Monosakkaridien derivatisointi ja analysointi kaasukromatografialla

Tiivistelmä. Monosakkaridien analysointi on tarpeellista monilla eri tieteen- ja teollisuuden aloilla. Monosakkaridit ovat usein monimutkaisissa matriiseissa ja niillä on useita isomeerejä, mikä tuottaa ongelmia analysoinneissa. Kaasukromatografia on yksi menetelmistä, joilla monosakkarideja voidaan analysoida. Tämän kirjallisuustutkielman tarkoituksena oli selvittää, minkälaisia analyysiolosuhteita käytetään tyypillisten monosakkaridien analysoimisessa kaasukromatografialla sekä millaisia derivatisointimenetelmiä analysointia varten käytetään. Monosakkaridien huonon haihtuvuuden takia ne täytyy derivatisoida, jotta niiden polaarisuus alenee ja kiehumispisteet laskevat. Lisäksi yhdisteiden erottuvuutta on pyritty parantamaan eri derivatisointireagensseja käyttämällä. Tutkielmassa tarkasteltuja menetelmiä olivat silylointi, asylointi ja alkylointi, sekä kaksivaiheiset oksimointi-silylointi- ja oksimointi-asylointi-menetelmät. Kaasukromatografisen analysoinnin analyysiolosuhteita tarkasteltiin kolonnin, lämpötilan ja detektorin kannalta. Tutkielmassa kaksivaiheiset menetelmät todettiin tarpeelliseksi, koska niiden avulla saadut johdannaiset tuottivat yksinkertaisempia kromatogrammeja. Oksimointi-silylointi-menetelmä sopii sekä aldooseille että ketooseille, mutta oksimointi-asylointi-menetelmä sopii vain aldooseille. Ketoosien tapauksessa analyyttien on todettu hajoavan. Analyyseissä käytetyimpiä kolonnien stationäärifaaseja silyloiduille johdannaisille ovat dimetyylisiloksaani- ja 5%-difenyyli-95%-dimetyylisiloksaanifaasi. Asyloiduille monosakkarideille käytetään polaarisempaa faasia. Suosituin detektori monosakkaridien analysointiin on massaspektrometri, mutta myös muita vaihtoehtoja on tutkittu ja todettu sopiviksi. Analyysilämpötilat vaihtelivat riippuen siitä mitä yhdisteitä analysoitiin ja mitä derivatisointimenetelmää tai kolonnia käytettiin

Kehittämistutkimus : kolmiulotteisesti tulostetut molekyylimallit optisen isomerian opetuksessa

Molekyylimallien kehittäminen kolmiulotteisen tulostuksen (3D-tulostus) avulla sisältää vaiheita, jotka vaativat tietotekniikan, tulostimen ja fyysisten kappaleiden viimeistelyn hallintaa. Lisäksi prosessi edellyttää ymmärrystä molekyylimallinnuksesta sekä molekyylien ominaisuuksista. Tässä tutkimuksessa perehdytään asioihin, joita tulee ottaa huomioon laadukkaiden fyysisten molekyylimallien kehittämisprosessissa. Kolmiulotteinen tulostus tekniikkana mahdollistaa uudenlaisten pedagogisten tuotteiden kehittämisen, mutta sisältää myös rajoitteita. Tässä tutkimuksessa selvitetään myös oppimateriaalin tuottamiseen liittyviä mahdollisuuksia ja haasteita. Pedagogisen tuotteen käytännön soveltamisen selvittämiseksi toteutettiin empiirinen testi, jossa arvioitiin kehitettyjen molekyylimallien hyödyntämistapoja ja laatua optisen isomerian tehtävissä. Optinen isomeria valittiin kontekstiksi, koska arvioitiin, että laadukkailla ja tarkoilla kolmiulotteisesti tulostetuilla molekyylimalleilla voisi olla käytännön hyötyä aiheen opiskelussa. Tätä kehittämistutkimusta ohjasivat seuraavat tutkimuskysymykset: • Millaisia asioita tulee ottaa huomioon tarkkojen ja laadukkaiden molekyylimallien 3D-tulostusprosessissa? • Millaisia mahdollisuuksia ja haasteita 3D-tulostettujen molekyylien opetuskäyttöön liittyy? o Mitkä ovat tulostamisen ajalliset ja taloudelliset kustannukset? o Millaiseksi oppilaat arvioivat molekyylimallien laadun? • Miten oppilaat hyödyntävät fyysisiä molekyylimalleja stereoisomerian tehtävissä? Tämä tutkimus toteutettiin kehittämistutkimuksena, koska tutkimusmenetelmä mahdollistaa käytännönläheisen lähestymisen optisen isomerian opetukseen siten, että sillä voidaan luoda käyttöönotettavia oppimateriaaleja todelliseen tarpeeseen. Tutkimuksessa selvisi, että 3D-tulostuksen avulla voidaan luoda kustannuksiltaan kohtuullisia, toimivia ja visuaalisia molekyylimalleja optisen isomerian opetukseen. Kehitettyjä molekyylimalleja hyödynnettiin optisen isomerian oppimistehtävissä monipuolisesti, kunhan tehtävänanto oli suunniteltu siten, että niiden käyttö oli tarpeellista. Tässä tutkimuksessa käytetty menetelmä fyysisten molekyylimallien tuottamiseksi osoittautui kuitenkin työlääksi ja aikaa vieväksi, joten jäi perusteltu epäily käytännön soveltuvuudesta opetustyöhön. Myös SLA-tulostustekniikalle, jota tutkimuksessa käytettiin, löytyy parempia vaihtoehtoja turvallisuusnäkökulmasta. Oppimateriaalin kehitysprosessista selvisi erityisesti se, että 3D-tulostettujen sovellusten kehittäminen voi olla aikaa vievä prosessi ja sisältää useita, pieniä kehittämissyklejä, joihin löydetään ratkaisu yritys-erehdys-menetelmällä kokeillen

Glukoosin ja fruktoosin analysointi ultrakorkean erotuskyvyn nestekromatografialla

Tiivistelmä. Monosakkaridien analysointi esimerkiksi elintarvike- ja kudosnäytteistä on tärkeää. Monosakkaridit ovat poolisia, huonosti haihtuvia, useita hydroksyyliryhmiä sisältäviä biomolekyylejä, mikä tekee niiden analysoinnista haastavaa. Ultrakorkean erotuskyvyn nestekromatografia on kohtalaisen uusi analyysimenetelmä, jolla voidaan analysoida biomolekyylejä kuten glukoosia ja fruktoosia. Sen suosioon on vaikuttanut sen herkkyys ja nopeus monien erilaisten näytteiden analysoinnissa. Analyyttien erottuminen tapahtuu kolonnissa. Eri näytteiden tapauksessa on valittava oikeanlainen kolonni, jossa kiinteän faasin eli stationäärifaasin ja tutkittavan analyytin välille muodostuu vuorovaikutuksia. Tutkielmassa perehdyttiin monosakkarideista glukoosin ja fruktoosin analysoinnissa käytettäviin hydrofiilisen vuorovaikutuksen nestekromatografiaan tarkoitettuihin kolonneihin, joissa stationäärifaasi sisälsi amidi- tai aminoryhmiä. Analyysiolosuhteita optimoitiin tutkittavien analyyttien erottumisen mukaan. Tutkimusten perusteella parhaimmaksi kolonniksi monosakkaridien analysointiin valikoitui amidikolonni. Kolonnin pituus vaihteli, mutta vaihtelua oli myös eluentin koostumuksessa, gradientissa, lämpötilassa ja virtausnopeudessa. Tutkimuksissa käytettiin gradienttieluutiota ja eluenttina vesi-asetonitriiliseosta. Vaikutusta oli kolonnin pituudella, virtausnopeudella, kolonniuunin lämpötilalla, eluentin koostumuksella sekä gradientilla. Tehdyissä tutkimuksissa elintarvike- ja seeruminäytteitä pystyttiin analysoimaan luotettavasti ja toistettavasti

Alkeenien olefiinimetateesi

Tämän Pro Gradu-työn tarkoituksena on tutustua alkeenien olefiinimetateesiin. Olefiinimetateesissä alkeenien hiili-hiilikaksoissidokset uudelleenjärjestäytyvät metallikarbeeni-kompleksin avulla siten, että kahdesta C=C –sidoksesta muodostuu uudet kaksi kaksoissidosta. Reaktion tapahtuminen vaatii siirtymämetallikatalyytin läsnäolon, joista käytetyimpiä ovat volframin, molybdeenin ja ruteniumin katalyyttikompleksit. Ruteniumkompleksit sietävät paremmin ilman kosteutta ja vettä kuin Mo- ja W-kompleksit, ja ne toimivat laajemmin eri funktionaalisuuksia sisältävien alkeenien kanssa. Katalyyttikehitys on tärkeä osa olefiinimetateesireaktioiden kehitystä ja se on tuonut muutamille tutkijoille kemian Nobelin palkinnon. Olefiinimetateesi jaetaan yleisesti viiteen eri reaktiotyyppiin. Ristikkäismetateesiä (CM), renkaan sulkeutumismetateesiä (RCM) ja renkaan avautumis-ristikkäismetateesiä (ROCM) sovelletaan pienten molekyylien synteeseissä, kun taas renkaan avautumismetateesi polymeraatiota (ROMP) sekä asyklistä dieenimetateesi (ADMET) polymeraatiota suurten oligomeerien ja polymeerien synteeseissä. Näistä esimerkiksi RCM-reaktiota käytetään paljon luonnonaineiden totaalisynteesissä ja teollisuus hyödyntää ROMP-reaktiota polymeeri-tuotannossa. Reaktioiden yleisenä haasteena on E/Z-selektiivisyyden kontrollointi. Pro Gradun kokeellisessa osiossa valmistettiin kiraalisia polymeerejä useita orgaanisen kemian reaktiota hyödyntäen. Syntetisoituja polymeerejä testattiin diffuusioerotteissa NMR-sovelluksessa raseemisten yhdisteiden enantiomeerien NMR-spektrien erotuksessa

Biosensorien hyödyntäminen biologisissa vuorovaikutustutkimuksissa

Uusien mittaustekniikoiden nopea kehittyminen tuo mukanaan yhä paremmat mahdollisuudet tutkia biologisten molekyylien välisiä vuorovaikutuksia. Erityisesti lääkkeiden kehityksessä on ensiarvoisen tärkeää saada tietoa lääkeaineen ja biologisten molekyylien välisistä vuorovaikutuksista, sillä esimerkiksi lääkeaineen sitoutuminen plasman proteiineihin vaikuttaa merkittävästi lääkeaineen imeytymiseen, leviämiseen, metaboliaan ja eliminaatioon kehossa. Tärkeää on myös saada tietoa proteiini-hiilihydraatti ja vasta-aine-antigeeni vuorovaikutuksista, sillä ne liittyvät biologisiin prosesseihin, kuten hormonien toimintaan ja tunnistamiseen sekä biologisten molekyylien varastointiin. Biologisten molekyylien analytiikka on haastavaa, koska niiden aktiivisuus ja ominaisuudet usein muuttuvat niitä käsiteltäessä. Näistä mainittakoon mm. entsyymin aktiivisuus, joka saattaa kadota ja proteiinien denaturoituminen. Biosensori on analyyttinen laite, jossa biologista tai biologisesti johdettua materiaalia on joko sidottu tai kokonaan integroitu fysikaalis-kemialliseen anturiin. Biosensorien kehittämisen tavoitteena on valmistaa systeemejä, joiden avulla voidaan tutkia soluja, solukalvoja ja niiden ympäristöä reaaliajassa. Tarkoitus on saada biologisista prosesseista luotettavaa tietoa, jota hyödynnetään ihmisten hyvinvoinnin parantamiseksi. Biosensorien pitäisi olla edullisia, kestäviä, luotettavia ja lääketieteelliseen tutkimukseen soveltuvia. Tämän pro gradu -tutkielman kirjallisessa osassa tarkastellaan kvartsikidemikrovaa'an (QCM) hyödyntämistä biosensorina. QCM on laite, joka mittaa elektrodiin liitetyn kvartsikiteen värähtelytaajuutta. Kun sensorin massa muuttuu, myös sen värähtelytaajuus muuttuu. Värähtelytaajuuden muutoksesta voidaan tehdä johtopäätöksiä elektrodin pinnalla tapahtuvista muutoksista. Itsemuodostuvien pintakerrosten (SAM) avulla sensoripintaa voidaan muokata biologisten molekyylien havaitsemiseksi. SAM-pintojen käyttö perustuu kullan ja tioliyhdisteiden väliseen voimakkaaseen ja spontaaniin vuorovaikutukseen. Tioliyhdisteet muodostavat kullan pinnalle tasaisen ja stabiilin molekyylikerroksen. Tämän kerroksen ominaisuuksia muokkaamalla voidaan vaikuttaa pinnan kemiallisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin. Kirjallisessa osassa käsitellään QCM:n soveltuvuutta biosensoriksi immunoglobuliini E:n ja kloramfenikolin kvantitointiin, R- ja S-enantiomeerien erotukseen, solutukirankaan sitoutuvien lääkeaineiden tutkimiseen sekä seerumin vasta-ainemääritykseen. Tulokset ovat varsin lupaavia, vaikka QCM-laitteiston herkkyys ei vielä monissa sovelluksissa oikein riitä kvantitatiiviseen määritykseen. Myös sensoripinnan uudelleenkäyttö aiheuttaa vielä ongelmia. Pro gradu -tutkielman kokeellisessa osassa sovellettiin kapillaarielektrokromatografiaa (CEC) matalatiheyksisen lipoproteiinin (LDL) ominaisuuksien tutkimuksiin. CEC:ssä käytettävien 50 µm halkaisijan avoputkisilikakapillaarien sisäpinta päällystettiin LDL:llä, joka toimi stationaarifaasina. Kehitetyllä menetelmällä tutkittiin mm. LDL:ssa tapahtuvia muutoksia sokerikäsittelyn ja hapettumisen jälkeen. Tutkimuksissa hyödynnettiin elektro-osmoottista liikkuvuutta pinnassa tapahtuvien muutosten indikaattorina. CEC osoittautui hyväksi tekniikaksi biologisella materiaalilla helposti muokattavien kapillaaripintojen, lyhyiden analyysiaikojen ja vähäisten reagenssi- ja näytemäärien ansiosta

Teollisuuden sivuvirtojen hyödyntäminen kestomuovikomposiiteissa

Tiivistelmä. Maailmanlaajuinen muovien kulutus on merkittävää ja kulutuksen määrä tulee yhä kasvamaan tulevina vuosina. Muovien valmistukseen käytettävien fossiilisten raaka-aineiden kulutusta on tarvetta vähentää, koska ehtyvät uusiutumattomat resurssit eivät riitä kasvavaan kulutukseen ja on myös tärkeää pyrkiä kohti hiilineutraaliutta. Tavanomaisten muovien sijaan voidaan valmistaa biopohjaisia muoveja tai valmistaa kestomuovikomposiitteja, joissa käytetään osaksi raaka-aineina teollisuuden sivuvirtoja. Teollisuus tuottaa vuosittain merkittäviä määriä sivuvirtoja, joita voidaan potentiaalisesti hyödyntää eri sovelluskohteissa kaatopaikalle sijoittamisen tai muun hävittämisen sijaan. Sopivia sivuvirtoja on mahdollista käyttää kestomuovikomposiiteissa täyteaineena. Tällaisia ovat esimerkiksi epäorgaaniset sivuvirrat, kuten polttoprosesseissa syntyvät tuhkat. Keskeinen ongelma polymeerikomposiiteissa on hydrofiilisten täyteaineiden ja hydrofobisen polymeerimatriisin yhteensopimattomuus, joka aiheuttaa huonon adheesion täyteaineen ja polymeerimatriisin välillä. Se puolestaan johtaa komposiitin heikentyneisiin mekaanisiin ominaisuuksiin. Valmistettaessa sivuvirrasta ja kestomuovista komposiittia sivuvirta voidaan käsitellä yhteensopivuuden parantamiseksi. Tyypillinen tapa parantaa adheesiota polymeerien ja muiden materiaalien välillä on käyttää sopivaa kemiallista modifiointia. Tässä tutkielmassa tarkastellaan yleisimpien fossiili- ja biopohjaisten kestomuovien rakenteita ja ominaisuuksia sekä kestomuovien tuotantomääriä ja kierrättämistä. Lisäksi käydään läpi kestomuovien kanssa potentiaalisesti hyödynnettäviä Suomen teollisuudessa syntyviä sivuvirtoja ja niiden hyödyntämiseen liittyvää lainsäädäntöä lyhyesti. Tutkielmassa tarkastellaan polttoprosesseissa syntyviä tuhkia esimerkkinä epäorgaanisesta sivuvirrasta ja miten sivuvirtaa voi sopivaa kiinnitysainetta ja käsittelyä käyttäen hyödyntää täyteaineena kestomuovikomposiiteissa