Kemiallisten reaktioiden ja adsorptioilmiön kuvaamista käyttäen NMR-spektroskopian etähavaitsemismenetelmää

Mikrofluidistiikka on pienien kaasu- ja nestemäärien hallintaan keskittyvä tieteen ja tekniikan ala, jonka tutkimus on voimakkaassa kasvussa. Pienen kokonsa vuoksi mikrofluidisilla siruilla on monia edullisia ominaisuuksia, joita ei voida saavuttaa normaaleissa laboratorioissa. Tämän vuoksi mikrofluidistiikka avaa merkittäviä uusia mahdollisuuksia sekä lääketieteessä että kemiassa. Se tekee esimerkiksi mahdolliseksi paikan päällä tapahtuvan analyysin.

Mikrofluidististen ilmiöiden ja sirujen ominaisuuksien tutkimiseen tarvitaan uusia menetelmiä. Väitöstutkimuksessa kehitettiin tehokkaampia ja tarkempia menetelmiä virtausten ja kemiallisten reaktioiden kuvaamiseen mikrofluidisissa siruissa sekä adsorboituneiden kaasujen määrän mittaamiseen. Työssä käytettiin ydinmagneettista resonanssispektroskopiaa (NMR-spektroskopia) ja mikroskooppista magneettikuvausta. Mittauksen herkkyyttä kasvatettiin useilla kertaluvuilla niin kutsutulla NMR:n etähavaitsemismenetelmällä, mikä mahdollisti tarkan analyysin mikrofluidisen sirun pienestä koosta huolimatta.

Väitöstyössä kehitettiin menetelmiä, joilla saadaan yksityiskohtaista tietoa kemiallisesta vaihdosta, kemiallisten reaktioiden välivaiheista ja mikrofluidisen sirun aktiivisista reaktioalueista. Työssä valmistettiin myös uuden tyyppisiä mikrofluidisia reaktoreita, joissa katalyyttinä toimineet platinananopartikkelit oli kiinnitetty reaktorikanavien pintaan atomikerroskasvatusmenetelmällä (ALD-menetelmällä). Kehitettyjä NMR-menetelmiä sovellettiin uusien reaktoreiden ominaisuuksien ja tehokkuuden tutkimisessa.

Väitöstyössä keksittiin myös uusi, nopea menetelmä kaasujen adsorption tutkimiseen. Menetelmä perustuu NMR:n etähavaitsemiskokeessa havaittuihin kaasujen virtausnopeuksien muutoksiin. Perinteisesti adsorptiota tutkitaan yhdelle kaasulle kerrallaan staattisissa olosuhteissa, kun taas monissa teknologisissa sovelluksissa, kuten filtteröinnissä, kaasujen seos virtaa adsorboivan materiaalin läpi. Väitöstyössä kehitetyllä menetelmällä pystytään mittaamaan samanaikaisesti kaikkien kaasukomponenttien adsorptiomäärät kaasujen virratessa adsorboivan materiaalin läpi.