Ksenon NMR biosensorien monimittakaavamallinnus

Väitöskirja käsittelee fysikaalista ilmiötä nimeltä ydinmagneettinen resonanssi (NMR), jossa pienen magneetin tavoin käyttäytyvä atomiydin vuorovaikuttaa ulkoisen magneettikentän kanssa. Tämän vuorovaikutuksen voimakkuus riippuu herkästi ydintä kantavan atomin tai molekyylin mikroskooppisesta ympäristöstä. NMR-spektroskopiassa tätä riippuvuutta hyödynnetään aineiden ja materiaalien tutkimiseen – esimerkiksi sairaaloista tuttu magneettikuvausmenetelmä perustuu NMR-ilmiöön.

Väitöskirjassa keskitytään erityisesti jalokaasu ksenonin NMR:ään ja sen käyttöön niin kutsutuissa ksenonbiosensoreissa, jotka ovat pieniä molekyylitason ”koneita” ja joita käytetään muun muassa kemiallisten prosessien tutkimiseen hyvin matalissa pitoisuuksissa, kuten syöpäsolujen aineenvaihdunnan tarkasteluun. Työssä kehitettiin merkittävä määrä uusia laskennallisia ja teoreettisia menetelmiä ksenonbiosensoreiden tutkimiseen, sekä yleisemmin NMR-spektroskopian alalla. Merkittävänä saavutuksena työssä yhdistettiin kolme olemassa olevaa laskennallista menetelmää monimittakaavamallinnukseksi, mikä mahdollistaa entistä tarkemman kokeiden ja simulaatioiden vertailun. Kun teoreettiset ennusteet täsmäävät kokeellisten mittausten kanssa, voidaan luoda suora yhteys molekyylitason ominaisuuksien ja materiaalien havaittavien ominaisuuksien välille. Tällainen teorian ja kokeen vuoropuhelu muodostaa perustan uusien teknologioiden sekä esimerkiksi lääketieteellisten sovellusten kehittämiselle.