abstract: Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia leading to cognitive dysfunction and memory loss as well as emotional and behavioral disorders. It is the 6th leading cause of death in United States, and the only one among top 10 death causes that cannot be prevented, cured or slowed. An estimated 5.4 million Americans live with AD, and this number is expected to triple by year 2050 as the baby boomers age. The cost of care for AD in the US is about $200 billion each year. Unfortunately, in addition to the lack of an effective treatment or AD, there is also a lack of an effective diagnosis, particularly an early diagnosis which would enable treatment to begin before significant neuronal damage has occurred. Increasing evidence implicates soluble oligomeric forms of beta-amyloid and tau in the onset and progression of AD. While many studies have focused on beta-amyloid, soluble oligomeric tau species may also play an important role in AD pathogenesis. Antibodies that selectively identify and target specific oligomeric tau variants would be valuable tools for both diagnostic and therapeutic applications and also to study the etiology of AD and other neurodegenerative diseases. Recombinant human tau (rhTau) in monomeric, dimeric, trimeric and fibrillar forms were synthesized and purified to perform LDH assay on human neuroblastoma cells, so that trimeric but not monomeric or dimeric rhTau was identified as extracellularly neurotoxic to neuronal cells. A novel biopanning protocol was designed based on phage display technique and atomic force microscopy (AFM), and used to isolate single chain antibody variable domain fragments (scFvs) that selectively recognize the toxic tau oligomers. These scFvs selectively bind tau variants in brain tissue of human AD patients and AD-related tau transgenic rodent models and have potential value as early diagnostic biomarkers for AD and as potential therapeutics to selectively target toxic tau aggregates. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Chemical Engineering 2014

O estudo das não linearidades das séries temporais da microviga de um microscópio de força atômica tem sido essencial para o desenvolvimento e aperfeiçoamento deste equipamento de ampliação de imagens. Não linearidades podem aparecer com frequência nos experimentos, afetando significativamente a resposta prevista de forma que estas instabilidades se concretizam em imagens ruins. Esta tese apresenta resultados obtidos através de uma abordagem experimental e teórica. Buscou-se aperfeiçoar modelos clássicos de osciladores do microscópio de força atômica melhorando seu comportamento caótico através da observação dos resultados dos experimentos. A identificação de sistemas é feita pelo método de espaço de estados. Outra abordagem de séries temporais obtidas através de um microscópio de força atômica torna possível a reconstrução de espaço de estados, utilizando-se de técnicas como informação mútua, falsos vizinhos e defasagem de tempo. Analisa-se também o comportamento caótico das séries temporais usando o teste 0-1 e escala indexada em quatro experimentos que resultam em um mapa que relaciona a altura que a microviga vibra com o coeficiente do teste 0-1 e com a escala indexada. / The study of time series nonlinearities of the cantilever\'s atomic force microscope has been essential to the development and improvement of this image magnification equipment. Nonlinearities may appear frequently in the experiments, significantly affecting expected response in a way that these instabilities generate bad images. This thesis presents results obtained through an experimental and theoretical approach accordingly. We attempted to improve the classical models of oscillators atomic force microscope improving its chaotic behavior by observing the results of the experiments. The system identification is made by method space state. Another approach to time series obtained through an atomic force microscope makes it possible to reconstruct space phase, using techniques such as mutual information and false neighbors delay. It is analyzed chaotic behavior time series by using the 0-1 test and scale index in four experiments resulting in a map that relates the height of cantilever deflections with the 0-1 test coefficient and the indexed scale.

Avec l'intégration de circuits intégrés de plus en plus denses, le besoin d'outils de caractérisation adaptés à ces échelles se fait ressentir. Identifier et analyser les problèmes de fiabilité survenant dans ces structures à des dimensions inférieures à 100 nm demande la mise au point d'instruments innovants. Ce travail de thèse a consisté dans un premier temps à développer un appareil à champs proches sensible aux propriétés mécaniques de surface, et dans un second temps à analyser les résultats expérimentaux en s'appuyant sur des approches analytiques et/ou numériques. Désigné sous le nom de microscope à force atomique à résonance de contact (CR-AFM), cet appareil est sensible à la rigidité effective de films minces sur substrat, ce qui lui permet de cartographier la rigidité mécanique de films minces. Nous avons mené un important travail de développement instrumental afin d'obtenir des résultats expérimentaux répétables et fiables, condition indispensable à une analyse quantitative. Puis nous avons utilisé le CR-AFM sur divers échantillons : empilements modèles (films de silice sur silicium, avec épaisseurs variables de silice), films de silice avec porosité variable, structures damascènes d'interconnexion cuivre,… Des images traduisant les variations d'élasticité de surface ont ainsi pu être construites. Pour quantifier ces variations, nous avons analysé nos résultats à l'aide de différents modèles (approches analytiques et numériques). Des simulations par éléments finis ont été réalisées pour étayer ces résultats. / The reduction of feature size in integrated circuits has raised an increasing need for characterization tools displaying small-scale resolution. Reliability issues taking place in these structures with dimensions below 100 nm require the development of innovative instruments. This thesis has first focused on the development of near field apparatus displaying sensitivity to surface mechanical properties. Afterwards analytical and numerical modelings have been developed to analyze the obtained experimental data. Known as contact resonance atomic force microscope (CR-AFM), this apparatus is sensitive to the effective stiffness of thin film on substrate, allowing the mapping of the mechanical stiffness. A significant work on the apparatus setting-up and procedure has been done to obtain repeatable and reliable experimental data, which is a prerequisite for quantitative analysis. Then CR-AFM experiments have been done on various samples: model stacks (silica thin films on silicon with varying silica thickness), silica films with tuned porosity, Damascene copper interconnect structures,… The mapping of elastic stiffness of such samples has been built-up. In order to quantify these contrasts, our experimental results have been analyzed through different models (analytical and numerical). Finite element simulations were also performed to support these results.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-04-01Bitstream added on 2014-06-13T19:57:16Z : No. of bitstreams: 1 fernandesfilho_rb_me_arafo.pdf: 2830309 bytes, checksum: 66ab25e4184101488687db5ac8eb11c7 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O objetivo deste estudo foi avaliar a rugosidade superficial e o processo de corrosão do titânio comercialmente puro (Ti cp), após simular períodos de contato com fluoretos de 5 (G5), 10 (G10), 15 (G15) e 20 (G20) anos, bem como avaliar a aderência de S. mutans nestas superfícies. Para cada respectivo período, discos de Ti cp foram previamente polidos e então imersos em solução fluoretada a 0,15% (1500 ppm, pH 5,3) ou em água destilada como controle (G0). A rugosidade média (Ra), rugosidade média quadrática (Rms) e a área superficial projetada (Área) foram avaliadas por microscopia de força atômica (MFA) antes e após a imersão. As mesmas superfícies foram examinadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV e EDX) e a aderência dos S. mutans avaliada pela contagem das unidades formadoras de colônia (UFC/ml). Todos os grupos teste aumentaram significativamente a Ra, Rms e Área após a imersão em solução fluoretada. Entretanto, na comparação entre os grupos (Kruskall- Wallis), somente a Área foi estatisticamente diferente. Os grupos G10 (p=0,008), G15 (p=0,014) e G20 (p<0,001) apresentaram maior Área quando comparados com G0. A análise por MEV mostrou a presença de corrosão por pits e uma superfície irregular em todos os grupos teste. O G0 não sofreu alteração em nenhum parâmetro avaliado. O EDX mostrou a presença de compostos de Ti-FNa incorporados à superfície do G20. Na contagem das UFC/ml, o grupo G20 apresentou maior aderência que G0 e G5. Conclui-se que os íons fluoretos em baixa concentração foram capazes de promover corrosão do Ti cp em todos os grupos teste e alteraram a Área do Ti cp ao longo do tempo. Adicionalmente, a aderência bacteriana mostrou-se maior no período mais longo de exposição. / The aim of this study was to evaluate the superficial roughness and the corrosion process of commercially pure titanium Ti cp, after simulating different periods of fluoride contact: 5 (G5), 10 (G10), 15 (G15) e 20 (G20) years, as well as the adherence of S mutans in those surfaces. For each respective period, Ti cp discs were previously polished and than submersed in fluoride solution 0.15% (1500 ppm, pH 5.3) or distilled water as control group (G0). The average roughness (Ra), root mean square roughness (Rms) and scanned area (Area) were assessed for atomic force microscopy (AFM) before and after the immersion. The same surfaces were examined for scanned electron microscopy (SEM, EDX) and S mutans adherence calculated by the counting of colony forming units (CFU/ml). All test groups increased significantly the Ra, Rms and Area after the immersion in fluoride solution. However, the comparison among the groups (Kruskall-Wallis), only the area showed significant difference. The groups G10 (p=0.008), G15 (p=0.014) and G20 (p<0.001) showed higher Area compared with G0. The SEM analysis showed the presence of corrosion by pits and irregular surface in all test groups. The G0 did not change for any parameter evaluated. The EDX showed the presence of Ti-F-Na in the surface of samples from G20. In the counting of CFU/ml, the G20 resulted in higher bacteria adherence compared with G0 and G5 (ANOVA, p=0.015). In conclusion the fluoride ions in low concentration promoted corrosion in Ti cp from all test groups and altered the Area of Ti cp over the time. Moreover, the longer is the period of immersion in fluoride solution, higher is the bacteria adherence.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-11-25Bitstream added on 2014-06-13T19:37:14Z : No. of bitstreams: 1 nozaki_r_me_bauru.pdf: 1471745 bytes, checksum: 002a3fa9cff00fe97414905826f120e6 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O sistema de microscopia de força atômica se tornou um instrumento popular e útil para medir as forças intermoleculares com resolução atômica que pode ser aplicado em eletrônica, análises biológicas, engenharia de materiais, semicondutores, etc. Este trabalho estuda o comportamento da dinâmica não-linear da ponta da sonda causada pelo tipo da amostra e os modos de funcionamento de um microscópio de força atômica. Utilizando-se de simulações numéricas, busca-se uma solução aproximada, através do método de perturbação de múltiplas escalas e teoria de controle linear ótimo consegue-se um bom entendimento do trabalho feito e explicado a seguir. Este trabalho está dividido em três partes, na primeira apresentou-se o problema, mostrando a necessidade de se controlar o comportamento caótico no sistema a ser estudado. Mostrou-se o funcionamento do microscópio atômico com todas suas variáveis de funcionamento. Foram geradas as equações de movimento e os resultados são obtidos através de integrações numéricas das equações de movimento, obteve-se oscilações regulares e irregulares (caóticos), os quais dependem da escolha dos parâmetros do sistema. Na segunda parte do trabalho, utilizou-se o método das múltiplas escalas, efetuou-se a busca de uma solução analítica aproximada para o movimento estacionário do sistema, que foi obtida através de técnicas de perturbações. Este método foi desenvolvido foi desenvolvido por [10] para controlar estes sistemas / The atomic force microscope system has become a popular and useful instrument to measure the intermolecular forces with atomic-resolution that can be applied in electronics, biological analysis, materials, semiconductors etc. This work studies the complex nonlinear dynamic behavior of the probe tip between the sample and cantilever of an atomic force microscope using numeral simulations, method of multiple scales, and optimal linear control. This work concerns of three parts, in the first we will make the presentation of the AFM, showing various models of AFM. In second part, regular and irregular (chaotic) behaviors depend of the physical parameters and can be observed when a numerical integration is performed. When the dynamic system of the AFM becomes a chaotic oscillator a computational and analytical study of the nonlinear dynamic behavior of the AFM oscillator is proposed and it is obtained by perturbations method. The third part is dedicated to the application and performance of the linear feedback control for the suppressing of the chaotic motion of a non ideal system, theses systems are numerically studied. We use the method developed by [10] to control both the non-ideal system. This method seeks to find an optimal linear feedback control where they find - if conditions for the application of linear control in non-linear, ensuring the stability of the problem

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:19:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BUENO_Carolina_2013.pdf: 2152454 bytes, checksum: fde5d928317281f1a9960dccbc2768a7 (MD5) Previous issue date: 2013-02-26 / Financiadora de Estudos e Projetos / The elaboration of highly-sensitive and selective functional nanobiosensors has significant applications for purposes of resilience and conservation of natural resources, to contribute on projects aimed to pointing out degraded and contaminated areas (soil and water), as well as being a quality indicator. In the present work, a nanobiosensor has been developed based on the biomimicry of the action mechanism of the herbicides in plants coupled with the Atomic Force Microscopy (AFM) tools. To sense the herbicide molecule at very low concentrations, the technique of the sensor construction was based on chemical functionalization of the surfaces of the AFM probes and substrate in order to prioritize covalent bonds and to improve the molecules flexibility, as well as to achieve reproducibility and accurate results. The architecture and molecular design of the nanobiosensor were based on the molecular spatial arrangement, binding efficiency and localization, host-guest specificity, and its binding energies which were analyzed by Molecular Docking and Molecular Dynamics Simulation. The results were based on the adhesion force (carried out by force curves data) between the AFM probe functionalized with ACCase enzyme and the substrate functionalized with herbicides. The results indicate that the specific target molecule of agrochemical was efficient, when compared with others nonspecific agrochemicals. The difference between the values of specific recognition (diclofop) and nonspecific (imazaquin, metsulfuron and glyphosate) is, on average, 90%. This evidence validates the selectivity and specificity of the nanobiosensor. This work presents the first evidence of nanolevel detection of diclofop by AFM probes sensors. / A elaboração de nanobiossensores altamente sensíveis e com seletividade funcional tem aplicações importantes para fins de resiliência e conservação dos recursos naturais que podem contribuir em projetos que visam a apontar áreas degradadas e contaminadas (solo e água), além de ser um indicador de qualidade. No presente trabalho, um nanobiossensor foi desenvolvido com base na biomimética do mecanismo de ação dos herbicidas nas plantas, juntamente com as ferramentas de Microscopia de Força Atômica (AFM). Para detectar a molécula do herbicida diclofop, a técnica da construção do biossensor se baseou na funcionalização química das superfícies de cantilevers de AFM e do substrato, onde a molécula alvo foi fixada. Através da funcionalização química dos cantilevers e substratos priorizam-se as ligações químicas, aumentando a especificidade do nanossensor. O design e arquitetura molecular do nanobiossensor foram baseados no arranjo molecular espacial, na eficiência e localização da ligação, na especificidade de interações enzima-substrato e suas energias de ligação, as quais foram analisadas por Docking Molecular e Dinâmica Molecular. Os resultados foram baseados na força de adesão (obtidos através de curvas de força) entre a ponta do AFM funcionalizada com a molécula sensora (enzima ACCase) e do substrato funcionalizado com herbicidas. Os resultados indicam que a molécula alvo do agroquímico que inibiu especificamente essa enzima foi eficiente, quando comparado com outros herbicidas não inibidores. A diferença entre os valores de reconhecimento específico (diclofop) e não específico (imazaquin, metsulfuron e glifosato) foi, em média, 90%. Esta evidência comprova a seletividade e especificidade do nanobiossensor. Este trabalho apresenta a primeira evidência da detecção ao nível molecular do diclofop por sensores de ponta de AFM.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:41:20Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:06:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP / FAPESP:09/50926-1

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:35:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1879397 bytes, checksum: c16c14d3a2ba0d1c37de13950124ee9d (MD5) Previous issue date: 2013-03-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In the last decade, the growth of quantum dots has been studied with great interest in order to learn more about the basic physics of zero dimensional confinement and also due to their application in optoelectronic devices. The quantum dot energy levels can be controlled by changing the size, shape and material used, therefore its morphology plays an important role in determination of optical and electronic properties. In this study we used the molecular beam epitaxial technique (MBE) for producing CdMnTe quantum dots on silicon (111) substrates. To produce the samples, substrate temperature, growth time and manganese concentration were varied. The morphological and structural properties of the samples were analyzed by Atomic Force Microscopy (AFM) at the Laboratório Nacional de Nanotecnologia and by x- ray diffraction using the XRD2 beam line of the Laboratório Nacional de Luz Síncrontron (LNLS), in Campinas. The results showed that the substrate temperature influences the size dispersion of the islands, the growth time changes the size and the quality and the concentration of manganese affects mainly the quality of the quantum dots. / Na última década, tem-se estudado com grande interesse o crescimento de pontos quânticos com o intuito de conhecer mais sobre a física básica do confinamento zero dimensional e também devido a sua aplicação em dispositivos óptico-eletrônicos. Os níveis de energia podem ser controlados mudando o tamanho, a forma e o material utilizado, sendo assim a morfologia do ponto quântico desempenha um papel importante na determinação das propriedades ópticas do material estudado. Neste trabalho foi utilizada a técnica de crescimento epitaxial por feixe molecular (MBE) para a produção de pontos quânticos do semicondutor magnético diluído CdMnTe sobre substratos de silício (111). Para a produção das amostras, foram variados a temperatura do substrato, o tempo de crescimento e concentração de manganês. As propriedades morfológicas e estruturais das amostras foram analisadas através de Microscopia de Força Atômica (AFM) no Laboratório Nacional de Nanotecnologia, e através de difração de raios-x utilizando a linha XRD2 do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas. Os resultados mostraram que a temperatura do substrato influencia na dispersão de tamanhos das ilhas, o tempo de crescimento altera o tamanho e a qualidade e a concentração de manganês influencia principalmente a qualidade dos pontos quânticos.

Resumo: O objetivo deste estudo foi avaliar a rugosidade superficial e o processo de corrosão do titânio comercialmente puro (Ti cp), após simular períodos de contato com fluoretos de 5 (G5), 10 (G10), 15 (G15) e 20 (G20) anos, bem como avaliar a aderência de S. mutans nestas superfícies. Para cada respectivo período, discos de Ti cp foram previamente polidos e então imersos em solução fluoretada a 0,15% (1500 ppm, pH 5,3) ou em água destilada como controle (G0). A rugosidade média (Ra), rugosidade média quadrática (Rms) e a área superficial projetada (Área) foram avaliadas por microscopia de força atômica (MFA) antes e após a imersão. As mesmas superfícies foram examinadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV e EDX) e a aderência dos S. mutans avaliada pela contagem das unidades formadoras de colônia (UFC/ml). Todos os grupos teste aumentaram significativamente a Ra, Rms e Área após a imersão em solução fluoretada. Entretanto, na comparação entre os grupos (Kruskall- Wallis), somente a Área foi estatisticamente diferente. Os grupos G10 (p=0,008), G15 (p=0,014) e G20 (p<0,001) apresentaram maior Área quando comparados com G0. A análise por MEV mostrou a presença de corrosão por pits e uma superfície irregular em todos os grupos teste. O G0 não sofreu alteração em nenhum parâmetro avaliado. O EDX mostrou a presença de compostos de Ti-FNa incorporados à superfície do G20. Na contagem das UFC/ml, o grupo G20 apresentou maior aderência que G0 e G5. Conclui-se que os íons fluoretos em baixa concentração foram capazes de promover corrosão do Ti cp em todos os grupos teste e alteraram a Área do Ti cp ao longo do tempo. Adicionalmente, a aderência bacteriana mostrou-se maior no período mais longo de exposição. / Abstract: The aim of this study was to evaluate the superficial roughness and the corrosion process of commercially pure titanium Ti cp, after simulating different periods of fluoride contact: 5 (G5), 10 (G10), 15 (G15) e 20 (G20) years, as well as the adherence of S mutans in those surfaces. For each respective period, Ti cp discs were previously polished and than submersed in fluoride solution 0.15% (1500 ppm, pH 5.3) or distilled water as control group (G0). The average roughness (Ra), root mean square roughness (Rms) and scanned area (Area) were assessed for atomic force microscopy (AFM) before and after the immersion. The same surfaces were examined for scanned electron microscopy (SEM, EDX) and S mutans adherence calculated by the counting of colony forming units (CFU/ml). All test groups increased significantly the Ra, Rms and Area after the immersion in fluoride solution. However, the comparison among the groups (Kruskall-Wallis), only the area showed significant difference. The groups G10 (p=0.008), G15 (p=0.014) and G20 (p<0.001) showed higher Area compared with G0. The SEM analysis showed the presence of corrosion by pits and irregular surface in all test groups. The G0 did not change for any parameter evaluated. The EDX showed the presence of Ti-F-Na in the surface of samples from G20. In the counting of CFU/ml, the G20 resulted in higher bacteria adherence compared with G0 and G5 (ANOVA, p=0.015). In conclusion the fluoride ions in low concentration promoted corrosion in Ti cp from all test groups and altered the Area of Ti cp over the time. Moreover, the longer is the period of immersion in fluoride solution, higher is the bacteria adherence. / Orientador: Ricardo Samih Georges Abi Rached / Coorientador: Luis Geraldo Vaz / Banca: Osvaldo Luiz Bezzon / Banca: Gelson Luis Adabo / Mestre

A Restauração de Imagens é uma técnica que possui aplicações em várias áreas, por exemplo, medicina, biologia, eletrônica, e outras, onde um dos objetivos da restauração de imagens é melhorar o aspecto final de imagens de amostras que por algum motivo apresentam imperfeições ou borramentos. As imagens obtidas pelo Microscópio de Força Atômica apresentam borramentos causados pela interação de forças entre a ponteira do microscópio e a amostra em estudo. Além disso apresentam ruídos aditivos causados pelo ambiente. Neste trabalho é proposta uma forma de paralelização em GPU de um algoritmo de natureza serial que tem por fim a Restauração de Imagens de Microscopia de Força Atômica baseado na Regularização de Tikhonov. / Image Restoration is a technique which has applications in several areas, e.g., medicine, biology, electronics, and others, where one of the goals is to improve the final appearance of the images of samples, that have for some reason, imperfections or blurring. The images obtained by Atomic Force Microscope have blurring caused by the interaction forces between the tip of the microscope and the sample under study. Moreover exhibit additive noise caused by the environment. This thesis proposes a way to make a parallelization on a GPU of a serial algorithm of which is a Image Restoration of Images from Atomic Force Microscopy using Tikhonov Regularization.