Professori Paavo Perämäki, FT, KE 315, puh. 0294 481614

Tutkijatohtori Matti Niemelä, FT, KE 318, puh. 0294 481616

Tohtorikoulutettava Johanna Havia, FM, KE 318, 0294 481615


HUOM! Sähköpostiosoitteet ovat muotoa etunimi.sukunimi@oulu.fi; skandinaaviset kirjaimet korvataan tällöin: ä,å -> a, ö -> o

Väitöskirjatyöntekijät

• Keijo Eilola
• Johanna Havia
• Harri Kola
• Jaakko Pellinen
• Heidi Pyhtilä
• Terhi Suoranta

Aiemmat ryhmän jäsenet

• FT Teija Kekonen
• FT Risto Pöykiö
• FT Eija Saari
• FT Minna Sankari

Tutkimusaiheet

MIKROAALTOAVUSTEISTEN HÖYRYFAASIHAJOTUSMENETELMIEN KEHITTÄMINEN HIVENAINEANALYTIIKASSA

FM Keijo Eilola

Mikroaaltoavusteiset näytteenhajotusmenetelmät alkoivat yleistyä 1980-luvulla, kun ensimmäinen kaupallinen laitteisto tuli markkinoille. Nykyisin lähes jokaisesta hivenaineanalytiikkaa tekevästä laboratoriosta löytyy mikroaaltoavusteinen näytteenhajotuslaitteisto.

Silti jotkin näytemateriaalit ovat vaikeita hajottaa tyypillisillä laitteistoilla ja menetelmillä, ja toisaalta näytteenkäsittelyn aikainen kontaminaatio voi olla ongelma pienien näytteiden kohdalla tai alhaisen pitoisuustason työskentelyssä. Mikroaaltoavusteisella höyryfaasihajotusmenetelmällä voidaan saada aikaan hapetustehokas ja alhaisen kontaminaation omaava näytteenkäsittely. Tällaista tekniikkaa on kuitenkin tutkittu vähän.

Tutkimuksen tavoitteena on kehittää nykyisillä laitteilla onnistuvia ja helposti arkipäivään sovellettavia hajotusmenetelmiä erilaisille orgaanisille näytetyypeille, kuten lääkeaineet, muovit ja biologiset näytemateriaalit. Kehityksessä on tarpeen ymmärtää hajotukseen liittyvät mekanisimit ja käyttää niitä hyväksi menetelmien luomisessa. Myös hajotusjäännöksen tutkiminen on tärkeää ja auttaa mahdollisesti hajotustehokkuuden parantamisessa ja hajotusprosessin ymmärtämisessä.

UUSIEN NANOMATERIAALIEN VALMISTUS JA KARAKTERISOINTI SÄHKÖKERAAMIEN VALMISTUSTA VARTEN

FM Johanna Rautio
Oulun yliopisto
Kemian laitos

Sähkökeraamisilla materiaaleilla on tärkeä merkitys nykyaikaisissa teknologisissa sovelluksissa. Pyrkimyksenä on kehittää entistä kevyempiä ja kompaktimpia sähkökeraameja, valmistaa pienempiä ja ohuempia komponentteja ja vähentää virrankulutusta. Näiden seikkojen vuoksi nanoteknologia kasvattaa merkitystään koko ajan myös sähkökeraamisten materiaalien valmistuksessa.

Sähkökeraamisten materiaalien valmistuksessa nanopartikkeleita (partikkelikoko < 100 nm) voidaan käyttää sekä lähtöaineina, että lisäaineina. Sooli-geeli-synteesillä saadaan valmistettua puhtaita ja homogeenisia keraamijauheita. Synteesireaktioiden optimointiin käytetään kemometrisiä menetelmiä, jotta pystyttäisiin valmistamaan nanopartikkeleita, joilla on halutut ominaisuudet.

Keveiden alkuaineden määrittäminen kiinteistä näytteistä

Keveitä alkuaineita kuten litiumia ja booria tarvitaan usein lisäaineina sähkökeraamisissa materiaaleissa parantamaan niiden sähköisiä ominaisuuksia ja mikrorakennetta. Sähkökeraamisten materiaalien luotettava karakterisointi on erittäin tärkeää ja siksi niille kehitetään uusia analyysimenetelmiä. Erityisesti kevyiden alkuaineiden määrittämiseen on kehitettävä uusia analyysimenetelmiä, koska perinteisellä röntgenfluoresenssitekniikalla (XRF) ei voida määrittää luotettavasti pieniä pitoisuuksia kevyitä alkuaineita (Z<9). Keraamisia materiaaleja on erittäin vaikea hajottaa happokäsittelyllä, joten kiinteän aineen analytiikka on niiden kohdalla liuosanalyysiä käytännöllisempää.

Kalibrointistandardeja nanomateriaaleista

Laserablaatioyksiköllä varustettu induktiiviplasma massaspektrometri (LA-ICP-MS) on uudenlainen menetelmä kiinteän aineen suoraan analytiikkaan. Menetelmällä saavutetaan hyvä herkkyys useimmille alkuaineille, myös litiumille ja boorille. LA-ICP-MS analyysin suurin ongelma on luotettavan kalibrointimenetelmän löytäminen, koska saatava mittausvaste riippuu hyvin voimakkaasti näytetyypistä ja määritettävistä alkuaineista. Periaatteessa kiinteiden näytteiden ja kalibrointistandardien olisi oltava toistensa kaltaisia. Kaupalliset kiinteät kalibrointistandardit ovat kalliita, eikä niitä ole saatavilla kaikille näytetyypeille. Tässä tutkimuksessa kalibrointiongelmia lähestytään uudella tavalla syntetisoimalla nanomateriaaleja, joista valmistetaan kalibrointistandardeja. Nanomateriaalit ovat paljon homogeenisempia kuin perinteisillä menetelmillä valmistetut keraamit.

Kalibrointistandardien lisäksi nanomateriaaleista valmistetaan erilaisia lähtömateriaaleja sähkökeraamien ja elektroniikan komponenttien valmistukseen. Uusien materiaalien hienorakenne ja sähköiset ominaisuudet karakterisoidaan eri tavoin Mikroelektroniikan ja materiaalifysiikan laboratoriossa. Saatavien tulosten perusteella valmistettavien nanomateriaalien koostumusta ja ominaisuuksia voidaan muuttaa tarkoitukseen sopivasti.

VEDENLAADUN OPTIMOINTI JA PROSESSINHALLINTA KOKONAISJÄRJESTELMÄSSÄ

FM Jaakko Pellinen

Väitöstutkimuksen tavoitteena on veden puhdistusprosessin optimointi määrällisesti ja laadullisesti parantuneen raakavesidatan avulla. Parantunut raakavesidata sisältää kemiallisen informaation lisäksi mikrobiologista tietämystä. Koagulaatio on avaintekijä haitallisia mikrobeja vastaan ja juuri tämä vaihe on mitä ilmeisimmin se tekijä, joka on pelastanut Suomen lukuisilta vesiepidemioilta.

Oleellista on tarkastella kiinteässä yhteydessä raakavesidataa, koagulaatiota ja desinfiointia tavoitteena saostus- ja desinfiointikemikaalien käytön optimointi. Fokuksessa ovat sekä normaalit että erityistilanteet. Väitöstutkimuksen keskeisenä tavoitteena onkin nopeutunut ja varmentunut erityistilannevalmius. Mikrobiologisen tietämyksen lisäksi suuren informaation ja sen hallitun matemaattisen käsittelyn antamaa kuvaa pyritään hyödyntämään humuksen rakenteen ja eri haitta-aineiden analysoinnissa. Orgaanisen hiilen alentunut pitoisuus on oleellista pyrittäessä vähentämään AOX-yhdisteiden muodostumista, tehostettaessa otsonidesinfiointia, tavoiteltaessa lyhyempiä aktiivihiilen vaihtovälejä ja vähennettäessä sameutta myös UV-desinfiointia ajatellen.

Oleellisena osana väitöstutkimusta on säädön optimointi. Puhdistamolle tulevaa mittausdataa yhdistetään säädön toimintaan, mikä kertoo nopeasti raakaveden muutoksista ja antaa ohjeistuksen jatkotoimille; säädön mukautuminen tai tarkentavat mittaukset, mihin liittyy oleellisesti riskinarviointi. Väitöstutkimuksessa linkitetään raakavesidatatietämys (mittausdata ja tiedonjalostus), kemiallinen vedenkäsittely ja säätö lisäten prosessin tehokkuutta ja reagointinopeutta erityistilanteisiin.

Väitöstutkimuksessa luodaan menettely automaattiselle mallinnuksen, mittauksen ja näytteenoton kokonaisjärjestelmälle, joka reagoi online-mittauksen antamiin hälytyksiin. Vedenlaatuketjun kattava kokonaisjärjestelmä perustuu kohteen arviointitiedon ja osajärjestelmien keskitettyyn datan hyödyntämiseen.

ANALYYSI- JA NÄYTTEENOTTOMENETELMÄN KEHITTÄMINEN LUONNONVESIEN KOKONAIS- JA METYYLIELOHOPEAN MÄÄRITTÄMISTÄ VARTEN

FM Heidi Pyhtilä
Tutkija
Metsäntutkimuslaitos

Tutkimus on osa Suomen Akatemian rahoittamaa monitieteellistä hanketta ”Hydro-biogeochemistry of drained peatlands; impacts of bioenergy harvesting on trace metal transport under different hydrogeological settings (HYPE)”. Väitöskirjatyössä selvitetään metsänhoitotoimenpiteiden vaikutuksia elohopean ja metyylielohopean huuhtoutumiseen ja kiertoon luonnossa. Oleellinen osa tutkimusta on analyysimenetelmän kehittäminen luonnonvesinäytteiden kokonais- ja metyylielohopeapitoisuuksien määrittämistä varten.

Elohopea on erittäin myrkyllinen alkuaine, jota esiintyy luonnossa kolmessa eri muodossa; metallinen elohopea (Hg0), epäorgaaniset elohopeasuolat (Hg2+-, Hg+-) sekä orgaaniset elohopeayhdisteet. Elohopean toksisuus riippuu vahvasti sen kemiallisesta esiintymismuodosta, joista orgaaniset yhdisteet ovat myrkyllisimpiä. Luonnossa elohopea voi kuitenkin muuttua muodosta toiseen mikrobitoiminnan vaikutuksesta. Esimerkiksi vesiekosysteemeissä epäorgaaninen elohopea voi metyloitua muodostaen erittäin myrkyllistä metyylielohopeaa, joka lipidiliukoisena yhdisteenä läpäisee solukalvot helposti ja rikastuu ravintoketjussa.

Elohopean kokonaispitoisuuksien määritys ympäristötutkimuksissa ei anna riittävää tietoa sen biosaatavuudesta, toksisuudesta tai liikkuvuudesta. Tämän vuoksi elohopean spesiaatioanalyysiin soveltuvien laitteiden ja menetelmien kehittäminen on noussut huomattavasti viimeisten vuosikymmenten aikana. Elohopean spesiaatiomääritykset perustuvat yleensä menetelmään, jossa erotustekniikka (esim. GC tai HPLC) on yhdistetty alkuainespesifiseen detektoriin (esim. AFS, MIP-AES, tai ICP-MS).

Elohopeapitoisuudet luonnonvesissä ovat erittäin alhaisia (ng/L – pg/L), minkä vuoksi luotettavan analyysimenetelmän kehittäminen tarjoaa runsaasti haasteita. Tutkimuksessa elohopean kokonaispitoisuuksien määrittämisessä käytetään ICP-MS-tekniikkaa. Näytteensyötössä sovelletaan kylmähöyrytekniikkaa, jonka ansiosta matriisivaikutukset vähenevät ja näin ollen toteamisrajat alenevat.  Metyylielohopean analytiikassa spesiesten erottamiseen käytetään kaasukromatografiaa ja detektointiin ICP-MS-tekniikkaa. Metyylielohopeapitoisuudet luonnonvesissä ovat sen verran alhaisia, että menetelmässä on käytettävä esikonsentrointia ennen varsinaista analyysiä. Analyysimenetelmän lisäksi erityistä huomiota on kiinnitettävä näytteenotto- ja näytteenkäsittelyteknikkaan, jotta kontaminaatio sekä spesiesten kemialliset ja fysikaaliset muutokset saadaan minimoitua.