Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2015. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2016-02-15T11:46:31Z No. of bitstreams: 1 2015_LaizOliveiraMagalhaes.pdf: 3662735 bytes, checksum: aa0ab1f8c6445e875927f84003af42c2 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-02-15T16:31:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_LaizOliveiraMagalhaes.pdf: 3662735 bytes, checksum: aa0ab1f8c6445e875927f84003af42c2 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-15T16:31:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_LaizOliveiraMagalhaes.pdf: 3662735 bytes, checksum: aa0ab1f8c6445e875927f84003af42c2 (MD5) / Este trabalho descreve o desenvolvimento de microssistemas fluídicos de uretano-acrilato integrados com coluna empacotada para a extração em fase sólida com trocador aniônico e detecção fotométrica com correção do efeito Schlieren. Um diodo emissor de luz (LED) emitindo sequencialmente em diferentes comprimentos de onda (470, 530 e 625 nm) foi utilizado para adquirir o sinal referente apenas ao efeito Schlieren e outro sinal referente ao efeito e também ao analito, permitindo a correção pela subtração dos sinais. Foi demonstrado que o referido efeito é eliminado ou minimizado mesmo quando soluções de trabalho com elevadas diferenças de concentração são gerenciadas no interior do dispositivo, permitindo a determinação de íons NO2- em meios com elevada concentração de eletrólitos, Cr (VI) em meios com elevada acidez e Fe (II) em amostras de medicamentos com elevado teor de sacarose, propiciando, neste último caso, erros relativos menores que 10% por meio da comparação com o método de referência. Um dispositivo com microesferas de resina aniônica Dowex 1X8 foi construído empacotando-se manualmente o material sólido em um reservatório com dimensões de 25 × 2,0 × 1,0 mm, previamente ao procedimento de selagem. O microssistema proposto não apresentou entupimentos ou vazamentos na região da coluna e a sua aplicação à determinação de íons NO2- em águas superficiais do lago Paranoá (Brasília-DF) proporcionou um fator de pré-concentração de aproximadamente quatro vezes a partir de um volume de apenas 3,80 mL da solução da amostra, permitindo a detecção do analito na faixa de 0,05 a 0,20 mg L-1 com limite de detecção de 0,04 mg L-1 (0,01 mg L-1 N), o qual é cerca de 100 vezes inferior ao limite máximo estabelecido pela legislação brasileira (CONAMA 357). A repetibilidade para quatro injeções do padrão de 0,10 mg L-1 foi estimada em 5,35%. Adicionalmente, recuperações na faixa de 96 a 101% foram estimadas para o analito em todas as amostras avaliadas, demonstrando a possível aplicação do dispositivo para este tipo de análise a partir de um procedimento com baixo consumo de reagentes e pequena geração de resíduos. ______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This work describes the development of urethane-acrylate fluidic microsystems integrated with packed column for solid phase extraction based on anionic exchanger and photometric detection with Schlieren effect correction. A lighting emitting diode (LED) that sequentially emits on different wavelengths (470, 530 e 625 nm) was used to acquire a signal referent to the schlieren effect only and other signal for the sum of the effect with the analyte response, providing the correction of the effect by subtraction of the two signals. It was demonstrated that the effect is eliminated or quite reduced even when working solutions with elevated differences on concentrations are managed inside the microfluidic devices, allowing the determination of NO2- in a medium with high electrolyte concentrations, Cr (VI) in solutions with high acidity and Fe (II) in solutions with great concentration of saccharose, allowing, in this last case, relative errors lower than 10% by the comparison with the reference method. A microfluidic device, containing micro-spheres of the anionic exchanger Dowex 1X8, was constructed by manually packing the solid phase on a photolithographed reservoir with dimensions of 25 × 2.0 × 1.0 mm prior the sealing of the structures. The proposed microsystem presents no clogging or leaking in the region of the packed column and its application for the determination of NO2- in surface waters of Paranoá Lake (Brasília-DF) provided a pre-concentration factor of approximately four fold, using only 3.80 mL of sample solution, permitting the detection of analyte in the concentration range of 0.05 a 0.20 mg L-1 with a limit of detection of 0.04 mg L-1 (0.01 mg L-1 N), which is approximately 100 times lower than the maximum concentration permited by Brazilian regulations (CONAMA 357). The repetibility for four injections of the 0.10 mg L-1 standart was estimated in 5,35%. In addition, recoveries in the range of 96 to 101% were estimated for the analyzed samples, demonstrating the possible application of the proposed device for nitrite analysis using a procedure with low consumption of reagents and reduced generation of residues.

A primeira etapa do projeto foi realizar testes para usinagem controlada e otimizada de vidro ótico de borosilicato (BK7) por laser de femtossegundos. Parâmetros como energia, pulsos sobrepostos e a variação da posição focal foram investigados para controle da taxa de remoção do material e extensão da cratera ablacionada. Especial atenção foi dada à condição física e topográfica da superfície resultante da usinagem para torná-la menos rugosa e evitar a retenção de reagentes que possam contaminar e alterar as reações pretendidas. Microcanais, microválvulas, microbombas, misturadores, microrreatores, aquecedores e outros componentes foram desenvolvidos para compor sistemas microfluídicos. Os microcanais construídos sobre a superfície de vidro BK7 vedados por uma lâmina de polidimetilsiloxano (PDMS) são a base dos sistemas microfluídicos. O controle de fluxo de reagentes é feito por miniválvulas pneumáticas controladas por um microcontrolador Arduino através de uma plataforma Labview. Este trabalho mostra os componentes desenvolvidos e dois sistemas microfluídicos criados. O primeiro contém um circuito capaz de replicar ensaios imunoenzimáticos (ELISA) com um custo muito menor de insumos. O segundo é um sistema para a produção de nanocristais fluorescentes de NaYF4 especialmente utilizados como marcadores em imagens de sistemas biológicos. / The first stage of the project was to perform tests for controlled and optimized machining of borosilicate optical glass (BK7) by femtosecond laser. Parameters such as energy, number of overlapped pulses, and the focal position variation were investigated for a better extraction of material. Microchannels, microvalves, micropumps, mixers, reactors, heaters and other components were developed to compose applied microfluidic systems. Microchannels built on the surface of BK7 glass sealed by a polydimethylsiloxane (PDMS) sheet form the basis of the microfluidic circuits. The reagents flow control is done by pneumatic mini-valves controlled by an Arduino microcontroller through a Labview platform. This work shows the components developed and two microfluidic systems created. The first contains a microfluidic circuit capable of replicating enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) with a much lower cost of materials. The second has a microfluidic circuit for the production of NaYF4 fluorescent nanocrystals specially used as markers in images of biologic systems.

A eletroforese capilar em microchips (µCE ou MCE) é uma forma diferente de eletroforese capilar que tem se desenvolvido muito nos últimos anos. Essa técnica usa microdispositivos feitos em placas que podem ser de vidro ou polímero contendo canais de dimensões micrométricas ao invés de um capilar de sílica. Ganhos significativos têm sido obtidos em termos de tempo de análise, volume manipulado, dimensões físicas, consumo energético e integrabilidade com outros sistemas. Neste trabalho foi empregada uma técnica diferente de microfabricação, usando toner de impressora laser e folhas de transparência para a construção de dispositivos para microfluídica. A técnica se mostra simples, rápida e excelente para prototipagem. Visando a aplicação desses microchips de toner-poliéster, esse trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de instrumentação para separações químicas usando microdispositivos de toner-poliéster. Fontes de alta-tensão e de corrente foram desenvolvidas usando módulos conversores de baixa para alta-tensão elétrica. As programações das fontes foram feitas usando tensões elétricas geradas por uma placa de aquisição de dados ou por um conversor digital-analógico (DAC) com uma interface de comunicação I2C. Todo o controle foi desenvolvido em sistema GNU/Linux. Um sistema de injeção hidrodinâmico também foi desenvolvido usando um compressor de ar de diafragma juntamente com um sistema de amortecimento pneumático de pulsações e tendo sua pressão interna estabilizada por uma coluna d\'água. Um medidor de pressão eletrônico foi desenvolvido, usando um sensor de pressão, e calibrado com um manômetro de coluna d\'água. Registros de pressão de -10, -1, +1 e +10cm de coluna d\'água em função de diferentes tempos de injeção foram feitos usando um software controlando o acionamento do injetor hidrodinâmico e efetuando leituras do medidor de pressão eletrônico. Os dados mostram que colunas d\'água de 10cm e tempos de injeção maiores que 3 segundos exibem um desvio padrão relativo (RSD) de aproximadamente 0,5% em módulo. uUma proposta diferente de construção de reservatórios é apresentada. Tal proposta usa mantas de silicone e um bloco de acrílico para a definição dos reservatórios. Observou-se que essa configuração promove o estrangulamento dos canais nas microestruturas de toner-poliéster. Assim, a configuração de colagem de reservatórios por pedaços de tubos, mostrou-se melhor para uso com dispositivos de toner-poliéster descartáveis. Uma nova forma de confecção de eletrodos para detecção condutométrica sem contato acoplada capacitivamente (C4D) foi desenvolvida usando placas de circuito impresso (PCB). Após a confecção dos eletrodos pelo processo de corrosão de PCB a placa foi recoberta com uma resina para que os espaços entre os eletrodos ficassem da mesma altura da camada de cobre. Essa configuração é simples e permite uma maior integração de circuitos eletrônicos. Testes de separação eletroforética foram feitos usando a instrumentação desenvolvida neste trabalho. Soluções de 100µM dos cloretos de K+, Na+ e Li+ dissolvidos em tampão HLac/His 2mM foram usadas para os testes. Essas espécies foram injetadas eletrocineticamente e separadas usando tampão HLac/His 20mM. A quantificação não foi possível por apresentar irreprodutibilidade no processo de injeção devido ao uso de espécies de elevada mobilidade, juntamente com longos canais de injeção. Também foram realizados testes com amostras de sangue permitindo a separação de K+ e Na+ sem pré-tratamento. Separações isotacoforéticas de 1mM dos cloretos de K+, Na+ e Li+ e 1mM de HCl, como eletrólito líder, e 1mM de cloreto de tetrametilamônio, como terminador, foram realizadas para demonstrar a funcionalidade do sistema em sistemas isotacoforéticos. / The Microchip Capillary Electrophoresis (µCE or MCE) is a different kind of capillary electrophoresis that has been growing. This technique uses devices made with small plates of glass or polymer with a microchannel instead of a silica capilar. Improvements in time analysis, sample volumes, physical dimensions, power consume, and integrability with diferent systems have been archieved. A diferent microfabrication technique using laser printer toner and polyester sheets was used to build devices for microfluidic devices. This tecnique is simple, fast and suitable for prototyping. In this work were developed instruments for use with these toner-polyester microdevices. High-voltage and current sources were developed using high-voltage conversors (DC/HVDC). The programming was obtained by electric voltages from a data acquisition board and a digital-analogic conversor (DAC) with a I2C interface communication. Its control was made in a GNU/Linux System. An hidrodynamic injector was developed using an air compressor with a pulse dumper. The internal pressure was regulated by water column. An electronic manometer was built and calibrated with a water manometer. Recording of pressure using -10, -1, +1, and +10cm water column using different injection times were acquired with a data acquisition system. The data show that when water columns of ca. 10cm and injection times greater than 3 seconds are used, the relative standard deviation (RSD) is about 0.5% in modulus. A different way to build vials is presented. This method uses a silicone mantle and plastic glass block with holes. As a result, channels are stragled due to the poliester sheets. A new way to build electrodes for capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) using printed circuit boards (PCB) is shown. After the corrosion of the copper board, varnish is applied on the board to planify its surface. This configuration is simple and allows good integrability with the electronic circuit. Electrophoretic tests using the instrumentation developed was performed by separation of 100µM K+, Na+ and Li+ solutions in 2mM HLac/His buffer. This solutions were injected by electrokinetic method and separated using 20mM HLac/His buffer under high-voltage. The three species were detected but not quantified due to irreprodutibilities of the electrokinetic injection with high mobility ions. Demonstrative separations of K+ and Na+ were made with the same chemical system and blood samples without pretreatment. Isotacophoretic separations of 1mM K+, Na+, and Li+ in 1mM HCl (leader electrolyte) and 1mM tetramethylammonium (terminate electrolyte) were carried outto demonstrate the system functionality.

Este trabalho apresenta a síntese de nanopartículas (NPs) de NaYF4 dopadas com íons terras raras a partir de sistemas microfluídicos projetados e desenvolvidos em parceria entre o Laboratório de Crescimento de Cristais e a Central de Processamento de Materiais a Laser no Centro de Laser e Aplicações IPEN. O objetivo foi o estudo de diferentes circuitos microfluídicos usinados a laser para síntese de NPs de fluoretos em geral. Como material teste foi escolhido o NaYF4:Yb3+:Er3+, visando sua obtenção na fase hexagonal com dimensões definidas. Experiências de síntese deste material por co-precipitação, sem uso de surfactantes, foram realizadas para comparação com as sínteses obtidas via microfluídica. Por co-precipitação foram obtidas partículas esféricas, na fase cubica do NaYF4. Foram projetados e fabricados, via usinagem a laser de pulsos ultracurtos em substrato de vidro ótico BK7, três circuitos microfluídicos. Nas experiências de sínteses realizadas nestes chips foram obtidas NPs de NaYF4:Yb3+:Er3+ tanto na fase cubica quanto na fase hexagonal, em diferentes proporções, dependendo dos fluxos de injeção dos precursores no micro reator, da temperatura e da taxa de residência. As NPs obtidas neste trabalho foram caracterizadas através de DRX e analise pelo método de Rietveld, para a identificação das fases do material, MET para definição de forma e tamanho da nanopartículas e MEV para estudo dos microcanais dos chips usinados a lasers. Os melhores resultados foram observados em chips com microcanais da ordem de 400-600μm, pois minimizam o problema de obstrução. Contudo, o controle da temperatura precisa ser otimizado para evitar trincas nos microcircuitos. As NPs obtidas via microfluídica apresentaram distribuição de tamanho na faixa de 5 a 200nm e fases com estrutura hexagonal e cubica. Foi possível obter NPs de fase única cubica, mas o mesmo não ocorreu para fase hexagonal do NaYF4. O presente estudo permitiu definir vários fatores para a obtenção das NPs de NaYF4 via microfluídica e também referente a fabricação, montagem e uso dos chips, porém para obter NPs desse material com controle da dimensão e fases serão necessários estudos complementares. / This work presents the synthesis of NaYF4 nanoparticles (NPs), doped with rare earth ions, using microfluidic systems designed and fabricated at IPEN through Crystal Growth Lab and Materials Laser Processing Lab partnership. The aim of this work was the study of different microfluidic chips laser machined for use in fluoride NPs synthesis. The compound NaYF4:Yb3+:Er3+ (Yb 10 mole%; Er 0.5 mole %) was chosen to test the fabricated microfluidic chips aiming the production of NPs with hexagonal structure with defined dimensions. Synthesis experiments by co-precipitation method of this material without any surfactant were performed to compare with microfluidics synthesis. By this method spherical particles, were obtained with the cubic NaYF4 crystalline structure. Three different chips were designed and fabricated, using a femtosecond laser to machine BK7 optical glass substrate. The synthesis experiments with these chips resulted in NaYF4:Yb3+:Er3+ NPs with both cubic and hexagonal crystalline structure, in different proportions, depending of precursors flux rates, temperature and resident time. The obtained materials of all experiments were characterized by X-ray diffraction and Rietveld analysis, to define crystalline structures parameters; transmission microscopy to define shape and size of NPs and scanning electron microscopy to characterize the chips micro channels machined by laser. The best results were observed for chips with channels of 400-600μm, in view of the obstruction decrease in the chips. The NPs obtained with microfluidics presented sizes from 5nm up to 200nm and hexagonal and cubic crystallographic structures. Cubic single phase NPs were obtained, but the same did not happened with the NaYF4 hexagonal phase. The present study allowed establishing many different parameters for NaYF4 NPs synthesis through microfluidics and concerning fabrication, assembly and experimental use of microfluidic chips, however, additional experiments will be necessary to obtain the fluoride NPs with controlled size and shape.

Este trabalho apresenta a síntese de nanopartículas (NPs) de NaYF4 dopadas com íons terras raras a partir de sistemas microfluídicos projetados e desenvolvidos em parceria entre o Laboratório de Crescimento de Cristais e a Central de Processamento de Materiais a Laser no Centro de Laser e Aplicações IPEN. O objetivo foi o estudo de diferentes circuitos microfluídicos usinados a laser para síntese de NPs de fluoretos em geral. Como material teste foi escolhido o NaYF4:Yb3+:Er3+, visando sua obtenção na fase hexagonal com dimensões definidas. Experiências de síntese deste material por co-precipitação, sem uso de surfactantes, foram realizadas para comparação com as sínteses obtidas via microfluídica. Por co-precipitação foram obtidas partículas esféricas, na fase cubica do NaYF4. Foram projetados e fabricados, via usinagem a laser de pulsos ultracurtos em substrato de vidro ótico BK7, três circuitos microfluídicos. Nas experiências de sínteses realizadas nestes chips foram obtidas NPs de NaYF4:Yb3+:Er3+ tanto na fase cubica quanto na fase hexagonal, em diferentes proporções, dependendo dos fluxos de injeção dos precursores no micro reator, da temperatura e da taxa de residência. As NPs obtidas neste trabalho foram caracterizadas através de DRX e analise pelo método de Rietveld, para a identificação das fases do material, MET para definição de forma e tamanho da nanopartículas e MEV para estudo dos microcanais dos chips usinados a lasers. Os melhores resultados foram observados em chips com microcanais da ordem de 400-600μm, pois minimizam o problema de obstrução. Contudo, o controle da temperatura precisa ser otimizado para evitar trincas nos microcircuitos. As NPs obtidas via microfluídica apresentaram distribuição de tamanho na faixa de 5 a 200nm e fases com estrutura hexagonal e cubica. Foi possível obter NPs de fase única cubica, mas o mesmo não ocorreu para fase hexagonal do NaYF4. O presente estudo permitiu definir vários fatores para a obtenção das NPs de NaYF4 via microfluídica e também referente a fabricação, montagem e uso dos chips, porém para obter NPs desse material com controle da dimensão e fases serão necessários estudos complementares. / This work presents the synthesis of NaYF4 nanoparticles (NPs), doped with rare earth ions, using microfluidic systems designed and fabricated at IPEN through Crystal Growth Lab and Materials Laser Processing Lab partnership. The aim of this work was the study of different microfluidic chips laser machined for use in fluoride NPs synthesis. The compound NaYF4:Yb3+:Er3+ (Yb 10 mole%; Er 0.5 mole %) was chosen to test the fabricated microfluidic chips aiming the production of NPs with hexagonal structure with defined dimensions. Synthesis experiments by co-precipitation method of this material without any surfactant were performed to compare with microfluidics synthesis. By this method spherical particles, were obtained with the cubic NaYF4 crystalline structure. Three different chips were designed and fabricated, using a femtosecond laser to machine BK7 optical glass substrate. The synthesis experiments with these chips resulted in NaYF4:Yb3+:Er3+ NPs with both cubic and hexagonal crystalline structure, in different proportions, depending of precursors flux rates, temperature and resident time. The obtained materials of all experiments were characterized by X-ray diffraction and Rietveld analysis, to define crystalline structures parameters; transmission microscopy to define shape and size of NPs and scanning electron microscopy to characterize the chips micro channels machined by laser. The best results were observed for chips with channels of 400-600μm, in view of the obstruction decrease in the chips. The NPs obtained with microfluidics presented sizes from 5nm up to 200nm and hexagonal and cubic crystallographic structures. Cubic single phase NPs were obtained, but the same did not happened with the NaYF4 hexagonal phase. The present study allowed establishing many different parameters for NaYF4 NPs synthesis through microfluidics and concerning fabrication, assembly and experimental use of microfluidic chips, however, additional experiments will be necessary to obtain the fluoride NPs with controlled size and shape.

Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2018-02-21T17:01:13Z No. of bitstreams: 2 Tese - Paulo de Tarso Garcia - 2017.pdf: 4177950 bytes, checksum: b76155aa4a091b54d3ad6a2ff6f1e6c6 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2018-02-21T17:02:33Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - Paulo de Tarso Garcia - 2017.pdf: 4177950 bytes, checksum: b76155aa4a091b54d3ad6a2ff6f1e6c6 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-21T17:02:33Z (GMT). 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Experimental parameters were optimized and the best conditions were: paper 1 CHR, 5 mm microzone diameter, 4 μL sample volume and 0.05 mol/L chromogen concentration. μPADs were coupled to colorimetric detection and the feasibility was demonstrated by Fe2+ determination in VH samples, in which the data were not statistically different from conventional technique (ICP-MS). It is important to highlight that Fe2+ levels were proportional to PMI. A color scale was also developed to help the forensic teams in order to estimate the PMI with a simple, quick and visual way. For electrochemical sensors, two different sensors were proposed to determine salivary α-amylase (sAA) levels in human saliva samples, aiming help in the diagnostic of pancreatitis and periodontitis. The first sensor based in a carbon screen-printed electrode (SPE) associated to amperometric detection. Experimental parameters were optimized and the best conditions were: 5 mmol L-1 NaOH (pH= 12), 20 min reaction time, 15 μL sAA volume and 0.5% (w/v) starch concentration. The feasibility of the sensor was demonstrated by sAA determination in five saliva samples (two from male donators and three from female individuals). The sAA concentrations ranged between 182.1 e 1117.1 U mL-1; once two female samples presented high sAA levels because the use of oral contraceptive. The other proposed electrochemical sensor was based in a Batch Injection Analysis with Amperometric Detection (BIA-AD) system using copper oxide (CuO) as working electrode (WE). Through experimental optimization was selected the potential that generate the best current signal. The WE obtained by a chemical/thermal treatment present good stability, once the relative standard deviation (RSD) value was 0.3%, which is ca. 75 fold lower than the RSD obtained with the electrochemical procedure to generate CuO in the electrode surface. The feasibility of the sensor was demonstrated by sAA determination in four human saliva samples. Was possible distinguish patients with and without periodontitis, obtaining thus a quick information about periodontal state of the patients. In general, the three proposed sensors in this study offered good precision, accuracy and specificity. Furthermore, the sensors are simple, portables, low cost and not requires none sophisticate instrumentation. Therefore, they present as promising alternatives to be used in point-of-care clinical and forensic analysis. / O trabalho descrito nesta tese demonstra o desenvolvimento de sensores colorimétricos e eletroquímicos de baixo custo, para aplicações nas áreas clínica e forense. Inicialmente, foi desenvolvido um dispositivo microfluídico de papel (μPAD, do inglês microfluidic paper-based analytical device) como sensor colorimétrico, visando a estimativa rápida do intervalo post-mortem (IPM) na cena do crime usando amostras de humor vítreo (HV) humano. Parâmetros experimentais foram otimizados e as melhores condições foram: papel tipo 1 CHR, microzona com 5 mm de diâmetro, volume de amostra de 4 μL e concentração de cromógeno de 0,05 mol/L. Os μPADs foram acoplados à detecção colorimétrica e a viabilidade foi demonstrada através da determinação dos níveis de Fe2+ em amostras de HV, onde os dados não diferiram estatisticamente da técnica convencional (ICP-MS). Vale ressaltar que os níveis de Fe2+ foram proporcionais ao IPM. Também foi desenvolvida uma escala de cor, para auxiliar as equipes forenses a estimar o IPM de maneira simples, rápida e visual. Em relação aos sensores eletroquímicos, foram propostos dois diferentes sensores para realizar a dosagem de α-amilase salivar (sAA, do inglês salivary α-amylase) em amostras de fluido oral humano, visando auxiliar no diagnóstico de doenças como pancreatite e periodontite. O primeiro sensor baseou-se em um eletrodo impresso (SPE, do inglês screen-printed electrode) de carbono associado a detecção amperométrica. Otimizou-se parâmetros experimentais e as melhores condições foram: concentração de NaOH igual a 5 mmol L-1 (pH= 12), tempo reacional de 20 min, volume de sAA de 15 μL e concentração de amido igual a 0,5% (m/v). A viabilidade do sensor foi demonstrada através da determinação de sAA em cinco amostras de fluido oral (duas de indivíduos do gênero masculino e três do gênero feminino). Os valores de concentração de sAA variaram entre 182,8 e 1117,1 U mL-1; sendo que duas amostras do gênero feminino exibiram elevados níveis de sAA devido ao uso de contraceptivo oral. O outro sensor eletroquímico proposto baseou-se em um sistema de análise por injeção em batelada com detecção amperométrica (BIA-AD, do inglês Batch Injection Analysis with Amperometric Detection) usando eletrodo de trabalho (ET) de óxido de cobre (CuO). Através de uma otimização experimental foi possível selecionar o potencial que fornece o melhor sinal de corrente. O ET obtido por um tratamento químico/térmico apresentou boa estabilidade, onde o valor de desvio padrão relativo (DPR) foi de 0,3%, que é cerca de 75 vezes menor do que o DPR obtido com o procedimento eletroquímico para gerar o CuO na superfície do eletrodo. A viabilidade do sensor foi demonstrada através da dosagem de sAA em quatro amostras de fluido oral humano. Foi possível diferenciar pacientes com e sem periodontite, obtendo assim uma informação rápida sobre a situação periodontal dos pacientes. De maneira geral, os três sensores propostos neste trabalho ofereceram boa precisão, exatidão e especificidade. Além disso, são simples, portáteis, de baixo custo e não requerem nenhuma instrumentação sofisticada. Sendo assim, se apresentam como alternativas promissoras para serem utilizados em análises clínicas e forenses no point-of-care.

Submitted by Luanna Matias (lua_matias@yahoo.com.br) on 2015-02-06T14:55:43Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Paulo de Tarso Garcia - 2014..pdf: 2337784 bytes, checksum: 4d5ad6bbe0d8446d9325ce820d3f96af (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-02-19T14:20:12Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Paulo de Tarso Garcia - 2014..pdf: 2337784 bytes, checksum: 4d5ad6bbe0d8446d9325ce820d3f96af (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-02-19T14:20:13Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Paulo de Tarso Garcia - 2014..pdf: 2337784 bytes, checksum: 4d5ad6bbe0d8446d9325ce820d3f96af (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2014-08-14 / This report describes the development of microfluidic paper-based analytical devices (μPADs) with chemically modified surface for clinical assays with colorimetric detection. The μPADs were fabricated by a stamping-based method with a heated metal stamp for obtain hydrophobic barriers of paraffin in paper. Before of the stamp step, the paper was oxidized to promote the conversion of hydroxyl groups in aldehyde groups for further chemical activation for the immobilization of enzymes. The μPADs were used for complexometric assays of nitrite and bovine serum albumin (BSA) and enzymatic assays of glucose and uric acid (UA). The chemical modification did provide better color uniformity inside of the detection zones of the enzymatic bioassays. After the chemical modification, the relative standard deviation (RSD) values for glucose and UA assays decreased from 40 to 10% and from 20 to 8%, respectively. Clinical assays for glucose, UA, nitrite and BSA were performed in levels which included the clinical range for each bioassay. We performed quantitative analysis of all analytes in artificial urine sample with error values ranged from 2,5 to 4,0%. The robustness tests proved the stability of the chemical modification process and the thermal stability of the μPADs when stored at different temperatures, showing the potential of the devices as trade platforms for clinical analysis. Advantages such as low cost per assay ($ 0.01), portability and easiness of fabrication enable for the use of μPADs in clinical diagnostics in places with limited resources and at the point-of-care, which is the place where the patient requires the analysis. / Este trabalho descreve o desenvolvimento de dispositivos microfluídicos de papel (μPADs, do inglês microfluidic paper-based analytical devices) com superfície quimicamente modificada para ensaios clínicos utilizando detecção colorimétrica. Os μPADs foram fabricados por um método de carimbagem com o auxílio de um carimbo metálico aquecido para delimitar barreiras hidrofóbicas de parafina no papel. Antes da etapa de carimbagem, o papel foi oxidado para promover a conversão dos grupos hidroxila em grupos aldeídos, para posterior ativação química para imobilização de enzimas. Os μPADs foram utilizados para ensaios complexométricos de nitrito e albumina bovina sérica (BSA, do inglês bovine serum albumin) e ensaios enzimáticos de glicose e ácido úrico (AU). A modificação química utilizada proporcionou uma melhora significativa na uniformidade de cor gerada no interior das zonas de detecção dos bioensaios enzimáticos. Após a modificação química, os valores do desvio padrão relativo (DPR) para os ensaios de glicose e AU diminuíram de 40 para 10% e de 20 para 8%, respectivamente. Ensaios clínicos para glicose, AU, nitrito e BSA foram realizados em concentrações que abrangem a faixa clínica de cada bioensaio. Realizou-se uma análise quantitativa de todos os analitos em uma amostra artificial de urina, obtendo valores de erro entre 2,5 e 4,0%. Os testes de robustez comprovaram a estabilidade do processo de modificação química e a estabilidade térmica dos μPADs quando estocados em diferentes temperaturas, mostrando a potencialidade dos dispositivos como plataformas comerciais para análises clínicas. Vantagens como o baixo custo por ensaio (R$ 0,01), portabilidade e facilidade de fabricação contribuem para a utilização dos μPADs em diagnósticos clínicos em locais com recursos limitados e no local de necessidade (point-of-care), que é o local onde o paciente necessita da análise.

A primeira etapa do projeto foi realizar testes para usinagem controlada e otimizada de vidro ótico de borosilicato (BK7) por laser de femtossegundos. Parâmetros como energia, pulsos sobrepostos e a variação da posição focal foram investigados para controle da taxa de remoção do material e extensão da cratera ablacionada. Especial atenção foi dada à condição física e topográfica da superfície resultante da usinagem para torná-la menos rugosa e evitar a retenção de reagentes que possam contaminar e alterar as reações pretendidas. Microcanais, microválvulas, microbombas, misturadores, microrreatores, aquecedores e outros componentes foram desenvolvidos para compor sistemas microfluídicos. Os microcanais construídos sobre a superfície de vidro BK7 vedados por uma lâmina de polidimetilsiloxano (PDMS) são a base dos sistemas microfluídicos. O controle de fluxo de reagentes é feito por miniválvulas pneumáticas controladas por um microcontrolador Arduino através de uma plataforma Labview. Este trabalho mostra os componentes desenvolvidos e dois sistemas microfluídicos criados. O primeiro contém um circuito capaz de replicar ensaios imunoenzimáticos (ELISA) com um custo muito menor de insumos. O segundo é um sistema para a produção de nanocristais fluorescentes de NaYF4 especialmente utilizados como marcadores em imagens de sistemas biológicos. / The first stage of the project was to perform tests for controlled and optimized machining of borosilicate optical glass (BK7) by femtosecond laser. Parameters such as energy, number of overlapped pulses, and the focal position variation were investigated for a better extraction of material. Microchannels, microvalves, micropumps, mixers, reactors, heaters and other components were developed to compose applied microfluidic systems. Microchannels built on the surface of BK7 glass sealed by a polydimethylsiloxane (PDMS) sheet form the basis of the microfluidic circuits. The reagents flow control is done by pneumatic mini-valves controlled by an Arduino microcontroller through a Labview platform. This work shows the components developed and two microfluidic systems created. The first contains a microfluidic circuit capable of replicating enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) with a much lower cost of materials. The second has a microfluidic circuit for the production of NaYF4 fluorescent nanocrystals specially used as markers in images of biologic systems.

A eletroforese capilar em microchips (µCE ou MCE) é uma forma diferente de eletroforese capilar que tem se desenvolvido muito nos últimos anos. Essa técnica usa microdispositivos feitos em placas que podem ser de vidro ou polímero contendo canais de dimensões micrométricas ao invés de um capilar de sílica. Ganhos significativos têm sido obtidos em termos de tempo de análise, volume manipulado, dimensões físicas, consumo energético e integrabilidade com outros sistemas. Neste trabalho foi empregada uma técnica diferente de microfabricação, usando toner de impressora laser e folhas de transparência para a construção de dispositivos para microfluídica. A técnica se mostra simples, rápida e excelente para prototipagem. Visando a aplicação desses microchips de toner-poliéster, esse trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de instrumentação para separações químicas usando microdispositivos de toner-poliéster. Fontes de alta-tensão e de corrente foram desenvolvidas usando módulos conversores de baixa para alta-tensão elétrica. As programações das fontes foram feitas usando tensões elétricas geradas por uma placa de aquisição de dados ou por um conversor digital-analógico (DAC) com uma interface de comunicação I2C. Todo o controle foi desenvolvido em sistema GNU/Linux. Um sistema de injeção hidrodinâmico também foi desenvolvido usando um compressor de ar de diafragma juntamente com um sistema de amortecimento pneumático de pulsações e tendo sua pressão interna estabilizada por uma coluna d\'água. Um medidor de pressão eletrônico foi desenvolvido, usando um sensor de pressão, e calibrado com um manômetro de coluna d\'água. Registros de pressão de -10, -1, +1 e +10cm de coluna d\'água em função de diferentes tempos de injeção foram feitos usando um software controlando o acionamento do injetor hidrodinâmico e efetuando leituras do medidor de pressão eletrônico. Os dados mostram que colunas d\'água de 10cm e tempos de injeção maiores que 3 segundos exibem um desvio padrão relativo (RSD) de aproximadamente 0,5% em módulo. uUma proposta diferente de construção de reservatórios é apresentada. Tal proposta usa mantas de silicone e um bloco de acrílico para a definição dos reservatórios. Observou-se que essa configuração promove o estrangulamento dos canais nas microestruturas de toner-poliéster. Assim, a configuração de colagem de reservatórios por pedaços de tubos, mostrou-se melhor para uso com dispositivos de toner-poliéster descartáveis. Uma nova forma de confecção de eletrodos para detecção condutométrica sem contato acoplada capacitivamente (C4D) foi desenvolvida usando placas de circuito impresso (PCB). Após a confecção dos eletrodos pelo processo de corrosão de PCB a placa foi recoberta com uma resina para que os espaços entre os eletrodos ficassem da mesma altura da camada de cobre. Essa configuração é simples e permite uma maior integração de circuitos eletrônicos. Testes de separação eletroforética foram feitos usando a instrumentação desenvolvida neste trabalho. Soluções de 100µM dos cloretos de K+, Na+ e Li+ dissolvidos em tampão HLac/His 2mM foram usadas para os testes. Essas espécies foram injetadas eletrocineticamente e separadas usando tampão HLac/His 20mM. A quantificação não foi possível por apresentar irreprodutibilidade no processo de injeção devido ao uso de espécies de elevada mobilidade, juntamente com longos canais de injeção. Também foram realizados testes com amostras de sangue permitindo a separação de K+ e Na+ sem pré-tratamento. Separações isotacoforéticas de 1mM dos cloretos de K+, Na+ e Li+ e 1mM de HCl, como eletrólito líder, e 1mM de cloreto de tetrametilamônio, como terminador, foram realizadas para demonstrar a funcionalidade do sistema em sistemas isotacoforéticos. / The Microchip Capillary Electrophoresis (µCE or MCE) is a different kind of capillary electrophoresis that has been growing. This technique uses devices made with small plates of glass or polymer with a microchannel instead of a silica capilar. Improvements in time analysis, sample volumes, physical dimensions, power consume, and integrability with diferent systems have been archieved. A diferent microfabrication technique using laser printer toner and polyester sheets was used to build devices for microfluidic devices. This tecnique is simple, fast and suitable for prototyping. In this work were developed instruments for use with these toner-polyester microdevices. High-voltage and current sources were developed using high-voltage conversors (DC/HVDC). The programming was obtained by electric voltages from a data acquisition board and a digital-analogic conversor (DAC) with a I2C interface communication. Its control was made in a GNU/Linux System. An hidrodynamic injector was developed using an air compressor with a pulse dumper. The internal pressure was regulated by water column. An electronic manometer was built and calibrated with a water manometer. Recording of pressure using -10, -1, +1, and +10cm water column using different injection times were acquired with a data acquisition system. The data show that when water columns of ca. 10cm and injection times greater than 3 seconds are used, the relative standard deviation (RSD) is about 0.5% in modulus. A different way to build vials is presented. This method uses a silicone mantle and plastic glass block with holes. As a result, channels are stragled due to the poliester sheets. A new way to build electrodes for capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) using printed circuit boards (PCB) is shown. After the corrosion of the copper board, varnish is applied on the board to planify its surface. This configuration is simple and allows good integrability with the electronic circuit. Electrophoretic tests using the instrumentation developed was performed by separation of 100µM K+, Na+ and Li+ solutions in 2mM HLac/His buffer. This solutions were injected by electrokinetic method and separated using 20mM HLac/His buffer under high-voltage. The three species were detected but not quantified due to irreprodutibilities of the electrokinetic injection with high mobility ions. Demonstrative separations of K+ and Na+ were made with the same chemical system and blood samples without pretreatment. Isotacophoretic separations of 1mM K+, Na+, and Li+ in 1mM HCl (leader electrolyte) and 1mM tetramethylammonium (terminate electrolyte) were carried outto demonstrate the system functionality.

[EN] Microfluidic systems have been emerged as a promising technology for molecular analysis, biodefence and microelectronics. The properties of the microfluidic devices, such as rapid sample processing and the precise control of fluids, have made them attractive candidates to replace traditional experimental approaches. Microfluidic devices are characterized by fluidic channels with dimensions on the order of tens to hundreds of micrometers. Structures with this size enable the integration of lab-on-chip technology, which allows processing miniaturized devices for fluid control and manipulation. Fluid sensing by microwave sensors based on the RF analysis offers new possibilities for the characterization of mediums by non-invasive methods. Dielectric measurement of fluids is important because it can provide the electric or magnetic characteristics of the materials, which proved useful in many research and development fields, such as molecular biology and medical diagnosis. Several techniques are available in the frequency domain for analyzing the dielectric properties of liquids and their composition. We are focused in resonant cavity techniques for fluid characterization in the millimeter-wave range. However, these techniques are incompatible with lab-on-chip process due its dimensions in this frequency range. In this context, a new structure called gap waveguide appears as a good candidate to overcome the principal drawbacks of the classical resonant cavities. This thesis presents the development of the gap waveguide technology in the millimeter-wave band. Other conventional technologies are discussed as well, to compare them with the performance in terms of losses of the gap waveguide. We also present the resonator design based on gap waveguide with the purpose of making the gap waveguide a technology capable of working in the microfluidic sensing domain. In this context, we propose a comparative study between gap waveguide and Substrate Integrated Cavity (SIC) with the aim to characterize the fluid permittivity at 60 GHz. With this purpose, several prototypes have been manufactured with PCB ("Printed Circuit Board") and Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) technologies. A work in the LTCC laboratory has been done with the purpose of validating some steps in the LTCC process which are key in the gap waveguide manufacturing, especially those related with the creation of cavities (external and internal) using LTCC materials. / [ES] Los sistemas microfluídicos han emergido como una tecnología prometedora para el análisis molecular, biodefensa y microelectrónica. Las propiedades de los dispositivos microfluídicos tales como el procesamiento rápido de las muestras y el control de los fluidos, les han hecho atractivos candidatos para reemplazar los tradicionales métodos experimentales. Los dispositivos microfluídcos están caracterizados por canales fluídicos con dimensiones del orden de decenas a centenares de micrómetros. Las estructuras con estos tamaños permiten la integración de la tecnología "lab-on-chip", la cual permite el procesamiento de dispositivos miniaturizados para el control y la manipulación de fluidos. La detección de fluidos a través de sensores de microondas basados en el análisis de radiofrecuencia ofrece nuevas posibilidades para la caracterización de medios a través de métodos no invasivos. Las medidas dieléctricas de los fluidos son importantes debido a que pueden proporcionar información las características eléctricas o magnéticas de los materiales, siendo útil en muchos campos de investigación y desarrollo tales como biología molecular o para realizar diagnósticos médicos. En el dominio frecuencial, varias tecnologías están disponibles en el mercado para analizar las propiedades dieléctricas y la composición de los líquidos. En esta tesis, estamos enfocados en las técnicas basadas en cavidades resonantes para la caracterización de fluidos en el rango de las ondas milimétricas. Sin embargo, estas técnicas son incompatibles con los procesos "lab-on-chip" debido a sus dimensiones en esta banda de frecuencia. En este contexto, una nueva estructura guía onda denominada "gap waveguide" aparece como un buen candidato para solventar los principales inconvenientes de las clásicas cavidades resonantes. En esta tesis se ha desarrollado la tecnología "gap waveguide" en la banda de ondas milimétricas. Otras tecnologías convencionales serán estudiadas para comparar el rendimiento de todas ellas en términos de pérdidas. También se presenta en esta tesis, el diseño de resonadores basados en la tecnología "gap waveguide" con el propósito de hacer esta tecnología compatible con la detección microfluídica. En este contexto, proponemos un estudio comparativo entre las tecnologías "gap waveguide" y "Substrate Integrated Cavity" (SIC) con el objetivo de caracterizar la permitividad de los fluidos a 60 GHz. Con este propósito, varios prototipos han sido fabricados usando las tecnologías PCB ("Printed Circuit Board") y LTCC ("Low Temperature Co-fired Ceramic". Un importante trabajo en el laboratorio LTCC se realizó para validar algunas de las etapas del proceso LTCC que eran la clave para la fabricación de prototipos basados en "gap waveguide", como la creación de cavidades (externas e internas) usando materiales LTCC. / [CAT] Els sistemes microfluídics han emergit com una tecnologia prometedora per a l'anàlisi molecular, biodefensa i microelectrònica. Les propietats dels dispositius microfluídics com el processament ràpid de les mostres i control dels fluids, els han fet atractius candidats per a reemplaçar les tradicionals aproximacions experimentals. Els dispositius microfluídcs estan caracteritzats per canals fluídics amb dimensions de l'orde de desenes a centenars de micròmetres. Les estructures amb estes grandàries permeten la integració de la tecnologia "lab-on-chip", la qual permet el processament de dispositius miniaturitzats per al control i la manipulació de fluids. La detecció de fluids a través de sensors de microones basats en l'anàlisi de radiofreqüència oferix noves possibilitats per a la caracterització de sistemes a través de mètodes no invasius. Les mesures dielèctriques dels fluids són importants pel fet que poden proporcionar informació sobre les característiques elèctriques o magnètiques dels materials, sent útil en molts camps d'investigació i desenvolupament com biologia molecular o per a realitzar diagnòstics. En el domini freqüencial, diverses tecnologies estan disponibles en el mercat per analitzar les propietats dielèctriques i la composició dels líquids. En aquesta tesi, estem enfocats en les tècniques basades en cavitats ressonants per a la caracterització de fluids en el rang de les ones mil·limètriques. No obstant això, aquestes tècniques són incompatibles amb els processos "lab-on-chip" a causa de les seues dimensions en aquesta banda de freqüència. En aquest context, una nova estructura guia onda denominada "gap waveguide" apareix com un bon candidat per a resoldre els principals inconvenients de les clàssiques cavitats ressonants. En aquesta tesi s'ha desenvolupat la tecnologia "gap waveguide" en la banda d'ones mil·limètriques. Altres tecnologies convencionals seran estudiades per a comparar el rendiment de totes elles en termes de pèrdues.També es presenta en esta tesi el disseny de ressonadors basats en la tecnologia "gap waveguide" amb el propòsit de fer esta tecnologia compatible amb la detecció microfluídica. En aquest context, proposem un estudi comparatiu entre les tecnologies "gap waveguide" i "Substrate Integrated Cavity" (SIC) amb l'objectiu de caracteritzar la permitivitat dels fluids a 60 GHz. Amb aquest propòsit, diversos prototips han sigut fabricats usant les tecnologies PCB ("Printed Circuit Board") i LTCC ("Low Temperature Co-fired Ceramic". Un important treball en el laboratori LTCC es va realitzar per a validar algunes de les etapes del procés LTCC que eren la clau per a la fabricació de prototips basats en "gap waveguide", com la creació de cavitats (externes i internes) usant materials LTCC. / Arenas Buendia, C. (2016). Enhanced fluid characterization in the millimeter-wave band using Gap Waveguide Technology [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62781 / TESIS