also compared. Iron polyatomic interferences were reduced or resolved by using dynamic reaction cell and high resolution ICP-MS. MDLs as low as 0.03 ìg g-1 and 0.14 ìg g-1 for laser ablation and solution based analyses respectively were achieved. The use of helium as a carrier gas demonstrated improvement in the detection limits of both iron isotopes (56Fe and 57Fe) in medium resolution for the HR-ICP-MS and with a dynamic reaction cell (DRC) coupled to a quadrupole ICP-MS system. The development and application of robust analytical methods for the quantification of trace elements in biological matrices has lead to a better understanding of the potential utility of these measurements in forensic chemical analyses. Standard reference materials (SRMs) were used in the development of an analytical method using HR-ICP-MS and LA-HR-ICP-MS that was subsequently applied on the analysis of real samples. Bone, teeth and ashed marijuana samples were analyzed with the developed method. Elemental analysis of bone samples from 12 different individuals provided discrimination between individuals, when femur and humerus bones were considered separately. Discrimination of 14 teeth samples based on elemental composition was achieved with the exception of one case where samples from the same individual were not associated with each other. The discrimination of 49 different ashed plant (cannabis)samples was achieved using the developed method.

Extraction system and determination of PAH in seawater and it implementation in submarine vehicles

[EN]Policyclyc aromatic hydrocarbons (PAHs) are a potential risk for human health and marine biota in general that make necessary the monitorization of them. A miniaturized extraction system capable to extract PAHs from seawater was developed and optimized with the objective of implement it in an oceanographic buoy in the future. An analytical method was optimized by high performance liquid chromatography for the determination of extracted PAHs by the extraction system. The analytical method was validated and applicated to real samples of differents points of Gran Canaria. The method has enough sensitivity to detect and quantify concentrations below the concentrations established in the legislation. In some places where samples were taken some compounds exceed the legislation while other compounds follow it

Characterization of water-soluble organic compounds in bioaerosols by liquid chromatography and fluorescence spectroscopy

In the last decades, the effects of the air pollution have been increasing, especially in the case of the human health diseases. In order to overcome this problem, scientists have been studying the components of the air. As a part of water-soluble organic compounds, amino acids are present in the atmospheric environment as components of diverse living organisms which can be responsible for spreading diseases through the air. Liquid chromatography is one technique capable of distinguish the different amino acids from each other. In this work, aiming at separating the amino acids found in the aerosols samples collected in Aveiro, the ability of four columns (Mixed-Mode WAX-1, Mixed-Mode HILIC-1, Luna HILIC and Luna C18) to separate four amino acids (aspartic acid, lysine, glycine and tryptophan) and the way the interaction of the stationary phases of the columns with the analytes is influenced by organic solvent concentration and presence/concentration of the buffer, are being assessed. In the Mixed-Mode WAX-1 column, the chromatograms of the distinct amino acids revealed the separation was not efficient, since the retention times were very similar. In the case of lysine, in the elution with 80% (V/V) MeOH, the peaks appeared during the volume void. In the Mixed-Mode HILIC-1 column, the variation of the organic solvent concentration did not affect the elution of the four studied amino acids. Considering the Luna HILIC column, the retention times of the amino acids were too close to each other to ensure a separation among each other. Lastly, the Luna C18 column revealed to be useful to separate amino acids in a gradient mode, being the variation of the mobile phase composition in the organic solvent concentration (ACN). Luna C18 was the column used to separate the amino acids in the real samples and the mobile phase had acidified water and ACN. The gradient consisted in the following program: 0 – 2 min: 5% (V/V) ACN, 2 – 8 min: 5 – 2 % (V/V) ACN, 8 – 16 min: 2% (V/V) ACN, 16 – 20 min: 2 – 20 % (V/V) ACN, 20 – 35 min: 20 – 35 % (V/V) ACN. The aerosols samples were collected by using three passive samplers placed in two different locations in Aveiro and each sampler had two filters - one faced up and the other faced down. After the sampling, the water-soluble organic compounds was extracted by dissolution in ultra-pure water, sonication bath and filtration. The resulting filtered solutions were diluted in acidified water for the chromatographic separation. The results from liquid chromatography revealed the presence of the amino acids, although it was not possible to identify each one of them individually. The chromatograms and the fluorescence spectra showed the existence of some patterns: the samples that correspond to the up filters had more intense peaks and signals, revealing that the up filters collected more organic matter.

Desenvolvimento de um biossensor para monitorização de acetilcolina, um biomarcador associado à Doença de Alzheimer

A presente dissertação teve como objetivo o desenvolvimento e caracterização de sensores potenciométricos com base em polímeros de impressão molecular (MIP, do inglês, Molecularly Imprinted Polymer) para a determinação da molécula alvo, a acetilcolina. A acetilcolina (ACh) é um neurotransmissor que está associado à doença de Alzheimer. Os materiais biomiméticos desenvolvidos para a interação com a ACh foram obtidos por polimerização em bulk, recorrendo a uma combinação de nanotubos de carbono com monómeros de anilina, dispersos em solvente plastificante oNFOE e PVC. Para aferir sobre o efeito da impressão de ACh na resposta dos materiais MIP, foram igualmente preparados e avaliados materiais de controlo, ou seja, materiais sem impressão molecular (NIP). O controlo da constituição química destes materiais foi realizado recorrendo a Espectroscopia de Raman e Espectroscopia de Infravermelho com transformada de Fourier (FTIR, do inglês Fourier Transformed Infrared Spectroscopy). Os materiais desenvolvidos foram integrados em membranas seletivas de ião, preparadas com ou sem aditivo iónico lipófilo, de carga negativa ou positiva. A avaliação das características gerais das membranas baseou-se na comparação das caraterísticas dos diversos elétrodos. Estas caraterísticas foram obtidas a partir de curvas de calibração, conseguidas para valores de pH diferentes. Em meio ácido, mais precisamente para pH 4, as membranas com materiais impressos e aditivo aniónico foram as que apresentaram as melhores características analíticas, quer em termos de sensibilidade (+83,86 mV década-1) quer em gama de linearidade (de 3,52×10-5 a 1,73×10-3 M). O estudo de seletividade realizado aos sensores revelou que os elétrodos cuja membrana possuía aditivo aniónico apresentavam menores valores de log KPOT. A presença desse constituinte fez com que a seletividade aumentasse nesses mesmos elétrodos. A espécie menos interferente foi a creatina e a mais interferente a creatinina. Os elétrodos foram, ainda, aplicados em amostras de soro sintético. A qualidade dos resultados obtidos dependeu do nível de concentração em estudo, sendo possível identificar uma região onde os resultados foram exatos e precisos. De uma forma geral, os biossensores com MIP e aditivo aniónico apresentaram um desempenho adequado à prossecução deste estudo em amostras reais.

Construction of effective disposable biosensors for point of care testing of nitrite

© 2015. This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Quantification of free auxins in semi-hardwood plant cuttings and microshoots by dispersive liquid–liquid microextraction/microwave derivatization and GC/MS analysis

Several studies have suggested that differences in the natural rooting ability of plant cuttings could be attributed to differences in endogenous auxin levels. Hence, during rooting experiments, it is important to be able to routinely monitor the evolution of endogenous levels of plant hormones. This work reports the development of a new method for the quantification of free auxins in auxin-treated Olea europaea (L.) explants, using dispersive liquid–liquid microextraction (DLLME) and microwave assisted derivatization (MAD) followed by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) analysis. Linear ranges of 0.5–500 ng mL 1 and 1–500 mg mL 1 were used for the quantification of indole-3-acetic acid (IAA) and indole-3-butyric acid (IBA), respectively. Determined by serial dilutions, the limits of detection (LOD) and quantification (LOQ) were 0.05 ng mL 1 and 0.25 ng mL 1, respectively for both compounds. When using the calibration curve for determination, the LOQ corresponded to 0.5 ng mL 1 (IAA) and 0.5 mg mL 1 (IBA). The proposed method proved to be substantially faster than other alternatives, and allowed free auxin quantification in real samples of semi-hardwood cuttings and microshoots of two olive cultivars. The concentrations found in the analyzed samples are in the range of 0.131–0.342 mg g 1 (IAA) and 20–264 mg g 1 (IBA).

DETECTION OF SPORES AND HYPHAE OF ARTWORKS’ BIODETERIOGENIC FILAMENTOUS FUNGI BY RNA-FISH

Filamentous fungi are a threat to the conservation of Cultural Heritage. Thus, detection and identification of viable filamentous fungi are crucial for applying adequate Safeguard measures. RNA-FISH protocols have been previously applied with this aim in Cultural Heritage samples. However, only hyphae detection was reported in the literature, even if spores and conidia are not only a potential risk to Cultural Heritage but can also be harmful for the health of visitors, curators and restorers. Thus, the aim of this work was to evaluate various permeabilizing strategies for their application in the detection of spores/conidia and hyphae of artworks’ biodeteriogenic filamentous fungi by RNA-FISH. Besides of this, the influence of cell aging on the success of the technique and on the development of fungal autofluorescence (that could hamper the RNA-FISH signal detection) were also investigated. Five common biodeteriogenic filamentous fungi species isolated from biodegradated artworks were used as biological model: Aspergillus niger, Cladosporium sp, Fusarium sp, Penicillium sp. and Exophialia sp. Fungal autofluorescence was only detected in cells harvested from Fusarium sp, and Exophialia sp. old cultures, being aging-dependent. However, it was weak enough to allow autofluorescence/RNA-FISH signals distinction. Thus, autofluorescence was not a limitation for the application of RNA-FISH for detection of the taxa investigated. All the permeabilization strategies tested allowed to detect fungal cells from young cultures by RNA-FISH. However, only the combination of paraformaldehyde with Triton X-100 allowed the detection of conidia/spores and hyphae of old filamentous fungi. All the permeabilization strategies failed in the Aspergillus niger conidia/spores staining, which are known to be particularly difficult to permeabilize. But, even in spite of this, the application of this permeabilization method increased the analytical potential of RNA FISH in Cultural Heritage biodeterioration. Whereas much work is required to validate this RNA-FISH approach for its application in real samples from Cultural Heritage it could represent an important advance for the detection, not only of hyphae but also of spores and conidia of various filamentous fungi taxa by RNA-FISH.

Optimizing fused deposition modelling: the impact of geometrical slicing parameters on mechanical properties

This comprehensive study explores the intricate world of 3D printing, with a focus on Fused Deposition Modelling (FDM). It sheds light on the critical factors that influence the quality and mechanical properties of 3D printed objects. Using an optical microscope with 40X magnification, the shapes of the printed beads is correlated to specific slicing parameters, resulting in a 2D parametric model. This mathematical model, derived from real samples, serves as a tool to predict general mechanical behaviour, bridging the gap between theory and practice in FDM printing. The study begins by emphasising the importance of geometric parameters such as layer height, line width and filament tolerance on the final printed bead geometry and the resulting theoretical effect on mechanical properties. The introduction of VPratio parameter (ratio between the area of the voids and the area occupied by printed material) allows the quantification of the variation of geometric slicing parameters on the improvement or reduction of mechanical properties. The study also addresses the effect of overhang and the role of filament diameter tolerances. The research continues with the introduction of 3D FEM (Finite Element Analysis) models based on the RVE (Representative Volume Element) to verify the results obtained from the 2D model and to analyse other aspects that affect mechanical properties and not directly observable with the 2D model. The study also proposes a model for the examination of 3D printed infill structures, introducing also an innovative methodology called “double RVE” which speeds up the calculation of mechanical properties and is also more computationally efficient. Finally, the limitations of the RVE model are shown and a so-called Hybrid RVE-based model is created to overcome the limitations and inaccuracy of the conventional RVE model and homogenization procedure on some printed geometries.