Grafeenioksidin pelkistys grafeenin kaltaiseksi materiaaliksi

Grafeeni on tällä hetkellä yksi tutkituimmista materiaaleista ja sillä on paljon mahdollisia käyttötarkoituksia esimerkiksi nanoelektroniikassa, sensoreissa, nanokomposiiteissa ja vetyvarastona. Tällä hetkellä tehokkaan valmistusmenetelmän puuttuminen kuitenkin on esteenä grafeenin hyödyntämiselle laajassa mittakaavassa. Yksi lupaavimmista grafeenin valmistusmenetelmistä tällä hetkellä on grafeenioksidin pelkistäminen. Tässä tutkielmassa oli tarkoitus tutustua grafeenioksidin pelkistysmenetelmiin ja vertailla niitä toisiinsa. Työn kokeellisessa osassa oli tarkoituksena tutkia grafeenioksidin sähkökemiallista pelkistystä lähinnä in situ pintaherkistetyllä Raman-spektroskopialla (SERS) ja pintaherkistetyllä vaimentuneeseen kokonaisheijastukseen perustuvalla IR-spektroskopialla (ATR-SEIRAS). Työhön kuului myös SEIRAS-kennon ja -mittaussysteemin kehittäminen, koska Turun yliopistossa ei aikaisemmin ollut tehty SEIRAS-mittauksia. Työssä onnistuttiin pelkistämään grafeenioksidikalvo sähkökemiallisesti ainakin osittain. Pelkistymisen havaittiin tapahtuvan välillä -0,3 V – (-0,9) V (vs. Ag/AgCl) ja muutosten havaittiin olevan irreversiibeleitä. Työssä saatiin myös kehitettyä menetelmä SEIRASaktiivisen kultakalvon valmistamiseen Turun yliopistossa käytettävään kennoon ja selvitettyä toimiva mittaustapa. Työssä myös todettiin, että menetelmä sopii hyvin grafeenioksidin pelkistyksen seuraamiseen.

Titanyylisulfaatin elektrolyyttisen pelkistyslaitoksen esisuunnitelma

Työssä esisuunniteltiin Kemira Pigments Oy:lle uusi titanyylisulfaatin elektrolyyttinen pelkistyslaitos. Suurin syy uuden laitoksen suunnitteluun oli nykyisen laitoksen aiheuttamat korkeat H2SO4-pitoisuudet pelkistyslaitoksen läheisyydessä. Työn kirjallisuusosassa käsitellään elektrolyysilaitteiston suunnitteluun liittyviä seikkoja ja esitellään titanyylisulfaatin elektrolyyttiseen pelkistykseen liittyvää tutkimustietoa. Ennen uuden laitoksen suunnittelua suoritettiin nykyisellä pelkistyslaitoksella koeajoja, joiden tarkoituksena oli antaa lähtötiedot uuden laitoksen suunnittelulle. Koeajot osoittivat mm., että pelkistys on edullisinta suorittaa alhaisella virrantiheydellä n. 300…400 A/m2 ja vesilaimennuksen avulla anolyytin H2SO4-pitoisuus saadaan säädettyä tasolle, jossa titaani ei saostu. Kärynpoistoyhteisiin asennettujen pesuvesisuuttimien avulla saatiin titaanin saostuminen kärynpoistokanaviin estettyä. Uudesta titanyylisulfaatin elektrolyyttisestä pelkistyslaitoksesta laadittiin mm. seuraavat dokumentit: prosessin virtauskaavio ja ainevirtakenttä, PI-kaavio, layout-kuvat laitoksesta ja sen sijoituksesta sekä rakennepiirros elektrolyysialtaasta. Hankkeelle tehtiin kustannusarvio tarkkuudella ±20 %, jonka loppusummaksi saatiin 1 489 000 €. Laitoksen vuotuisten käyttökustannuksien arvioitiin olevan n. 105 000 €. Investoinnista aiheutuvien vuotuisten annuiteettikustannusten arvioitiin olevan n. 237 000 € 16,3 % korolla.

High-Throughput Screening for Novel Prostate Cancer Drug Targets –Getting Personal

Prostate cancers form a heterogeneous group of diseases and there is a need for novel biomarkers, and for more efficient and targeted methods of treatment. In this thesis, the potential of microarray data, RNA interference (RNAi) and compound screens were utilized in order to identify novel biomarkers, drug targets and drugs for future personalized prostate cancer therapeutics. First, a bioinformatic mRNA expression analysis covering 9873 human tissue and cell samples, including 349 prostate cancer and 147 normal prostate samples, was used to distinguish in silico prevalidated putative prostate cancer biomarkers and drug targets. Second, RNAi based high-throughput (HT) functional profiling of 295 prostate and prostate cancer tissue specific genes was performed in cultured prostate cancer cells. Third, a HT compound screen approach using a library of 4910 drugs and drug-like molecules was exploited to identify potential drugs inhibiting prostate cancer cell growth. Nine candidate drug targets, with biomarker potential, and one cancer selective compound were validated in vitro and in vivo. In addition to androgen receptor (AR) signaling, endoplasmic reticulum (ER) function, arachidonic acid (AA) pathway, redox homeostasis and mitosis were identified as vital processes in prostate cancer cells. ERG oncogene positive cancer cells exhibited sensitivity to induction of oxidative and ER stress, whereas advanced and castrate-resistant prostate cancer (CRPC) could be potentially targeted through AR signaling and mitosis. In conclusion, this thesis illustrates the power of systems biological data analysis in the discovery of potential vulnerabilities present in prostate cancer cells, as well as novel options for personalized cancer management.

Kiraalisten binaftaleenijohdannais-polymeerikalvojen sähkökemiallinen ja optinen tutkimus

Tutkielma käsittelee 2’2’-dimetoksi-1’1’-binaftaleenin eri enantiomeereistä valmistettujen polymeerikalvojen tutkimusta. Tarkoituksena on selvittää näiden kalvojen sähkökemiallisia ja optisia ominaisuuksia. Sähkökemiallisia ominaisuuksia tutkittiin syklisen voltammetrian avulla eri elektrolyyttiliuoksissa. Erityistapauksena tutkittiin kalvojen enantiomeerispesifisyyttä kiraalisen kamforisulfonihapon avulla. Varaustenkuljettajien syntyä kalvoissa tutkittiin lisäksi myös in situ UV- Vis -spektroskopian avulla. Tutkimusten perusteella todettiin, että kalvo on sähköaktiivinen alueella 0–2 V vs. Ag/AgCl. Syklisestä voltammogrammista havaitaan kaksi reversiibeliä hapetus/pelkistys virtahuippua. UV-Vis -spektrien avulla nämä huiput voidaan melkoisella varmuudella päätellä johtuvan ns. polaroni ja bipolaronitilojen syntymiselle polymeerissä. Kalvot eivät ole merkittävästi enantiospesifisiä. Kuitenkin kamforisulfonihappo, rakenneisomeeristään riippumatta, stabiloi S–monomeeristä valmistettua kalvoa erityisen hyvin ylihapettumista vastaan. Näin ei tapahdu millään muulla kokeillulla kalvo – vastaioni kombinaatiolla. Polymeerikalvon rakennetta tutkittiin FTIR –spektroskopian avulla. Tulokset olivat yhteneviä aikaisemman tutkimuksen kanssa [31]. Monomeeri polymerisoituu naftaleenirenkaiden 4-asemista. Kirjallisuusosassa tarkastellaan johdepolymeerien johtavuuskykyä ja niissä esiintyviä varauksenkuljettajia. Tarkoituksena on esitellä tarkemmin kirjallisuusviitteiden valossa, mistä johdepolymeerien johtavuuskyky aiheutuu ja miten ympäristötekijät ja polymeerin rakenne vaikuttavat tähän. Lisäksi sivutaan johdepolymeerien mielenkiintoisina nähtyjä sovelluskohteita, kuten aurinkokennoja ja erilaisia sensoreita. Tämän lisäksi tarkastellaan menetelmiä, joilla voidaan saada aikaan kiraalinen johdepolymeeri.

Liuoksen koostumuksen merkitys kultarikasteen ammoniuntiosulfaattiliuotuksessa

Työssä tutkitaan liuoksen koostumuksen vaikutusta kullan liuotuksessa ammoni-umtiosulfaattimenetelmällä. Työssä keskitytään sulfidisten kultarikasteiden- ja malmien liuotukseen. Kultarikasteen ammoniumtiosulfaattiliuotukseen vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa lämpötila, paine, partikkelikoko, kiintoainepitoisuus, raaka-aineen eli kultarikasteen tai malmin ominaisuudet sekä liuoksen ominaisuudet. Tässä työssä tutkitaan liuoksen tiosulfaatti konsentraation, ammoniakkikonsentraatio, kuparikonsenraation, pH:n ja hapetus-pelkistys-potentiaalin (ORP) vaikutusta liukenemisnopeuteen kultarikasteen ammoniumtiosulfaattiliuotuksessa.

The Role of Oxidative Stress in Environmental Responses of Fennoscandian Animals

All aerobic organisms have to deal with the toxicity of oxygen. Oxygen enables more efficient energy production compared to anaerobic respiration or fermentation, but at the same time reactive oxygen species (ROS) are being formed. ROS can also be produced by external factors such as UV-radiation and contamination. ROS can cause damage to biomolecules such as DNA, lipids and proteins and organisms try to keep the damage as small as possible by repairing biomolecules and metabolizing ROS. All ROS are not harmful, because they are used as signaling molecules. To cope against ROS organism have an antioxidant (AOX) system which consists both enzymatic and non-enzymatic AOX defense. Some AOX are produced by the organism itself and some are gained via diet. In this thesis I studied environmentally caused changes in the redox regulation of different wild vertebrate animals to gain knowledge on the temporal, spatial and pollution-derived-effects on the AOX systems. As study species I used barn swallow, ringed seal and the Baltic salmon. For the barn swallow the main interest was the seasonal fluctuation in the redox regulation and its connection to migration and breeding. The more contaminated ringed seals of the Baltic Sea were compared to seals from cleaner Svalbard to investigate whether they suffered from contaminant induced oxidative stress. The regional and temporal variation in redox regulation and regional variation in mRNA and protein expressions of Baltic salmon were studied to gain knowledge if the salmon from different areas are equally stressed. As a comparative aspect the redox responses of these different species were investigated to see which parts of the AOX system are substantial in which species. Certain parts of AOX system were connected to breeding and others to migration in barn swallows, there was also differences in biotransformation between birds caught from Africa and Finland. The Baltic ringed seal did not differ much from the seals from Svalbard, despite the difference in contaminant load. A possible explanation to this could be the enhanced AOX mechanisms against dive-associated oxidative stress in diving air-breathing animals, which also helps to cope with ROS derived from other sourses. The Baltic salmon from Gulf of Finland (GoF) showed higher activities in their AOX defense enzymes and more oxidative damage than fish from other areas. Also on mRNA and proteomic level, stress related metabolic changes were most profound in in the fish from GoF. Mainly my findings on species related differences followed the pattern of mammals showing highest activities and least damage and birds showing lower activities and most damage, fish being intermediate. In general, the glutathione recycling-related enzymes and the ratio of oxidized and reduced glutathione seemed to be the most affected parameters in all of the species.

Graphene from Graphite by Chemical and Physical Techniques.

Graphene is a material with extraordinary properties. Its mechanical and electrical properties are unparalleled but the difficulties in its production are hindering its breakthrough in on applications. Graphene is a two-dimensional material made entirely of carbon atoms and it is only a single atom thick. In this work, properties of graphene and graphene based materials are described, together with their common preparation techniques and related challenges. This Thesis concentrates on the topdown techniques, in which natural graphite is used as a precursor for the graphene production. Graphite consists of graphene sheets, which are stacked together tightly. In the top-down techniques various physical or chemical routes are used to overcome the forces keeping the graphene sheets together, and many of them are described in the Thesis. The most common chemical method is the oxidisation of graphite with strong oxidants, which creates a water-soluble graphene oxide. The properties of graphene oxide differ significantly from pristine graphene and, therefore, graphene oxide is often reduced to form materials collectively known as reduced graphene oxide. In the experimental part, the main focus is on the chemical and electrochemical reduction of graphene oxide. A novel chemical route using vanadium is introduced and compared to other common chemical graphene oxide reduction methods. A strong emphasis is placed on electrochemical reduction of graphene oxide in various solvents. Raman and infrared spectroscopy are both used in in situ spectroelectrochemistry to closely monitor the spectral changes during the reduction process. These in situ techniques allow the precise control over the reduction process and even small changes in the material can be detected. Graphene and few layer graphene were also prepared using a physical force to separate these materials from graphite. Special adsorbate molecules in aqueous solutions, together with sonic treatment, produce stable dispersions of graphene and few layer graphene sheets in water. This mechanical exfoliation method damages the graphene sheets considerable less than the chemical methods, although it suffers from a lower yield.

Kullan talteenotto takaisinuuttoliuoksista

Työssä tutkittiin kirjallisuuden ja laboratoriomittausten avulla vaihtoehtoja kullan pelkistämiseen ja talteenottoon kultauuton takaisinuuttoliuoksista. Tavoitteena oli löytää menetelmä, jolla saadaan puhdasta kiinteää lopputuotetta ilman kullan häviöitä. Käytettyjä pelkistimiä olivat D-(+)-glukoosi, natriumboorihydridi, L-askorbiinihappo, D-(-)-isoaskorbiinihappo ja aktiivihiili. Laboratoriokokeiden perusteella D-(-)-isoaskorbiinihappo sekä aktiivihiili olivat sopivimmat pelkistimet kokeissa käytetylle kultaliuokselle. Isoaskorbiinihapolla suoritettiin panoskokeita lasireaktorissa eri alku-pH:ssa sekä erilaisilla pelkistimen ja kullan moolisuhteilla. Tulosten perusteella havaittiin pH:n ja pelkistimen ylimäärän vaikuttavan merkittävästi lopputuotteen puhtauteen. Myös redox-potentiaalia säätämällä ja happopesulla pelkistyksen jälkeen voidaan vaikuttaa lopputuotteen puhtauteen. Aktiivihiilellä suoritettiin panoskokeita adsorptiotasapainojen (latausisotermi) ja kinetiikan tutkimiseksi. Hiileen on mahdollista saada kultaa 383 mg/g kuivaa hiiltä. Suurempi lataus voitaisiin saavuttaa käyttämällä hiiltä, jolla on pienempi partikkelikoko. Kolonnikokeita tehtiin eri virtausnopeuksilla. Kolonnikokeissa kullan dynaaminen adsorptiokapasiteetti hiileen odotetusti kasvoi virtausnopeuden laskiessa. Pienin käytetty virtausnopeus oli 2,40 BV/h, jolloin kapasiteetti oli 75,4 mg/g kuivaa hiiltä (c (Au feed) = 129 mg/L). Kullasta voidaan poistaa myös kolonnipelkistyksen jälkeen epäpuhtauksia happopesulla. Isoaskorbiinihapolla pelkistyksen kinetiikka on nopea ja sillä saatiin pelkistettyä puhdasta lopputuotetta. Sekä isoaskorbiinihappo, että aktiivihiili ovat potentiaalisia menetelmiä kullan talteenottoon.

Hydrothermal carbonization in the synthesis of sustainable porous carbon materials

Carbon materials are found versatile and applicable in wide range of applications. During the recent years research of carbon materials has focussed on the search of environmentally friendly, sustainable, renewable and low-cost starting material sources as well as simple cost-efficient synthesis techniques. As an alternative synthesis technique in the production of carbon materials hydrothermal carbonization (HTC) has shown a great potential. Depending on the application HTC can be performed as such or as a pretreatment technique. This technique allows synthesis of carbon materials i.e. hydrochars in closed vessel in the presence of water and self-generated pressure at relatively low temperatures (180-250 ˚C). As in many applications well developed porosity and heteroatom distribution are in a key role. Therefore in this study different techniques e.g. varying feedstock, templating and post-treatment in order to introduce these properties to the hydrochars structure were performed. Simple monosaccharides i.e. fructose or glucose and more complex compounds such as cellulose and sludge were performed as starting materials. Addition of secondary precursor e.g. thiophenecarboxaldehyde and ovalbumin was successfully exploited in order to alter heteroatom content. It was shown that well-developed porosity (SBET 550 m2/g) can be achieved via one-pot approach (i.e. exploitation of salt mixture) without conventionally used post-carbonization step. Nitrogen-enriched hydrochars indicated significant Pb(II) and Cr(VI) removal efficiency of 240 mg/g and 68 mg/g respectively. Sulphur addition into carbon network was not found to have enhancing effect on the adsorption of methylene blue or change acidity of the carbon material. However, these hydrochars were found to remove 99.9 % methylene blue and adsorption efficiency of these hydrochars remained over 90 % even after regeneration. In addition to water treatment application N-rich high temperature treated carbon materials were proven applicable as electrocatalyst and electrocatalyst support. Hydrothermal carbonization was shown to be workable technique for the production of carbon materials with variable physico-chemical properties and therefore hydrochars could be applied in several different applications e.g. as alternative low-cost adsorbent for pollutant removal from water.