Puun modifioinnin mahdollisuudet kyllästämällä

Puulla on laajat ja monipuoliset käyttömahdollisuudet rakentamisen ja sisustamisen alalla. Puumateriaalin kilpailukyvyn ylläpitäminen ja parantaminen vaatii uusien modifiointimahdollisuuksien kehittämistä ja parantamista. Modifioimalla puuta voidaan parantaa sen ominaisuuksia käyttötarkoitusta vaativalle tasolle. Diplomityössä selvitetään puumateriaalin soveltuvuutta modifiointiin, modifioinnin luokittelua sekä erilaisia modifiointimenetelmiä. Työn tavoitteena on tutkia modifioinnin onnistumiseen vaikuttavia tekijöitä. Työn tavoitteena on tutkia myös modifioinnin vaikutuksia mekaanisiin-, UV-kestävyys- ja kosteusominaisuuksiin. Modifioinnin onnistumista tarkasteltiin painoprosentin kasvulla ja SEM-mikroskooppikuvien avulla. Mekaanisia ominai-suuksia testattiin taivutuslujuus-, kovuus- ja iskulujuustesteillä. Lisäksi vaikutuksia testattiin veden absorptio- ja paksuusturpoamatesteillä sekä UV-valon vaikutuksen alaisena. Työn perusteella pintapuu on sydänpuuta helpompi kyllästää. Puuaineksen alhainen tiheys ja suuri kasvunopeus lisäävät kyllästymistä. Kyllästysliuoksen ominaisuuksista kyllästymistä edesauttaa alhainen viskositeetti ja riittävän pieni molekyylikoko. Mekaanisista ominaisuuksista vain iskulujuus heikentyy kyllästämisen vaikutuksesta. Melamiinilla kyllästäminen lisää puun kovuutta ja parantaa suojaa kosteuden vaikutuksilta. Silikonilla kyllästäminen suojaa puuta kosteuden ja UV-valon vaikutuksilta lyhyellä aikajaksolla.

Upconverting diagnostics: Multiplex assays utilizing upconversion luminescence technology

Conventional diagnostics tests and technologies typically allow only a single analysis and result per test. The aim of this study was to propose robust and multiplex array-inwell test platforms based on oligonucleotide and protein arrays combining the advantages of simple instrumentation and upconverting phosphor (UCP) reporter technology. The UCPs are luminescent lanthanide-doped crystals that have a unique capability to convert infrared radiation into visible light. No autofluorescence is produced from the sample under infrared excitation enabling the development of highly sensitive assays. In this study, an oligonucleotide array-in-well hybridization assay was developed for the detection and genotyping of human adenoviruses. The study provided a verification of the advantages and potential of the UCP-based reporter technology in multiplex assays as well as anti-Stokes photoluminescence detection with a new anti- Stokes photoluminescence imager. The developed assay was technically improved and used to detect and genotype adenovirus types from clinical specimens. Based on the results of the epidemiological study, an outbreak of adenovirus type B03 was observed in the autumn of 2010. A quantitative array-in-well immunoassay was developed for three target analytes (prostate specific antigen, thyroid stimulating hormone, and luteinizing hormone). In this study, quantitative results were obtained for each analyte and the analytical sensitivities in buffer were in clinically relevant range. Another protein-based array-inwell assay was developed for multiplex serodiagnostics. The developed assay was able to detect parvovirus B19 IgG and adenovirus IgG antibodies simultaneously from serum samples according to reference assays. The study demonstrated that the UCPtechnology is a robust detection method for diverse multiplex imaging-based array-inwell assays.

Physico-chemical characterization of nanoparticle coated paper

Förståelse av olika ytors vätningsegenskaper är viktig i många pappers-relaterade industriella processer eftersom vätningen påverkar materialbeteendet, t.ex. vid bestrykning, tryckning och laminering. Förmågan att kontrollera vätningen är av intresse, därför att den ger nya möjligheter till modifikation av ytor. Vätningen styrs av ytans struktur och kemi. Kunskap om dessa egenskaper krävs både i fundamentala studier och för industriella applikationer. Nanopartiklar används ofta för att skapa funktionella ytor med mångsidiga egenskaper. Detta arbete strävar till att förstå de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos papper och kartong som är bestrukna med nanopartiklar, för att sedan kunna förklara de observerade förändringarna i ytornas vätningsförmåga. Funktionella ytor med justerbar vätningsförmåga tillverkades genom att deponera nanopartiklar i en rulle-till-rulle vätskeflammasprutningprocess (LFS). TiO2 -nanopartikelbeläggningen skapar en superhydrofob yta som har över 160° kontaktvinkelmed vatten, medan SiO2-nanopartikelbeläggningar skapar mycket hydrofila ytor med kontaktvinklar så låga som 21° med vatten. Superhydrofobiciteten eller hydrofiliteten är ett resultat av den kombinerade effekten hos ytstrukturen och ytkemin, såsom nanopartiklarnas oxidationsnivå eller karbonatiseringsnivå. Kartongytor som är bestrukna med TiO2-nanopartiklar kan vara såväl superhydrofoba som hydrofila. Hydrofilitet kan induceras genom UVA-strålning, medan behandling i hög temperatur i ugn resulterar i en superhydrofob yta. Ett mål med arbetet var att förstå mekanismerna hos de kemiska för ändringar som sker under UVA-bestrålning och värmebehandling av ytor, bestrukna med TiO2-nanopartiklar. Ytornas abrasions- och kompressionsmotstånd samt relaterade förändringar i funktionella egenskaper undersöktes. Resultaten skapar en bättre förståelse för potentiell användning av LFS-nanopartikelbeläggningar i pappersrelaterade applikationer. En förståelse för stabiliteten hos nanopartikelbeläggningarna när de exponeras för externa krafter är viktig för att försäkra deras funktionalitet i industriella applikationer och för att garantera beläggningarnas miljö-, hälso- och säkerhetsaspekter. ------------------------------------------ Pinnan kastumisominaisuuksien hallinta on tärkeää monissa paperiteollisuuden prosesseissa, sillä pinnan kastuminen vaikuttaa esimerkiksi päällystämiseen, painamiseen ja laminointiin. Pinnan kastuvuuden säätäminen avaa mielenkiintoisia uusia mahdollisuuksia pintojen ominaisuuksien hallintaan. Pinnan kastuvuus määräytyy pinnan rakenteesta ja kemiasta, ja näiden ominaisuuksien ymmärtäminen on tärkeää sekä perustutkimuksessa että teollisissa sovelluksissa. Nanopartikkeleita käytetään usein toiminnallisten ja hallitusti kastuvien pintojen aikaansaamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu nanopartikkelipinnoitetun paperin ja kartongin fysikaalis-kemiallisia pintaominaisuuksia, jotka selittävät havaittuja muutoksia pinnan kastuvuudessa. Toiminnalliset pinnat säädettävillä kastuvuusominaisuuksilla valmistettiin nesteliekkiruiskutus (LFS) nanopartikkelipinnoituksella rullalta rullalle-menetelmällä. TiO2-nanopartikkelipäällystys saa aikaan superhydrofobisen pinnan, jonka veden kontaktikulma on suurempi kuin 160°. Toisaalta SiO2-nanopartikkelipäällystys muuttaa pinnan hyvin hydrofiiliseksi, veden kontaktikulman ollessa vain 21°. Pinnan superhydrofobisuus tai hydrofiilisyys riippuu nanopartikkelipinnan rakenteesta ja pintakemiasta kuten pinnan hapettumisasteesta ja hiilipitoisuudesta. TiO2-nanopartikkelipinnoitetun kartonkipinnan kastumista voidaan säätää superhydrofobisen ja hydrofiilisen välillä. Pinnan hydrofiilisyys saadaan aikaan UVA-valolla, kun taas superhydrofobinen pinta voidaan palauttaa korkeassa lämpötilassa uunissa. Tämän työn tavoitteena oli selvittää, millaisia muutoksia TiO2-nanopartikkelipäällystetyn pinnan kemiassa tapahtuu UVA-valon ja lämpökäsittelyn vaikutuksesta. Työssä tarkasteltiin myös pinnan mekaanisen hankauksen ja kokoonpuristuksen vaikutusta toiminnallisiin ominaisuuksiin. Työssä saavutetut tulokset auttavat ymmärtämään LFS-nanopartikkelipäällystettyjen pintojen soveltuvuutta paperiin liittyvissä sovelluksissa. Nanopartikkelipäällystettyjen pintojen stabiilius ulkoisten voimien alaisena on tärkeää toiminnallisten päällystysten ympäristö-, terveys- ja turvallisuusnäkökulmia tarkasteltaessa.

Rakennettu areenatähteys. Rock-konsertti globalisoituvana mediaspektaakkelina 1965-2013

Kulttuurihistorian alaan kuuluva artikkeliväitöskirja edustaa populaarikulttuurin ja tarkemmin populaarimusiikin tutkimusta kiinnittyen ennen muuta audiovisuaalisen mediakulttuurin muutokseen 1960-luvulta tähän päivään. Väitöskirja käsittelee Pink Floydin, The Rolling Stonesin, U2:n ja Peter Gabrielin areenakonserttikiertueita ja kyseisten kiertueiden lavasuunnittelijoiden Mark Fisherin ja Robert Lepagen toimintaa. Tutkimus tarkastelee, miten jättiläismäiset mediaspektaakkelit saivat alkunsa, ammattimaistuivat ja globalisoituivat vuosien 1965–2013 välillä. Analyysin kohteena on se, miten ne rakentuivat ja toisaalta rakensivat areenatähteyttä sekä uudistivat audiovisuaalista kulttuuria. Konserttien avainkohtia ja populaarijulkisia aineistoja hermeneuttisesti tulkiten ja lähilukien sekä historiallisesti kontekstoiden tutkimus rakentaa kulttuurihistoriallisen kokonaistulkinnan viihdeteollisuuden mahtipontiseksi muotoutuneen ilmiön tuotannosta. Tutkimuksen lähtökohtana on populaarimusiikkitähden vaikutus 1900-luvun jälkipuoliskon ja 2000-luvun alun massamediassa ja kulttuurissa. Tarkastelemalla areenarockin mediaspektaakkeleiden kulttuurihistoriaa tutkimus ottaa kantaa niihin kaupallisiin, teknologisiin ja poliittisiin muutoksiin, jotka ovat viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana mahdollistaneet tähteyden globaalia leviämistä. Tämän muutoksen seurauksena lähes kenestä tahansa voi tulla tähti ja lähes mistä tahansa kulttuuri-ilmiöstä voi tulla populaaria. Mutta vain jotkut tähdet ja yhtyeet esiintyvät täysille areenoille. Areenakonsertit ovatkin tähteysilmiön keskeisiä huipentumia, globaalin viihdekulttuurin äärimmäisiä manifestaatioita. Nykyiset areenoilla tapahtuvat mediaspektaakkelit ovat monimutkaista audiovisuaalista musiikkiteatteria, jossa kaikkien esityksen elementtien – teatraalisten ja audiovisuaalisten efektien – tulee olla mahdollisimman suuria ja taitavasti rytmitettyjä. Mediaspektaakkelien analyysissa tulee erityisesti kohdistaa huomio erilaisten medioiden suhteisiin sekä kysymykseen siitä, miten suuri osa audiovisuaalista konserttikokemusta itse asiassa on ennalta rakennettua ja nauhoitettua. Lavasuunnittelu yhdistää esiintyjän teatraaliset eleet ja esiintymisen laajempaan audiovisuaaliseen ja ennalta mietittyyn temaattiseen kokonaisuuteen. Tähän kuuluvat suurten konserttilavojen kertakäyttöarkkitehtuuri, valon ja pintojen yhdistäminen populaariin kuvastoon sekä itse teoksien audiovisuaalisen kerronnan historiallisiin ja nostalgisiin viitteisiin.

Tiedustelu ja sen merkitys 2. divisioonan taistelussa Äyräpään-Vuosalmen alueella kesällä 1944

Äyräpään–Vuosalmen torjuntataistelu käytiin 20.6.–18.7.1944. Taistelu voidaan jakaa kah-teen vaiheeseen. Taisteluja käytiin Äyräpäässä Vuoksen etelärannalla sekä Vuosalmella Vuoksen pohjoisrannalla, jossa Neuvostoliiton joukkojen hyökkäys pysäytettiin. Suomalaisia taisteluihin osallistui kolmesta divisioonasta ja yhdestä prikaatista. Neuvostojoukoilla oli käytössään kolmen armeijakunnan voimat. Kokonaisuudessaan neuvostojoukkojen käytössä oli siis yhteensä yhdeksän divisioonaa sekä suuri joukko vahvennuksia. Suomalaisten III Armeijakunnan alainen 2. Divisioona osallistui Äyräpään–Vuosalmen torjuntataisteluun tais-teluiden alkamisesta 20. kesäkuuta aina taisteluiden laantumiseen saakka heinäkuun 18. päi-vänä. Tutkimuksessa selvitetään jatkosodan aikana käytössä olleet tiedustelumenetelmät, Äyrä-pään–Vuosalmen torjuntataistelussa toteutettu 2. Divisioonaa koskeva tiedustelutoiminta sekä näiden tietojen käyttö taisteluiden aikana. Tutkimustehtävän vastausten sekä niiden toi-siinsa vertailun ja analysoinnin avulla arvioidaan tiedustelun merkitystä 2. Divisioonan tais-telulle Äyräpään–Vuosalmen torjuntataistelussa. Tutkimuksen päämenetelmänä on kvalitatiivinen analyysi. Pääaineistona tutkimuksessa ovat Kansallisarkiston arkistolähteet, jatkosotaan liittyvä tutkimuskirjallisuus sekä jatkosodan aikana voimassa olleet ohjesäännöt ja oppaat. Arkistolähteistä hyödyllisimpiä ovat 2. Divisi-oonan ja III Armeijakunnan esikuntien tiedustelupäiväkirjat, muut tiedustelua koskevat asia-kirjat sekä 2. Divisioonan ja sen alaisten joukkojen sotapäiväkirjat. Tutkimuskirjallisuusläh-teistä hyödyllisimpiä ovat tiedusteluun, viholliseen sekä 2. Divisioonaan liittyvät teokset. Jatkosodan aikana tiedustelussa käytettyjä päälajeja olivat maatähystys, liikkuva maatiedus-telu eli partiotiedustelu, ilmatiedustelu, vankien, yliloikkareiden ja paikallisten asukkaiden kuulustelu, viholliselta, vangeilta, yliloikkareilta, kaatuneilta, esikunnista ja muualta talteen otettujen asiakirjojen tutkiminen, kuuntelu ja suuntiminen, valon- ja äänenmittaus sekä salai-nen tiedustelu. Tiedustelumenetelmistä 2. Divisioonan kannalta merkityksellisimmiksi mene-telmiksi muodostuivat maatähystys, sotavankien kuulustelu sekä ilmatiedustelu. Muut toteu-tetut tiedustelumenetelmät tukivat ja antoivat oman lisänsä kokonaistiedustelulle. Oman merkittävän osansa tiedustelutoiminnassa muodosti tietojen vaihto. Parhaimpaan lopputulok-seen päästiin keinojen ja tietojen yhdistelemisellä, ja sitä kautta kattavalla tiedustelulla ja analysoinnilla. Selkeät puutteet 2. Divisioonan kokonaistiedusteluverkossa ovat löydettävissä vastustajan etulinjan taakse ulottuvasta tiedustelusta ja tiedustelutietojen käytöstä. Kokonais-tiedustelulla kyettiin luomaan riittävän selkeä kuva taistelualueella olevasta vihollisesta. Ny-kypäivän näkökulmasta katsottuna tiedustelulla ei kuitenkaan kyetty luomaan riittävää ana-lyysia ja arviota tiedustelutiedoista, jotta päätöksenteon tukena olisi ollut joka tilanteessa riittäviä ennakoivia arvioita vihollisen tulevasta toiminnasta.

Oxygen Photoreduction in Cyanobacteria

Cyanobacteria are well-known for their role in the global production of O2 via photosynthetic water oxidation. However, with the use of light energy, cyanobacteria can also reduce O2. In my thesis work, I have investigated the impact of O2 photoreduction on protection of the photosynthetic apparatus as well as the N2-fixing machinery. Photosynthetic light reactions produce intermediate radicals and reduced electron carriers, which can easily react with O2 to generate various reactive oxygen species. To avoid prolonged reduction of photosynthetic components, cyanobacteria use “electron valves” that dissipate excess electrons from the photosynthetic electron transfer chain in a harmless way. In Synechocystis sp. PCC 6803, flavodiiron proteins Flv1 and Flv3 comprise a powerful electron sink redirecting electrons from the acceptor side of Photosystem I to O2 and reducing it directly to water. In this work, I demonstrate that upon Ci-depletion Flv1/3 can dissipate up to 60% of the electrons delivered from Photosystem II. O2 photoreduction by Flv1/3 was shown to be vital for cyanobacteria in natural aquatic environments and deletion of Flv1/3 was lethal for both Synechocystis sp. PCC 6803 and Anabaena sp. PCC 7120 under fluctuating light conditions. The lethal phenotype observed in the absence of Flv1/3 results from oxidative damage to Photosystem I, which appeared to be a primary target of reactive oxygen species produced upon sudden increases in light intensity. Importantly, cyanobacteria also possess other O2 photoreduction pathways which can protect the photosynthetic apparatus. This study demonstrates that respiratory terminal oxidases are also capable of initiating O2 photoreduction in mutant cells lacking the Flv1/3 proteins and grown under fluctuating light. Photoreduction of O2 by Rubisco was also shown in Ci-depleted cells of the mutants lacking Flv1/3, and thus provided the first evidence for active photorespiratory gas-exchange in cyanobacteria. Nevertheless, and despite the existence of other O2 photoreduction pathways, the Flv1/3 route appears to be the most robust and rapid system of photoprotection. Several groups of cyanobacteria are capable of N2 fixation. Filamentous heterocystous N2- fixing species, such as Anabaena sp. PCC 7120, are able to differentiate specialised cells called heterocysts for this purpose. In contrast to vegetative cells which perform oxygenic photosynthesis, heterocysts maintain a microoxic environment for the proper function of the nitrogenase enzyme, which is extremely sensitive to O2. The genome of Anabaena sp. PCC 7120 harbors two copies of genes encoding Flv1 and Flv3 proteins, designated as “A” and “B” forms. In this thesis work, I demonstrate that Flv1A and Flv3A are expressed only in the vegetative cells of filaments, whilst Flv1B and Flv3B are localized exclusively in heterocysts. I further revealed that the Flv3B protein is most responsible for the photoreduction of O2 in heterocysts, and that this reaction plays an important role in protection of the N2-fixing machinery and thus, the provision of filaments with fixed nitrogen. The function of the Flv1B protein remains to be elucidated; however the involvement of this protein in electron transfer reactions is feasible. Evidence provided in this thesis indicates the presence of a great diversity of O2 photoreduction reactions in cyanobacterial cells. These reactions appear to be crucial for the photoprotection of both photosynthesis and N2 fixation processes in an oxygenic environment.

Pimeyden puolesta, valaisevasti

Kirjallisuusarvostelu

Lämpökameroiden käyttö helikoptereissa

Lämpökamera on yleinen varuste nykyaikaisissa etsintä- ja pelastustehtäviin sekä sotilaskäyttöön tarkoitetuissa helikoptereissa. Tämän tutkielman päätarkoitus on selvittää, kuinka helikopteriin asennettu lämpökamera vaikuttaa sen suorituskykyyn eri tehtävissä. Aluksi käsitellään helikoptereiden tehtäviä rauhan ja sodan aikana sekä lämpökameran toimintaa ja suorituskykyä eri olosuhteissa. Tutkimus on rajattu käsittelemään vain Suomen valtion käytössä olevia Rajavartiolaitoksen ja Puolustusvoimien helikoptereita. Tutkimus on laadullinen eli kvalitatiivinen tutkimus, ja tutkimusmenetelmänä on käytetty sisällönanalyysiä. Lähteinä on käytetty erilaisia kirjoja, muita julkaisuja ja tutkimuksia, Internetsivuja sekä asiantuntijahaastattelua. Helikoptereita käytetään Suomessa varsinkin rauhan aikana hyvin monipuolisissa tehtävissä. Myös sodan aikana varaudutaan suorittamaan useita erilaisia tehtäviä. Lämpökameraa hyödynnetään lähinnä etsintä- ja pelastustehtävissä. Niiden prosentuaalinen osuus lentotunneista ei ole kovin suuri, mutta ne ovat usein kaikista tehtävistä haastavimpia suorittaa. Lämpökamera osoittautui tutkimuksen perusteella hyödylliseksi apuvälineeksi silmällä ja pimeänäkökiikareilla tähystämisen ohella. Lämpökameralla on kuitenkin monia heikkouksia, joista suurimpana sen herkkyys olosuhteiden vaihtelulle. Esimerkiksi sateessa ja sumussa lämpökameran suorituskyky heikkenee hyvin olennaisesti. Parasta aikaa lämpökameran käytölle on selkeä ja kylmä talvisää. Lämpökamera muodostaa kuvan pelkästään kappaleiden lähettämän lämpösäteilyn perusteella, mikä on erittäin pimeissä olosuhteissa etu valon vahvistamiseen perustuviin pimeänäkökiikareihin nähden.

Komppaniatason tiedustelulennokin rakenne ja vaatimukset

Tutkimuksen pääongelma on: Minkälaisia vaatimuksia komppanian tasolla operoivalle tiedustelulennokille on asetettava? Lisäksi tutkimuksessa pyritään vastaamaan kysymykseen: Minkälaisia ja -tasoisia sensoreita lennokissa tulisi olla, jotta se vastaisi komppaniatasan tiedon tarpeisiin? Tutkielman tarkastelutapa on kirjallisuusselvitys, eikä tutkielmaan liity empiirisiä kokeita. Jalkaväkitaktiikka otetaan huomioon pohdittaessa erilaisten teknisten ratkaisuiden soveltuvuutta komppaniatason tiedustelulennokkijärjestelmään. Tutkimus on kirjallisuustutkimus, jossa lähteenä on käytetty eri internetsivuja, tutkimuksia ja kirjoja. Kysymyksiin haetaan vastauksia tutustumalla maailmalla kehitettyihin SUAV ja TUAV CR -järjestelmiin sekä niihin liittyviin tekniikoihin. Tutkielmassa ilmeni, että komppaniatason taktiseen tiedusteluun käytetään pääasiassa mini-UAV -kategorian lennokkijärjestelmiä, joiden suurin tehokas toimintasäde on noin 10 kilometriä, sensoreina käytetään näkyvän valon alueella sekä infrapuna-alueella toimivia videokameroita, sekä lisäksi sensoreita biologisten ja kemiallisten taisteluaineiden havaitsemiseen.

Spatiotemporal Features of Coastal Waters in Southwest Finland

In coastal waters, physico-chemical and biological properties and constituents vary at different time scales. In the study area of this thesis, within the Archipelago Sea in the northern Baltic Sea, seasonal cycles of light and temperature set preconditions for intra-annual variations, but developments at other temporal scales occur as well. Weather-induced runoffs and currents may alter water properties over the short term, and the consequences over time of eutrophication and global changes are to a degree unpredictable. The dynamic characteristics of northern Baltic Sea waters are further diversified at the archipelago coasts. Water properties may differ in adjacent basins, which are separated by island and underwater thresholds limiting water exchange, making the area not only a mosaic of islands but also one of water masses. Long-term monitoring and in situ observations provide an essential data reserve for coastal management and research. Since the seasonal amplitudes of water properties are so high, inter-annual comparisons of water-quality variables have to be based on observations sampled at the same time each year. In this thesis I compare areas by their temporal characteristics, using both inter-annual and seasonal data. After comparing spatial differences in seasonal cycles, I conclude that spatial comparisons and temporal generalizations have to be made with caution. In classifying areas by the state of their waters, the results may be biased even if the sampling is annually simultaneous, since the dynamics of water properties may vary according to the area. The most comprehensive view of the spatiotemporal dynamics of water properties would be achieved by means of comparisons with data consisting of multiple annual samples. For practical reasons, this cannot be achieved with conventional in situ sampling. A holistic understanding of the spatiotemporal features of the water properties of the Archipelago Sea will have to be based on the application of multiple methods, complementing each other’s spatial and temporal coverage. The integration of multi-source observational data and time-series analysis may be methodologically challenging, but it will yield new information as to the spatiotemporal regime of the Archipelago Sea.

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.

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.

Monolithic zirconium dioxide as a full contour restorative material: With special emphasis on the optical and mechanical properties

Full contour monolithic zirconia restorations have shown an increased popularity in the dental field over the recent years, owing to its mechanical and acceptable optical properties. However, many features of the restoration are yet to be researched and supported by clinical studies to confirm its place among the other indirect restorative materials This series of in vitro studies aimed at evaluating and comparing the optical and mechanical properties, light cure irradiance, and cement polymerization of multiple monolithic zirconia material at variable thicknesses, environments, treatments, and stabilization. Five different monolithic zirconia materials, four of which were partially stabilized and one fully stabilized were investigated. The optical properties in terms of surface gloss, translucency parameter, and contrast ratio were determined via a reflection spectrophotometer at variable thicknesses, coloring, sintering method, and after immersion in an acidic environment. Light cure irradiance and radiant exposure were quantified through the specimens at variable thicknesses and the degree of conversion of two dual-cure cements was determined via Fourier Transform Infrared spectroscopy. Bi-axial flexural strength was evaluated to compare between the partially and fully stabilized zirconia prepared using different coloring and sintering methods. Surface characterization was performed using a scanning electron microscope and a spinning disk confocal microscope. The surface gloss and translucency of the zirconia investigated were brand and thickness dependent with the translucency values decreasing as the thickness increased. Staining decreased the translucency of the zirconia and enhanced surface gloss as well as the flexural strength of the fully stabilized zirconia but had no effect on partially stabilized zirconia. Immersion in a corrosive acid increased surface gloss and decreased the translucency of some zirconia brands. Zirconia thickness was inversely related to the amount of light irradiance, radiant exposure, and degree of monomer conversion. Type of sintering furnace had no effect on the optical and mechanical properties of zirconia. Monolithic zirconia maybe classified as a semi-translucent material that is well influenced by the thickness, limiting its use in the esthetic zones. Conventional acid-base reaction, autopolymerizing and dual-cure cements are recommended for its cementation. Its desirable mechanical properties give it a high potential as a restoration for posterior teeth. However, close monitoring with controlled clinical studies must be determined before any definite clinical recommendations can be drawn.

N-tyypin johdepolymeerien tutkimus

Konjugoituneiden polymeerien sähkönjohtavuutta voidaan parantaa useita kertaluokkia varauksensiirtoreaktiona tapahtuvan seostuksen avulla. P-tyypin seostuksessa polymeeri hapettuu osittain ja saa positiivisen varauksen. N tyypin seostuksessa polymeeri taas pelkistyy osittain ja saa negatiivisen varauksen. Monia konjugoituneita polymeerejä on käytetty aukkoja kuljettavana p-tyypin materiaalina, mutta yhtä paljoa ei ole tutkittu elektroneja kuljettavia n-tyypin johdepolymeerejä. Kasvava kiinnostus orgaaniseen elektroniikkaan tekee kuitenkin uusien n-tyypin polymeerimateriaalien kehittämisen tarpeelliseksi. Tutkielmassa käsitellään n-tyypin johdepolymeerejä, niiden valmistusta ja ominaisuuksia sekä niiden hyödyntämistä orgaanisen elektroniikan sovelluksissa. Korkealaatuisten ohutkalvojen hallittu kasvatus on yksi tärkeimmistä edellytyksistä n tyypin johdepolymeerien hyödyntämiselle orgaanisessa elektroniikassa. Tutkielman kokeellisessa osassa tutkittiin menetelmiä, joilla kahdesta tarkastellusta n tyypin johdepolymeeristä, poly(etyleenioksidi)lla funktionalisoidusta poly(bentsimidatso-bentsofenantroliini)sta (BBL–PEO) ja poly(atsoantrakinoni)sta, voitaisiin toistettavasti valmistaa korkealaatuisia ohutkalvoja. Valmistettujen ohutkalvojen laatua ja ominaisuuksia tutkittiin spektroskooppisin, mikroskooppisin ja sähkökemiallisin menetelmin. Lisäksi tutkittiin materiaalien valosähköisiä ominaisuuksia ja niiden soveltuvuutta aurinkoenergiaa hyödyntäviin sovelluksiin. Molemmista tutkituista johdepolymeereistä onnistuttiin valmistamaan ohutkalvoja, kun niille löydettiin sopivat liuottimet ja esikäsittelymenetelmät. Laadukkaimmat polymeeriohutkalvot valmistettiin spin–spray-pinnoitusmenetelmällä sekä dynaamisella spin coating -menetelmällä, joissa polymeeriliuosta sumutettiin (spin¬–spray) tai pipetoitiin (spin coating) pyörivän substraattilevyn pintaan. Näillä pinnoitus-menetelmillä pystyttiin hyvin hallitsemaan polymeeriohutkalvojen kasvatusta. BBL–PEO-ohutkalvot olivat tutkimusten perusteella selvästi laadukkaampia kuin poly(atsoantrakinoni)kalvot. BBL–PEO-kalvot olivat huomattavasti tasaisempia ja niiden valon absorbointikyky oli merkittävästi parempi. BBL–PEO näyttäisikin soveltuvan erinomaisesti korkealaatuisten ohutkalvojen valmistukseen. Valosähköisiä ominaisuuksia tutkittaessa havaittiin, että kohdistamalla valoa sähkökemiallisesti pelkistettyyn BBL–PEO-ohutkalvoon pystytään tuottamaan pieniä määriä sähkövirtaa. Vaikka tuotettujen virtojen suuruudet olivat hyvin pieniä, tulokset olivat lupaavia, kun huomioidaan valaisuun käytettyjen ledien pienet tehot. BBL–PEO-ohutkalvoja tulisi kuitenkin tutkia ja kehittää huomattavasti lisää, jotta niitä tulevaisuudessa voitaisiin hyödyntää orgaanisissa valosähköisissä sovelluksissa.

Kerros-kerrokselta kokoonpannut ohutkalvot ja luminoivat kalvosensorit

Kerros-kerrokselta eli layer-by-layer eli LbL –kalvoja voidaan valmistaa kastamis-, sumutus-, pyöritys- tai pyöritys-sumutusmenetelmillä. Kalvon muodostumisen ensimmäinen vaihe on nopea, se kestää muutaman sekunnin. Toisessa vaiheessa tapahtuu diffundoitumista ja se kestää useita minuutteja. Rakentumista voidaan tarkkailla lukuisilla visuaaliseen tai uv-valoon tai muuhun säteilyyn perustuvilla menetelmillä. Kalvojen pintarakennetta ja karheutta sekä eri suolojen vaikutusta voidaan selvittää atomivoimamikroskopia- ja ellipsometrisillä kuvilla. Luminesenssi on säteilyn itsestään tapahtuvaa emissiota. Fluoresenssi ja fosforesenssi ovat luminesenssin erikoistapauksia. Fotonin absorption jälkeen molekyyli voi palata perustilalle fluoresenssin tai fosforesenssin avulla, mutta molekyyli voi myöskin kokea sisäisen varauksensiirron tai konformaation vaihdoksen. Luminesenssi-ilmiötä voidaan käyttää tunnistamaan yhdiste tai määrittämään sen pitoisuus. Voidaan rakentaa sensoreita, joissa yhdisteen toinen osa on osana sensoria. Yhdisteen toisen osan, analyytin, liittyessä siihen tapahtuu värimuutos. Sensori koostuu optisesta päästä, vaihtelevan pituisesta johdosta ja aistimisyksiköstä. Kokonaislaitteisto koostuu valon lähteestä, valokuidusta ja optisesta voimamittarista. Analyytin indusoimaa aggregaatiota ja sitä seuraavaa optista vastetta voidaan käyttää herkkänä muuntomekanismina analyytin havaitsemiseen. On kehitetty lukuisille analyyteille herkkiä spesifisiä polymeerejä, joita voidaan käyttää eri ionien havaitsemiseen. Myös bioaistiminen on mahdollista, esimerkiksi kolibakteeri voidaan havaita. Kvanttipisteet ovat pieniä puolijohtavan materiaalin hiukkasia. Niillä on ainutlaatuisia optisia, sähköisiä ja kemiallisia ominaisuuksia. On kehitetty erityisiä lastulaboratorioita. Niillä on mahdollisuus toteuttaa erilaisia funktioita, kuten näytteen valmistus, pitoisuuden säätö ja detektio yksittäisen miniaturisoidun alustan päällä. Luminesenssissa valon emissio vahvistuu, ja monissa tapauksissa tapahtuu ns. Stokesin siirtymä. Stokesin siirtymässä valon emissiomaksimin aallonpituus siirtyy infrapuna-alueen suuntaan. Emission vahvistumisen kemiallisina aiheuttajina ovat kromoforit eli värin kantajat. Valon määrää ja aallonpituutta voidaan käyttää tunnistamaan analyytti tai analyytin määrä. Luminesenssin lisäksi voidaan käyttää taittoindeksiin perustuvia optisia aistimismenetelmiä.