Esta tese descreve o desenvolvimento e aplicação de sensores particulados (Parte A) e nanomecânicos (Parte B). Nanopartículas de poliestireno (PS) decoradas com Poli (etileno glicol), PEG, foram sintetizadas e caracterizadas antes e após adsorção do corante vermelho do Congo (VC). Colesterol oxidase (Chox), a principal enzima na oxidação do colesterol, foi imobilizada sobre PS/PEG e PS/PEG/VC para gerar sensores de colesterol. A bioconjugação entre VC e Chox permitiu respostas lineares para dosagem de colesterol HDL presente em amostras de sangue artificial. A lipase, uma hidrolase com larga aplicação científica e industrial, também foi imobilizada sobre PS/PEG e PS/PEG/VC. Os parâmetros cinéticos da hidrólise de p-nitrofenil butirato determinados para lipase livre e lipase imobilizada mostraram que sobre PS/PEG/VC a velocidade máxima de reação (Vmax) e número de renovação (kcat) aumentaram em comparação com os valores determinados para enzima livre. Lipase imobilizada sobre PS/PEG/VC pôde ser reutilizado por até sete vezes, perdendo um máximo de 10% ou 30% da atividade enzimática original a 40 °C ou 25 °C, respectivamente. Estes efeitos foram atribuídos à bioconjugação entre lipase e VC. Os comportamentos catalíticos da lipase e da Chox na ausência e na presença de grafeno (G) ou grafeno oxidado (GO) foram sistematicamente investigados. Na presença de G, ambas enzimas apresentaram valores de Vmax e de kcat superiores aos das enzimas livres. Já na presença de GO, Chox não apresenteou atividade e lipase apresentou Vmax e de kcat superiores aos da enzima livre. Estes resultados foram atribuídos à bioconjugação com as partículas de G e GO e grupos hidrofílicos presentes no plano basal de GO. Sensores nanomecânicos foram desenvolvidos a partir de microcantileveres (MC). Respostas nanomecânicas frente à variação de umidade relativa do meio foram detectadas utilizando filmes finos de Poli (hidroxietil metacrilato), PHEMA, com três diferentes massas molares médias depositados sobre MC de silício puros, um substrato hidrofílico, e sobre MC revestidos com PS, um substrato hidrofóbico. Os resultados demonstraram que as respostas nanomecânicas dependem não só do tamanho de cadeia de PHEMA, mas também da camada de água interfacial entre PHEMA e MC. Transdução nanomecânica foi usada para detectar e dosar a presença do biomarcador antígeno carcinoembrionário (CEA) presente em amostras de soro. CEA é um biomarcador de interesse clínico-diagnóstico para acompanhamento e prognóstico de câncer de cólon. O biomarcador é primeiro reconhecido pelo anticorpo (MAb 3C1) ancorado a uma nanopartícula de ouro, e posteriormente reconhecido pelo anticorpo (MAb 3C6) ancorado em um MC de silício, o qual serve como um ressonador mecânico de massa de nanopartículas de ouro capturadas. O biosensor desenvolvido é capaz de dosar CEA sérico em concentrações traços, correspondente a 1,0 10-16 g ml-1. / This thesis reports the development and application of particulate (Part A) and nanomechanics sensors (Part B). Poly (ethylene glycol), PEG, decorated polystyrene (PS) nanoparticles were synthesized and characterized before and after adsorption of the dye Congo red (CR). Cholesterol oxidase (Chox), the key enzyme in the oxidation of cholesterol, was immobilized onto PS/PEG and PS/PEG/CR particles for generating cholesterol sensors. The bioconjugation between CR and Chox allowed linear responses for HDL cholesterol content in artificial blood samples. Lipase, a hydrolase with large scientific and industrial applications, was also immobilized onto PS/PEG and PS/PEG/VC nanoparticles. The kinetic parameters of the hydrolysis of p-nitrophenyl butyrate were determined for free lipase and immobilized onto PS/PEG/CR particles. The results showed that maximum reaction velocity (Vmax) and catalytic efficiency (kcat) increased compared to the values determined for the free enzyme. Lipase immobilized onto PS/PEG/CR particles could be recycled seven times, losing maximum 10% or 30% of the original enzymatic activity at 40 °C or 25 °C, respectively. These effects were attributed to bioconjugation between lipase and CR. Catalytic behavior of lipase and Chox in the absence and in the presence of graphene (G) or graphene oxide (GO) was systematically investigated. In the presence of G, both enzymes showed Vmax and kcat values higher than free enzymes. On the other hand, ChOx was inactive and the interactions between GO and lipase showed Vmax and kcat values higher than those of the free enzyme. These results were attributed to bioconjugation of G and GO particles and hydrophilic groups present in the basal plane of GO. Nanomechanical sensors were developed from microcantilevers (MC). Nanomechanical answers against the relative humidity variation of the medium were detected using thin films of poly (hydroxyethyl methacrylate), PHEMA, with three different average molecular masses deposid onto bare silicon microcantilevers, a hydrophilic substrate, and onto polystyrene (PS) coated microcantilevers, which is a hydrophobic substrate. The results found in the present study demonstrate that the micromechanical responses observed are related not only to the polymer molecular weight, but also to the polymer-interface phenomena and environment-polymer interface. Nanomechanics transductions were used to dose and detect the presence of carcinoembryonic antigen in serum samples. CEA is a biomarker of clinical diagnostic interest for monitoring and prognose of colon cancer. Biomarker is first recognized by a surface-anchored antibody to a gold nanoparticle (MAB 3C1) and later recognized by a surface-anchored antibody to a silicon MC (MAB 3C6), that acts as a mechanical resonator for \'weighing\' the mass of the captured nanoparticles. The biosensor developed is able to dose serum CEA in trace concentrations, corresponding to 1.0 10-16 g ml-1.

Esta tese descreve o desenvolvimento e aplicação de sensores particulados (Parte A) e nanomecânicos (Parte B). Nanopartículas de poliestireno (PS) decoradas com Poli (etileno glicol), PEG, foram sintetizadas e caracterizadas antes e após adsorção do corante vermelho do Congo (VC). Colesterol oxidase (Chox), a principal enzima na oxidação do colesterol, foi imobilizada sobre PS/PEG e PS/PEG/VC para gerar sensores de colesterol. A bioconjugação entre VC e Chox permitiu respostas lineares para dosagem de colesterol HDL presente em amostras de sangue artificial. A lipase, uma hidrolase com larga aplicação científica e industrial, também foi imobilizada sobre PS/PEG e PS/PEG/VC. Os parâmetros cinéticos da hidrólise de p-nitrofenil butirato determinados para lipase livre e lipase imobilizada mostraram que sobre PS/PEG/VC a velocidade máxima de reação (Vmax) e número de renovação (kcat) aumentaram em comparação com os valores determinados para enzima livre. Lipase imobilizada sobre PS/PEG/VC pôde ser reutilizado por até sete vezes, perdendo um máximo de 10% ou 30% da atividade enzimática original a 40 °C ou 25 °C, respectivamente. Estes efeitos foram atribuídos à bioconjugação entre lipase e VC. Os comportamentos catalíticos da lipase e da Chox na ausência e na presença de grafeno (G) ou grafeno oxidado (GO) foram sistematicamente investigados. Na presença de G, ambas enzimas apresentaram valores de Vmax e de kcat superiores aos das enzimas livres. Já na presença de GO, Chox não apresenteou atividade e lipase apresentou Vmax e de kcat superiores aos da enzima livre. Estes resultados foram atribuídos à bioconjugação com as partículas de G e GO e grupos hidrofílicos presentes no plano basal de GO. Sensores nanomecânicos foram desenvolvidos a partir de microcantileveres (MC). Respostas nanomecânicas frente à variação de umidade relativa do meio foram detectadas utilizando filmes finos de Poli (hidroxietil metacrilato), PHEMA, com três diferentes massas molares médias depositados sobre MC de silício puros, um substrato hidrofílico, e sobre MC revestidos com PS, um substrato hidrofóbico. Os resultados demonstraram que as respostas nanomecânicas dependem não só do tamanho de cadeia de PHEMA, mas também da camada de água interfacial entre PHEMA e MC. Transdução nanomecânica foi usada para detectar e dosar a presença do biomarcador antígeno carcinoembrionário (CEA) presente em amostras de soro. CEA é um biomarcador de interesse clínico-diagnóstico para acompanhamento e prognóstico de câncer de cólon. O biomarcador é primeiro reconhecido pelo anticorpo (MAb 3C1) ancorado a uma nanopartícula de ouro, e posteriormente reconhecido pelo anticorpo (MAb 3C6) ancorado em um MC de silício, o qual serve como um ressonador mecânico de massa de nanopartículas de ouro capturadas. O biosensor desenvolvido é capaz de dosar CEA sérico em concentrações traços, correspondente a 1,0 10-16 g ml-1. / This thesis reports the development and application of particulate (Part A) and nanomechanics sensors (Part B). Poly (ethylene glycol), PEG, decorated polystyrene (PS) nanoparticles were synthesized and characterized before and after adsorption of the dye Congo red (CR). Cholesterol oxidase (Chox), the key enzyme in the oxidation of cholesterol, was immobilized onto PS/PEG and PS/PEG/CR particles for generating cholesterol sensors. The bioconjugation between CR and Chox allowed linear responses for HDL cholesterol content in artificial blood samples. Lipase, a hydrolase with large scientific and industrial applications, was also immobilized onto PS/PEG and PS/PEG/VC nanoparticles. The kinetic parameters of the hydrolysis of p-nitrophenyl butyrate were determined for free lipase and immobilized onto PS/PEG/CR particles. The results showed that maximum reaction velocity (Vmax) and catalytic efficiency (kcat) increased compared to the values determined for the free enzyme. Lipase immobilized onto PS/PEG/CR particles could be recycled seven times, losing maximum 10% or 30% of the original enzymatic activity at 40 °C or 25 °C, respectively. These effects were attributed to bioconjugation between lipase and CR. Catalytic behavior of lipase and Chox in the absence and in the presence of graphene (G) or graphene oxide (GO) was systematically investigated. In the presence of G, both enzymes showed Vmax and kcat values higher than free enzymes. On the other hand, ChOx was inactive and the interactions between GO and lipase showed Vmax and kcat values higher than those of the free enzyme. These results were attributed to bioconjugation of G and GO particles and hydrophilic groups present in the basal plane of GO. Nanomechanical sensors were developed from microcantilevers (MC). Nanomechanical answers against the relative humidity variation of the medium were detected using thin films of poly (hydroxyethyl methacrylate), PHEMA, with three different average molecular masses deposid onto bare silicon microcantilevers, a hydrophilic substrate, and onto polystyrene (PS) coated microcantilevers, which is a hydrophobic substrate. The results found in the present study demonstrate that the micromechanical responses observed are related not only to the polymer molecular weight, but also to the polymer-interface phenomena and environment-polymer interface. Nanomechanics transductions were used to dose and detect the presence of carcinoembryonic antigen in serum samples. CEA is a biomarker of clinical diagnostic interest for monitoring and prognose of colon cancer. Biomarker is first recognized by a surface-anchored antibody to a gold nanoparticle (MAB 3C1) and later recognized by a surface-anchored antibody to a silicon MC (MAB 3C6), that acts as a mechanical resonator for \'weighing\' the mass of the captured nanoparticles. The biosensor developed is able to dose serum CEA in trace concentrations, corresponding to 1.0 10-16 g ml-1.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / A espÃcie Aspergillus niger AN 400 foi inoculada em reatores em batelada com o objetivo de remover corante vermelho do congo de meio sintÃtico e estudar a eficiÃncia do tratamento na presenÃa e ausÃncia de glicose e o efeito da imobilizaÃÃo da biomassa sobre a otimizaÃÃo do processo. Foram utilizados 84 reatores, confeccionados em vidro e vedados com tampa rosqueÃvel, e com volume Ãtil de 1,5 L, sendo o ar fornecido por mini-compressores de ar. O experimento abrangeu perÃodo de 25 dias e os reatores foram agrupados de acordo com sua respectiva funÃÃo em: 14 reatores de controle sem meio suporte; 14 reatores de controle com meio suporte; 14 reatores com biomassa fÃngica dispersa; 14 reatores com biomassa fÃngica dispersa e adiÃÃo de 1 g/L de glicose; 14 reatores com biomassa imobilizada e 14 reatores com biomassa imobilizada e adiÃÃo de 1 g/L de glicose. Os resultados obtidos mostraram que a maior eficiÃncia de remoÃÃo do corante ocorreu nos reatores contendo biomassa imobilizada, com meio com glicose (87%) e meio sem glicose (85%). A glicose, na concentraÃÃo utilizada, nÃo influenciou na eficiÃncia do processo. A remoÃÃo de matÃria orgÃnica, em termos de DQO, nÃo acompanhou a remoÃÃo do corante, o que foi atribuÃdo à provÃvel presenÃa de subprodutos da degradaÃÃo do corante e compostos excretados no meio pelos microrganismos. A imobilizaÃÃo da biomassa nas espumas de poliuretano foi determinante para a eficiÃncia do processo, uma vez que os fungos estavam estabelecidos na forma de biofilme, representando um mecanismo contra o efeito tÃxico do poluente. / The species Aspergillus niger AN 400 has been inoculated in batch in order to remove Congo Red dye from the synthetic environment and study the treatment efficiency in the presence and absence of glucose and the biomass immobilization effect on the process optimization. It has been applied 84 reactors, produced and held in a screw top container of glass, which had a useful capacity of 1,5 L, whilst the air was supplied by small compressors. The experiment lasted a period of 25 days and the reactors without support medium; 14 control reactors with dispersed fungal biomass on which was added glucose (1 g/L); 14 reactors with immobilized fungal biomass and 14 reactors with immobilized fungal biomass on which was added glucose (1 g/L). The results obtained demonstrated that the greatest efficiency in removing the dye occurred in the reactors containing immobilized biomass in a environment with glucose concentration (87%) or not (85%). The glucose considering the utilized concentration has not performed any influence on the process efficiency. The organic matter removal which was assigned to the likely presence of by products originated by the dye and compounds expelled in the environment by microorganisms. The immobilization of the biomass in the polyurethane foams was determinant to the process efficiency as fungus was in a biofilm shape, representing a mechanism against the toxic effect of the pollutant.