Mössbauer spectra of iron oxides in the bulk and nanocrystalline states

Magnetic nanoparticles are very important in modern industry. These particles are used in many different spheres of life. Nanoparticles have unusual physical and chemical properties connected both with quantum dimensional effects and with the increased role of the surface atoms. Most clearly the difference between the properties of bulk materials and nanoparticles can be seen in the magnetic properties of these materials. The most typical magnetic properties of nanomaterials are superparamagnetism with the size of the cluster from 1 to 10 nm; single-domain magnetic state of nanoclusters and nanostructures up to 20 nm; magnetization processes connected with magnetic cluster ordering and with its forms and sizes; quantum magnetic tunneling effects when magnetization changes by jumps and giant magnetoresistance effects. For research of the magnetic properties of iron-containing nanostructures, it is convenient to apply Mӧssbauer spectroscopy. In this work a number of nano-sized samples of iron oxides were examined by Mössbauer spectroscopy. The Mössbauer spectra of nanoparticles with various sizes were obtained. Mössbauer spectra of iron oxide nanoparticles were compared with the spectra of bulk samples. It was shown how the spectra of iron oxide nanoparticles change depending on the particle sizes.

Quantification of Proteins and Cells: Luminometric Nonspecific Particle-Based Methods

New luminometric particle-based methods were developed to quantify protein and to count cells. The developed methods rely on the interaction of the sample with nano- or microparticles and different principles of detection. In fluorescence quenching, timeresolved luminescence resonance energy transfer (TR-LRET), and two-photon excitation fluorescence (TPX) methods, the sample prevents the adsorption of labeled protein to the particles. Depending on the system, the addition of the analyte increases or decreases the luminescence. In the dissociation method, the adsorbed protein protects the Eu(III) chelate on the surface of the particles from dissociation at a low pH. The experimental setups are user-friendly and rapid and do not require hazardous test compounds and elevated temperatures. The sensitivity of the quantification of protein (from 40 to 500 pg bovine serum albumin in a sample) was 20-500-fold better than in most sensitive commercial methods. The quenching method exhibited low protein-to-protein variability and the dissociation method insensitivity to the assay contaminants commonly found in biological samples. Less than ten eukaryotic cells were detected and quantified with all the developed methods under optimized assay conditions. Furthermore, two applications, the method for detection of the aggregation of protein and the cell viability test, were developed by utilizing the TR-LRET method. The detection of the aggregation of protein was allowed at a more than 10,000 times lower concentration, 30 μg/L, compared to the known methods of UV240 absorbance and dynamic light scattering. The TR-LRET method was combined with a nucleic acid assay with cell-impermeable dye to measure the percentage of dead cells in a single tube test with cell counts below 1000 cells/tube.

Modeling of electrolyte sorption – from phase equilibria to dynamic separation systems

In this thesis, general approach is devised to model electrolyte sorption from aqueous solutions on solid materials. Electrolyte sorption is often considered as unwanted phenomenon in ion exchange and its potential as an independent separation method has not been fully explored. The solid sorbents studied here are porous and non-porous organic or inorganic materials with or without specific functional groups attached on the solid matrix. Accordingly, the sorption mechanisms include physical adsorption, chemisorption on the functional groups and partition restricted by electrostatic or steric factors. The model is tested in four Cases Studies dealing with chelating adsorption of transition metal mixtures, physical adsorption of metal and metalloid complexes from chloride solutions, size exclusion of electrolytes in nano-porous materials and electrolyte exclusion of electrolyte/non-electrolyte mixtures. The model parameters are estimated using experimental data from equilibrium and batch kinetic measurements, and they are used to simulate actual single-column fixed-bed separations. Phase equilibrium between the solution and solid phases is described using thermodynamic Gibbs-Donnan model and various adsorption models depending on the properties of the sorbent. The 3-dimensional thermodynamic approach is used for volume sorption in gel-type ion exchangers and in nano-porous adsorbents, and satisfactory correlation is obtained provided that both mixing and exclusion effects are adequately taken into account. 2-Dimensional surface adsorption models are successfully applied to physical adsorption of complex species and to chelating adsorption of transition metal salts. In the latter case, comparison is also made with complex formation models. Results of the mass transport studies show that uptake rates even in a competitive high-affinity system can be described by constant diffusion coefficients, when the adsorbent structure and the phase equilibrium conditions are adequately included in the model. Furthermore, a simplified solution based on the linear driving force approximation and the shrinking-core model is developed for very non-linear adsorption systems. In each Case Study, the actual separation is carried out batch-wise in fixed-beds and the experimental data are simulated/correlated using the parameters derived from equilibrium and kinetic data. Good agreement between the calculated and experimental break-through curves is usually obtained indicating that the proposed approach is useful in systems, which at first sight are very different. For example, the important improvement in copper separation from concentrated zinc sulfate solution at elevated temperatures can be correctly predicted by the model. In some cases, however, re-adjustment of model parameters is needed due to e.g. high solution viscosity.

Growth, magnetic and transport properties of InSb and II-IV-As2 semiconductors doped with manganese

This thesis is devoted to growth and investigations of Mn-doped InSb and II-IV-As2 semiconductors, including Cd1-xZnxGeAs2:Mn, ZnSiAs2:Mn bulk crystals, ZnSiAs2:Mn/Si heterostructures. Bulk crystals were grown by direct melting of starting components followed by fast cooling. Mn-doped ZnSiAs2/Si heterostructures were grown by vacuum-thermal deposition of ZnAs2 and Mn layers on Si substrates followed by annealing. The compositional and structural properties of samples were investigated by different methods. The samples consist of micro- and nano- sizes clusters of an additional ferromagnetic Mn-X phases (X = Sb or As). Influence of magnetic precipitations on magnetic and electrical properties of the investigated materials was examined. With relatively high Mn concentration the main contribution to magnetization of samples is by MnSb or MnAs clusters. These clusters are responsible for high temperature behavior of magnetization and relatively high Curie temperature: up to 350 K for Mn-doped II-IV-As2 and about 600 K for InMnSb. The low-field magnetic properties of Mn-doped II-IV-As2 semiconductors and ZnSiAs2:Mn/Si heterostructures are connected to the nanosize MnAs particles. Also influence of nanosized MnSb clusters on low-field magnetic properties of InMnSb have been observed. The contribution of paramagnetic phase to magnetization rises at low temperatures or in samples with low Mn concentration. Source of this contribution is not only isolated Mn ions, but also small complexes, mainly dimmers and trimmers formed by Mn ions, substituting cation positions in crystal lattice. Resistivity, magnetoresistance and Hall resistivity properties in bulk Mn-doped II-IV-As2 and InSb crystals was analyzed. The interaction between delocalized holes and 3d shells of the Mn ions together with giant Zeeman splitting near the cluster interface are respond for negative magnetoresistance. Additionally to high temperature critical pointthe low-temperature ferromagnetic transition was observed Anomalous Hall effect was observed in Mn doped samples and analyzed for InMnSb. It was found that MnX clusters influence significantly on magnetic scattering of carriers.

Atomikerroskasvatuksen soveltaminen kemiantekniikassa

Tässä kirjallisuustyössä tutkittiin atomikerroskasvatuksen (ALD) soveltamista kemiantekniikassa. Työn alussa kerrottiin atomikerroskasvatuksesta, sen toimintaperiaatteista ja prosessitekniikasta. Tämän jälkeen tutkittiin viittä eri kemiantekniikan sovellusta, jotka olivat polymeerien pinnoittaminen, heterogeenisten katalyyttien syntetisointi, membraanien modifiointi, korroosionesto ja kaasunilmaisimet. ALD on ohutkalvotekniikka, jolla voidaan valmistaa nanometrin tai jopa Ångströmin (1 Å = 0.1 nm) tarkkuudella epäorgaanisia materiaalikerroksia, jotka yleensä ovat metallioksideja, kuten alumiinioksidi. ALD perustuu kaasu-kiintoainereaktioihin, joissa kaasumaiset kemialliset prekursorit reagoivat vuorotellen kasvualustan kanssa. Tyypilliset prekursorit ovat metalliligandi ja vesi, joka on yleisin hapen lähde ALD-reaktioissa. ALD−reaktiot suoritetaan yleensä matalassa paineessa (100−200 Pa) ja korkeassa lämpötilassa (200–400 °C) suljetussa reaktorikammiossa. ALD-prosesseissa voidaan hyödyntää myös plasmaa alentamaan reaktiolämpötiloja. Plasman avulla prekursoreista luodaan hyvin reaktiivisia radikaaleja, jotka voivat reagoida jopa huoneenlämmössä. Lämpöherkkiä polymeerejä voidaan pinnoittaa ohutkalvoilla, joilla voidaan lisätä esimerkiksi pakkausmateriaalien suojaa happea ja vesihöyryä vastaan. ALD:llä voidaan syntetisoida tarkasti nanomittakaavan heterogeenisiä katalyyttejä, joilla on korkea dispersio tukimateriaalin pinnalla. ALD:n avulla voidaan säästää katalyyttimateriaalia menettämättä katalyytin aktiivisuutta, mikä on tärkeää monien katalyyttisovellusten taloudellisuuden kannalta, esimerkiksi polttokennot. ALD soveltuu hyvin membraanien modifiointiin, koska kaasumaiset prekursorit leviävät tasaisesti membraanin huokosiin. Membraanien pinnoittamisella pyritään vaikuttamaan, selektiivisyyteen, hydrofiilisyyteen, liuotinkestävyyteen, huokoskokoon ja sen jakaumaan. Lisäksi membraaneja voidaan pinnoittaa katalyyttisillä ohutkalvoilla, mikä on tärkeää nanoreaktoreiden kehityksen kannalta. ALD:llä voidaan pinnoittaa esimerkiksi terästä, ja vähentää täten teräksen korroosiota. Puolijohtavia metallioksideja voidaan käyttää kaasunilmaisimina, joiden valmistuksessa ALD:n tarkkuudesta on suurta hyötyä.

Elektrolyyttinen nanopinnoitus

Diplomityö on osa Savonia-amk:n hallinnoimaa ENC- pinnoitushanketta, jossa tutkitaan uuden teknologian elektrolyyttisiä kromi (III) -nanopinnoitteita. Tavoitteena oli selvittää uudella menetelmällä saavutettavat parannukset pinnoitteiden mekaanisiin ominaisuuksiin. Työ toteutettiin rakentamalla pinnoitustutkimuksen toimintaympäristö osaksi Savo-nia-amk:n materiaalitekniikan laboratorioita sekä tutkimalla eri koe- ja sovelluspinnoitteiden mekaanisia ominaisuuksia eri pinnoitusparametreilla. Työssä tutkittiin, miten nanopartikkelit sekä erilaiset pinnoitusparametrit vaikuttavat kromipinnoitteiden rakenteeseen sekä mekaaniseen suorituskykyyn.

Sellutehtaan prosessien jätevesien puhdistaminen membraanitekniikalla

Tässä työssä tarkoituksena on tutkia mahdollisuuksia sellutehtaan eri jätevesien puhdistukseen uudelleenkäyttöä varten. Yleensä tutkimuksen kohteena ovat yleensä valkaisun alkalisen suodokset, koska niiden suodattaminen on ollut helppoa membraanitekniikalla. Tässä tutkimuksessa kuitenkin kiinnostuksen kohteena ovat valkaisun happamat suodokset ja kuorimon jätevedet. Tutkimuksessa käytettiin viittä membraania, joista kolme on ultrasuodatusmembraaneja ja kaksi nanosuodatusmembraaneja. Näiden katkaisukoot ovat väillä 30 000 -200 Da. Konsentraatiosuodatukset suoritettiin CR 250 -suodattimella. Syötöstä, konsentraatista ja permeaatista otettujen näytteiden analyysien pohjalta laskettujen retentioiden perusteella nanosuodatusmembraani NF270 antoi parhaan tuloksen. Tällä membraanilla kuorimon jätevesien suodatuksessa retentioksi saatiin kaikilla osa-alueilla vähintään 80 %, mutta valkaisun happamien suodosten tulokset olivat alhaisempia. Suodatusten perusteella voitiin laskea tarvittava kapasiteetti ja suodatuspinta-ala suodatus yksiköille. Kummassakin tapauksessa suodatuksen syöttömäärät määräytyivät erään suomalaisen sellutehtaan valkaisussa ja kuorimolla syntyvien jätevesimäärien mukaan. Suodatusyksiköiden kooksi saatiin valkaisun happamien suodosten suodattamiseen 54 CR 1010 -suodatinta ja kuorimon jätevesien suodattamiseen 4 CR 1010-suodatinta.

Surface characterization of chemically modified fiber, wood and paper

Inorganic-organic sol-gel hybrid coatings can be used for improving and modifying properties of wood-based materials. By selecting a proper precursor, wood can be made water repellent, decay-, moisture- or UV-resistant. However, to control the barrier properties of sol-gel coatings on wood substrates against moisture uptake and weathering, an understanding of the surface morphology and chemistry of the deposited sol-gel coatings on wood substrates is needed. Mechanical pulp is used in production of wood-containing printing papers. The physical and chemical fiber surface characteristics, as created in the chosen mechanical pulp manufacturing process, play a key role in controlling the properties of the end-use product. A detailed understanding of how process parameters influence fiber surfaces can help improving cost-effectiveness of pulp and paper production. The current work focuses on physico-chemical characterization of modified wood-based materials with surface sensitive analytical tools. The overall objectives were, through advanced microscopy and chemical analysis techniques, (i) to collect versatile information about the surface structures of Norway spruce thermomechanical pulp fiber walls and understand how they are influenced by the selected chemical treatments, and (ii) to clarify the effect of various sol-gel coatings on surface structural and chemical properties of wood-based substrates. A special emphasis was on understanding the effect of sol-gel coatings on the water repellency of modified wood and paper surfaces. In the first part of the work, effects of chemical treatment on micro- and nano-scale surface structure of 1st stage TMP latewood fibers from Norway spruce were investigated. The chemicals applied were buffered sodium oxalate and hydrochloric acid. The outer and the inner fiber wall layers of the untreated and chemically treated fibers were separately analyzed by light microscopy, atomic force microscopy and field-emission scanning electron microscopy. The selected characterization methods enabled the demonstration of the effect of different treatments on the fiber surface structure, both visually and quantitatively. The outer fiber wall areas appeared as intact bands surrounding the fiber and they were clearly rougher than areas of exposed inner fiber wall. The roughness of the outer fiber wall areas increased most in the sodium oxalate treatment. The results indicated formation of more surface pores on the exposed inner fiber wall areas than on the corresponding outer fiber wall areas as a result of the chemical treatments. The hydrochloric acid treatment seemed to increase the surface porosity of the inner wall areas. In the second part of the work, three silane-based sol-gel hybrid coatings were selected in order to improve moisture resistance of wood and paper substrates. The coatings differed from each other in terms of having different alkyl (CH3–, CH3-(CH2)7–) and fluorocarbon (CF3–) chains attached to the trialkoxysilane sol-gel precursor. The sol-gel coatings were deposited by a wet coating method, i.e. spraying or spreading by brush. The effect of solgel coatings on surface structural and chemical properties of wood-based substrates was studied by using advanced surface analyzing tools: atomic force microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and time-of-flight secondary ion spectroscopy. The results show that the applied sol-gel coatings, deposited as thin films or particulate coatings, have different effects on surface characteristics of wood and wood-based materials. The coating which has a long hydrocarbon chain (CH3-(CH2)7–) attached to the silane backbone (octyltriethoxysilane) produced the highest hydrophobicity for wood and wood-based materials.

Vanhempien psyykkinen hyvinvointi ja kiintymyksen kehittyminen keskosvauvaan Vanhemmat vahvasti mukaan -koulutusprojektin jälkeen

Tutkimuksen aiheena oli tutkia keskoslapsen vanhemman psyykkistä hyvinvointia ja kiintymyksen kehittymistä vauvaan keskosen sairaalahoidon aikana sekä kotiutumisen jälkeen. Tarkoituksena oli selvittää, oliko vanhempien välillä eroa masennuksen, tehohoitoympäristöstä aiheutuvan stressin ja kiintymyksen kehittymisessä keskoseen, ja muuttuivatko nämä ajan kuluessa. Lisäksi haluttiin selvittää liittyivätkö masennus, stressi ja kiintymys toisiinsa. Tutkimusaineisto koostui alle 34 raskausviikolla syntyneistä 55 keskosista ja heidän vanhemmistaan (48 äitiä ja 36 isää), jotka olivat osallistuneet Vanhemmat vahvasti mukaan (VVM) -evaluaatiotutkimukseen. Tutkimusaineistoa kerättiin kyselylomakkeilla kolmessa eri mittauspisteessä: 7±3 vuorokautta syntymästä, kotiutusajankohtana ja keskoslapsen korjatussa kuuden kuukauden iässä. Masennusta arvioitiin EPDS-mittarin (Edinburgh Postnatal Depression Scale) avulla kaikissa kolmessa aikapisteessä. Tehohoitoympäristöstä aiheutuvaa stressiä arvioitiin PSS:NICU-mittarilla (Parental Stressor Scale: Neonatal Intensive Care Unit) ja kiintymyksen kehittymistä keskosvauvaan BABY & YOU -mittarilla kahdessa ensimmäisessä mittauspisteessä. Vanhempien kokema masennus oli vähäistä, sillä keskoslapsen korjatussa kuuden kuukauden iässä 2,9 % äideistä oli masentuneita. Äidit kokivat isiin verrattuna enemmän masennusta, ja vanhempien masennus väheni syntymästä keskosen korjattuun kuuden kuukauden ikään. Vanhemmat kokivat tehohoitoympäristöstä aiheutuvan kokonaisstressin vähäisenä (äideillä ka=1,89 kh=0,52; isillä ka=1,56 kh=0,52). Äidit kokivat isiä enemmän stressiä syntymäaikapisteessä, ja äitien kokonaisstressi väheni keskosen kotiutusajankohtaan mennessä. Vanhempien kokonaisstressi tehohoitoympäristöstä korreloi hyvin vahvasti masennuksen kanssa kaikissa aikapisteissä, ja yksittäisenä eniten stressiä aiheuttavana tekijänä vanhemmat kokivat erossaolon vauvastaan. BABY & YOU -mittarilla arvioituna äidit kokivat isiä enemmän huolta ja eroahdistusta keskosvauvastaan. Syntymäaikapisteessä huoli keskosesta korreloi positiivisesti masennuksen kanssa. Äidit kokivat vähemmän masennusta, stressiä ja huolta keskosestaan, mikäli raskausaika oli ollut onnellinen. Vanhempien vähäinen masennus ja stressi voivat mahdollisesti liittyä VVM-koulutusprojektiin, jonka tavoitteena oli antaa vanhemmille vahva emotionaalinen tuki vauvansa hoitoon.

Experimental Studies on Non-Metallic Composite Bone Implants With a Special Reference to Staphylococcal Biofilm Infection

Non-metallic implants made of bioresorbable or biostable synthetic polymers are attractive options in many surgical procedures, ranging from bioresorbable suture anchors of arthroscopic surgery to reconstructive skull implants made of biostable fiber-reinforced composites. Among other benefits, non-metallic implants produce less interference in imaging. Bioresorbable polymer implants may be true multifunctional, serving as osteoconductive scaffolds and as matrices for simultaneous delivery of bone enhancement agents. As a major advantage for loading conditions, mechanical properties of biostable fiber-reinforced composites can be matched with those of the bone. Unsolved problems of these biomaterials are related to the risk of staphylococcal biofilm infections and to the low osteoconductivity of contemporary bioresorbable composite implants. This thesis was focused on the research and development of a multifunctional implant model with enhanced osteoconductivity and low susceptibility to infection. In addition, the experimental models for assessment, diagnostics and prophylaxis of biomaterial-related infections were established. The first experiment (Study I) established an in vitro method for simultaneous evaluation of calcium phosphate and biofilm formation on bisphenol-Aglycidyldimethacrylate and triethylenglycoldimethacrylate (BisGMA-TEGDMA) thermosets with different content of bioactive glass 45S5. The second experiment (Study II) showed no significant difference in osteointegration of nanostructured and microsized polylactide-co-glycolide/β-tricalcium phosphate (PLGA /β-TCP) composites in a minipig model. The third experiment (Study III) demonstrated that positron emission tomography (PET) imaging with the novel 68Ga labelled 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-1,4,7,10-tetraacetic acid (DOTA) CD33 related sialic-acid immunoglobulin like lectins (Siglec-9) tracer was able to detect inflammatory response to S. epidermidis and S. aureus peri-implant infections in an intraosseous polytetrafluoroethylene catheter model. In the fourth experiment (Study IV), BisGMATEGDMA thermosets coated with lactose-modified chitosan (Chitlac) and silver nanoparticles exhibited antibacterial activity against S. aureus and P. aeruginosa strains in an in vitro biofilm model and showed in vivo biocompatibility in a minipig model. In the last experiment (Study V), a selective androgen modulator (SARM) released from a poly(lactide)-co-ε-caprolactone (PLCL) polymer matrix failed to produce a dose-dependent enhancement of peri-implant osteogenesis in a bone marrow ablation model.

Development and characterization of thin printed films for gas sensing applications

The monitoring and control of hydrogen sulfide (H2S) level is of great interest for a wide range of application areas including food quality control, defense and antiterrorist applications and air quality monitoring e.g. in mines. H2S is a very poisonous and flammable gas. Exposure to low concentrations of H2S can result in eye irritation, a sore throat and cough, shortness of breath, and fluid retention in the lungs. These symptoms usually disappear in a few weeks. Long-term, low-level exposure may result in fatigue, loss of appetite, headache, irritability, poor memory, and dizziness. Higher concentrations of 700 - 800 ppm tend to be fatal. H2S has a characteristic smell of rotten egg. However, because of temporary paralysis of olfactory nerves, the smelling capability at concentrations higher than 100 ppm is severely compromised. In addition, volatile H2S is one of the main products during the spoilage of poultry meat in anaerobic conditions. Currently, no commercial H2S sensor is available which can operate under anaerobic conditions and can be easily integrated in the food packaging. This thesis presents a step-wise progress in the development of printed H2S gas sensors. Efforts were made in the formulation, characterization and optimization of functional printable inks and coating pastes based on composites of a polymer and a metal salt as well as a composite of a metal salt and an organic acid. Different processing techniques including inkjet printing, flexographic printing, screen printing and spray coating were utilized in the fabrication of H2S sensors. The dispersions were characterized by measuring turbidity, surface tension, viscosity and particle size. The sensing films were characterized using X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray diffraction, atomic force microscopy and an electrical multimeter. Thin and thick printed or coated films were developed for gas sensing applications with the aim of monitoring the H2S concentrations in real life applications. Initially, a H2S gas sensor based on a composite of polyaniline and metal salt was developed. Both aqueous and solvent-based dispersions were developed and characterized. These dispersions were then utilized in the fabrication of roll-to-roll printed H2S gas sensors. However, the humidity background, long term instability and comparatively lower detection limit made these sensors less favourable for real practical applications. To overcome these problems, copper acetate based sensors were developed for H2S gas sensing. Stable inks with excellent printability were developed by tuning the surface tension, viscosity and particle size. This enabled the formation of inkjet-printed high quality copper acetate films with excellent sensitivity towards H2S. Furthermore, these sensors showed negligible humidity effects and improved selectivity, response time, lower limit of detection and coefficient of variation. The lower limit of detection of copper acetate based sensors was further improved to sub-ppm level by incorporation of catalytic gold nano-particles and subsequent plasma treatment of the sensing film. These sensors were further integrated in an inexpensive wirelessly readable RLC-circuit (where R is resistor, L is inductor and C is capacitor). The performance of these sensors towards biogenic H2S produced during the spoilage of poultry meat in the modified atmosphere package was also demonstrated in this thesis. This serves as a proof of concept that these sensors can be utilized in real life applications.

Photon Upconverting Nanophosphors: Unique Reporters for Optical Biosensing

Upconversion photoluminescence is a unique property of mostly certain inorganic materials, which are capable of converting low-energy infrared radiation into a higher-energy emission at visible wavelengths. This anti-Stokes shift enables luminescence detection without autofluorescence, which makes the upconverting materials a highly suitable reporter technology for optical biosensing applications. Furthermore, they exhibit long luminescence lifetime with narrow bandwidths also at the optical window of biomaterials enabling luminescence measurements in challenging sample matrices, such as whole blood. The aim of this thesis was to study the unique properties and the applicability of nano-sized upconverting phosphors (UCNPs) as reporters in biosensing applications. To render the inorganic nanophosphors water-dispersible and biocompatible, they were subjected to a series of surface modifications starting with silica-encapsulation and ending with a bioconjugation step with an analyte-recognizing biomolecule. The paramagnetism of the lanthanide dopants in the nanophosphors was exploited to develop a highly selective separation method for the UCNP-bioconjugates based on the magnetic selectivity of the high gradient magnetic separation (HGMS) system. The applicability of the nano-sized UCNPs as reporters in challenging sample matrices was demonstrated in two homogeneous sensing applications based on upconversion resonance energy transfer (UC-RET). A chemosensor for intracellular pH was developed exploiting UC-RET between the UCNP and a fluorogenic pH-sensitive dye with strongly increasing fluorescence intensity in decreasing pH. The pH-independent emission of the UCNPs at 550 nm was used for referencing. The applicability of the pH-nanosensor for intracellular pH measurement was tested in HeLa cells, and the acidic pH of endosomes could be detected with a confocal fluorescence microscope. Furthermore, a competitive UC-RET-based assay for red blood cell folic acid was developed for the measurement of folate directly from a whole blood sample. The optically transparent window of biomaterials was used in both the excitation and the measurement of the UC-RET sensitized emission of a near-infrared acceptor dye to minimize sample absorption, and the anti-Stokes detection completely eliminated the Stokes-shifted autofluorescence. The upconversion photoluminescence efficiency is known to be dependent on crystallite size, because the increasing surface-to-volume ratio of nano-sized UCNPs renders them more susceptible to quenching effects of the environment than their bulk counterpart. Water is known to efficiently quench the luminescence of lanthanide dopants. In this thesis, the quenching mechanism of water was studied using luminescence decay measurements. Water was found to quench the luminescence of UCNPs by increasing the non-radiative relaxation of the excited state of Yb3+ sensitizer ion, which had a very strong quenching effect on upconversion luminescence intensity.

Lasten kirurginen hoitoprosessi muutoksessa - Lasten, nuorten, vanhempien ja henkilökunnan näkökulma

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kuvata lastenkirurgisen hoitoprosessin muutosta lasten ja nuorten sekä vanhempien ja henkilökunnan näkökulmista. Tutkimuksessa tarkasteltiin lastenkirurgisen hoitoprosessin laatua hoitopolun muuttuessa perinteisestä toiminnasta Leiko (Leikkaukseen kotoa) -mallin mukaiseksi. Tutkimus oli osa Helsingin Lastenklinikan anestesia- ja leikkaustoiminnan valmisteluosaston kehittämisprojektia, jossa tarkoituksena oli kuvata leikkaus- ja anestesiaprosessin uutta toimintatapaa, eri näkökulmista. Tavoitteena on tuottaa tietoa, jota hyödynnetään leikkaukseen valmisteluyksikön toiminnan kehittämisessä ja suunnittelussa Uudessa Lastensairaalassa 2017. Tutkimus on määrällinen kuvaileva tapaustutkimus. Aineistot kerättiin kyselylomakkeilla syys-marraskuussa 2014. Mittareina käytettiin Lasten Hoidon Laatu Sairaalassa (Pelander © 2008), Hyvä Hoito (Leino-Kilpi © 1995) ja KUNTO Muutoksen seurantakysely (Työterveyslaitos ©) -mittareita. Näkökulmina olivat 7–11-vuotiaiden lasten (n=17), 12–17-vuotiaiden nuorten (n=19) ja vanhempien (n=96) sekä henkilökunnan (n=37) kokemukset hoidon laadusta ja muutoksesta. Vanhempien, lasten ja nuorten aineistot kerättiin paperikyselyllä. Henkilökunnan kysely toteutettiin sähköisesti Webropol-ohjelmiston kautta kyselynä. Tutkimusaineistot analysoitiin tilastollisin menetelmin (SPSS 22.0). Aineistojen kuvailussa käytettiin frekvenssejä, prosenttijakaumia, keskiarvoja ja keskihajontaa. Mittarien avointen kysymysten vastaukset analysoitiin luokittelemalla. Lapset, nuoret ja vanhemmat kokivat hoidon laadun yksikössä hyvänä tai erittäin hyvänä. Tyytyväisimpiä oltiin hoitajiin ja kohteluun yksikössä. Ohjaukseen, mahdollisuuksiin osallistua hoitoon ja nykyisten tilojen ahtauden aiheuttamiin ongelmiin oltiin tyytymättömimpiä. Sekä lapset että nuoret kokivat vanhempien läsnäolon tärkeäksi. 7–11-vuotiaat lapset antoivat leikkaukseen valmisteluyksikölle (asteikolla 4–10) arvosanaksi 8 (kh 1,8). Nuorista ja vanhemmista noin puolet valitsisi mieluummin leikkaukseen valmisteluyksikön tulotapana. Kolmasosa ei osannut sanoa kantaansa. Leikkaukseen valmisteluyksikkö koettiin vuodeosastoa parempana, koska siellä oli paremmin aikaa valmistautua ja edeltävän yön sai viettää kotona. Henkilökunta koki muutoksen pääosin hyvänä ja erityisesti tunnistettiin vaikutukset vuodeosaston toiminnan rauhoittumisena. Muutoksen toteutuksen ja siitä tiedottamisen koettiin toteutuneen heikoimmin. Henkilökunta esitti kehittämisehdotuksia liittyen nykyisiin ahtaisiin tilojen ja toiminnan organisointiin. Lapset, nuoret ja vanhemmat olivat tyytyväisiä saamansa hoitoon leikkaukseen valmisteluyksikössä. Vanhempien ja lasten ja nuorten arvioissa hoidon laadun suhteen oli kuitenkin eroja. Muutoksessa henkilökunnan huomiointi voimavarana on tärkeää, jotta turvataan laadukas hoitotyö.

Epäorgaanisten nanopartikkeleiden muokkaaminen orgaanisten yhdisteiden avulla

Epäorgaanisten nanopartikkeleiden dispersioita käytetään laajasti mm. paperi-, maali- ja muoviteollisuudessa esim. optisten, termisten ja mekaanisten ominaisuuksien parantamiseen sekä kustannustehokkuuden nostamiseen. Viime vuosina nanokokoisten partikkeleiden käyttö on kasvanut myös biologisissa sovelluksissa. Dispersioiden parhaan toimivuuden kannalta ensisijaisen tärkeitä ovat niiden pysyvyys ja dispergoitumistaso. Primääristen partikkeleiden yhteenliittyminen eli agglomeraatio johtaa usein lopputuotteen huomattavaan ominaisuuksien huononemiseen. Partikkeleiden yhteenliittyminen voidaan estää neljällä eri tavalla: elektrostaattisesti, steerisesti, elektrosteerisesti ja tyhjennysstabilisaation avulla. Kolmessa viimeisessä tavassa stabilisaatio perustuu partikkeleiden pinnalle adsorboituvien tai liuoksessa vapaana olevien orgaanisten yhdisteiden keskinäisiin repulsiovuorovaikutuksiin. Eniten tutkitut stabilisaatiotavat ovat steerinen ja elektrosteerinen stabilisaatio. Niissä partikkelin pinnalle adsorboitunut orgaanisista molekyyleista koostuva kerros mahdollistaa partikkeleiden välisen repulsion. Adsorboituneen kerroksen ominaisuuksien luotettavalla määrityksellä on siis merkittävä osa dispersioiden stabiiliuden tutkimuksessa. Määrityksiin käytettävät tekniikat perustuvat mm. titrimetriaan, UV-vis-spektroskopiaan, FTIR-spektrofotometriaan tai termogravimetriaan. Työn teoriaosiossa esitetään tärkeimmät dispersioissa esiintyvät primääriset vuorovaikutukset (Lifshitz-van der Waals-voimat, happo–emäs-vuorovaikutukset, elektrostaattiset vuorovaikutukset ja Brownin liikkeen aikaansaamat vuorovaikutukset), minkä jälkeen käydään tarkemmin läpi niiden aikaansaamat stabilointimekanismit. Kolmannessa osiossa keskitytään adsorboituneiden pien- ja makromolekyylien pitoisuuksien, konformaatioiden ja kerrospaksuuksien määrittämiseen soveltuviin menetelmiin. Työn kokeellisessa osiossa etsitään luotettavaa menetelmää nano-CaCO3-partikkeleiden pinnalle adsorboituneen kaupallisen stabilointipolymeerin pitoisuuden määrittämiseksi. Tähän tarkoitukseen sovelletaan FTIR-spektrofotometriaan, UV-vis-spektroskopiaan ja titrimetriaan perustuvia menetelmiä. Tulokset osoittavat, että adsorptio on todennettavissa UV-vis – ja titrimetriamenetelmillä, mutta adsorboituneen makromolekyylin määrän määrittäminen onnistuu vain titrimetrisesti.

Development of 3D super-resolution tomographic STED microscopy and its application to studies on bone resorption

In this doctoral thesis, a tomographic STED microscopy technique for 3D super-resolution imaging was developed and utilized to observebone remodeling processes. To improve upon existing methods, wehave used a tomographic approach using a commercially available stimulated emission depletion (STED) microscope. A certain region of interest (ROI) was observed at two oblique angles: one at a standard inverted configuration from below (bottom view) and another from the side (side view) via a micro-mirror positioned close to the ROI. The two viewing angles were reconstructed into a final tomogram. The technique, named as tomographic STED microscopy, was able to achieve an axial resolution of approximately 70 nm on microtubule structures in a fixed biological specimen. High resolution imaging of osteoclasts (OCs) that are actively resorbing bone was achieved by creating an optically transparent coating on a microscope coverglass that imitates a fractured bone surface. 2D super-resolution STED microscopy on the bone layer showed approximately 60 nm of lateral resolution on a resorption associated organelle allowing these structures to be imaged with super-resolution microscopy for the first time. The developed tomographic STED microscopy technique was further applied to study resorption mechanisms of OCs cultured on the bone coating. The technique revealed actin cytoskeleton with specific structures, comet-tails, some of which were facing upwards and some others were facing downwards. This, in our opinion, indicated that during bone resorption, an involvement of the actin cytoskeleton in vesicular exocytosis and endocytosis is present. The application of tomographic STED microscopy in bone biology demonstrated that 3D super-resolution techniques can provide new insights into biological 3D nano-structures that are beyond the diffraction-limit when the optical constraints of super-resolution imaging are carefully taken into account.