Development of Raman microscopy methods for polymer coatings of polyfilms

Työn tavoitteena oli tutkia Raman-spektrometrin soveltuvuutta muovipäällystettyjen kartonkien syvyyssuuntaisiin mittauksiin. Lisäksi pyrittiin selvittämään voidaanko kiteisyyttä nähdä Raman-laitteistolla. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty Raman-laitteiston teknisiä ominaisuuksia. Kokeellinen osa suoritettiin Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa Membraanitekniikan ja teknillisen polymeerikemian laboratoriossa. Työssä käytettiin Horiban Jobin Yvon¿in valmistamaa konfokaalista Raman-spektrometri-laitteistoa (LabRam). Syvyyssuuntaisissa mittauksissa käytettiin apuna motorisoitua x-, y- ja z-suuntaan liikkuvaa tasoa. Mittaukset suoritettiin pistemäisesti tietyllä askelvälillä fokusoimalla näytteen pinnasta sisällepäin. Syvyysprofilointimittaukset aloitettiinmäärittelemällä laitteiston syvyysresoluutio eri konfokaalireikäkoolla. Lisäksityössä tehtiin syvyysprofilointimittauksia sekä läpinäkyvillä monikerrosmuoveilla että muovipäällystetyillä kartongeilla. Työssä mitatut muovipäällysteet sisälsivät pääasiassa polyeteeniä. Tulokset osoittivat, että Raman laitteistolla voidaan havainnoida Raman-aktiiviset ryhmät näytteen eri kerroksista. Lisäksi polyeteenin kiteisyysaste voidaan havaita tietyillä aallonpituuksilla.

Particle Size Analysis of Pharmaceutical Powders by Laser Diffraction

Raaka-aineen hiukkaskoko on lääkekehityksessä keskeinen materiaaliparametri. Lääkeaineen partikkelikoko vaikuttaa moneen lääketuotteen tärkeään ominaisuuteen, esimerkiksi lääkkeen biologiseen hyväksikäytettävyyteen. Tässä diplomityössä keskityttiin jauhemaisten lääkeaineiden hiukkaskoon määrittämiseen laserdiffraktiomenetelmällä. Menetelmä perustuu siihen, että partikkeleista sironneen valon intensiteetin sirontakulmajakauma on riippuvainen partikkelien kokojakaumasta. Työn kirjallisuusosassa esiteltiin laserdiffraktiomenetelmän teoriaa. PIDS (Polarization Intensity Differential Scattering) tekniikka, jota voidaan käyttää laserdiffraktion yhteydessä, on myös kuvattu kirjallisuusosassa. Muihin menetelmiin perustuvista analyysimenetelmistä tutustuttiin mikroskopiaan sekä aerodynaamisen lentoajan määrittämiseen perustuvaan menetelmään. Kirjallisuusosassa esiteltiin myös partikkelikoon yleisimpiä esitystapoja. Työn kokeellisen osan tarkoituksena oli kehittää ja validoida laserdiffraktioon perustuva partikkelikoon määritysmenetelmä tietylle lääkeaineelle. Menetelmäkehitys tehtiin käyttäen Beckman Coulter LS 13 320 laserdiffraktoria. Laite mahdollistaa PIDS-tekniikan käytön laserdiffraktiotekniikan ohella. Menetelmäkehitys aloitettiin arvioimalla, että kyseinen lääkeaine soveltuu parhaiten määritettäväksi nesteeseen dispergoituna. Liukoisuuden perusteella väliaineeksi valittiin tällä lääkeaineella kyllästetty vesiliuos. Dispergointiaineen sekä ultraäänihauteen käyttö havaittiin tarpeelliseksi dispergoidessa kyseistä lääkeainetta kylläiseen vesiliuokseen. Lopuksi sekoitusnopeus näytteensyöttöyksikössä säädettiin sopivaksi. Validointivaiheessa kehitetyn menetelmän todettiin soveltuvan hyvin kyseiselle lääkeaineelle ja tulosten todettiin olevan oikeellisia sekä toistettavia. Menetelmä ei myöskään ollut herkkä pienille häiriöille.

Characterisation of pigment particles by scanning electron microscope and image analysis programs

Coating and filler pigments have strong influence to the properties of the paper. Filler content can be even over 30 % and pigment content in coating is about 85-95 weight percent. The physical and chemical properties of the pigments are different and the knowledge of these properties is important for optimising of optical and printing properties of the paper. The size and shape of pigment particles can be measured by different analysers which can be based on sedimentation, laser diffraction, changes in electric field etc. In this master's thesis was researched particle properties especially by scanning electron microscope (SEM) and image analysis programs. Research included nine pigments with different particle size and shape. Pigments were analysed by two image analysis programs (INCA Feature and Poikki), Coulter LS230 (laser diffraction) and SediGraph 5100 (sedimentation). The results were compared to perceive the effect of particle shape to the performance of the analysers. Only image analysis programs gave parameters of the particle shape. One part of research was also the sample preparation for SEM. Individual particles should be separated and distinct in ideal sample. Analysing methods gave different results but results from image analysis programs corresponded even to sedimentation or to laser diffraction depending on the particle shape. Detailed analysis of the particle shape required high magnification in SEM, but measured parameters described very well the shape of the particles. Large particles (ecd~1 µm) could be used also in 3D-modelling which enabled the measurement of the thickness of the particles. Scanning electron microscope and image analysis programs were effective and multifunctional tools for particle analyses. Development and experience will devise the usability of analysing method in routine use.

Surface transformation hardening of carbon steel with high power fiber laser

This study investigated the surface hardening of steels via experimental tests using a multi-kilowatt fiber laser as the laser source. The influence of laser power and laser power density on the hardening effect was investigated. The microhardness analysis of various laser hardened steels was done. A thermodynamic model was developed to evaluate the thermal process of the surface treatment of a wide thin steel plate with a Gaussian laser beam. The effect of laser linear oscillation hardening (LLOS) of steel was examined. An as-rolled ferritic-pearlitic steel and a tempered martensitic steel with 0.37 wt% C content were hardened under various laser power levels and laser power densities. The optimum power density that produced the maximum hardness was found to be dependent on the laser power. The effect of laser power density on the produced hardness was revealed. The surface hardness, hardened depth and required laser power density were compared between the samples. Fiber laser was briefly compared with high power diode laser in hardening medium-carbon steel. Microhardness (HV0.01) test was done on seven different laser hardened steels, including rolled steel, quenched and tempered steel, soft annealed alloyed steel and conventionally through-hardened steel consisting of different carbon and alloy contents. The surface hardness and hardened depth were compared among the samples. The effect of grain size on surface hardness of ferritic-pearlitic steel and pearlitic-cementite steel was evaluated. In-grain indentation was done to measure the hardness of pearlitic and cementite structures. The macrohardness of the base material was found to be related to the microhardness of the softer phase structure. The measured microhardness values were compared with the conventional macrohardness (HV5) results. A thermodynamic model was developed to calculate the temperature cycle, Ac1 and Ac3 boundaries, homogenization time and cooling rate. The equations were numerically solved with an error of less than 10-8. The temperature distributions for various thicknesses were compared under different laser traverse speed. The lag of the was verified by experiments done on six different steels. The calculated thermal cycle and hardened depth were compared with measured data. Correction coefficients were applied to the model for AISI 4340 steel. AISI 4340 steel was hardened by laser linear oscillation hardening (LLOS). Equations were derived to calculate the overlapped width of adjacent tracks and the number of overlapped scans in the center of the scanned track. The effect of oscillation frequency on the hardened depth was investigated by microscopic evaluation and hardness measurement. The homogeneity of hardness and hardened depth with different processing parameters were investigated. The hardness profiles were compared with the results obtained with conventional single-track hardening. LLOS was proved to be well suitable for surface hardening in a relatively large rectangular area with considerable depth of hardening. Compared with conventional single-track scanning, LLOS produced notably smaller hardened depths while at 40 and 100 Hz LLOS resulted in higher hardness within a depth of about 0.6 mm.

Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) characterization of lanthanum lutetium oxide high-k dielectric thin films

Lanthanum lutetium oxide (LaLuO3) thin films were investigated considering their perspective application for industrial microelectronics. Scanning probe microscopy (SPM) techniques permitted to visualize the surface topography and study the electric properties. This work compared both the material properties (charge behavior for samples of 6 nm and 25 nm width) and the applied SPM modes. Particularly, Kelvin probe force microscopy (KPFM) was applied to characterize local potential difference with high lateral resolution. Measurements showed the difference in morphology, chargeability and charge dissipation time for both samples. The polarity effect was detected for this material for the first time. Lateral spreading of the charged spots indicate the diffusive mechanism to be predominant in charge dissipation. This allowed to estimate the diffusion coefficient and mobility. Using simple electrostatic model it was found that charge is partly leaking into the interface oxide layer.

Developing Bioimage Informatics – from Microscopy to Software Solutions – with alpha2beta1 Integrin as a Case Study

Biokuvainformatiikan kehittäminen – mikroskopiasta ohjelmistoratkaisuihin – sovellusesimerkkinä α2β1-integriini Kun ihmisen genomi saatiin sekvensoitua vuonna 2003, biotieteiden päätehtäväksi tuli selvittää eri geenien tehtävät, ja erilaisista biokuvantamistekniikoista tuli keskeisiä tutkimusmenetelmiä. Teknologiset kehitysaskeleet johtivat erityisesti fluoresenssipohjaisten valomikroskopiatekniikoiden suosion räjähdysmäiseen kasvuun, mutta mikroskopian tuli muuntua kvalitatiivisesta tieteestä kvantitatiiviseksi. Tämä muutos synnytti uuden tieteenalan, biokuvainformatiikan, jonka on sanottu mahdollisesti mullistavan biotieteet. Tämä väitöskirja esittelee laajan, poikkitieteellisen työkokonaisuuden biokuvainformatiikan alalta. Väitöskirjan ensimmäinen tavoite oli kehittää protokollia elävien solujen neliulotteiseen konfokaalimikroskopiaan, joka oli yksi nopeimmin kasvavista biokuvantamismenetelmistä. Ihmisen kollageenireseptori α2β1-integriini, joka on tärkeä molekyyli monissa fysiologisissa ja patologisissa prosesseissa, oli sovellusesimerkkinä. Työssä saavutettiin selkeitä visualisointeja integriinien liikkeistä, yhteenkeräytymisestä ja solun sisään siirtymisestä, mutta työkaluja kuvainformaation kvantitatiiviseen analysointiin ei ollut. Väitöskirjan toiseksi tavoitteeksi tulikin tällaiseen analysointiin soveltuvan tietokoneohjelmiston kehittäminen. Samaan aikaan syntyi biokuvainformatiikka, ja kipeimmin uudella alalla kaivattiin erikoistuneita tietokoneohjelmistoja. Tämän väitöskirjatyön tärkeimmäksi tulokseksi muodostui näin ollen BioImageXD, uudenlainen avoimen lähdekoodin ohjelmisto moniulotteisten biokuvien visualisointiin, prosessointiin ja analysointiin. BioImageXD kasvoi yhdeksi alansa suurimmista ja monipuolisimmista. Se julkaistiin Nature Methods -lehden biokuvainformatiikkaa käsittelevässä erikoisnumerossa, ja siitä tuli tunnettu ja laajalti käytetty. Väitöskirjan kolmas tavoite oli soveltaa kehitettyjä menetelmiä johonkin käytännönläheisempään. Tehtiin keinotekoisia piidioksidinanopartikkeleita, joissa oli "osoitelappuina" α2β1-integriinin tunnistavia vasta-aineita. BioImageXD:n avulla osoitettiin, että nanopartikkeleilla on potentiaalia lääkkeiden täsmäohjaussovelluksissa. Tämän väitöskirjatyön yksi perimmäinen tavoite oli edistää uutta ja tuntematonta biokuvainformatiikan tieteenalaa, ja tämä tavoite saavutettiin erityisesti BioImageXD:n ja sen lukuisten julkaistujen sovellusten kautta. Väitöskirjatyöllä on merkittävää potentiaalia tulevaisuudessa, mutta biokuvainformatiikalla on vakavia haasteita. Ala on liian monimutkainen keskimääräisen biolääketieteen tutkijan hallittavaksi, ja alan keskeisin elementti, avoimen lähdekoodin ohjelmistokehitystyö, on aliarvostettu. Näihin seikkoihin tarvitaan useita parannuksia,