Electrochemical study of bioactive molecules and functionalization methods of carbon nanotubes with these molecules

Antioxidants are usually organic compounds that added in very small quantities in sample solutions containing chemical or biochemical molecules protect them from oxidation processes caused by reactions with various reactive oxygen species (ROS). Natural antioxidants have a twofold role and lies on to the food preservation and on maximizing the beneficial effects on health. For this reason, the evaluation of the antioxidant activity of pure individual compounds and the mixed extracts, as well as the optimization of their applications is a significant challenge. The antioxidant activity of a compound is related to the redox characteristics, particularly the oxidation potential, which provides an estimate value of the energy required to give up an electron. Indeed, the lower the oxidation potential is, the more easily the compound will give an electron and a more powerful antioxidant is expected. Generally, the electrochemical behavior of a compound and the determination of its oxidation potential can be easily accomplished by applying electrochemical analytical techniques such as cyclic voltammetry (CV), differential pulse voltammetry (DPV), choroamperometry etc.In the framework of this thesis, measurements of natural and synthetic bioactive compounds (β-amino-alcohols, amino acids, biogenic amines, chalcones and aurones) in various solvents, electrolytes and aqueous buffer solutions of different pH using various electrochemical method of analysis including cyclic voltammetry (CV), differential pulse voltammetry (DPV) and chronoamperometry were employed. Glassy carbon, platinum, gold and mercury for working electrodes were used. A correlation of these electrochemical parameters with antioxidant activity of the derivatives, and antioxidant methods such as DPPH and chemiluminescence of luminal, was attempted.Antioxidant activity is a multifactorial process and several molecular classes exhibit such activity due to their ability to complex metal ions effectively. The α,β-unsaturated carbonyl structure of 2’-hydroxy-chalcones can possibly act as a chelation site for adventitious metal ions that can cause oxidative stress, therefore we have proceeded to the investigation of the interaction of 2’-hydroxy-chalcone analogues with Cu2+. The study was implemented using electrochemical and spectroscopic techniques, namely cyclic voltammetry (CV), differential pulse voltammetry (DPV) and UV/Vis spectrometry. The results indicate that certain chalcone analogues exhibit remarkable capacity of complexing Cu+2, therefore chalcone analogues can be considered as ‘multifunctional antioxidants'. Interaction of molecules with the DNA might be an indication of the antitumor activity. Among the developed methods to study the intercalation of a molecule to DNA, electrochemical methods are advantageous in terms of speed, sensitivity and the ability to simulate the electrochemical conditions analysis with the conditions prevailing in the cell. According to the above considerations, this thesis studies the ability of new synthetic and natural aurones intercalate with DNA by using cyclic voltammetry. The results showed strong strength of binding aurones to DNA.In light of the growing interest in the properties of carbon nanotubes and their applications in biomedicine, synthesis and structural characterization of new molecular functionalized carbon nanotubes, with ultimate goal of fastening bioactive molecules in them, and the study of their electrochemical behavior, were also performed. An extensive study of oxidative cleavage conditions of nanotubes and chemical reactions in the produced carboxylic acids was carried out. The new hybrid materials were characterized structurally by spectroscopy FT-IR.Τα αντιοξειδωτικά είναι συνήθως οργανικές ενώσεις οι οποίες προστιθέμενες σε πολύ μικρές ποσότητες σε διαλύματα χημικών ή βιολογικών δειγμάτων προστατεύουν αυτά από οξειδωτικές διαδικασίες που προκαλούνται διάφορες δραστικές μορφές οξυγόνου (ΔΜΟ). Ο ρόλος που καλούνται να διαδραματίσουν τα φυσικά αντιοξειδωτικά είναι διττός και έγκειται τόσο στη συντήρηση των τροφίμων όσο και στη μεγιστοποίηση των ωφέλιμων επιδράσεων στην υγεία. Για το λόγο αυτό, η αξιολόγηση της αντιοξειδωτικής δράσης των καθαρών μεμονωμένων ενώσεων και των ανάμικτων εκχυλισμάτων, καθώς και η βελτιστοποίηση των εφαρμογών τους, αποτελεί σημαντική πρόκληση. Η αντιοξειδωτική δράση μίας ένωσης σχετίζεται με τα οξειδοαναγωγικά χαρακτηριστικά της, ιδίως με το δυναμικό οξείδωσης της, το οποίο παρέχει μία εκτίμηση της ενέργειας που απαιτείται για να προσφέρει ένα ηλεκτρόνιο. Πράγματι, όσο χαμηλότερο είναι το δυναμικό οξείδωσης της, τόσο πιο εύκολα η ένωση αυτή θα δώσει ένα ηλεκτρόνιο και πιο ισχυρή αναμένεται η αντιοξειδωτική της δράση. Ο προσδιορισμός του δυναμικού οξείδωσης και γενικά, η έρευνα της ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς μιας ένωσης μπορεί να πραγματοποιηθεί με την εφαρμογή ηλεκτροχημικών αναλυτικών τεχνικών, όπως η κυκλική βολταμμετρία (CV), η διαφορική παλμική βολταμμετρία (DPV), η χρονοαμπερομετρία κ.ά.Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, πραγματοποιήθηκαν ηλεκτροχημικές μετρήσεις φυσικών και συνθετικών βιοδραστικών ενώσεων (β-αμινοαλκοόλες, αμινοξέα, βιογενείς αμίνες, χαλκόνες και ωρόνες) σε διαφορετικούς διαλύτες, ηλεκτρολύτες και σε υδατικά ρυθμιστικά διαλύματα διαφορετικών pH χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους ηλεκτροχημικής ανάλυσης, όπως κυκλική βολταμμετρία (CV), διαφορική παλμική βολταμμετρία (DPV) και χρονοαμπερομετρία με διάφορα ηλεκτρόδια εργασίας συμπεριλαμβανομένου του υαλώδους άνθρακα, του χρυσού, της πλατίνας και του υδράργυρου. Ως συνέχεια των πειραμάτων αυτών έγινε προσπάθεια συσχέτισης των ηλεκτροχημικών μεθόδων με την αντιοξειδωτική δράση των παραγώγων και με ήδη υπάρχουσες μεθόδους εκτίμησης αντιοξειδωτικής δράσης, όπως είναι η μέθοδος DPPH και χημειοφωταύγειας της λουμινόλης.Με δεδομένο ότι η αντιοξειδωτική δράση είναι ένα πολυπαραγοντικό φαινόμενο και πολλές κατηγορίες μορίων εμφανίζουν τέτοια δράση λόγω της ικανότητάς τους να συμπλοκοποιούν αποτελεσματικά μεταλλικά ιόντα, διερευνήθηκαν οι α, β-ακόρεστες καρβονυλικές ενώσεις των 2'-υδροξυ-χαλκονών, οι οποίες μπορεί ενδεχομένως να έχουν την δυνατότητα συμπολοκοποίησης με τυχαία μεταλλικά ιόντα. Τα μεταλλικά ιόντα μπορούν να προκαλέσουν οξειδωτικό στρες, για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε η διερεύνηση της αλληλεπίδρασης των αναλόγων χαλκόνης με ιόντα χαλκού (Cu+2) η οποία πραγματοποιήθηκε με τη χρήση κυκλικής βολταμμετρίας, διαφορικής παλμικής βολταμμετρίας (DPV) και φασματομετρίας υπεριώδους-ορατού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ορισμένα ανάλογα χαλκονών εμφανίζουν αξιοσημείωτη ικανότητα συμπλοκοποίησης των ιόντων Cu+2, επομένως μπορούν να θεωρηθούν ως ‘πολυλειτουργικά μόρια'.Η αλληλεπίδραση μορίων με το DNA μπορεί να αποτελεί μια ένδειξη της αντικαρκινικής δράσης τους. Μεταξύ των μεθόδων που έχουν αναπτυχθεί για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης ωρονών με το DNA, οι ηλεκτροχημικές μέθοδοι πλεονεκτούν όσον αφορά την ταχύτητα, την ευαισθησία αλλά και τη δυνατότητα προσομοίωσης των συνθηκών της ανάλυσης με τις συνθήκες που επικρατούν στο κύτταρο. Με βάση τα παραπάνω, στη διδακτορική αυτή διατριβή μελετήθηκε μέσω κυκλικής βολταμμετρίας, η ικανότητα νέων συνθετικών και φυσικών ωρονών να αλληλεπιδρούν με το DNA. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει σαφής αλληλεπίδραση των μορίων με το DNA, πιθανότατα μέσω παρεμβολής στα ζεύγη βάσεων του DNA. Με γνώμονα το συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για τις ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα και τις εφαρμογές τους στη βιοϊατρική, στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε επίσης σύνθεση και χαρακτηρισμός της δομής νέων τροποποιημένων νανοσωλήνων άνθρακα με απώτερο στόχο την πρόσδεση βιοδραστικών μορίων σε αυτούς και τη μελέτη της ηλεκτροχημικής τους συμπεριφοράς. Πραγματοποιήθηκε εκτενής μελέτη των συνθηκών οξειδωτικής διάσπασης των νανοσωλήνων και χημικές αντιδράσεις στα παραγόμενα καρβοξυλικά οξέα. Τα νέα υβριδικά υλικά χαρακτηρίστηκαν δομικά με φασματοσκοπία FT-IR

Life Cycle Assessment and Preliminary Cost Evaluation of a Smart Packaging System

Smart food packaging (SP) is an innovative packaging system that can extend the shelf life of the product and reduce food waste. The objective of the study is the estimation of the environmental and economic sustainability of the overall life cycle of a SP including a chemical sensor able to detect modifications in the concentration of CO2, which is an indicator of food spoilage, and encapsulated oregano essential oil (OEO), capable of inhibiting the microbial growth. For this purpose, a life cycle assessment (LCA), following the ISO 14040 series and ReCiPe methodology, and an economic evaluation of SP, were performed. The environmental footprint (EF) of SP was compared to that of a conventional packaging (CP) in terms of packaging production, use and end of life (EoL) of both the packaging and the contained food product. The results demonstrated that the production of SP burdened by 67% the impact category of climate change. However, when adapting four use and EoL scenarios, namely the CP generates 30% food waste, whereas SP can generate 5% (optimistic scenario), 10% (realistic) or 20% (conservative) waste, SP proved to be environmentally superior in most impact categories

Efficiency of Sulfuric Acid on Selective Scandium Leachability from Bauxite Residue

Bauxite residue (BR) is a well promising resource for critical metals, especially scandium (Sc), a rare and expensive metal with increasing applications in advanced technology. Greek BR seems to significantly favor a commercially viable recovery of Sc combining optimized leaching and advanced separation techniques. Leaching with mineral acids emerges as the dominant selection compared to other techniques. This study investigates an optimized leaching condition set for Sc recovery, using the most advantageous option of sulfuric acid. The main target is to develop a leaching scale-up process to be established in the premises of Mytilineos S.A. (formerly Aluminium of Greece, the largest Greek alumina and aluminum producer), taking into account the feed requirements of a subsequent advanced ion exchanged procedure. Several parameters were studied individually or combined in order to achieve high Sc concentration in the leachate and to ensure selectivity, especially concerning iron. The most significant parameters prove to be the solid-to-liquid ratio (S/L), the final pH value, and the leachate’s recycling. The proposed process, with low molarities of sulfuric acid and ambient conditions, integrates rapidly, leading to high and selective Sc recovery. Finally, a leaching process flow diagram under continuous operation on an industrial scale is developed