Durante a injeção intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI) seleciona-se um espermatozoide móvel e morfologicamente normal para injeção em ovócito maduro. Evidências recentes indicam que mesmo espermatozoides aparentemente normais podem ocultar defeitos em nível molecular. O principal objetivo deste trabalho foi a descrição de um novo método capaz de selecionar espermatozoides maduros a partir de amostras não processadas em procedimento de ICSI. Em um estudo comparativo e prospectivo testou-se uma gota estendida modificada. A \"gota estendida com mecanismo contracorrente\" - GEMC foi montada em uma placa de ICSI padrão a partir de seis gotas de meio de cultivo (10 ?L). O posicionamento e união precisa das gotas deram origem a dois reservatórios e um canal, resultando em um fluxo de líquido através do canal. A adição de uma solução de PVP (polivinilpirrolidona) gerou um gradiente de viscosidade no final do circuito. Amostras seminais foram obtidas de 40 pacientes inférteis. Cada amostra seminal foi dividida em 4 alíquotas: uma alíquota para o processamento por centrifugação em gradiente de densidade (CGD), uma alíquota para a GEMC utilizando amostras não processadas, uma alíquota para a GEMC utilizando amostras processadas e uma alíquota para controle. Nos grupos GEMC uma média de 200 espermatozoides foram consecutivamente coletados, sem seleção, no reservatório de captura utilizando-se uma micropipeta de injeção como no procedimento convencional de ICSI. A morfologia espermática foi avaliada e demonstrou melhora, comparando-se com os controles, em todos os tratamentos utilizados. A imaturidade da cromatina foi avaliada utilizando-se o teste do azul de anilina. Em relação à imaturidade, 100% dos homens obtiveram melhores resultados tanto após o preparo por CGD quanto utilizando o método GEMC. Isto se refletiu em uma redução das formas imaturas de 28.65 ± 8.97% no sêmen fresco para 17.29 ± 7.72% após processamento por CGD (P < 0.01). Uma redução ainda maior nas formas imaturas foi obtida após o método GEMC quando comparado com o processamento por CGD: 0.89 ± 1.31% (P < 0.01) utilizando-se sêmen fresco e 1.05 ± 1.63% (P < 0.01) utilizando-se amostras processadas. Um novo método unindo seleção e captura de espermatozoides em um mesmo procedimento de ICSI foi descrito e testado. O método GEMC seleciona espermatozoides de forma fácil e permite o uso direto de amostras não processadas em procedimentos de ICSI. Este método seleciona espermatozoides maduros com mais eficiência do que o processamento por CGD. Novos estudos são necessários para se analisar o impacto do método nas taxas de fertilização, desenvolvimento embrionário, gravidez, implantação e abortamento / During intracytoplasmic sperm injection (ICSI) a motile spermatozoon with normal morphology is visually selected for insemination of an oocyte. Recent evidence indicates that even though the sperm appears morphologically normal, a possibility of defects at the molecular level still exists. The main objective of this work was to describe a novel approach capable of selecting mature spermatozoa from unprocessed semen sample in a one-step ICSI procedure. A modified extended drop was tested in a prospective comparative study. The \"Gota Estendida com Mecanismo Contracorrente - GEMC\" (Positive Rheotaxis Extended Drop - PRED) was assembled on a standard ICSI dish and consisted of six culture medium droplets (10 ?L). The precise merging of the drops created two reservoirs and a channel therefore the fluid flew through the channel. The addition of a PVP solution created a viscosity gradient in the final sector of the circuit. Semen samples were taken from 40 subfertile men. Each semen sample was divided into four aliquots: one aliquot for density gradient centrifugation (DGC), one aliquot for GEMC using fresh semen, one aliquot for GEMC using processed semen and one aliquot for the control. In GEMC a mean of 200 spermatozoa were collected consecutively, without selection, from the outlet reservoir with an injecting pipette as for conventional ICSI procedure. Sperm morphology was assessed and resulted in improvement compared to controls in all treatments. Chromatin immaturity was assessed using aniline blue assay. Regarding to chromatin immaturity, 100% of men had better results after DGC preparation and GEMC approach. This was reflected in a mean reduction from 28.65 ± 8.97% uncondensed chromatin in the native ejaculates to 17.29 ± 7.72% in DGC processed semen (P < 0.01). An even greater reduction was achieved after GEMC approach showing a mean of 0.89 ± 1.31% uncondensed chromatin compared to DGC processed sample (P < 0.01). A novel one-step ICSI approach joining sperm selection and recovery was developed and tested. This GEMC approach can select sperm easily and permits the direct use of native semen in ICSI. This approach can select sperm with lower chromatin immaturity than DGC method. Further studies need to access its relation to fertilization, embryo development, pregnancy, implantation and miscarriage rates

Orientador: Adriana Vitorino Rossi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T10:19:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Castro_PatriciadePadua_D.pdf: 5260822 bytes, checksum: f6893f2bb59ad505050a8c1a755fee4a (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Pb(II) e um contaminante acumulativo em solos; reações de spot test servem para análises exploratórias para avaliar contaminações. A reação de spot test entre Pb(II) e rodizonato (ROD) forma um complexo vermelho (PbROD), que pode ser quantificado em dispositivo microfluídico em papel (mPAD) em associação com análise digital de imagens, estudada neste trabalho para aplicação em solos. Misturas reacionais de ROD 9,96 mmol L, em tampão tartarato, e soluções aquosas de Pb(NO3)2 na faixa de concentração de 0,20 a 5,00 mmol L foram utilizadas para a formação de PbROD em mPAD e empregadas no desenvolvimento do método que envolveu a utilização de um scanner comercial para obtenção das imagens e, um programa para extração de dados de cores em sistema RGB (Red, Green e Blue) para quantificação por meio de curvas de calibração. O método desenvolvido foi aplicado para análise de Pb(II) em 28 amostras de solos dopadas com (PbNO3)2 a uma concentração 300 mg kg de solo, utilizando solução de HNO3 0,43 mmol L como extrator, que extraiu em média 75% do Pb(II) adicionado. A limitação imposta pelas barreiras hidrofóbicas no mPAD foi crucial para viabilizar a quantificação de Pb(II). Os dados extraídos da componente G da imagem do produto da reação obtido no mPAD apresentaram os melhores resultados. A precisão intermediária do método de spot test para Pb(II) formando PbROD foi 4 %, com limites de detecção e quantificação iguais a 0,07 e 0,24 mmol L, respectivamente. Das 28 amostras estudadas, sete não desenvolveram cor na reação devido às características físicas e químicas dos solos e a presença de possíveis interferentes (principalmente Ba, Sr, Matéria Orgânica, P e Argila). A grande heterogeneidade dos solos e os complexos mecanismos de adsorção e dessorção dos íons que afetam sua disponibilidade para a reação de análise representam aspectos limitantes para a aplicação do método desenvolvido, porém os resultados apontaram adequação para análise semiquantitativa exploratória de Pb(II) em áreas de solos contaminados / Abstract: Lead (Pb) is a cumulative soil contaminant, which can be assessed by spot test reactions in exploratory analyzes regarding soil contamination. The spot test reaction between Pb(II) and rhodizonate (ROD) forms a red complex (PbROD), which can be quantified on paper microfluidic device (mPAD) in combination with digital image analysis. The objective with this work was to develop a method based on the aforementioned system, for the determination of Pb(II) in soils. Reaction mixtures containing 9.96 mmol L of ROD (prepared in tartrate buffer) and aqueous solutions of Pb(NO3)2 in a concentration range from 0.20 to 5.00 mmol L were used to form PbROD in mPAD and employed for the method development. A commercial scanner was used to obtain images and a program was employed to extract data from the RGB (Red, Green and Blue) colors system for Pb(II) quantification, by using calibration curves. The method was applied for the analysis of Pb(II) in 28 soil samples spiked with Pb(NO3)2 at a concentration of 300 mg kg of soil and a 0.43 mmol L HNO3 solution was used as the extractant, which was able to extract, in average, 75% of Pb(II) added. The limitation imposed by hydrophobic barriers in the mPAD was crucial to enable the quantification of Pb(II). The data extracted from the G component of the image of the reaction product obtained in the mPAD showed the best results. Intermediate precision of the spot test method for Pb(II) forming PbROD was 4%, with limits of detection and quantification equal to 0.07 and 0.24 mmol L, respectively. From the 28 samples studied, seven did not develop color in the reaction, due to their physical and chemical characteristics and the presence of possible interferences (mainly Ba, Sr, Organic matter, P and clay content). The great heterogeneity of soils and the complex mechanisms of sorption and desorption of ions, that affect their availability for reaction analysis, represent limiting aspects for the quantitatively application of the method for soils. But the results show suitability for semiquantitative exploratory analyzes of Pb (II) in areas with soils contaminated with this element / Doutorado / Quimica Analitica / Doutora em Ciências

O objetivo principal desta tese foi o de se desenvolver uma biocélula a combustível enzimática em microfluídica, utilizando a glicose como combustível e o oxigênio como oxidante. Foram utilizadas as enzimas Glicose Oxidase ou Glicose Desidrogenase em um bioânodo, de forma a promover reações bioeletrocatalíticas de oxidação da glicose e as enzimas Lacase ou Bilirrubina Oxidase, de forma a promover reações bioeletrocatalíticas de redução do oxigênio molecular. O trabalho se procedeu por tentativas de imobilizar estas enzimas, de forma a promover o mecanismo de transferência eletrônica direta com um eletrodo. Nas situações as quais isso não foi possível, foram utilizados mediadores eletrônicos, de forma a promover o mecanismo de transferência eletrônica mediada. O melhor par de sistemas de bioeletrodos e mediadores foi escolhido para serem aplicados em uma biocélula a combustível. O trabalho se procedeu em adaptar este par de bioeletrodos desenvolvidos para um sistema de microfluídica em papel, sendo ambos biocátodo e bioânodo em papel. Como as condições de concentração de combustível e de cofatores foram otimizadas para o bioânodo, foi necessário trabalhar com os biocátodos, de forma a apresentar as características de um biocátodo respirador, para melhor utilizar o oxigênio presente no ar e a apresentar um desempenho tão bom quanto o dos bioânodos. A biocélula a combustível em papel possibilitou a geração de energia elétrica por até 18 dias, utilizando uma resistência de 1.7 k&Omega;, nas condições experimentais ideais. De forma a provar o conceito da tecnologia para aplicações reais, a biocélula a combustível em papel foi demonstrada a ter a capacidade de geração de energia elétrica suficiente para fazer um relógio funcionar por pelo menos 36 horas, utilizando a bebida isotônica Gatorade&reg;, como combustível. / The main objective of this thesis is to develop a microfluidic biofuel cell using glucose as the fuel and oxygen as the oxidant. The enzymes Glucose Oxidase or Glucose Dehydrogenase were used in a bioanode to promove the bioelectrocatalytic oxidation of glucose and the enzymes Laccase or Bilirubin Oxidase to promove the bioelectrocatalytic reduction of the molecular oxygen. The work was conducted by attempts to immobilize these enzymes in order to promote the mechanism of direct electron transfer with the electrode. For the situations where this was not observed, mediators were used in a way to promote the mechanism of mediated electron transfer. The best pair of bioelectrodes and mediatores was chosen to be applied in a biofuel cell. The work was carried out to adapt this par of developed bioelectrodes to a paper based microfluidic system, using both biocathode and bioanode in a paper-like design. As the conditions for concentration of fuel and cofactors were optimized for the bioanode, it was necessary to work on these biocathodes so as to have the characteristics of an air-breathing biocathode for a better use of the oxygen present in the air and to work with a performance as good as the bioanode. The paper based biofuel cell enabled the generation of electricity for up to 18 days using a resistance of 1.7 k&Omega; within the optimum experimental conditions. In order to prove the concept of this technology for real applications, the paper based biofuel cell was demonstrated to have the capacity for generation of enough electrical energy to power up a clock for at least 36 hours using the isotonic drink Gatored&reg; as fuel.

A funcionalização da matriz celulósica é um ponto essencial para o aprimoramento dos dispositivos microfluídicos baseados em papel (&micro;PADs). Ela permite minimizar o preparo de amostras e a interferência do usuário, principais fontes de erro no processo analítico. A oxidação da celulose durante uma hora com m-periodato de sódio e a imobilização química de enzimas a partir da formação de bases de Schiff (iminas), via a adição direta da enzima ao substrato oxidado sem a necessidade de outras etapas, é um processo rápido e de baixo custo, apresentando grande potencialidade de aplicação nos dispositivos microfluídicos em papel. A enzima glicose oxidase imobilizada na celulose, com a adição do estabilizante trealose, apresentou elevada atividade catalítica - de 31,9 &plusmn; 5,5 mmol L-1 para a enzima não imobilizada a 14,8 &plusmn; 2,0 mmol L-1 para a enzima imobilizada e com o estabilizante - além de apresentar maior homogeneidade de sinal, condições desejáveis em testes rápidos em papel. A confecção de dispositivos em papel via impressão em cera alia rapidez e baixo custo de produção, e o arranjo em camadas para originar dispositivos tridimensionais (3D) permite ampliar as funcionalidades dos dispositivos em duas dimensões, tal como o tratamento individualizado de camadas e o armazenamento de reagentes no próprio dispositivo. O método da adição de padrão para obtenção de curvas analíticas no próprio microchip em papel surge como alternativa às curvas analíticas externas, minimizando a manipulação e o preparo de amostras. O uso do ácido 2,2&rsquo;-azino-bis (3-etilbenzotiazolina-6-sulfônico) - ABTS como indicador redox para as reações enzimáticas e o método de adição de padrão nos &micro;PADs apresentou boa correlação com um modelo de crescimento e saturação de Michaelis-Menten (r2 = 0,8723) na faixa de 0 a 10 mmol L-1, e a utilização da faixa linear para quantificação de glicose (0 a 3 mmol L-1) apresentou grande correlação linear com a concentração estimada pelas curvas de adição de padrão (r2 = 0,959), demonstrando a potencialidade do método. A união da tecnologia desses dispositivos em papel com a de um software automatizado de reconhecimento de imagens (PAlizer) torna instantânea a obtenção de resultados, eliminando-se a necessidade de intervenção humana no processo, tornando os testes em papel mais robustos, reprodutíveis e rápidos. Com o contínuo aperfeiçoamento das funcionalidades e potencialidades dos dispositivos microfluídicos em papel espera-se que os testes diagnósticos de baixo custo atinjam àqueles que deles necessitam, contribuindo para a saúde da população. / Functionalization of a cellulosic matrix is essential for the success of the paper-based microfluidic analytical devices (&micro;PADs). It allows minimization of sample preparation and user interference, both being major sources of errors in the analytical process. Cellulose oxidation with sodium m-periodate during one hour and the direct chemical immobilization of enzymes on it by Schiff-base (imines) formation, which is made by direct insertion of the enzyme on the oxidized substrate without subsequent steps, is a fast and low cost process of immobilization, presenting great potential of application in paper-based microfluidic analytical devices. The glucose oxidase enzyme immobilized on cellulose, with the addition of trehalose stabilizer presented enhanced catalytic activity - from 31.9 &plusmn; 5.5 mmol L-1 for the non-immobilized enzyme to 14.8 &plusmn; 2.0 mmol L-1 for the immobilized enzyme with the stabilizing agent - also presenting greater signal homogeneity, which are ideal characteristics in a paper-based rapid test. Wax printing is a simple, inexpensive and fast method by which micro-devices can be fabricated. Additionally, the stacking of layers originating tridimensional devices (3D) allow for the improvement of functionalities of 2-dimensional ones, such as individualized layer treatment and reagent storage at different layers in the same device. Standard addition to analytical curves in paper-based microchips is an alternative to external analytical curves, minimizing handling/sample preparation. The use of 2,2\'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid - ABTS redox indicator with the enzymatic reactions and the standard addition method in &micro;PADs presented a good correlation in a growth and saturation Michaelis-Menten model (r2 = 0.8723), in the range of 0 to 10 mmol L-1, and the usage of the linear range to the glucose quantification (0 to 3 mmol L-1) presented a high linear correlation with the estimated concentration from the standard addition curves (r2 = 0.959), showing the potentiality of the method. The coupling of such paper-based devices to automated image analysis software, such as \'PAlizer\', turns the data acquisition process instantaneous, eliminating the need of human intervention during the process, making it more robust, reproducible and rapid. Expectations lie in improving the devices functions and potential so that these low-cost diagnostic devices can one day reach those who need them, contributing significantly to public health.

O uso da microfluídica na área de análises genéticas possibilita não apenas a diminuição de custos, mas também menor manipulação de amostras e reagentes e ainda maior portabilidade das análises. Com isso aumenta a possibilidade da sua utilização em locais remotos, sem a infraestrutura de um laboratório bem equipado. Dispositivos capazes de usar apenas a força centrifuga para movimentação de fluidos juntamente com a utilização de válvulas passivas para controle dos fluidos pode potencializar a sua utilização nos diagnósticos Point-of-Care. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um microdispositivo descartável de poliéster para análises genéticas, visando a extração e amplificação do DNA alvo, de forma rápida, barata, integrada e automatizada. Os resultados confirmam a viabilidade dos dispositivos poliéster-toner (PeT) e poliéster-fita dupla face (PeDF) automatizados de extração, obtendo por meio da extração dinâmica em fase sólida de amostras complexas, DNA com qualidade compatível à técnica da reação em cadeia de polimerase (PCR). Esses resultados foram confirmados por meio da amplificação por PCR dos genes &beta;-globina nas amostras de sangue e urina, e o gene malB nas amostras de Escherichia coli. Também foi confirmado a compatibilidade dos dispositivos de PeT para amplificação por PCR mediado por infravermelho (IV-PCR) do gene malB presente no DNA genômico de bactéria E. coli. Por fim, os dispositivos de extração e amplificação foram interligados para obtenção de um dispositivo integrado e automatizado formado pela combinação de dispositivos fabricados com diferentes filmes e métodos, PeT e PeDF. O controle de todas as soluções no interior dos dispositivos foi realizado por meio da força centrífuga combinada a válvulas passivas, sem qualquer necessidade de equipamento adicional. Portanto, podemos concluir que o dispositivo integrado PeDF - PeT possui grande potencial para aplicações em análises genéticas de forma mais barata, portátil e com menor manipulação das amostras pelo analista. / The development of microfluidics for genetic analysis allows not only cost reduction but also reduces sample and reagents handling, and increases the chances of a portable analysis. With this, increasing the possibility to use the techniques on remote places without the infrastructure of an equipped laboratory. Microdevices capable of using the centrifugal force in combination with passive valves to fluidic control can promote Point-of-Care analysis. The primary goal of this thesis was to associate these tools for the development of a disposable microdevice for genetic analysis, aiming faster, inexpensive, integrated and automated DNA extraction and amplification. The results confirmed the viability of PeT and PeDF automated microdevices, for DNA dynamic solid phase extraction, in providing high-quality DNA compatible to PCR analysis using complex samples. These results were confirmed by the &beta;-globin PCR amplification using blood and urine samples, and the malB gene amplification in Escherichia coli samples. We have also verified the compatibility of the PeT microdevices with IV-PCR for malB gene amplification in genomic E. coli DNA. The extraction and amplification modules were interconnected to obtain an integrated and automated microdevice by the combination of devices made with different films and microfabrication methods, PeT and PeDF. The fluidic control in the devices was made using the centrifugal force combined to passive valves, with no requirement of any extra equipment. Therefore, we can conclude that the integrated PeDF - PeT microdevice has a great potential for cheaper and portable genetic analysis application, with less operator manipulation.

O uso da microfluídica na área de análises genéticas possibilita não apenas a diminuição de custos, mas também menor manipulação de amostras e reagentes e ainda maior portabilidade das análises. Com isso aumenta a possibilidade da sua utilização em locais remotos, sem a infraestrutura de um laboratório bem equipado. Dispositivos capazes de usar apenas a força centrifuga para movimentação de fluidos juntamente com a utilização de válvulas passivas para controle dos fluidos pode potencializar a sua utilização nos diagnósticos Point-of-Care. Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um microdispositivo descartável de poliéster para análises genéticas, visando a extração e amplificação do DNA alvo, de forma rápida, barata, integrada e automatizada. Os resultados confirmam a viabilidade dos dispositivos poliéster-toner (PeT) e poliéster-fita dupla face (PeDF) automatizados de extração, obtendo por meio da extração dinâmica em fase sólida de amostras complexas, DNA com qualidade compatível à técnica da reação em cadeia de polimerase (PCR). Esses resultados foram confirmados por meio da amplificação por PCR dos genes &beta;-globina nas amostras de sangue e urina, e o gene malB nas amostras de Escherichia coli. Também foi confirmado a compatibilidade dos dispositivos de PeT para amplificação por PCR mediado por infravermelho (IV-PCR) do gene malB presente no DNA genômico de bactéria E. coli. Por fim, os dispositivos de extração e amplificação foram interligados para obtenção de um dispositivo integrado e automatizado formado pela combinação de dispositivos fabricados com diferentes filmes e métodos, PeT e PeDF. O controle de todas as soluções no interior dos dispositivos foi realizado por meio da força centrífuga combinada a válvulas passivas, sem qualquer necessidade de equipamento adicional. Portanto, podemos concluir que o dispositivo integrado PeDF - PeT possui grande potencial para aplicações em análises genéticas de forma mais barata, portátil e com menor manipulação das amostras pelo analista. / The development of microfluidics for genetic analysis allows not only cost reduction but also reduces sample and reagents handling, and increases the chances of a portable analysis. With this, increasing the possibility to use the techniques on remote places without the infrastructure of an equipped laboratory. Microdevices capable of using the centrifugal force in combination with passive valves to fluidic control can promote Point-of-Care analysis. The primary goal of this thesis was to associate these tools for the development of a disposable microdevice for genetic analysis, aiming faster, inexpensive, integrated and automated DNA extraction and amplification. The results confirmed the viability of PeT and PeDF automated microdevices, for DNA dynamic solid phase extraction, in providing high-quality DNA compatible to PCR analysis using complex samples. These results were confirmed by the &beta;-globin PCR amplification using blood and urine samples, and the malB gene amplification in Escherichia coli samples. We have also verified the compatibility of the PeT microdevices with IV-PCR for malB gene amplification in genomic E. coli DNA. The extraction and amplification modules were interconnected to obtain an integrated and automated microdevice by the combination of devices made with different films and microfabrication methods, PeT and PeDF. The fluidic control in the devices was made using the centrifugal force combined to passive valves, with no requirement of any extra equipment. Therefore, we can conclude that the integrated PeDF - PeT microdevice has a great potential for cheaper and portable genetic analysis application, with less operator manipulation.

A funcionalização da matriz celulósica é um ponto essencial para o aprimoramento dos dispositivos microfluídicos baseados em papel (&micro;PADs). Ela permite minimizar o preparo de amostras e a interferência do usuário, principais fontes de erro no processo analítico. A oxidação da celulose durante uma hora com m-periodato de sódio e a imobilização química de enzimas a partir da formação de bases de Schiff (iminas), via a adição direta da enzima ao substrato oxidado sem a necessidade de outras etapas, é um processo rápido e de baixo custo, apresentando grande potencialidade de aplicação nos dispositivos microfluídicos em papel. A enzima glicose oxidase imobilizada na celulose, com a adição do estabilizante trealose, apresentou elevada atividade catalítica - de 31,9 &plusmn; 5,5 mmol L-1 para a enzima não imobilizada a 14,8 &plusmn; 2,0 mmol L-1 para a enzima imobilizada e com o estabilizante - além de apresentar maior homogeneidade de sinal, condições desejáveis em testes rápidos em papel. A confecção de dispositivos em papel via impressão em cera alia rapidez e baixo custo de produção, e o arranjo em camadas para originar dispositivos tridimensionais (3D) permite ampliar as funcionalidades dos dispositivos em duas dimensões, tal como o tratamento individualizado de camadas e o armazenamento de reagentes no próprio dispositivo. O método da adição de padrão para obtenção de curvas analíticas no próprio microchip em papel surge como alternativa às curvas analíticas externas, minimizando a manipulação e o preparo de amostras. O uso do ácido 2,2&rsquo;-azino-bis (3-etilbenzotiazolina-6-sulfônico) - ABTS como indicador redox para as reações enzimáticas e o método de adição de padrão nos &micro;PADs apresentou boa correlação com um modelo de crescimento e saturação de Michaelis-Menten (r2 = 0,8723) na faixa de 0 a 10 mmol L-1, e a utilização da faixa linear para quantificação de glicose (0 a 3 mmol L-1) apresentou grande correlação linear com a concentração estimada pelas curvas de adição de padrão (r2 = 0,959), demonstrando a potencialidade do método. A união da tecnologia desses dispositivos em papel com a de um software automatizado de reconhecimento de imagens (PAlizer) torna instantânea a obtenção de resultados, eliminando-se a necessidade de intervenção humana no processo, tornando os testes em papel mais robustos, reprodutíveis e rápidos. Com o contínuo aperfeiçoamento das funcionalidades e potencialidades dos dispositivos microfluídicos em papel espera-se que os testes diagnósticos de baixo custo atinjam àqueles que deles necessitam, contribuindo para a saúde da população. / Functionalization of a cellulosic matrix is essential for the success of the paper-based microfluidic analytical devices (&micro;PADs). It allows minimization of sample preparation and user interference, both being major sources of errors in the analytical process. Cellulose oxidation with sodium m-periodate during one hour and the direct chemical immobilization of enzymes on it by Schiff-base (imines) formation, which is made by direct insertion of the enzyme on the oxidized substrate without subsequent steps, is a fast and low cost process of immobilization, presenting great potential of application in paper-based microfluidic analytical devices. The glucose oxidase enzyme immobilized on cellulose, with the addition of trehalose stabilizer presented enhanced catalytic activity - from 31.9 &plusmn; 5.5 mmol L-1 for the non-immobilized enzyme to 14.8 &plusmn; 2.0 mmol L-1 for the immobilized enzyme with the stabilizing agent - also presenting greater signal homogeneity, which are ideal characteristics in a paper-based rapid test. Wax printing is a simple, inexpensive and fast method by which micro-devices can be fabricated. Additionally, the stacking of layers originating tridimensional devices (3D) allow for the improvement of functionalities of 2-dimensional ones, such as individualized layer treatment and reagent storage at different layers in the same device. Standard addition to analytical curves in paper-based microchips is an alternative to external analytical curves, minimizing handling/sample preparation. The use of 2,2\'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid - ABTS redox indicator with the enzymatic reactions and the standard addition method in &micro;PADs presented a good correlation in a growth and saturation Michaelis-Menten model (r2 = 0.8723), in the range of 0 to 10 mmol L-1, and the usage of the linear range to the glucose quantification (0 to 3 mmol L-1) presented a high linear correlation with the estimated concentration from the standard addition curves (r2 = 0.959), showing the potentiality of the method. The coupling of such paper-based devices to automated image analysis software, such as \'PAlizer\', turns the data acquisition process instantaneous, eliminating the need of human intervention during the process, making it more robust, reproducible and rapid. Expectations lie in improving the devices functions and potential so that these low-cost diagnostic devices can one day reach those who need them, contributing significantly to public health.

Submitted by Liliane Ferreira (ljuvencia30@gmail.com) on 2018-09-03T12:02:08Z No. of bitstreams: 2 Tese - Cyro Lucas Silva Chagas - 2018.pdf: 4698038 bytes, checksum: 54bd125cfa8cf11d8672d79de558c77c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-09-04T11:35:55Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - Cyro Lucas Silva Chagas - 2018.pdf: 4698038 bytes, checksum: 54bd125cfa8cf11d8672d79de558c77c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-04T11:35:55Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - Cyro Lucas Silva Chagas - 2018.pdf: 4698038 bytes, checksum: 54bd125cfa8cf11d8672d79de558c77c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-08-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The development of miniaturized devices promoted a real revolution in modern analytical chemistry. In addition, the improvement of microfabrication technologies has made it possible to create ever smaller and more robust devices. However, most of these devices still demand sophisticated and expensive instrumentation in their manufacturing process, often requiring controlled environments or clean rooms. In view of the need to produce these miniaturized devices in a more accessible way, the present thesis presents the manufacture of alternative, disposable and low cost microfluidic platforms and devices for bioanalytical applications. The methodologies covered in this thesis include: the manufacture of low cost pencil-drawn graphite electrodes on office paper, used in the quantification of inorganic cations (K+ and Na+) in human tears; the manufacture of electrophoresis chips with thermolaminated paper channels with attached graphite electrodes for the monitoring of the electrophoretic separation of biomolecules (albumin and creatinine); and finally, it presents the use of a 3D microfluidic device for the generation of droplets into the microchannel and the manufacturing process of a thermolaminated polyester dispositive for flow injection analysis, both for the analysis of drugs (ascorbic acid and midazolam maleate) in medicines. All analyzes used the same method of capacitively coupled contactless conductivity detection. The proposed graphite electrodes presented excellent analytical performance with good reproducibility. The detection limits found for K+, Na+ and Li+ were 4.9, 6.8 and 9.0 μM, respectively. In addition, the concentration found for K+ and Na+ in the tear samples were, respectively, 20.8 and 101.2 mM for sample A and 20.4 and 111.4 mM for sample B. Experiments using the proposed paper-based microchip have successfully demonstrated the separation of bovine serum albumin and creatinine within 150 s with baseline resolution. The detection limits for albumin and creatinine were 20 and 35 mM, respectively. The quantification of ascorbic acid in a vitamin supplement, through the generation of droplets in the 3D device, was successfully demonstrated with a linear range of 3 to 24 mg/mL and a detection limit of 1.1 mg/mL. The quantification of midazolam maleate in tablets, using a flow injection in the polyester device showed a linear behavior between 0.5 and 4.0 mg/mL and a detection limit of 17 µg/mL. The devices proposed in this thesis allowed the realization of low cost assays with reduced analysis time. In addition, the manufacturing processes demonstrated simplicity and quickness, without the need for sophisticated instrumentation, allowing the use of these devices for applications in clinical analysis and quality control. / O desenvolvimento de dispositivos miniaturizados promoveu uma verdadeira revolução na química analítica moderna. Além disso, o melhoramento das tecnologias de microfabricação possibilitou a criação de dispositivos cada vez menores e mais robustos. Contudo, grande parte destes dispositivos ainda demandam em seu processo de fabricação uma instrumentação sofisticada e de alto custo, necessitando muitas vezes de ambientes controlados ou salas limpas. Tendo em vista a necessidade de se produzir esses dispositivos miniaturizados de uma maneira mais acessível, a presente tese apresenta a fabricação de plataformas e dispositivos microfluídicos alternativos, descartáveis e de baixo custo para aplicações bioanalíticas. As metodologias abordadas nessa tese incluem: a fabricação de eletrodos de grafite de baixo custo desenhados à lápis em papel sulfite, utilizados na quantificação de cátions inorgânicos (K+ e Na+) em lágrima humana; a fabricação de chips de eletroforese com canais de papel termolaminados com eletrodos de grafite de lápis acoplados para o monitoramento da separação eletroforética de biomoléculas (albumina e creatinina); e por fim, apresenta a utilização de um dispositivo microfluídico 3D para a geração de gotas no microcanal e o processo de fabricação de um dispositivo de poliéster termolaminado para análise por injeção em fluxo, ambos para análise de fármacos (ácido ascórbico e maleato de midazolam) em medicamentos. Todas as análises utilizaram o mesmo método de detecção condutométrica sem contato acoplada capacitivamente. Os eletrodos de grafite propostos apresentaram excelente performance analítica com boa reprodutibilidade. Os limites de detecção encontrados para o K+, Na+ e Li+ foram de 4,9, 6,8 e 9,0 µM, respectivamente. Além disso, a concentração encontrada para o K+ e Na+ nas amostras de lágrima foram, respectivamente, de 20,8 e 101,2 mM para a amostra A e 20,4 e 111,4 mM para a amostra B. Os experimentos utilizando o microchip de papel proposto demonstraram com sucesso a separação de albumina de soro bovino e creatinina dentro de 150 s com resolução de linha de base. Os limites de detecção para albumina e creatinina foram 20 e 35 mM, respectivamente. A quantificação de ácido ascórbico em suplemento vitamínico, através da geração de gotas no dispositivo 3D, foi demonstrada com êxito apresentando uma faixa linear entre 3 e 24 mg/mL e limite de detecção igual a 1,1 mg/mL. A quantificação de maleato de midazolam em comprimidos, utilizando injeção em fluxo no dispositivo de poliéster apresentou comportando linear entre 0,5 e 4,0 mg/mL e limite de detecção de 17 µg/mL. Os dispositivos propostos nesta tese possibilitaram a realização de ensaios de baixo custo com tempo de análise reduzido. Além disso, os processos de fabricação demonstraram simplicidade e rapidez, sem a necessidade de instrumentação sofisticada, permitindo a exploração destes dispositivos para aplicações em análises clínicas e de controle de qualidade.

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Operational parameters such as: (i) wave frequency and amplitude applied in C4D system, (ii) electrical potential applied in injection, (iii) injection time, (iv) detection point, (v) effect of capillary conditioning as well as and (vi) recovery percentage were extensively investigated and optimized. Better separations of cationic mixture containing NH4+, K+, Na+, Ca2+ and Mg2+ were achieved using a buffer system composed of 50 mM Lactic Acid, 20 mM Histidine and 3 mM 18-crown-6 on a capillary with effective length of 14.5 cm. . Addition of internal standard was used to ensure analytical reproducibility and allow the recording of merit figures. Linear behaviors were observed in concentration ranges between 10 and 100 M for NH4+, K+, Ca2+ e Mg2+, and 20-200 M for Na+. The limit of detection values calculated were 3.75 μM (NH4+), 3.70 μM (K+), 7.50 μM (Na+), 5.00 μM (Ca2+) and 5.35 μM (Mg2+). The concentration levels achieved for cations in biological samples ranged from 4,1 μM to 200 μM. Besides the hybrid system, this report also describes the development of an alternative methodology for the fabrication of high-relief masters for soft-lithography in poly(dimethylsiloxane) (PDMS) substrate. One of the innovative features makes reference to the use of low cost commercial photoresist from textile industry - poly(vinyl acetate) (PVAc) - which exhibits low toxicity. PVAc films were deposited on printed cirtuitry boards through the use of a homemade spincoater developed by desktop cooler, with rotation time control. This methodology allowed the production of high relief masters and PDMS channels with width and depth of 50 μm and 40 μm, respectively. Channels and masters profiles They were characterized with the following techniques: scan electron microscopy, perfilometry, optical and electrical. PDMS electrophoresis devices were successfully used for the separation of major inorganic cations. / Esta dissertação descreve o desenvolvimento de duas plataformas alternativas para a realização de eletroforese em microssistemas. Inicialmente é descrita um sistema eletroforético híbrido que dispensa etapas de microfabricação utilizando capilares de sílica fundida, conectados por uma interface comercial com formato em cruz. Este sistema capilar híbrido foi acoplado com detecção condutométrica sem contato (C4D) e aplicado na determinação de cátions inorgânicos (NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+) em amostras biológicas. A injeção de amostras foi realizada eletrocineticamente no modo gated, sendo o primeiro estudo em capilares utilizando esta modalidade de injeção. Foram avaliados os parâmetros operacionais de funcionamento do sistema incluindo (i) frequência e amplitude da onda senoidal aplicada ao sistema de detecção, (ii) potencial elétrico aplicado na injeção, (iii) tempo de injeção, (iv) composição do tampão, (v) ponto de detecção, (vi) efeito do condicionamento do capilar e (vii) recuperação. As melhores separações para uma mistura contendo os cátions inorgânicos foram obtidas usando-se um sistema tamponante composto de ácido lático 50 mM, histidina 20 mM e éter coroa (18-crown-6) 3 mM em um capilar com comprimento efetivo de 14,5 cm. As figuras de mérito analítico foram obtidas a partir da adição do íon Li+ como padrão interno, o qual assegurou confiabilidade nas análises quantitativas. A partir da otimização dos parâmetros analíticos, as curvas analíticas para os íons NH4+, K+, Ca2+ e Mg2+ exibiram comportamento linear (R2>0,99) na faixa de 10-100 M enquanto a curva analítica para o íon Na+ proporcionou resposta linear na faixa de 20-200 M. Os limites de detecção encontrados para os cinco cátions foram entre 3,75 μM (NH4+), 3,75 μM (K+), 7,50 μM (Na+), 5,00 μM (Ca2+) e 5,35 μM (Mg2+). O sistema desenvolvido foi explorado para a determinação dos cátions inorgânicos em amostras de urina, saliva e lágrimas. As concentrações encontradas nas amostras biológicas variaram de 4,1 μM a 200 μM. Além do sistema híbrido, a dissertação também apresenta uma metodologia de baixo custo para produção de moldes em alto relevo para litografia suave em poli(dimetilsiloxano) (PDMS). A principal inovação é o uso de fotoresiste de baixo custo, que se trata de uma emulsão fotossensível de poli(acetato de vinila) (PVAc) utilizada na indústria têxtil e que apresenta baixa toxicidade. Outra inovação é o controle da altura dos moldes utilizando um spincoater de produção própria, com controle de tempo de rotação. Com esta metodologia foram produzidos moldes em alto relevo, e microchips em PDMS com 50 μm de largura e 40 μm de altura. Foram realizadas separações eletroforéticas dos cátions NH4+,K+,Na+,Ca2+,Mg2+e Li+. As eficiências de separação variaram entre 73.000 e 120.000 pratos/m. O que comprova que a metodologia alternativa apresenta aplicabilidade microfluídica

Tesis por compendio / [ES] La sociedad actual demanda un mayor control en la seguridad y calidad de los alimentos que se consumen. Esta preocupación se ve reflejada en los diferentes planes estatales y europeos de investigación científica, los cuales, plantean la necesidad de innovar y desarrollar nuevas técnicas analíticas que cubran los requerimientos actuales. En el presente documento se aborda el problema de la presencia de residuos químicos en la miel. El origen de los mismos se debe, fundamentalmente, a los tramientos veterinarios con los que se tratan enfermedades y parásitos en las abejas, y a los tratamientos agrícolas con los que las abejas se ponen en contacto cuando recolectan el néctar en cultivos próximos a las colmenas. La Agencia Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) confirma esta realidad al notificar numerosas alertas sanitarias en la miel. En los últimos años, los métodos de análisis basados en inmunosensores piezoeléctricos se han posicionado como la base de una técnica de cribado muy prometedora, la cual puede ser empleada como técnica complementaria a las clásicas de cromatografía, gracias a su sencillez, rapidez y bajo coste. La tecnología de resonadores High-Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (HFF-QCMD) combina la detección directa en tiempo real, alta sensibilidad y selectividad con un fácil manejo y coste reducido en comparación con otras técnicas. Además, está tecnología permite aumentar el rendimiento del análisis mediante el diseño de arrays de resonadores en un mismo sustrato (Monolithic HFF-QCMD). En este documento se presenta el diseño de un array de 24 sensores HFF-QCMD, junto con un cartucho de micro-fluídica que traza diversos microcanales sobre los diferentes elementos sensores, a los que hace llegar la muestra de miel diluida a analizar. El cartucho actúa también como interfaz para realizar la conexión entre el array de resonadores y el instrumento de caracterización de los mismos. Para obtener el máximo partido del array diseñado, se desarrolla un método de medida robusto y fiable que permite elevar la tasa de adquisición de datos para facilitar la toma de registros eléctricos de un elevado número de resonadores de forma simultánea, e incluso en varios armónicos del modo fundamental de resonancia. La gran sensibilidad de la tecnología HFF-QCMD a los eventos bioquímicos a caracterizar se extiende también a otro tipo eventos externos, como son los cambios de temperatura o presión, lo que es necesario minimizar con el fin de reducir el impacto que estas perturbaciones no deseadas provocan en la estabilidad y fiabilidad de la medida. Con este fin, se desarrolla un algoritmo de procesado de señal basado en la Discrete Transform Wavelet (DTW). Finalmente, todos los desarrollos tecnológicos realizados se validan mediante la implementación de un inmunoensayo para la detección simultánea, en muestras de mieles reales, de residuos químicos de naturaleza química muy diferente, a saber, el fungicida tiabendazol y el antibiótico sulfatiazol. / [CA] La societat actual demanda un major control en la seguretat i qualitat dels aliments que es consumeixen. Aquesta preocupació es veu reflectida en els diferents plans estatals i europeus d'investigació científica, els quals, plantegen la necessitat d'innovar i desenvolupar noves tècniques analítiques que cobrisquen els requeriments actuals. En el present document s'aborda el problema de la presència de residus químics en la mel. L'origen dels mateixos es deu, fonamentalment, als tractaments veterinaris amb els quals es tracten malalties i paràsits en les abelles, i als tractaments agrícoles amb els quals les abelles es posen en contacte quan recol·lecten el nèctar en cultius pròxims als ruscos. L'Agència Europea de Seguretat Alimentària (EFSA) confirma aquesta realitat notificant nombroses alertes sanitàries en la mel. En els últims anys, els mètodes d'anàlisis basades en immunosensors piezoelèctrics s'han posicionat com la base d'una tècnica de garbellat molt prometedora, la qual pot ser emprada com a tècnica complementària a les clàssiques de cromatografia, gràcies a la seua senzillesa, rapidesa i baix cost. La tecnologia de ressonadors High-Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (HFF-QCMD) combina la detecció directa en temps real, alta sensibilitat i selectivitat amb un fàcil maneig i cost reduït en comparació amb altres tècniques. A més, està tecnologia permet augmentar el rendiment del anàlisi mitjançant el disseny d'arrays de ressonadors en un mateix substrat (Monolithic HFF-QCMD). En aquest document es presenta el disseny d'un array de 24 sensors HFF-QCMD, juntament amb un cartutx de microfluídica que estableix diversos microcanals sobre els diferents elements sensors, als quals fa arribar la mostra de mel diluïda a analitzar. El cartutx actua també com a interfície per a realitzar la connexió entre l'array de ressonadors i l'instrument de caracterització d'aquests. Per a traure el màxim partit a l'array dissenyat, es desenvolupa un mètode de mesura robust i fiable que permet elevar la taxa d'adquisició de dades per a facilitar la presa de registres elèctrics d'un elevat nombre de ressonadors de manera simultània, i fins i tot en diversos harmònics del mode fonamental de ressonància. La gran sensibilitat de la tecnologia HFF-QCMD als esdeveniments bioquímics a caracteritzar s'estén també a un altre tipus esdeveniments externs, com són els canvis de temperatura o pressió, la qual cosa és necessari minimitzar amb la finalitat de reduir l'impacte que aquestes pertorbacions no desitjades provoquen en l'estabilitat i fiabilitat de la mesura. A aquest efecte, es desenvolupa un algorisme de processament de senyal basat en la Discrete Transform Wavelet (DTW). Finalment, tots els desenvolupaments tecnològics realitzats es validen mitjançant la implementació d'un immunoassaig per a la detecció simultània, en mostres de mel reals, de residus químics de naturalesa química molt diferent, a saber, el fungicida tiabendazol i l'antibiòtic sulfatiazol. / [EN] Currently, society demands greater control over the safety and quality of the food consumed. This concern is reflected in the different states and European plans for scientific research, which establish the necessity to innovate and develop new analytical techniques that meet current requirements. This document addresses the problem of the presence of chemical residues in honey. Its origin is fundamentally due to the veterinary treatments against diseases and parasites in bees, and also to the agricultural treatments with which the bees come into contact when they collect the nectar in crops close to the hives. The European Food Safety Agency (EFSA) confirms this reality by notifying numerous health alerts in honey. In recent years, analysis methods based on piezoelectric immunosensors have been positioned as the basis of a very promising screening technique, which can be used as a complementary technique to the classic chromatography, thanks to its simplicity, speed and low cost. High-Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (HFF-QCMD) resonator technology combines direct real-time detection, high sensitivity and selectivity with easy handling and low cost compared to other techniques. In addition, this technology allows increasing the performance of the analysis through the design of resonator arrays on the same substrate (Monolithic HFF-QCMD). This document presents the design of an array of 24 HFF-QCMD sensors, together with a microfluidic cartridge that establish various microchannels on the different sensor elements, to provide them the diluted honey sample to be analyzed. The cartridge also acts as an interface to make the connection between the array of resonators and the characterization instrument. To get the most out of the designed array, a robust and reliable measurement method has been developed that allows increasing the data acquisition rate to facilitate electrical parameters readout from a high number of resonators simultaneously, and even in several harmonics of the fundamental resonance mode. The great sensitivity of the HFF-QCMD technology to the biochemical events to be characterized also is extended to other types of external events, such as changes in temperature or pressure, which must be minimized in order to reduce the impact that these unwanted disturbances cause in the stability and reliability of the measurement. To this end, a signal processing algorithm based on the Discrete Transform Wavelet (DTW) is developed. Finally, all the technological developments carried out are validated through the implementation of an immunoassay for the simultaneous detection, in real honey samples, of chemical residues of very different chemical nature, namely, the fungicide thiabendazole and the antibiotic sulfathiazole. / The authors would also like to thank Jorge Martínez from the Laboratory of High Frequency Circuits (LCAF) of the Universitat Politècnica de València (UPV) for assistance with profilometry, and Manuel Planes, José Luis Moya, Mercedes Tabernero, Alicia Nuez and Joaquin Fayos from the Electron Microscopy Services of the UPV for helping with the AFM, and SEM measurements. M.Calero is the recipient of the doctoral fellowship BES-2017-080246 from the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness (Madrid, Spain). This research was funded by Spanish Ministry of Economy and Competitiveness with FEDER funds (AGL 2016-77702-R) and European Commission Horizon 2020 Programme (Grant Agreement number H2020-FETOPEN-2016-2017/737212-CATCH-U-DNA - Capturing non-Amplified Tumor Circulating DNA with Ultrasound Hydrodynamics) for which the authors are grateful. Román Fernández is with the Center for Research and Innovation in Bioengineering (Ci2B), Universitat Politècnica de València, València, Spain and with Advanced Wave Sensors S.L., Paterna, València, Spain. (e-mail: rfernandez@awsensors.com); Yolanda Jiménez, Antonio Arnau and María Calero are with the Center for Research and Innovation in Bioengineering (Ci2B), Universitat Politècnica de València, València, Spain; Ilya Reiviakine is with Advanced Wave Sensors S.L., Paterna, Valencia, Spain and with the Department of Bioengineering, University of Washington, Seattle, WA, 98150 USA; María Isabel Rocha-Gaso and José Vicente García are with Advanced Wave Sensors S.L., Paterna, València, Spain. / Calero Alcarria, MDS. (2022). Development of a novel high resolution and high throughput biosensing technology based on a Monolithic High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance (MHFF-QCM). Validation in food control [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182652 / TESIS / Compendio