Frequency-Domain and Wide-Pulse Time-Domain Measurements of Lanthanide Luminescence and Lanthanide-Based Resonance Energy Transfer

Resonance energy transfer (RET) is a non-radiative transfer of the excitation energy from the initially excited luminescent donor to an acceptor. The requirements for the resonance energy transfer are: i) the spectral overlap between the donor emission spectrum and the acceptor absorption spectrum, ii) the close proximity of the donor and the acceptor, and iii) the suitable relative orientations of the donor emission and the acceptor absorption transition dipoles. As a result of the RET process the donor luminescence intensity and the donor lifetime are decreased. If the acceptor is luminescent, a sensitized acceptor emission appears. The rate of RET depends strongly on the donor–acceptor distance (r) and is inversely proportional to r6. The distance dependence of RET is utilized in binding assays. The proximity requirement and the selective detection of the RET-modified emission signal allow homogeneous separation free assays. The term lanthanide-based RET is used when luminescent lanthanide compounds are used as donors. The long luminescence lifetimes, the large Stokes’ shifts and the intense, sharply-spiked emission spectra of the lanthanide donors offer advantages over the conventional organic donor molecules. Both the organic lanthanide chelates and the inorganic up-converting phosphor (UCP) particles have been used as donor labels in the RET based binding assays. In the present work lanthanide luminescence and lanthanide-based resonance energy transfer phenomena were studied. Luminescence lifetime measurements had an essential role in the research. Modular frequency-domain and time-domain luminometers were assembled and used successfully in the lifetime measurements. The frequency-domain luminometer operated in the low frequency domain ( 100 kHz) and utilized a novel dual-phase lock-in detection of the luminescence. One of the studied phenomena was the recently discovered non-overlapping fluorescence resonance energy transfer (nFRET). The studied properties were the distance and temperature dependences of nFRET. The distance dependence was found to deviate from the Förster theory and a clear temperature dependence was observed whereas conventional RET was completely independent of the temperature. Based on the experimental results two thermally activated mechanisms were proposed for the nFRET process. The work with the UCP particles involved the measurement of the luminescence properties of the UCP particles synthesized in our laboratory. The goal of the UCP particle research is to develop UCP donor labels for binding assays. In the present work the effect of the dopant concentrations and the core–shell structure on the total up-conversion luminescence intensity, the red–green emission ratio, and the luminescence lifetime was studied. Also the non-radiative nature of the energy transfer from the UCP particle donors to organic acceptors was demonstrated for the first time in aqueous environment and with a controlled donor–acceptor distance.

Strong magnetic field pulse generator

High magnetic fields and extremely low temperatures are essential in the study of new semiconductor materials for example in the field of spintronics. Typical phenomenons that arise in such conditions are: Hall Effect, Anomalous Hall effect and Shubnikov de-Haas effect. In this thesis a device capable for such conditions was described. A strong magnetic field pulse generator situated in the laboratory of physics and the Lappeenranta University of Technology was studied. The device is introduced in three parts. First one is the pulsed field magnetic generator, which is responsible for generating the high magnetic field. Next one is the measurement systems, which are responsible for monitoring the sample and the system itself. The last part describes the cryostat system, which allows the extremely cold temperatures in the system.

Photodamage to Oxygen Evolving Complex - An Initial Event in Photoinhibition of Photosystem II.

Photosystem II (PSII) of oxygenic photosynthesis is susceptible to photoinhibition. Photoinhibition is defined as light induced damage resulting in turnover of the D1 protein subunit of the reaction center of PSII. Both visible and ultraviolet (UV) light cause photoinhibition. Photoinhibition induced by UV light damages the oxygen evolving complex (OEC) via absorption of UV photons by the Mn ion(s) of OEC. Under visible light, most of the earlier hypotheses assume that photoinhibition occurs when the rate of photon absorption by PSII antenna exceeds the use of the absorbed energy in photosynthesis. However, photoinhibition occurs at all light intensities with the same efficiency per photon. The aim of my thesis work was to build a model of photoinhibition that fits the experimental features of photoinhibition. I studied the role of electron transfer reactions of PSII in photoinhibition and found that changing the electron transfer rate had only minor influence on photoinhibition if light intensity was kept constant. Furthermore, quenching of antenna excitations protected less efficiently than it would protect if antenna chlorophylls were the only photoreceptors of photoinhibition. To identify photoreceptors of photoinhibition, I measured the action spectrum of photoinhibition. The action spectrum showed resemblance to the absorption spectra of Mn model compounds suggesting that the Mn cluster of OEC acts as a photoreceptor of photoinhibition under visible light, too. The role of Mn in photoinhibition was further supported by experiments showing that during photoinhibition OEC is damaged before electron transfer activity at the acceptor side of PSII is lost. Mn enzymes were found to be photosensitive under visible and UV light indicating that Mn-containing compounds, including OEC, are capable of functioning as photosensitizers both in visible and UV light. The experimental results above led to the Mn hypothesis of the mechanism of continuous-light-induced photoinhibition. According to the Mn hypothesis, excitation of Mn of OEC results in inhibition of electron donation from OEC to the oxidized primary donor P680+ both under UV and visible light. P680 is oxidized by photons absorbed by chlorophyll, and if not reduced by OEC, P680+ may cause harmful oxidation of other PSII components. Photoinhibition was also induced with intense laser pulses and it was found that the photoinhibitory efficiency increased in proportion to the square of pulse intensity suggesting that laser-pulse-induced photoinhibition is a two-photon reaction. I further developed the Mn hypothesis suggesting that the initial event in photoinhibition under both continuous and pulsed light is the same: Mn excitation that leads to the inhibition of electron donation from OEC to P680+. Under laser-pulse-illumination, another Mn-mediated inhibitory photoreaction occurs within the duration of the same pulse, whereas under continuous light, secondary damage is chlorophyll mediated. A mathematical model based on the Mn hypothesis was found to explain photoinhibition under continuous light, under flash illumination and under the combination of these two.

Suotautuneen massakakun irtoamisominaisuudet

Tässä työssä tutkittiin suotautuneen massakakun adheesiota teräspinnalle. Muuttujina käytettiin tyypillisiä pesuprosessin arvoja. Lisäksi tutkittiin teollisessa pesulaitteessa massakakun irrotuksessa käytettävän paineilmapulssin käyttäytymistä. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin suotautuneen massakakun muodostumista, adheesiota ja adheesioon vaikuttavia tekijöitä massakakun irrotuksen kannalta. Lisäksi massakakun irrotuksessa käytettävän paineilman virtaustatarkasteltiin adiabaattisena virtauksena. Kokeellisen osan irrotuskokeissa tutkittiin suotautuneen massakakun adheesiovoimia teräksisen kartion laitoihin ja reikälevyyn. Kokeissa tutkittiin tyypillisten prosessi-muuttujien kuten lämpötilan, pH:n ja kuiva-ainepitoisuuden vaikutusta tarvittavaan kakun irrotusvoimaan. Lisäksi tutkittiin myös kartion kulman ja pinnanlaadun vaikutusta. Adheesiokokeiden perusteella pystyttiin laskemaan massakakun irrotukseen tarvittava rajapaine teollisen pesulaitteen lokeron suodoskanavassa. Kokeellisen osan paineilmakokeissa tutkittiin irrotuksessa käytettävän paineilman painevaikutusta ja virtausta teollisen pesulaitteen lokerossa ja näihin vaikuttavia rakenteellisten ja prosessiteknisten parametrien vaikutusta. Lisäksi tutkimusta täydennettiin videokuvauksen avulla tutkimalla paineaallon etenemistä merkkiaineen avulla.

Verkkovaihtosuuntaajan vektorisäädön toteutus FPGA-piirillä

Verkkovaihtosuuntaajalla pystytään muuntamaan tasajännite vaihtojännitteeksi ja päinvastoin. Verkkovaihtosuuntaajan toiminta perustuu tehokytkinten ohjaukseen ja sopivan modulointimenetelmän käyttöön. Vektorisäädössä vaihtosuuntaajanvirrat ja jännitteet esitetään kompleksitasossa, jolloin virta- ja jännitekomponentit voidaan esittää vektoreina. Vektorisäädössä verkkovaihtosuuntaajan ohjaustoteutetaan laskemalla kompleksitasossa vektoreille arvot, jotka tuottavat vaihtosuuntaajan lähtöön halutun vektorin. Koska FPGA-piirit mahdollistavat nopean rinnakkaisen laskennan, soveltuvat ne hyvin vektorisäädön toteuttamiseen. FPGA-piirien rakenteesta johtuen on säätöjärjestelmän suunnittelussa huomioitava kiinteän pilkun lukujen riittävä bittileveys ja järjestelmän diskretointiaika. Työssä suunnitellaan verkkovaihtosuuntaajan vektorisäätö ja tutkitaan bittileveyden vaikutusta säädön toteuttamiseen FPGA-piirillä. Bittileveyden tarkasteluun esitetään käytettäväksi tilastollisia menetelmiä. Työssä tarkastellaan kiinteän pilkun järjestelmän ja liukulukujärjestelmän erosuureen tilastollisia tunnusmerkkejä sekä histogrammia. Tarkasteluissa huomattiin, että maksimivirhe itsessään ei tarjoa riittävästi tietoa erosuureen jakautumisesta. Näin ollen maksimivirhe ei ole kaikissa tilanteissa sovelias menetelmä riittävän bittitarkkuuden määrittämiseen. Työssä esitetään riittävän bittitarkkuuden määrittelemiseen käytettäväksi otossuureista otosvarianssia, keskipoikkeamaa ja vaihteluväliä.

Sulpun kuvantaminen painelajittelussa

Painelajittelussa sellusta poistetaan epäpuhtauksia. Painelajittimien suunnittelussa on tärkeää ymmärtää lajittimessa tapahtuvia ilmiöitä. Työn tavoitteena oli kehittää kuvaamiseen perustuva mittausjärjestelmä kuitujen liikkeiden mittaamista varten. Mittauksen kohteena ovat sellusulpun kuitujen ja epäpuhtauksien nopeudet. Kuvaamisessa käytetyllä kaksoisvalotuksella pystytään mittaamaan kuitujen ja roskien nopeuksia. Nopeuksien mittaamiseen kuvista kehitettiin järjestelmä ja tutkittiin mahdollisuutta automatisoida mittaaminen. Yksittäisten kuitujen havaitsemiseen sellumassasta käytettiin optisella kirkasteella kirkastettuja kuituja ja UV-valoa. Kuituja värjättiin myös mustiksi ja kuvattiin näkyvällä valolla. Kaksoisvalotukseen käytettiin kahta stroboskooppia. Prosessin kuvaamisessa käytettiin ulkoisella herätteellä ohjattavaa kameraa. Kuvan tuomiseen kameralle ja kohteen valaistukseen käytettiin boroskooppia. Saatujen kuvien käsittelyä ja nopeuksien mittausta varten tehtiin tietokoneohjelma. Käytetyn boroskoopin valovoima ei ollut riittävä kuvausten suorittamiseen, mutta muilta osin laitteisto havaittiin toimivaksi. Kuitujen ja roskien nopeuksia pystyttiin laskemaan ohjelmalla kuvista, joita otettiin ilman boroskooppia. Mittaustiedon hankinnan automatisointi näyttää mahdolliselta tekemällä muutoksia kuvauslaitteistoon.

Yhteismuotosuodatus taajuusmuuttajan lähdössä

Tässädiplomityössä selvitettiin taajuusmuuttajan synnyttämien yhteismuotoisten häiriöiden syntyä, ominaisuuksia, kulkureittejä sekä erilaisia tekniikoita toteuttaa yhteismuotosuodatus taajuusmuuttajan lähdössä. Työssä suunniteltiin ja mitoitettiin yhteismuotosuodatin, josta valmistettiin prototyyppi. Suodatinta testattiin laboratoriossa ja mittauksissa käytettiin erilaisia suodattimen kapasitanssin arvoja ja neutraalin pisteen kytkennän variaatioita. Mittauksilla selvitettiin suodattimen kyky suodattaa myös yhteismuotoisten jännitteiden lisäksi eromuotoista jännitettä, akselijännitettä ja vaihevirtaa. Mittaustulosten perusteella voitiin todeta suunnitellun suodattimen parantavan merkittävästi taajuusmuuttajalta moottorille syötettävän sähkön laatua ja loiventavan ennen kaikkea yhteismuotoisen jännitepulssin nousureunaa.