Kerroskasvatuksella suojatut partikkelit parantavat valoon perustuvien mittaustulosten luotettavuutta (Väitös: FM Emilia Palo, 12.4.2019, kemia)

Valon käyttö erilaisissa sovelluksissa perustuu sen helppoon havainnointiin, sillä valoa joko on tai ei ole. Infrapunasäteilyllä viritettyjen nanopartikkeleiden etu verrattuna tavanomaisiin, ultraviolettisäteilyllä viritettäviin materiaaleihin on matalaenergisen virityksen aiheuttama pieni mittaustausta sekä säteilyn läpäisevyys. Hyödyistä huolimatta erityisesti biologinen, paljon vettä sisältävä ympäristö on partikkeleille haitallinen, koska vesi vaimentaa niiden valontuottoa ja irrottaa partikkeleista pintaioneita. 

– Suuri osa käänteisviritteisten nanopartikkeleiden esitetyistä käyttökohteista ei toistaiseksi ota huomioon partikkelin valontuoton tai pysyvyyden seurantaa. Tämä on ongelma, koska pintakerroksen ionit irtoavat hyvin nopeasti aiheuttaen muutoksia valontuotto-ominaisuuksissa ja täten esimerkiksi havaitussa mittaussignaalissa, Emilia Palo toteaa. 

Uutta tietoa kerroskasvatuksen soveltamisesta nanopartikkeleihin

Väitöstutkimuksessaan Palo valmisti muodoltaan yhtenäisiä ja voimakkaasti loistavia käänteisviritteisiä NaYF4:Yb3+,Er3+-nanopartikkeleita. Käytetyn valmistusmenetelmän kriittisimmäksi kohdaksi osoittautui kloorin poistuminen reaktiosta, sillä vapaa liuokseen jäänyt kloori-ioni pystyy sitomaan itseensä natriumia suolana, jolloin ei voida valmistaa haluttua nanopartikkelirakennetta. 

Tämän jälkeen Palo kasvatti nanopartikkeleiden pinnalle yksinkertaisen ja muokattavan kerroskasvatusmenetelmän avulla erilaisia monikerroksia käyttäen joko kahden polymeerin tai polymeerin ja metallin yhdistelmiä. Polymeerejä kerrostamalla on mahdollista saada partikkelit samanaikaisesti sekä vesiliukoisiksi että tuoda niiden pinnalle kiinnityskohteita esimerkiksi merkkiaineena käyttöä varten. 

– Kerroskasvatusmenetelmää ja siihen vaikuttavia ominaisuuksia on tutkittu vain vähän käänteisviritteisten nanopartikkelien kanssa, joten samalla tutkimuksesta saatiin paljon perustietoa näiden kahden materiaalin yhdistämisestä, Palo kertoo.

Partikkelien pysyvyyden seuranta on tärkeää

Palo sai parannettua partikkelien valontuottoa tiettyyn monikerrosmäärään saakka ennen kuin kerrosten paksuus vaikutti loisteeseen negatiivisesti. Polyelektrolyytti-metallipinnoitusta käyttämällä hän sai näytteen valontuoton pysymään yhtenevänä jopa 24 tuntia puhtaassa vesiliuoksessa. 

– Tällöin voidaan todeta, että partikkelin hajoaminen liuoksessa ei ole vielä merkittävää, sillä valontuotto ei häiriinny, Palo sanoo.

Myös kahden toisiinsa ristisidottavan polyelektrolyytin käyttäminen ja fluorin lisääminen kerrostuksessa käytettyihin liuoksiin auttoivat partikkelien pysyvyyttä. Nämä parannetut ominaisuudet säilyivät jopa viiden kaksoiskerroksen jälkeen. Liuosten fluoripitoisuutta mittaamalla Palo havaitsi, että nopeasti tapahtuva fluori-ionien irtoaminen partikkelin pinnalta saatiin estettyä tehokkaasti useiden tuntien ajan. 

– Väitöskirjatutkimukseni laajentaa nanopartikkeleilla käytettyjen pintamuokkausten kirjoa ja muistuttaa partikkelien pysyvyyden seurannan tärkeydestä. Jotta partikkeleita voidaan hyödyntää laajemmin, täytyy niiden antamiin mittaustuloksiin voida luottaa mittaushetkestä riippumatta. Tutkimukseni onkin hyvä askel sitä kohti, Palo kiteyttää.  

***

FM Emilia Palo esittää väitöskirjansa Modifying upconverting nanoparticles with polyelectrolyte multilayers julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 12.4.2019 klo 12.00 (Turun yliopisto, Publicum, Pub 3 -luentosali, Assistentinkatu 7, Turku).

Vastaväittäjänä toimii professori Darja Lisjak (Jožef Stefan Institute, Slovenia) ja kustoksena dosentti Mika Lastusaari (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on kemia.

Väittelijän yhteystiedot: p 0503310779, emilia.palo@utu.fi