Investigation of the two-photon induced fluorescence in Rb vapour excited by Ti:Sapphire femtosecond laser pulses

In this work we report the observation of the blue visible fluorescence at 420 nm in rubidium vapour as a result of two-photon absorption excited by femtosecond laser pulses 790 nm. After experimental investigation of the spa-tial and spectral characteristics of the obtained emission we can claim that mechanism of this coherent fluorescence at 420 nm was not caused by ampli-fied spontaneous emission, but represents the nondegenerate four-wave mixing. As a probable outcome of this investigation an opportunity of creation an ultrafast all-optical switcher might appear.

Two-Photon Excited Fluorescence Detection Technology in Screening for Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus

Control of the world-wide spread of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) has been unsuccessful in most developed countries. A few countries have been able to maintain a low MRSA prevalence, plausibly due to their strict MRSA control policies. Such policies require wide-scale screening of patients with suspected MRSA colonization, in order to nurse the MRSA-positive patients in contact isolation. The aim of this study was to develop and introduce a 2-photon excited fluorescence detection (TPX) technique for screening of MRSA directly from clinical samples. The assay principle involves specific online immunometric monitoring of S. aureus growth under selective antibiotic pressure. After the novel TPX approach had been set up, its applicability for the detection of MRSA was evaluated using a large MRSA collection including practically all epidemic MRSA strains identified in Finland between 1991 and 2009. The TPX assay was found both sensitive (97.9%) and specific (94.1%) in this epidemiological setting, illustrating that the method is tolerant to wide biological variation as well as to environments with rapidly emerging MRSA strains. When MRSA was screened directly from colonization samples, all patients positive for MRSA by conventional methods were positive also by the TPX assay. The assay capacity was 48 samples per a test run, and the median time required for confirmation of a true-positive screening test result was 3 h 26 min. Collectively, the findings presented in this thesis suggest that the TPX MRSA screening assay could be applicable for direct screening of MRSA colonization samples without any prior steps of isolation. This can potentially mean that contact isolation of suspected carriers testing negative could be discontinued earlier, thereby reducing the costs and burden associated with the containment of MRSA. In case of infection, a positive test result would ensure an early onset of effective therapy.

Rasvasuodatus UV-valon avulla

Tämä kandidaatintyö käsittelee rasva-aerosolien vähentämistä liesituulettimissa ultraviolettivalon (UV) ja titaanioksidin avulla (TiO2). Työssä käsitellään rasva-aerosolien aiheuttamia haittoja julkisissa keittiöissä ja liesituulettimen merkitystä rasva-aerosolipitoisuuksiin. Työn tavoitteena on selvittää, miten rasva-aerosolit käyttäytyvät kun niitä suodatetaan UV-valon ja TiO2-katalyytin avulla. Työssä myös pohditaan onko UV/TiO2-menetelmä tehokas liesituulettimen rasvan vähentäjä.

Fluorescence-based imaging of cellular defect in lysinuric protein intolerance (LPI)

Fluoresenssiperusteiset kuvantamismenetelmät lysinurisen proteiini-intoleranssin (LPI) soluhäiriön tutkimuksessa Lysinurinen proteiini-intoleranssi on suomalaiseen tautiperintöön kuuluva autosomaalisesti peit¬tyvästi periytyvä sairaus, jonka aiheuttaa kationisten aminohappojen kuljetushäiriö munuaisten ja ohutsuolen epiteelisolujen basolateraalikalvolla. Aminohappojen kuljetushäiriö johtaa moniin oirei¬siin, kuten kasvuhäiriöön, osteoporoosiin, immuunijärjestelmän häiriöihin, oksenteluun ja runsaspro¬teiinisen ravinnon nauttimisen jälkeiseen hyperammonemiaan. LPI-geeni SLC7A7 (solute carrier family 7 member 7) koodaa y+LAT1 proteiinia, joka on basolateraali¬nen kationisten ja neutraalien aminohappojen kuljettimen kevyt ketju, joka muodostaa heterodimee¬rin raskaan alayksikön 4F2hc:n kanssa. Tällä hetkellä SLC7A7-geenistä tunnetaan yli 50 LPI:n aiheut¬tavaa mutaatiota. Tässä tutkimuksessa erityyppisiä y+LAT1:n LPI-mutaatiota sekä yhdeksän C-terminaalista polypep¬tidiä lyhentävää deleetiota kuvannettiin nisäkässoluissa y+LAT1:n GFP (green fluorescent protein) -fuusioproteiineina. Tulokset vahvistivat muissa soluissa tehdyt havainnot siitä, että 4F2hc on edel¬lytyksenä y+LAT1:n solukalvokuljetukselle, G54V-pistemutantti sijaitsee solukalvolla samoin kuin vil¬lityyppinen proteiini, mutta lukukehystä muuttavia ja proteiinia lyhentäviä mutantteja ei kuljeteta solukalvoon. Lisäksi havaittiin, että poikkeuksena tästä säännöstä ovat y+LAT1-deleetioproteiinit, joista puuttui korkeintaan 50 C-terminaalista aminohappoa. Nämä lyhentyneet kuljettimet sijaitsevat solukalvolla kuten villityyppiset ja LPI-pistemutanttiproteiinit. Dimerisaation osuutta kuljetushäiriön synnyssä tutkittiin käyttämällä fluorescence resonance energy transfer (FRET) menetelmää. Heterodimeerin alayksiköistä kloonattiin ECFP (cyan) ja EYFP (yellow) fuusioproteiinit, joita ilmennettiin nisäkässoluissa, ja FRET mitattiin virtaussytometri-FRET -menetel¬mällä (FACS-FRET). Tutkimuksissa kaikkien mutanttien havaittiin dimerisoituvan yhtä tehokkaasti. Kul¬jetushäiriön syynä ei siten ole alayksiköiden dimerisaation estyminen mutaation seurauksena. Tutkimuksessa havaittiin, että kaikki mutantti-y+LAT1-transfektiot tuottavat vähemmän transfektoi¬tuneita soluja kuin villityyppisen y+LAT1:n transfektiot. Solupopulaatioissa, joihin oli tranfektoitu lu¬kukehystä muuttava tai stop-kodonin tuottava mutaatio havaittiin suurempi kuolleisuus kuin saman näytteen transfektoitumattomissa soluissa, kun taas villityyppistä tai G54V-pistemutanttia tuottavas¬sa solupopulaatiossa oli pienempi kuolleisuus kuin saman näytteen fuusioproteiinia ilmentämättö¬missä soluissa. Tulos osoittaa mutanttiproteiinien erilaiset vaikutukset niitä ilmentäviin soluihin, joko suoraan y+LAT1:n tai 4F2hc:n kautta aiheutuneina. LPIFin SLC7A7 lähetti-RNA:n määrä ei merkittävästi poikennut villityyppisen määrästä fibroblasteissa ja lymfoblasteissa. SLC7A7:n promoottorianalyysissä oli osoitettavissa säätelyalueita geenin 5’ ei-koo¬daavalla alueella sekä ensimmäisten kahden intronin alueella. LPI-taudin tautimekanismin kannalta keskeisin tekijä on kuitenkin aminohappokuljetuksen häiriö, jonka vaikutuksesta näistä aminohapoista riippuvaiset prosessit elimistössä eivät toimi normaalisti. Havaittu virheellinen y+LAT1/4F2hc kuljetuskompleksin sijainti edellyttää lisätutkimuksia sen mahdol¬lisen kliinisen merkityksen selvittämiseksi.

UV-LED -lamppujen soveltuminen laivojen painolastivesien käsittelyyn

Painolastivesien mukana kulkeutuvien lajien leviäminen on yksi vakavimmista globaaleista ympäristöuhkista. Kansainvälinen merenkulkujärjestö IMO määritteli vuonna 2004 kansainvälisen painolastivesiyleissopimuksen, jonka tarkoituksena on ehkäistä laivojen painolastivesien mukana kulkeutuvien lajien leviämistä. Sopimus velvoittaa aluksia käsittelemään niiden painolastivedet ja se sisältää myös käsittelyjärjestelmiltä edellytetyt vaatimukset. Vaikka sopimus ei ole vielä astunut voimaan, painolastivesien käsittelyyn löytyy markkinoilta jo useita kymmeniä IMO:n hyväksymiä käsittelyjärjestelmiä, jotka hyödyntävät erilaisia mekaanisia, fysikaalisia ja kemiallisia menetelmiä. Yksi yleisimmin käytetyistä menetelmistä on UV-säteilytys. UV-säteily tuotetaan elohopealampuilla, jotka kuitenkin kuluttavat paljon energiaa ja sisältävät myrkyllistä elohopeaa. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, voisiko elohopealamput korvata lähitulevaisuudessa UV-LED -lampuilla. UV-LED –lamppujen etuja ovat muun muassa energiatehokkuus, kestävä rakenne ja myrkyttömyys. Työn tärkeimpänä tavoitteena oli tutkia laboratoriomittausten avulla, millainen UV-annosmäärä 10-50 µm kokoisten kasviplanktonien inaktivoimiseen tarvitaan. Mittausjärjestelyt vastasivat suurelta osin IMO:n vaatimuksia. Laboratoriomittauksissa käytettiin 265 nm:n aallonpituudella toimivia UV-LED -lamppuja. Näytteiden analysoinnissa käytettiin sekä PAM-fluorometriä että virtaussytometriä. Saatujen tulosten perusteella tutkimuksessa käytettyjen lajien Asterionellopsis glacialis ja Thalassiosira sp. täydelliseen inaktivoitumiseen tarvittiin noin 600 mJ/cm2 suuruinen UV-annos. Tulos vastasi ennakko-odotuksia ja se oli vertailukelpoinen muiden aiheesta tehtyjen tutkimusten kanssa. Koska nykyisten UV-LED –lamppujen teho on hyvin alhainen, ne eivät vielä sovellu painolastivesien käsittelyyn. UV-LED –lamppujen kehitystyö on kuitenkin käynnissä ja on arvioitu, että niitä voitaisiin käyttää suurten virtaamien käsittelyssä 5-10 vuoden kuluttua.

Veden desinfiointi UV-LED-valolla

Veden riittämätön puhdistus aiheuttaa riskin veden käyttäjille. Miljoonia kuolemia vuosittain aiheuttavien vesiteitse leviävien sairauksien ehkäisemiseksi vaaditaan tehokkaita juomaveden desinfiointimenetelmiä. Kuivuuden ja väestönkasvun myötä veden tarve on lisääntynyt ja vedenkulutus tulee yhä kasvamaan. Tästä syystä mahdollisuus kierrättää vettä hyödyntäen sitä esimerkiksi kasteluun on saanut yhä enemmän huomiota. Kierrätettävä vesi on kuitenkin käsiteltävä huolellisesti sen sisältämän mikrobiologisen kontaminaatioriskin vuoksi. Ultraviolettisäteily luokitellaan fysikaaliseksi desinfiointimenetelmäksi. Sen tehokkuus perustuu mikro-organismien absorboimaan UV-säteilyyn, jonka aiheuttamien DNA:ssa tai RNA:ssa tapahtuvien muutoksien seurauksena mikro-organismi inaktivoituu ja estyy lisääntymästä. UV-desinfioinnissa on tyypillisesti käytetty elohopeahöyrylamppuja. Vaihtoehtoinen UV-säteilyn lähde ovat LEDit eli valoa emittoivat diodit. Matalapaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on aallonpituudella 254 nm ja keskipaine-elohopeahöyrylamppujen emittoima säteily on laajakaistaista säteilyä. Energiatehokkuuden lisäksi LEDien etuna on, että niillä voidaan tuottaa kapeakaista säteilyä aallonpituudella, joka parhaiten absorboituu DNA:han. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia, onko UVC-alueen aallonpituuksien yhdistelmillä synergistisiä etuja LEDien desinfiointitehokkuuteen, kun desinfioidaan virtaavaa vettä useilla säteilyannoksilla ja indikaattorimikrobina käytetään kolibakteeria. Tavoitteena oli myös tutkia tällä hetkellä saatavissa olevien LEDien desinfiointitehokkuutta energiatehokkuuden näkökulmasta. Yksittäisistä aallonpituuksista desinfiointitehokkuudeltaan parhaimmaksi osoittautui 260 nm, aallonpituuksien yhdistelmistä tehokkain oli 265 nm:n ja 260 nm:n yhdistelmä. Muilla aallonpituuksien yhdistelmillä ei saavutettu odotettua parempaa desinfiointitehokkuutta. Optiselta teholtaan parhaimmat LEDit, 265 nm, 270 nm ja 275 nm olivat kokeiden perusteella myös energiatehokkuuden kannalta tarkasteltuina parhaimmat sekä yksittäin että yhdistelminä. UVC-aallonpituuksia emittoivien LEDien optisen tehokkuuden paraneminen on edellytys LEDien hyödyntämiselle desinfioinnissa.

The Combined treatment of UV Light and Titanium Dioxide (TiO2) in Grease Filtration Technique

The aim of this thesis was to identify the best grease removal technique with the application of low power of UV light to TiO2 coated grease filters. The treatment with various power series of ozone generating and ozone free lamps to normal grease filters and TiO2 coated grease filters were examined and the obtained results are compared to each other in this paper. The effect of ozone reaction was observed and compared with the effect of TiO2. The experiments were solely based on the photo oxidation and photo catalytic oxidation reactions. TiO2 is a green catalyst used in the photocatalytic reaction. Sunflower oil was used for grease production and tetracholoroethylene as a solvent. Grease samples were collected from the ventilation duct connected to the cooking hood system. Sample extraction was done in ultrasonic bath with the principle of sonication. The sample analysis was done by FTIR machine. The result determining the concentration of grease was the quantification of saturated C-H bonds in the chosen peak group of the spectrum. A very low power of UVC light functions perfectly with the Titanium dioxide. The experimental results have shown the combined treatment of titanium dioxide and UV light is an effective method in grease removal process. The photocatalytic reaction with titanium dioxide is better than photo oxidation reaction with ozone treatment. Photocatalytic reaction is environmentally friendly, energy efficient and economical.

Spectrally Tuned Lanthanide Photoluminescence for Point-of-Care Testing

Point-of-care (POC) –diagnostics is a field with rapidly growing market share. As these applications become more widely used, there is an increasing pressure to improve their performance to match the one of a central laboratory tests. Lanthanide luminescence has been widely utilized in diagnostics because of the numerous advantages gained by the utilization of time-resolved or anti-Stokes detection. So far the use of lanthanide labels in POC has been scarce due to limitations set by the instrumentation required for their detection and the shortcomings, e.g. low brightness, of these labels. Along with the advances in the research of lanthanide luminescence, and in the field of semiconductors, these materials are becoming a feasible alternative for the signal generation also in the future POC assays. The aim of this thesis was to explore ways of utilizing time-resolved detection or anti-Stokes detection in POC applications. The long-lived fluorescence for the time-resolved measurement can be produced with lanthanide chelates. The ultraviolet (UV) excitation required by these chelates is cumbersome to produce with POC compatible fluorescence readers. In this thesis the use of a novel light-harvesting ligand was studied. This molecule can be used to excite Eu(III)-ions at wavelengths extending up to visible part of the spectrum. An enhancement solution based on this ligand showed a good performance in a proof-of-concept -bioaffinity assay and produced a bright signal upon 365 nm excitation thanks to the high molar absorptivity of the chelate. These features are crucial when developing miniaturized readers for the time-resolved detection of fluorescence. Upconverting phosphors (UCPs) were studied as an internal light source in glucose-sensing dry chemistry test strips and ways of utilizing their various emission wavelengths and near-infrared excitation were explored. The use of nanosized NaYF :Yb3+,Tm3+-particles enabled the replacement of an external UV-light source with a NIR-laser and gave an additional degree of freedom in the optical setup of the detector instrument. The new method enabled a blood glucose measurement with results comparable to a current standard method of measuring reflectance. Microsized visible emitting UCPs were used in a similar manner, but with a broad absorbing indicator compound filtering the excitation and emission wavelengths of the UCP. This approach resulted in a novel way of benefitting from the non-linear relationship between the excitation power and emission intensity of the UCPs, and enabled the amplification of the signal response from the indicator dye.

Aikaerotteisesti fluoresenssia mittaavan reaaliaikaisen PCR-laitteen kehitys

Kvantitatiivinen reaaliaikainen polymeraasiketjureaktio (engl. polymerase chain reaction, PCR) on osoittautunut käyttäjäystävällisimmäksi menetelmäksi nukleiinihapposekvenssien kvantitoimisessa. Tätä menetelmää voidaan herkistää pienempien DNA-pitoisuuksien havaitsemiseen käyttämällä hyväksi aikaerotteista fluorometriaa (engl. time-resolved fluorometry, TRF) ja luminoivia lantanidileimoja, joiden fluoresenssin pitkän eliniän ansiosta emission mittaus voidaan suorittaa vasta hetki virittävän valopulssin jälkeen, jolloin lyhytikäinen taustasäteily ehtii sammua. Tuloksena saadaan korkea signaali-taustasuhde. Tämän diplomityön tarkoituksena oli rakentaa TRF:än pystyvä reaaliaikainen PCR-laite, sillä tällaista laitetta ei ole markkinoilla tarjolla. Laite rakennettiin kehittämällä lämpökierrätin ja yhdistämällä se valmiiseen TRF:än kykenevään mittapäähän. Mittapään ja lämpökierrättimen hallitsemiseksi kehitettiin myös tietokoneohjelma. Valon tuottamiseksi ja mittaamiseksi haluttiin käyttää edullisia komponentteja, joten työssä käytettiin valmiin mittapään optiikkaa, jossa viritys tapahtuu hohtodiodilla (engl. light-emitting diode, LED) ja lantanidileiman emission mittaus fotodiodilla (engl. photodiode, PD) tai valomonistinputkella (engl. photomultiplier tube, PMT). Myös mittapään suorituskykyä tutkittiin. Työtä varten kehitettiin lämpökierrätin, joka koostui Peltier-elementillä lämmitettävästä PCR-putkitelineestä ja lämpökannesta. Mittalaitteen suorituskyvyn tutkimiseen käytettiin kelaattikomplementaatioon perustuvaa PCR-tuotteen havaitsemismenetelmää. Kelaattikomplementaatio perustuu kahteen erilliseen oligonukleotidimolekyyliin, joista toiseen on sidottu lantanidi-ioni ja toiseen valoa absorboiva ligandirakenne, jotka yhdessä muodostavat fluoresoivan kokonaisuuden. Kehitetyn lämpökierrättimen todettiin olevan tarpeeksi tarkka sekä tehokas ja sen lämmitys- ja jäähdytysnopeuden maksimeiksi saatiin 2,6 °C/sekunti. Detektorina käytetyn PD:n ei todettu olevan tarpeeksi herkkä emission havainnoimiseksi ja se korvattiin laitteessa PMT:llä. Käytetyllä PCR-määrityksellä kynnyssykleiksi (engl. threshold cycle, Ct) sekä kehitetylle että referenssilaitteelle saatiin 28,4 käyttämällä samaa 100 000 kopion DNA:n aloitusmäärää. Työssä osoitettiin, että on mahdollista kehittää edullisia komponentteja käyttävä, TRF:än pystyvä, reaaliaikainen PCR-laite, joka kykenee vastaavaan Ct-arvoon kuin vertailulaite. PD:n herkkyys ei kuitenkaan riittänyt. Tulokset olivat lupaavia, sillä LED- ja PD-teknologiat kehittyvät ja markkinoille on tullut myös muita komponentteja, joiden avulla on tulevaisuudessa mahdollista kehittää vielä herkempi laite.