Väitös 15.9.2023: Ratkaisuja nanomateriaalien mittaustulosten tarkkuuden parantamiseksi (Kinnunen)

Nanomateriaalit ovat erittäin pienikokoisia materiaaleja, jotka voivat olla jopa 100 000 kertaa hiuksen paksuutta pienempiä. Pienen kokonsa vuoksi niillä esiintyy erikoisia fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, joita ei havaita lainkaan isomman partikkelikoon omaavilla vastaavilla materiaaleilla. Juuri nämä ominaisuudet tekevät niistä äärimmäisen houkuttelevia erilaisiin nykypäivän ja tulevaisuuden käyttökohteisiin.

Nanomateriaalit eivät kuitenkaan ole ainoastaan ihmisen keksimä tuote, vaan luonnollisia nanomateriaaleja on ollut olemassa aikojen alusta lähtien.  

- Tällaisia ovat esimerkiksi metsäpaloissa ja tulivuorenpurkauksissa syntyvän savun ja tuhkan sisältämät yhdisteet, kertoo FM Virva-Tuuli Kinnunen. 

Nanoteknologian kehittymisen seurauksena erilaisia nanomateriaaleja on kuitenkin ryhdytty valmistamaan teollisessa mittakaavassa, ja laboratorio-oloissa niiden ominaisuuksia voidaan lähes rajattomasi muokata tiettyihin tarkoituksiin. Nykyään nanomateriaalien ominaisuuksia hyödynnetäänkin laajasti niin teollisuudessa kuin tavallisissa kuluttajille suunnatuissa tuotteissakin, kuten elektroniikassa, kosmetiikassa ja tekstiileissä. 

Nanomateriaalit uhka ympäristölle tai terveydelle? 

Nanomateriaalien käyttöön saattaa kuitenkin liittyä riskejä, sillä toistaiseksi niiden ympäristö- ja terveysvaikutuksia ei vielä tunneta täysin. Mahdollisten haittavaikutusten selvittämiseksi näiden materiaalien käyttäytymistä ympäristössä sekä niiden vaikutuksia eläviin organismeihin tuleekin tutkia lisää.

Pienikokoisten nanomateriaalien tutkiminen vaatii äärimäisen herkkiä analyysitekniikoita, joista yksittäispartikkeli induktiivisesti kytketty plasma-massaspektrometri on yksi esimerkki. Tällä tekniikalla voidaan määrittää näiden materiaalien käyttäytymistä ja vaikutuksia sääteleviä ominaisuuksia erilaisista näytteistä, kuten partikkelikoko, konsentraatio ja liuenneessa muodossa olevan analyytin pitoisuus. 

Luotettavat mittaustulokset vaativat tarkkuutta 

Erittäin pienikokoisten nanomateriaalien mittaaminen on haastavaa, ja monet eri tekijät voivat johtaa helposti virheellisiin tuloksiin. Tässä väitöskirjassa kehitettiin näytteiden esikäsittelyyn ja mittausolosuhteiden parantamiseen erilaisia ratkaisuja, joiden avulla nanomateriaalien määrityksen tarkkuutta pystyttiin merkittävästi parantamaan. Mittauslaitteen kykyä havaita entistä pienempiä nanopartikkeleita tehostettiin mittausparametrien optimoinnilla, jossa hyödynnettiin tilastollista koesuunnittelua.  

- Optimoinnilla laitteen herkkyyttä saatiin merkittävästi kasvatettua, minkä ansiosta nanopartikkeleiden koko ja konsentraatio pystyttiin tarkemmin määrittämään, selittää Kinnunen. 

Tutkimuksessa kehitettiin lisäksi kaksi helppokäyttöistä näytteen esikäsittelymenetelmää, joilla mittausta häiritsevän liuenneen hopean pitoisuutta pystyttiin tehokkaasti vähentämään. Näissä hyödynnettiin erilaisia kiinteäfaasiuuttomateriaaleja joko sellaisenaan, tai sidottuna 3D-tulostettuihin kemiallisesti aktiivisiin sieppareihin. Näytteen esikäsittelyn ansiosta nanomateriaalien ominaisuudet pystyttiin määrittämään entistä tarkemmin jopa haastavista ympäristönäytteistä, kuten humuspitoisista jokivesistä. 

FM Virva-Tuuli Kinnusen väitöskirjan “Improving the accuracy of single particle ICP-MS analyses of Au and Ag nano-particles” tarkastustilaisuus järjestetään 15.9.2023 klo 12 Ylistönrinteellä salissa Kem4. Vastaväittäjänä toimii Associate Professor Katrin Löschner (Technical University of Denmark) ja kustoksena yliopistonlehtori Rose Matilainen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti.

Julkaisutiedot 

Väitöskirja “Improving the accuracy of single particle ICP-MS analyses of Au and Ag nano-particles” on luettavissa JYX-julkaisuarkistossa: https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/88554