Kemian kevät `15 abstraktikirja

Transcription

Kemian kevät `15 abstraktikirja
15
Kemia kartalle
21.4. - 23.4.2015
Kemia kartalle
21.4. - 23.4.2015
SISÄLLYSLUETTELO
Esipuhe
Johtajan jorinat
Ohjelma
Luonnonyhdistekemia
Tutkimusryhmäesittely
LuK-tutkielmien abstraktit
FM-erikoistyötä käsittelevät minijulkaisut
FT-vaiheen etenemisraportit
Laitekeskuksen FT-vaiheen etenemisraportti
Bio-orgaaninen kemia
Tutkimusryhmäesittely
LuK-tutkielmien abstraktit
FM-erikoistyötä käsittelevät minijulkaisut
FT-vaiheen etenemisraportit
Radiofarmaseuttisen kemian laboratorion FM-erikoistyötä käsittelevä minijulkaisu
Radiofarmaseuttisen kemian laboratorion FT-vaiheen etenemisraportit
Funktionaalinen materiaalikemia
Tutkimusryhmäesittely
FM-erikoistyötä käsittelevät minijulkaisut
FT-vaiheen etenemisraportit
Epäorgaaninen materiaalikemia
Tutkimusryhmäesittely
LuK-tutkielmien abstraktit
FM-erikoistyötä käsittelevät minijulkaisut
FT-vaiheen etenemisraportit
1
2
3
10
13
19
27
33
45
48
51
53
57
79
81
90
95
101
112
117
119
121
Kemian kevät 2015 – Esipuhe
Arvoisat Kemian kevät 2015 –tapahtuman osanottajat ja tämän vihkosen lukijat,
Yliopistomaailma on Suomessa jo tottunut siihen, että mikään muu ei ole pysyvää kuin muutos.
Maailma ei tunnu koskaan tulevan valmiiksi, joten muutoksiahan siihen sitten pitää tehdä. Vaikka
tähän jatkuvaan muutosprosessiin aletaan jo vähitellen väsyä, niin on se toisaalta nähtävä myös
mahdollisuutena. Jos lasiin suhtautuu näin puoliksi täytenä, on meillä siis käsissämme jatkuva
mahdollisuuksien sarja. Kemian laitoksen kohdalla tilanne on juuri näin ja näitä mahdollisuuksia
pyritään kuvaamaan tämän vihkosen sivuilla. Sen vuoksi normaalien alkusanojen lisäksi olen
lisännyt muutaman sivun tarinoita, joiden tarkoituksena on valottaa laitoksella jatkossa tapahtuvia
muutoksia niin henkilökunnalle kuin opiskelijoille.
Kaikkein pienimpänä muutoksena, joka on jo lisäksi toteutunut, voidaan pitää tämän vihkosen
sisältöön tehtyä rakenteellista uudistusta. Tänä vuonna mukaan on otettu ensimmäistä kertaa myös
väitöskirjaa valmistelevat jatko-opiskelijat ja näin vihkosta lukemalla on mahdollista muodostaa jo
melko hyvä kokonaiskäsitys kemian laitoksella tehtävästä tutkimuksesta. Ensi vuonna jatkoopiskelijoita odottaa uusi uudistus, mutta ei siitä tässä vaiheessa sen enempää.
Perinteisesti Kemian kevät –tapahtumassa päärooli on annettu opiskelijoille ja niin on tänäkin
vuonna. LuK-vaiheen opiskelijat esittävät vihkosessa omaan tutkielmaansa liittyvän yhden sivun
mittaisen lyhennelmän, joka on tarkoitettu esimerkiksi abstraktista, jonka avulla tutkijat hakevat
pääsyä esimerkiksi kansainväliseen tiedekonferenssiin. Kun pääsy on taattu, kirjoittavat tutkijat
konferenssista laadittavaan kirjaan esimerkiksi kaksisivuisen julkaisun, jonka formaattia FMopiskelijat taas ovat pyrkineet noudattamaan oman viisikuukautisen erikoistyön tuloksista
kertovissa teksteissään. Jatko-opiskelijoilla tieteen kieli on yleisesti englanti ja tällä logiikalla he
kertovat tämän vihkosen sivuilla oman nelivuotisen prosessinsa etenemisestä. Näin saadaan aikaan
melko hyvä naamakirja kemian laitoksen tutkimusaktiviteetista kolmella eri tasolla etenevien
opiskelijoiden silmin nähtynä.
Itse Kemian kevät ’15 –tapahtuma avataan tänä vuonna FM-opiskelijoiden töiden lyhyillä
muutaman minuutin trailer-tyylisillä esittelyillä, jotta kaikilla laitoksen henkilö- ja
opiskelijakuntaan kuuluvilla on mahdollisuus päättää kenen esityksen he haluavat kuulla
keskiviikkona tai torstaina kokonaisuudessaan, jos aivan kaikkia esityksiä ei jaksaisikaan käydä
kuuntelemassa. Tiistaina järjestetään lisäksi posterisessio I ja sen perään Varsinais-Suomen alueen
opoilla on mahdollisuus saada lisätietoa yliopisto-opinnoista ja yliopistoon hakemisesta.
Keskiviikkona ja torstaina käydään läpi perinteiset opiskelijaesitelmät. LuK-vaiheessa olevat
opiskelijat ovat valmistelleet tutkielmastaan tieteellisen esitelmän ja saavat näin ensimmäisen
kosketuspinnan siitä, millaista on esiintyä kansallisissa konferensseissa. FM-opiskelijat ovat tässä
suhteessa jo jossain määrin konkareita, joskin he saavat nyt ensi kertaa esittää omia
tutkimustuloksiaan isommalle yleisölle, niin posterein kuin esitelmin. Kuulijakunnalla on
velvollisuus paitsi esittää jokaiselle esiintyjälle asiaan kuuluvia kysymyksiä, niin myös seurata
esityksiä siinä määrin tarkkaavaisesti, että voivat ottaa osaa leffalippuja palkintona jakavaan kisaan.
Tapahtuman päättää torstaina iltajuhla, josta saamme kiittää tapahtumaa sponsoroineita
yrityksiä ja muita kemiasta kiinnostuneita tahoja, tietenkään laitoksen omaa vapaaehtoistyövoimaa
unohtamatta. Lopuksi haluan toivottaa lämpimät etukäteisonnittelut kaikille tapahtumaan
osallistuville kemian opiskelijoille. Iltajuhla on teitä varten ja olette juhlanne ansainneet!
Turku, 4.4.2015
2
Kemian kevät 2015 – Johtajan jorinat
Johtajan jorinat
Yksi kemian kevät –vihkosen uudistuksia on käyttää tätä kerran vuodessa julkaistavaa opusta
tiedonjakokanavana niin opiskelijoiden, henkilökunnan kuin muiden kemian laitoksen asioista
kiinnostuneiden tahojen suuntaan. Nyky-yliopiston johtamismalli on sikäli yksinkertainen, että
rehtori johtaa yliopistoa, dekaaanit johtaa tiedekuntia ja laitosjohtajat johtaa laitoksia. Tämä kaikki
voidaan tehdä hyvässä yhteisymmärryksessä eri henkilöstö- ja sidosryhmien kanssa, mutta
yhteisymmärryksen puutteessa laitosjohtajalla on laitoksen asioista aina ylin päätäntävalta ja se
voidaan kokea ongelmana verrattuna aiempaan tapaan, jossa kaikkia henkilöstöryhmiä edustanut
laitosneuvosto päätti asioista yhdessä. Kemian laitoksella ei onneksi ole ollut juuri lainkaan
merkittäviä erimielisyyksiä suurista linjoista, mutta siitä huolimatta on tarpeellista jakaa aika ajoin
informaatiota tehdyistä päätöksistä ja tulevaisuuden suunnitelmista, sikäli kun niitä on
mahdollista etukäteen julkistaa.
Kemian laitos elää tällä hetkellä ehkä historiansa suurimman mahdollisuuden aikaa ja tämä
mahdollisuus pitää nyt käyttää hyväksi oikealla tavalla. Olemme mukana monessa kansallisesti ja
kansainvälisesti merkittävässä hankkeessa ja sen lisäksi olemme täyttämässä laitokselle viittä
pysyväisluonteista tehtävää, joista kolme on professuuria ja kaksi yliopistonlehtorin tehtäviä.
Näissä rekrytoinneissa ei ole mahdollisuutta epäonnistua, vaan ne pitää hoitaa niin, että laitoksessa
kasvaa dynaamisuus ja tekemisen sekä eteenpäin menemisen meininki. Kaikkien pitää ymmärtää se,
että jokaisen rekrytoinnin tavoitteena on vain ja ainoastaan koko laitoksen edun tavoittelu. On
epätodennäköistä, että eteemme tulee nopeasti – tai koskaan – samankaltaista mahdollisuutta, jossa
voimme kehittää laitoksen toimintaa viiden merkittävän rekrytoinnin myötä. Samaan aikaan on
mahdollista, että lisäämme laitoksen dynaamisuutta ottamalla tiloihimme lääketieteelliseen
kemiaan keskittyvän professorivetoisen tutkimusryhmän. Toteutuessaan tämä olisi osa
kansallisesti merkittävänä nähtävää Lääkekehitys ja diagnostiikka –hanketta, johon myös kemian
laitos on sitoutunut omia rekrytointeja suunnitellessaan. Aika näyttää miten tässä kaikessa
onnistutaan ja kuinka merkittävään nousuun laitos saadaan näiden uusien avausten myötä.
Kemian laitos ei ole vielä niin moderni, että olisi avannut verkkomaailmaan omia blogejaan tai
muuta tällaista nyky-yhteiskunnan hektisen kommunikoinnin kanavaa. Sen sijaan tähän vihkoseen
avataan nyt Johtajan jorinat –kanava, joka toivottavasti parantaa tiedonkulkua ja –jakoa tässä
tilanteessa, jossa muutos saattaa näyttää ainoalta pysyvältä elementiltä. Muutosvastarinnan sijaan
tilanteeseen pitää pystyä suhtautumaan positiivisesti, koska tavoiteltujen muutostenkin jälkeen
kemian laitoksella tehtävä tutkimus on edelleen tutkijoiden ja tutkimusryhmien omissa käsissä,
ja innovatiivisuudelta ja perustutkimuksen kaltaiselta tärkeältä toiminnalta ei olla leikkaamassa
siipiä pois. Kemian laitos on tulevaisuudessakin paikka, jossa tutkijalla on mahdollisuus luoda
uusia avauksia, mutta niille avauksille ollaan nyt luomassa tietyt puitteet, joiden raameissa
pitäisi pysyä. Ne ajat ovat ohi, jolloin jokainen sai tutkia täysin vapaasti yksin omassa kopissaan
mitä halusi ja laitos antoi siihen rahat. Näin pienellä laitoksella ei ole jatkossa varaa tällaiseen
toimintaan ja tämän vuoksi halusinkin esittää jokaiselle väitöskirjatyöntekijällemme kysymyksen,
mikä hänen tutkimuksessaan on merkittävää oman tutkimusryhmän kannalta. Kun tähän
kysymykseen saadaan monia hyviä vastauksia ja jokainen tutkimusryhmä onnistuu hankkimaan
laitoksen profilointia tukevaa merkittävää ulkopuolista rahoitusta, niin olemme osa oikeaan,
positiiviseen suuntaan vyöryvää kokonaisuutta.
Seuraavilla sivuilla tulee lisää jorinaa aiheista:
x Kemia kartalle – mitä ihmettä?
x Mitä opiskelijan tulisi tietää kemian laitoksen rakenteesta?
x Laitoksen laiteinfrastruktuuri uudistuu – juuri ajoissa?
x Muutoksen tuulet puhaltaa – mutta myötä- vai vastatuuleen?
3
Kemian kevät 2015 – Johtajan jorinat
Kemia kartalle – mitä ihmettä?
Tämänvuotisen kemian kevät –tapahtuman teemana on kemia kartalle. Tällä viitataan Suomen
yliopistoissa kemian ja kemiantekniikan koulutusta antavien yksiköiden yhteishankkeeseen Kemia
Suomi, jonka tavoitteena on saada kemia paremmin kartalle noin yleisestikin ottaen, mutta
erityisesti tällä tarkoitetaan kemian saattamista niin sanotulle kansalliselle tiekartalle, jota kautta eri
tieteenalat voivat saada käyttöönsä merkittäviä infrastruktuurimäärärahoja. Hankkeen aikana
yhdeksän eri yliopiston kemian laitosjohtajat ja muut edustajat ovat istuneet yhteisen pöydän
ääressä lukuisia kertoja ja saaneet aikaan tarkan kuvan tällä hetkellä Suomessa tehtävästä kemian ja
kemiantekniikan tutkimuksesta.
Kunkin laitoksen listattua tärkeimmät tutkimushankkeensa voitiin todeta yliopistoissa tehtävän
kemian tutkimuksen olevan hyvin temaattista ja keskittyneen etsimään vastauksia ihmiskunnan
suuriin haasteisiin: energia, ruoka, puhdas vesi, terveys ja hyvinvointi, ympäristö, ja raaka-aineiden
riittävyys. Tutkimus jakautuu neljään pääteemaan kaavion 1 mukaisesti: (1) ihmisen ja
hyvinvoinnin kemia, (2) kestävä kemia, (3) energian tuotantoon ja varastointiin liittyvä kemia, ja
(4) materiaalikemia.
Kemian ja kemian
tekniikan tutkimus
Suomessa
Ihmisen ja
hyvinvoinnin
kemia
Kestävä kemia
UTU:
Bio-orgaanisen
kemian
tutkimusryhmä
UTU:
Luonnonyhdistekemian
tutkimusryhmä
Energian
tuotantoon ja
varastointiin
liittyvä kemia
Materiaalikemia
UTU:
Toiminnallisten
materiaalien
tutkimusryhmä
UTU:
Epäorgaanisen
materiaalikemian
tutkimusryhmä
Kaavio 1. Kemian ja kemian tekniikan tutkimuksen neljä pääteemaa Suomessa ja niitä pääosin
toteuttavat tutkimusryhmät Turun yliopiston kemian laitoksessa.
Pääteema-alueet ovat niin laajoja, että niiden alle mahtuu huomattavan suuri kirjo erilaisia
tutkimuskokonaisuuksia. Kemian yksiköiden tavoitteena onkin selventää eri yliopistojen työnjakoa
niin, että suorilta päälekkäisyyksiltä vältyttäisiin. Tässä yhteydessä jokaisen yksikön pitää pystyä
selkeästi osoittamaan, miten se on omalta osaltaan profiloitunut Suomen kemian tutkimuksen
kentässä. Kaiken kaaviossa 1 kuvatun kemian tutkimuksen perustana ja yhdistävänä tekijänä ovat
kemialliset menetelmät ja niihin liittyvä infrastruktuuri: synteettinen kemia, analytiikka,
spektroskopia, laskennallinen kemia, materiaalien karakterisointi. Nämä ovat siis tutkimukselle
välttämättömiä komponentteja, joiden pitää olla kunnossa jokaisessa varteenotettavassa kemian
laitoksessa, mutta niitä ei sinällään lasketa mukaan neljään tutkimukselliseen pääteemaan, koska ne
ovat taustavaikuttajina mukana kaikissa teemoissa.
Turun yliopiston kemian laitoksen profilointityö aloitettiin jo noin kymmenen vuotta sitten, kun
laitosrakenne muutettiin nykyiseen kahden laboratorion malliin: orgaanisen kemian ja kemiallisen
4
Kemian kevät 2015 – Johtajan jorinat
biologian laboratorio ottaa tällä hetkellä osaa teemoihin ihmisen ja hyvinvoinnin kemia sekä
kestävä kemia, ja materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio teemaan materiaalikemia.
Näistä ensin mainittu laboratorio on tutkimuslinjoiltaan Suomen mittakaavassa täysin ainutlaatuinen
vahvoine bio-orgaanisen kemian ja luonnonyhdistekemian aloineen, joita yhdistää vahvasti
yleisteema kemiallinen biologia. Jälkimmäistä laboratoriota taas yhdistää vahvasti yleisteema
materiaalikemia, jonka profiloinnin haasteena on se, että materiaalikemia nähdään vahvana
tieteenalana lähes kaikissa Suomen yliopistoissa. Turussa profilointi on kohdistunut
elektroaktiivisiin materiaaleihin, loisteaineisiin ja aurinkoenergian keräykseen liittyviin
sovelluksiin.
Edellä mainittujen tutkimuslinjojen eteenpäin vieminen ja jatkoprofilointi Turun yliopiston
kemian laitoksessa vaatii pitkäjänteisyyttä ja jokaisen työntekijän sitoutumista yhteisiin
tavoitteisiin. Lisäksi kemian parempi kartalle saaminen vaatii tutkijoiden ajoittaisia esiintuloja,
tarkoittaen aktiivisempaa kemian tieteellistä viestintää. Kemianteollisuus on tällä hetkellä Suomen
tärkein vientiala ja kemian tuotteiden osuus Suomen koko viennistä on noin neljännes. Kun
samaan aikaa kemian laitoksella tehtävä tutkimus on korkealaatuista ja kansainvälisesti
arvostettua, ei ole mitään syytä pitää kynttilää vakan alla. Onneksi laitoksen jokaisesta
tutkimusryhmästä on viimeksi kuluneen kahden vuoden aikana noussut esiin tutkijoita, jotka ovat
tämän oivaltaneet. Tätä suuntausta pitää jatkaa, ellei parempana suuntauksena sitten pidetä
hiljaiseloa ja vähittäistä näivettymistä. Jokainen tutkija ja tutkimusryhmä ratkaisee omalla
kohdallaan mihin suuntaan haluaa pyöränsä pyörivän.
Mitä opiskelijan tulisi tietää kemian laitoksen rakenteesta?
Edellisessä kappaleessa (Kemia kartalle – mitä ihmettä?) kuvatun kansallisen profiloinnin lisäksi,
kemian laitoksen tutkimuksen ja opetuksen profilointi on tärkeää opiskelijan kannalta katsottuna.
Mitä selkeämpänä laitoksen rakenne ja profiili pidetään, sitä helmompaa myös opiskelijan on
hahmottaa, miten hänen kannattaa kemian opinnoissaan suuntautua. Menneinä vuosina edes
kaikki opiskelijatuutorit eivät ole aina hahmottaneet, mikä kemian laboratoriojaossa on oleellista tai
mitä ovat ne tiedot ja taidot, joita kussakin laboratoriossa opiskelijoille voidaan opettaa. Tämä on
tietty valitettavaa, mutta toivottavasti historiaa, kun jo kahden vuoden ajan ensimmäisen vuoden
opiskelijoille on esitelty eri tutkimusryhmien toimintaa ja tätä kautta ryhmillä on ollut mahdollisuus
jakaa totuudenmukaista informaatiota eteenpäin. Toivottavasti tilanne jatkuu tämänkaltaisena ja
selkeytyy mahdollisuuksien mukaan edelleen. Tätä prosessia helpottamaan on tähän vihkoseen
lisätty esittelyt kustakin tutkimusryhmästä ja edelleen niiden perään näissä ryhmissä
työskentelevien LuK-, FM- ja FT-vaiheen opiskelijoiden abstraktit tai minijulkaisut.
Kemian laitoksessa toimii tällä hetkellä kaavion 2 mukaisesti kaksi tutkimuslaboratoriota,
joissa molemmissa on kaksi tutkimusryhmää. Kahden ensimmäisen opiskeluvuoden aikana
opiskelija tutustuu näitä laboratorioita ja tutkimusryhmiä paremmin opetuslaboratorioon, joka myös
on osa kemian laitosta. Siinä missä opetuslaboratoriossa vietetty aika saa opiskelijan orientoitumaan
kemiassa niin oleelliseen laboratoriotyöskentelyyn, niin opintojen jatkon kannalta kaavion 2 vihreät
ja kellertävät laatikot ovat niitä vielä ratkaisevampia. Nämä valinnat muodostavat sen polun, jonka
varrelta opiskelija imee itseensä sen ekspertiisin, jonka turvin hän hakee itselleen työ- tai jatkoopintopaikkaa kemistiksi valmistuttuaan.
5
Kemian kevät 2015 – Johtajan jorinat
Kemian laitos
Orgaanisen kemian
ja kemiallisen
biologian
laboratorio
Bio-orgaanisen
kemian
tutkimusryhmä
Materiaalikemian
ja kemiallisen
analyysin
laboratorio
Luonnonyhdistekemian
tutkimusryhmä
Toiminnallisten
materiaalien
tutkimusryhmä
Epäorgaanisen
materiaalikemian
tutkimusryhmä
Kaavio 2. Kemian laitoksen tämänhetkinen laboratorio- ja tutkimusryhmärakenne. Osa orgaanisen
kemian ja kemiallisen biologian opiskelijoista voi suuntautua myös radiokemian tutkimusryhmään,
joka toimii PET-keskuksessa. Tämän lisäksi laitoksessa toimii kaikkia ryhmiä palveleva
laitekeskus, jossa on jatkossa mahdollista tehdä laitoksen tutkimusprofiiliin sopivia erikoistöitä
ja/tai väitöskirjoja.
Kemistiksi tähtäävä opiskelija etenee kaksi ensimmäistä vuotta enemmän tai vähemmän putkimaista
opintopolkua pitkin kaavion 2 punertavassa laatikossa, jossa ei juuri haaroittumismahdollisuuksia
ole. Ainoa merkittävä poikkeus on kemian aineenopettajaksi tähtäävät, joilla toiseksi opetettavaksi
aineeksi tulevasta alasta pitää opiskella 60 op kokonaisuus ja tämä on syytä aloittaa jo kahtena
ensimmäisenä vuonna.
Kolmantena opintovuonnaan kemian opiskelijan pitää pystyä päättämään, jatkaako
opintojaan orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian vai materiaalikemian ja kemiallisen
analyysin laboratorion tarjoamilla vaihtoehtopoluilla. Myös opettajaksi suuntautuvat tekevät
tämän päätöksen.
Kolmannen vuoden syksyllä ensimmäisen periodin aineopintojen harjoitustyöt III noudattaa jo
tätä joko/tai -valintaa ja valinta täsmentyy edelleen kolmannen vuoden toiseen periodiin
mennessä, kun opiskelija ilmoittautuu LuK-harjoitustyöhön; opettajalinjalaisilla LuK-työ on
lyhyempi kuin kemistiksi tähtäävillä. Tätä valintaa tehdessä on jo syytä paneutua siihen, mikä on
opiskelijan mielestä se oikea polku kohti FM-tutkintoa ja kuka on tätä polkua jatkossa ohjaava
vastuuprofessori. Tätä valintaa selkeyttääkseni olen koonnut seuraaville sivuille lyhyesti laitoksen
kahden laboratorion nykytilanteen ja kuvauksen niiden tulevaisuuden suunnitelmista, sikäli kun
olen niistä tietoinen.
On kuitenkin tarpeen lisäksi huomioida, että parhaan kuvan kulloisestakin tilanteesta saa
aina henkilökohtaisen kontaktin kautta ja jos asioissa on epäselvyyksiä, ei mikään ole
järkevämpää kuin astella potentiaalisen vastuuprofessorin pakeille ja selvittää asiat sitä kautta. Jos
tähän rohkeus ei riitä, apua on tarjolla myös opettajatuutoreiden ja kemian laitoksen toimiston
kautta.
6
Kemian kevät 2015 – Johtajan jorinat
Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio
Laboratoriossa on kaksi vastuuprofessoria, joista kummallakin on oma tutkimusryhmänsä. Prof.
Harri Lönnberg vetää Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmää ja prof. Juha-Pekka Salminen
vetää Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmää. Molemmat ryhmät keskittyvät tällä hetkellä
erityisesti suurikokoisten molekyylien kemialliseen biologiaan. Opiskelijan kannalta tilanne on
sikäli selkeä, että orgaanisesta synteesistä ja sen kehittämisestä kiinnostuneiden kannattaa valita jo
LuK-vaiheessa prof. Lönnbergin ryhmä, kun taas orgaanisten yhdisteiden kemiallisesta
analytiikasta ja sen kehittämisestä kiinnostuneiden kannattaa suuntautua LuK-vaiheessa prof.
Salmisen ryhmään. Molemmat ryhmät toki tekevät paljon muutakin ja ryhmien nettisivut ja tämän
vihkosen kautta avautuva tutkimusprofiili toivottavasti valottavat tätä asiaa edelleen.
PET-keskuksessa toimii prof. Olof Solinin vetämä radiokemian tutkimusryhmä ja joillakin
opiskelijoilla on mahdollisuus suuntautua myös sinne kehittämään radioaktiivisesti leimattujen
lääkeaineiden synteesiä. Tässä mielessä radiokemian ryhmä on siis rinnakkaisvalinta prof.
Lönnbergin ryhmän kanssa, koska molemmissa ryhmissä tutkimus etenee orgaanisten molekyylien
synteesin kautta. Radiokemian maisteriopiskelijat ja väitöskirjatyöntekijät on tämän vuoksi listattu
tässä vihkosessa bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmän välittömään läheisyyteen, vaikka
radiokemian tutkimusryhmä ei ole kemian laitoksen oma tutkimusryhmä, vaan toimii siis PETkeskuksessa.
Laitoksen tiloissa toimiva Turun yliopiston ja Åbo Akademin yhteinen kemian laitekeskus –
vetäjänään erikoistutkija Jari Sinkkonen – omaa myös resursseja maisteriopiskelijoiden ja
väitöskirjatyöntekijöiden ohjaamiseen, vaikka se ei sen päätehtävä olekaan. Laitekeskus ei
sinällään kuulu kumpaankaan laboratorioon, mutta massaspektrometrian ja NMR-spektroskopian
kautta etenevä tutkimus linkittyy tiiviimmin orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian
laboratoriossa tehtävään tutkimukseen. Tätä tukee myös laitekeskuksen väitöskirjatyöntekijän
linkittyminen epäsuorasti luonnonyhdistekemian tutkimusryhmään.
Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratoriossa on tapahtumassa isoja muutoksia
lähiaikoina. Olisi ehkä väärin sanoa, että toimintaa ollaan kehittämässä, koska kansallisesti ja
kansainvälisesti korkealle arvostettu professori Lönnberg on jäämässä eläkkeelle syksyllä 2016.
Tosiasia kuitenkin on, että laboratorioon ollaan rekrytoimassa kahta uutta orgaanisen kemian
professoria. Tämän lisäksi on mahdollista, että jatkossa laboratorion tiloihin sijoittuu vielä neljäskin
professuuri, mutta jonka rahoitus ei tule kemian laitoksen kautta. Näillä muutoksilla pyritään
vahvistamaan laboratorion kansallisesti vahvaa profiilia kemiallisen biologian tutkimuksessa sekä
luomaan uusia edellytyksiä Turun alueelle vahvuusalueeksi pyrkivälle Lääkekehitys ja
diagnostiikka –sektorille. Jos näkyvissä olevat muutokset viedään läpi onnistuneesti, on
seurauksena se, että laboratoriossa voi jatkossa toimia jopa neljä tutkimusryhmää, mikä on varmasti
omiaan kasvattamaaan laboratorion dynaamisuutta entisestään. Tällöin laboratorion profiiliksi voi
hyvinkin täsmentyä kemiallinen biologia ja lääkekehitys, jota kaikki ryhmät tukisivat omalla
toisiaan täydentävällä panoksellaan.
7
Kemian kevät 2015 – Johtajan jorinat
Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorio
Laboratoriossa on tällä hetkellä kolme professoria ja kaksi tutkimusryhmää ja niistä molemmat ovat
vahvasti profiloituneet materiaalikemialliseen tutkimukseen. Toiminnallisten materiaalien
tutkimusryhmässä toimii prof. Carita Kvarnström, prof. Jukka Lukkari ja prof. Keijo Haapakka.
Epäorgaanisen materiaalikemian ryhmää vetää tällä hetkellä yliopistonlehtorit Mika Lastusaari
ja Ari Lehtonen. Laboratorion ryhmäjako on läpikäymässä muutoksia, ei vähiten sen vuoksi, että
analyyttisen kemian luento-opetuksesta vastannut prof. Haapakka on jäämässä eläkkeelle vuoden
2016 alussa ja epäorgaaniseen kemiaan ollaan parhaillaan rekrytoimassa uutta professoria.
Analyyttiseen kemiaan ei haeta uutta professoria, vaan opetus hoidetaan jatkossa yliopistonlehtorin
tehtävän kautta. Näillä kahdella uudella tehtävällä pyritään kasvattamaan laboratorion
dynaamisuutta etenkin tutkimuspuolella ja eläköitymisten ja rekrytointien jälkeen näemme millaiset
tutkimusryhmät materiaalikemian ja kemiallisen analyysin laboratorioon muotoutuu. Odotettavissa
on kolmen tutkimusryhmän hyvässä yhteistyössä toimiva kokonaisuus.
Tällä hetkellä laboratoriossa toimii siis kaksi tutkimusryhmää ja LuK-vaiheeseen siirtymässä
olevan opiskelijan pitäisi pystyä päättelemään mitä polkua pitkin oma FM-tutkinto kannattaa
rakentaa ja kuka on tätä polkua ohjaava vastuuprofessori. Toiminnallisten materiaalien ryhmässä on
tällä hetkellä tarjolla kaksi vaihtoehtoa, omalla tavallaan käytäntö vs. teoria. Prof. Carita
Kvarnström on vastuussa sovelletusta materiaalikemiasta, jonka avulla pyritään löytämään
käytännön ratkaisuja materiaalikemiallisiin ongelmiin. Prof. Jukka Lukkarin vastuulla on
fysikaalinen materiaalikemia, joka lähestyy materiaalikemiaa askeleen tai pari teoreettisemmalta
pohjalta. Epäorgaanisen materiaalikemian ryhmän jatkokuvioiden kannalta oleellista on, kuinka
epäorgaanisen kemian professorin rekrytoinnissa tullaan onnistumaan.
Molemmat
materiaalikemian ryhmät toki tekevät paljon muutakin ja ryhmien nettisivut ja tämän vihkosen
kautta avautuva tutkimusprofiili toivottavasti valottavat tätä asiaa edelleen. Laboratorion profiiliksi
on joka tapauksessa muotoutunut hyvin vahvasti materiaalikemia, mutta profiilin täsmentymistä
jouduttaneen odottamaan yli uusien rekrytointien.
Laitoksen laiteinfrastruktuuri uudistuu – juuri ajoissa?
Kemia on hyvin vahvasti laboratorio- ja laitevaltainen tieteenala ja ilman näitä kahta komponenttia
on hyvin vaikeaa tehdä vakavasti otettavaa kemiallista tutkimusta. Laboratoriovaltaisuus aiheuttaa
myös tavallaan ongelman infrastruktuuripuolella, koska iso osa käytettävissä olevista määrärahoista
kuluu tilavuokriin. Toinen ”ongelma” on se, että suurin osa kemian laitekannasta on ns. keskikalliita
investointeja (miljoona euroa tai sen alle), joita tarvitaan paikallisesti juuri siellä missä
tutkimustakin tehdään. Näin ollen kemian laitosten on ollut hankalaa hankkia laitteita yhteistyössä
ja sen vuoksi ala ei ole pärjännyt hyvin infrastruktuurihankinnoissa vielä kalliimpien laitteiden
kansallisella tiekartalla. Tähän pyritään nyt saamaan muutos kemian laitosten kasvaneen yhteistyön
seurauksena ja työn alla on ensimmäisen ison Kemia Suomi –hankkeen yhteiskäyttöön tulevan
laitteen hakuprosessi.
Turun seudulla on vahvuutena Turun yliopiston ja Åbo Akademin vuosia jatkunut kemian
alan yhteistyö, jonka seurauksena tänä vuonna molemmat tahot investoivat vajaat miljoona euroa
8
Kemian kevät 2015 – Johtajan jorinat
kumpikin kemian laitoksen NMR-laitekannan päivitykseen. Kun kemian laitos on samanaikaisesti
tuplannut omat laiteinvestointinsa tilapäisesti – tavoitteena kasvu pienellä riskillä mieluummin
kuin näivettyminen ilman riskiä – näyttää laitoksen tutkimusryhmien infrastruktuuri kotvan
kuluttua siltä, että siitä ei tarvitse itkeä muutamaan vuoteen ainakaan kovin vuolaasti. Tämä on
tärkeää niin tutkimuksellisesti kuin opiskelijoidenkin kannalta, jotta kaikille tahoille pystytään
tarjoamaan ajanmukaiset ja modernit tutkimuslaitteet. Monella kemian alalla suurimmat
tutkimukselliset innovaatiot ja avaukset syntyvät juuri uusien laitteiden avaamien mahdollisuuksien
kautta. Enää ei siis tarvita muuta kuin jatkuvia uusia innovaatioita ja sitä kautta uutta
tutkimusrahoitusta. Positiivinen pyörä olisi pidettävä pyörimässä oikeaan suuntaan ja nyt tätä
palloa on helppo tarjota tutkijoille ja tutkimusryhmille. Kuka ottaa kopin, kuka juoksee kunnarin?
Ei ole enää laitteista kiinni. Laitokseen rekrytoitavat professorit ja yliopistonlehtorit saavatkin
käyttöönsä hyvän laitekannan, juuri oikeaan aikaan. Olettaen tietty, että laitehankinnoissa
onnistutaan.
Muutoksen tuulet puhaltavat – myötä- vai vastatuuleen?
Jos jollakin tämän vihkosen lukijalla on ollut riittävästi kestävyyttä lukea johtajan jorinoita näin
pitkälle asti, on hänelle ehkä käynyt selväksi, että lyhyen ajan sisään kemian laitos tulee käymään
läpi ison joukon muutoksia. Yksi tiedossa ja julkistettavissa oleva muutos jäi vielä listaamatta ja se
on opetuslaboratorion esimiehenä toimivan perusopetuksen yliopistonlehtorin paikan
vakinaistaminen. Tämä tehtävä ei ole sen vähäpätöisempi kuin professorienkaan rekrytoinnit, sillä
opetuslaboratorion toimintaan ollaan tekemässä mahdollisesti mittaviakin muutoksia, joilla voi olla
merkitystä niin opiskelijoiden oppimistuloksiin kuin uusien motivoituneiden kemian opiskelijoiden
saamiseen laitokselle. Lyhyellä aikavälillä näkyvin muutos on fysiikan laitoksen kanssa toteutettava
Luonnontiedeluokan avaaminen opetuslaboratorioon: jatkossa luokka toimii mallilaboratoriona
laitoksella vieraileville koululaisryhmille, joille ollaan myös valmistelemassa ns.
mobiililaboratoriota. Mobiililabraan liittyvä ensimmäinen opettajalinjalaisen erikoistyö on juuri
valmistumassa ja työn tuloksia tullaan testaamaan myöhemmin pilottihankkeessa alueen koulujen
kanssa. Tämä on hyvä esimerkki siitä, millaisia uusia avauksia kemia tarvitsee omaa näkyvyyttään
parantaakseen ja toisaalta palvellakseen paremmin lähialueen kemian opettajien mahdollista tarvetta
saada näyttää omille opiskelijoilleen mitä on kemian tutkimus yliopistossa.
Muutosta ei kannata tehdä pelkästään muutoksen vuoksi. Jos näin menetellään, niin tullaan
noin 15‒20 vuoden välein uusimaan kertaalleen tai kahdesti tehdyt virheet: ainahan voidaan palata
siihen mistä joskus lähdettiin ja sitten lähdetään taas kovalla rytinällä kohti uusia pettymyksiä. Eikö
olisi paljon mukavampaa olla vaan tekemättä yhtään mitään? Toki, jos kuppi on jo valmiiksi
puoliksi tyhjä ja pyörä pyörii jo entuudestaan väärään suuntaan ja töihin tullessakin on aina
vastatuuli. Mutta jos nyt kuitenkin lähdetään siitä, että positiivisen ajattelun ja tieteellisesti
korkealaatuisten henkilökohtaisten ratkaisujen kautta meidän jokaisen on mahdollista rakentaa
kemian laitoksesta entistä dynaamisempi ja innostavampi työ- ja koulutuspaikka. Sillai kai.
9
Kemian kevät 2015 – Ohjelma
Tiistai 21.4.
13.30–15.00 Tapahtuman avaus ja esimakua FM-erikoistöistä (Arc1)
– Laitoksen johtaja Juha-Pekka Salminen
– FM-erikoistyöntekijät: Laura Hauta, Annika Lehtimäki, Reetta Ylöstalo, Juho Jaakkola, Olli Moisio, Salla
Lahdenpohja, Hannu Grönberg, Ilkka Palmunen, Timo Parviainen, Isabella Norrbo
15.00–16.00 Posterisessio I (Arc ala-aula)
– FM-erikoistyöntekijät ja väitöskirjatyöntekijät
16.00-17.00 Kemian opinnot: mitä, miten, missä ja miksi (Arc1)
– Varsinais-Suomen alueen opinto-ohjaajille suunnattu tilaisuus
Keskiviikko 22.4.
9.00-10.15 Luonnonyhdistekemia I (Arc1)
9.00
Plenaariluento ”Kasvien puolustusyhdisteiden kemia: uusia menetelmiä ja käyttötarkoituksia
bioaktiivisiksi osoitetuille yhdisteille ja yhdisteryhmille” – Prof. Juha-Pekka Salminen
9.30 LuK -esitelmä ”Antosyaanit ovat enemmän kuin karbokationeja” – Henna Koivikko
9.45 LuK -esitelmä ”Oligomeeristen ellagitanniinien rakenteellinen monimuotoisuus” – Juuso Laitila
10.00 LuK -esitelmä ”Antosyaanianalytiikkaan liittyvät ongelmat ja niiden ratkaisut” – Marianna
Manninen
10.30-11.45 Luonnonyhdistekemia II (Arc1)
10.30
10.45
11.00
11.15
11.30
LuK -esitelmä ”2D-LC-ABTS-menetelmän käyttö fenolisten antioksidanttien analytiikassa”
– Karoliina Mäkinen
LuK -esitelmä ”Kapsaisinoidien erilaiset uuttomenetelmät” – Saara Nenonen
LuK -esitelmä ”Granaattiomenan polyfenolien sormenjälkiprofilointi UHPLC-MSn - tekniikalla”
– Marko Pakanen
LuK -esitelmä ”Granaattiomenan ellagitanniinit sekä niiden mahdolliset syöpää estävät
ominaisuudet” – Juha Pekkala
LuK -esitelmä ”Hydrolysoituvien tanniinien vesiliukoisuus ja hydrofobiset vuorovaikutukset”
– Heikki Saine
13.00-14.00 Luonnonyhdistekemia III (Arc1)
13.00
13.20
13.40
FM -esitelmä ”Hydrolysoituvat tanniinit- biosynteesipolulta spektri- ja menetelmäkirjastoksi”
– Laura Hauta
FM –esitelmä ”Proantosyanidiinien metabolia lampaissa: kvalitatiivinen ja kvantitatiivinen analyysi”
– Annika Lehtimäki
FM –esitelmä ”Tanniinien kemialliset ominaisuudet ja niiden mittausmenetelmiä” – Reetta Ylöstalo
14.00-15.00 Yritysmaailman puheenvuoro
14.00
14.30
Tero Parkatti (Bayer Oy): ”Bayer – Science For A Better Life”
Ville Nieminen (Raisio Oyj): ”Prosessikemistin arkea”
15.00-16.00 Posterisessio II (Arc ala-aula)
10
Kemian kevät 2015 – Ohjelma
Torstai 23.4.
9.00-10.00 Bio-orgaaninen kemia I (Arc1)
9.00 Plenaariluento ”Biomolekyylien kemiaa” – Prof. Harri Lönnberg
9.30 LuK -esitelmä ”Hiilidioksidin talteenotto ja hyötykäyttö” – Asmo Aro-Heinilä
9.45 LuK -esitelmä ”MikroRNA biologisen säätelyn ja havainnoinnin kohteena” – Antti Äärelä
10.15-11.15 Bio-orgaaninen kemia II + Radiokemia (Arc1)
10.15
10.35
10.55
FM -esitelmä ”UDP-riboosin ja UDP-fruktoosin pilkkoutuminen metabolisissa prosesseissa”
– Juho Jaakkola
FM -esitelmä ”DNA-pohjainen asymmetrinen hybridikatalyysi Diels-Alder –reaktiossa”
– Olli Moisio
FM -esitelmä ”Selectfluor-prekursorin valmistus ja [18F]selectfluorin radioanalyyttisten
menetelmien kehitys” – Salla Lahdenpohja
12.30-14.00 Toiminnalliset materiaalit (Arc1)
12.30
13.00
13.20
13.40
Plenaariluento ”Funktionaalisia materiaaleja ja ohuita kalvoja : Molekyylien kemiallisten ja
fysikaalisten ominaisuuksien käyttöä ihmisen parhaaksi …Eli mitä on materiaalikemia”
– Prof. Jukka Lukkari
FM –esitelmä ”Kerros-kerrokselta kootut ohutkalvot ja luminesoivat kalvosensorit”
– Hannu Grönberg
FM –esitelmä ”Sähköä johtavat komposiitit: kalsiumkarbonaatin päällystäminen
johdepolymeereillä” – Ilkka Palmunen
FM –esitelmä ”Hyvälaatuisten ohutkalvojen kasvatus grafeenioksidilla ja polyelektrolyyteillä
ultraääninebulisaation avulla” – Timo Parviainen
14.15-15.35 Epäorgaaninen materiaalikemia (Arc1)
14.15
14.45
15.00
15.15
Plenaariluento ”Epäorgaanista materiaalikemiaa” – Dos. Mika Lastusaari
LuK –esitelmä ”Siirtymämetalli-ionien komplekseja nelihampaisten aminobisfenoliligandien kanssa”
– Ville Eskonen
LuK -esitelmä ”Upkonvertoivat nanopartikkelit biologisessa kuvantamisessa” – Jaakko Oksa
FM -esitelmä ”Rakenteen vaikutus sodaliitin tenebresenssiin ja luminesenssiin” – Isabella Norrbo
18.00-24.00 Iltajuhla (Arc aula)
11
Kemian kevät 2015
Luonnonyhdistekemian
tutkimusryhmäesittely ja opiskelijoiden abstraktit
8 kpl LuK-tutkielmien abstrakteja
3 kpl FM-erikoistyötä käsitteleviä minijulkaisuja
6 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja
sekä
Laitekeskuksesta
1 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja
12
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
KASVIEN PUOLUSTUSYHDISTEIDEN KEMIA:
UUSIA MENETELMIÄ JA KÄYTTÖTARKOITUKSIA BIOAKTIIVISIKSI
OSOITETUILLLE YHDISTEILLE JA YHDISTERYHMILLE
Prof. Juha-Pekka Salminen
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian
laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
s-posti: j-p.salminen@utu.fi
Luonnonyhdistekemian
tutkimusryhmän
(Natural
Chemistry
Research
Group,
naturalchemistry.utu.fi) aktiviteetti kohdistuu luonnonyhdisteiden, etenkin polyfenolien kemiaan.
Tutkimuksemme avulla löydämme luonnosta uusia molekyylejä tai luomme entistä tehokkaampia
menetelmiä, joiden avulla muidenkin tutkimusryhmien on mahdollista kvantitoida poikkeuksellisen
hankalan rakenteen omaavia polyfenoleja tai määrittää niistä aiheutuvaa bioaktiivisuutta. Samalla
opimme paremmin ymmärtämään miten erilaiset puolustusyhdisteet ovat jakautuneet kasvikunnassa
ja mitkä ovat aktiivisuudeltaan parhaimmat kasviheimot, -suvut ja -lajit. Loppusovelluksina
tutkimustoimintamme voi johtaa esimerkiksi sellaisten kasvilajien tai lajikkeiden jalostamiseen,
joilla voidaan pyrkiä korvaamaan märehtijöiden synteettisiä loislääkkeitä ja samalla hillitä
märehtijöiden tuottamia kasvihuonekaasupäästöjä. Kaikki tämä vaatii laajaa analyyttis-orgaanisten
ja fysikaalis-orgaanisten analyysimenetelmien hallintaa. Tätä kautta opiskelijat paneutuvat myös
kemistin työelämän kannalta relevantteihin menetelmiin, mistä on heille hyötyä myöhemmin
työelämässä.
Aktiivisten ja inaktiivisten molekyylien seulominen kasvikunnasta
Kasvien puolustusyhdistekoostumus on täysin lajikohtainen, vaikka samoja yhdisteitä voi esiintyä
useammassa eri lajissa. Yhden lajin yhdistekirjo kattaa kymmeniä tai satoja erilaisia
luonnonyhdisteitä, jotta kyseinen laji olisi mahdollisimman hyvin varustautunut erilaisten
puolustusmekanismien kautta monenlaisia kasvinsyöjiä ja taudinaiheuttajia vastaan. Esimerkiksi
tietynlaiset tanniinirakenteet vaikuttavat hyönteistoukkiin hapettavaa stressiä aiheuttamalla, kun
taas hieman erilaisen rakenteen omaavat tanniinit vaikuttavat hirviin ja peuroihin tanniinien
proteiiniaffiniteetista aiheutuvan epämiellyttävän maun tai muunlaisen limakalvotuntemuksen
kautta. Nämä samat molekyylit voivat toisaalta toimia ihmisellä rintasyöpää ehkäisevästi tai
märehtijöillä loiskuormaa vähentävästi. Bioaktiivisuuden kannalta onkin tyypillistä, että yksi
yhdiste voi olosuhteista riippuen olla aktiivinen joko usean tai vain yhden aktiivisuusmekanismin
kautta.
Jos tietynlaisen aktiivisuuden ja luonnonyhdisteiden rakenteiden välinen yhteys tunnetaan, on
mahdollista selvittää missä kasvilajissa esiintyy suurin konsentraatio aktiivisiksi luokiteltavia
molekyylejä. Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmässä tutkitaan tällä hetkellä muun muassa (1)
mikä polyfenolien rakenteessa aiheuttaa niiden pro-oksidanttiaktiivisuuden entsymaattisen
hapettumisen tai auto-oksidaation kautta, (2) miten pro-oksidanttiaktiivisuutta omaavat molekyylit
ovat jakaantuneet kasvikunnassa ja (3) miten aktiivisten molekyylien evoluutio on mahdollisesti
edennyt kasvilajien evoluution mukana. Globaalisti kattavan kokonaiskuvan saavuttamiseksi
tutkimuskohteiksi on valittu yli 2500 kasvilajia viideltä eri mantereelta.
13
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
5e+5
Lupiini lähtötilanne
4e+5
3e+5
2e+5
1e+5
0
3.5
5e+5
Absorbanssi (au)
Potentiaalisia
pro-oksidantteja
seulotaan
kasvikunnasta
ultrakorkean
erotuskyvyn
omaavan
nestekromatografian,
UVspektroskopian ja massaspektrometrian (UPLCDAD-MS/MS) avulla sekä tutkimalla eri
kasvilajien
polyfenolikoostumusta
ennen
hapetusreaktioita ja niiden jälkeen. Näin
jokaisesta tutkitusta kasvilajista on mahdollista
nimetä ne yksittäiset polyfenolimolekyylit, jotka
ovat joko potentiaalisesti aktiivisia prooksidantteja tai vastaavasti täysin inaktiivisia.
Kuva
1
näyttää
miten
lupiinin
flavonoidiglykosidit ovat melko inaktiivisia
korkeassa
pH:ssa
tapahtuvassa
autooksidaatiossa, kun taas osa samoista yhdisteistä
hapettuu tehokkaasti lupiinille spesifisten
entsyymien vaikutuksesta. Toistaiseksi ei ole
tietoa
siitä,
noudattaako
aktiivisten
ja
inaktiivisten yhdisteiden jakauma kasvikunnassa
kasviheimojen, –sukujen, ja –lajien evolutiivisia
suhteita (kuva 2), mutta luonnonyhdistekemian
tutkimustyö pyrkii tuomaan valoa myös tähän
kysymykseen.
Johanna
Moilasen,
Anu
Tuomisen ja Jorma Kimin väitöskirjatyöt (s. 40,
44 ja 30) liittyvät tähän tutkimuskokonaisuuteen.
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
5.0
5.5
6.0
6.5
5.0
5.5
6.0
6.5
Lupiini pH10-hapetus
4e+5
3e+5
2e+5
1e+5
0
3.5
5e+5
4.0
4.5
Lupiini entsyymihapetus
4e+5
3e+5
2e+5
1e+5
0
3.5
4.0
4.5
Retentioaika (min)
Kuva 1. Lupiinin flavonoidiglykosidien
UPLC-sormenjälki ennen hapetusta, pH 10hapetuksen ja entsymaattisen hapetuksen
jälkeen.
Kasvitanniinien positiivisten ympäristövaikutusten mekanismien ymmärtäminen
Kasvien tuottamia puolustusyhdisteitä on mahdollista hyödyntää monin tavoin. Yksi tavallisimmista
käyttötarkoituksista on ihmisterveyden edistäminen, koska yli puolet länsimaissa nykyään
käytetyistä lääkkeistä sisältää vähintään yhtenä vaikuttavana aineena – tai sen osana – kasveista
alun perin eristettyä yhdistettä. Paljon harvemmin tullaan ajatelleeksi, että näitä samoja yhdisteitä
voidaan hyödyntää myös kotieläinten, karjan ja edelleen ympäristön tilan kohentamiseksi.
On selvää, että märehtijöiden avulla tuotettu eläinproteiini kuormittaa ympäristöä enemmän
kuin esimerkiksi siipikarjan avulla tuotettu proteiini. Tässä märehtijäperäisessä
ympäristökuormituksessa on kolme osa-aluetta, joihin voidaan vaikuttaa oikeilla, erityisesti
kasvitanniineja sisältävillä rehuvalinnoilla: (1) Märehtimisprosessi tuottaa runsaasti
metaanipäästöjä, jopa 140 kg lypsylehmää kohden vuodessa. (2) Märehtijät käyttävät kasviperäisen
proteiinin tehottomasti hyödykseen, jolloin märehtimisestä karkaava typpi erittyy virtsaan ja voi
muuttua luonnossa edelleen typpioksiduuliksi, joka on 200 kertaa hiilidioksidia tehokkaampi
kasvihuonekaasu. (3) Märehtijöiden terveyden ja ruuantuotantokyvyn ylläpito vaatii synteettisten
loislääkkeiden käyttöä, joita vastaan monille loisille on kehittymässä maailmanlaajuinen resistenssi.
Tämä saattaa ensi vaiheessa kasvattaa lääkkeiden annoskokoa, jolloin synteettisten kemikaalien
päästöt ympäristöön kasvavat samoin kuin lääkejäämien esiintymisen todennäköisyys
ihmisravinnossa.
14
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
Kuva 2. Suomessa esiintyvien kasviheimojen fylogeneettiset suhteet, josta voidaan päätellä kuinka
läheistä tai kaukaista sukua heimot ovat toisilleen. Heimon nimen perään on merkitty heimossa
esiintyvien sukujen ja edelleen lajien arvioitu lukumäärä Suomessa.
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä selvittää parhaillaan, millaisten tanniinirakenteiden avulla
olisi mahdollista kaikkein tehokkaimmin puuttua yllä kuvattuihin kolmeen epäkohtaan luontaisin
keinoin. On todennäköistä, että jokaisen epäkohdan tehokas korjaaminen vaatii tanniini-proteiini –
vuorovaikutusten yksityiskohtaista ymmärtämistä ja että eri ongelmien ratkaisuun vaaditaan
erilaisen kemiallisen ominaisuuden omaavia tanniinirakenteita. Tämän vuoksi tutkimusongelmaa
lähestytään neljän osa-alueen kautta. (1) Valitaan kasveista mahdollisimman laajan rakenteellisen
kirjon omaavia ellagitanniinirakenteita ja puhdistetaan ne 10–150 mg skaalassa semipreparatiivisella LC-tekniikalla. (2) Selvitetään puhdistettujen molekyylien affiniteetti, sitoutumisen
stoikiometria ja spesifisyys kahteen erilaiseen proteiiniin isotermisen titrauskalorimetrian avulla. (3)
Mitataan puhdasaineiden kyky alentaa metanogeenibakteerien tuottamia metaanipäästöjä
nautaeläinten pötsistä. (4) Selvitetään mikä tanniinien rakenteessa tehokkaimmin inaktivoi
märehtijöiden loisten kolmea eri kehitysvaihetta. Alustavien tulosten perusteella vaikuttaa siltä, että
tanniinien avulla on mahdollista alentaa märehtijöiden kasvihuonekaasupäästöjä ja loiskuormaa
selvästi yli 50 %. Kun kasvitanniinien positiivisten ympäristövaikutusten mekanismit ymmärretään
15
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
paremmin osa-alue osa-alueelta, on mahdollista selvittää, millaisia tanniineja sisältävät kasvit
muodostaisivat energiatehokkaimman ja samalla myös ympäristöystävällisimmän tavan ruokkia
maidon ja lihan tuotannossa maailmanlaajuisesti käytettäviä märehtijöitä. Annika Lehtimäen ja
Reetta Ylöstalon (s. 30 ja 32) erikoistyöt ja Nicolas Baertin ja Marica Engströmin väitöskirjatyöt (s.
34 ja 36) liittyvät tähän tutkimuskokonaisuuteen.
Tuntemattomien molekyylien rakenteen selvittäminen bioaktiivisuuden mekanismien
ymmärtämiseksi
Aiemmin tutkimattoman bioaktiivisuuden mekanismien ymmärtämiseksi on yhtä tärkeää pystyä
spesifisesti tunnistamaan kyseisen aktiivisuuden kannalta niin aktiiviset kuin inaktiivisetkin
molekyylit. Vasta tämän vaiheen jälkeen voidaan edetä rakenteen ja aktiivisuuden välillä vallitsevan
yhteyden selvittämiseen. Luonnonyhdistekemian ryhmän kehittämät UPLC-DAD-MS/MS –
analyysimenetelmät mahdollistavat useimpien polyfenoliryhmien puoliautomaattisen detektoinnin
tuntemattomistakin kasvilajeista. Massaspektrometrisen molekyylipainon määrityksen kautta
voidaan edetä polyfenoliryhmän sisällä yksittäisten yhdisteiden alustavaan rakenneanalyysin.
Spesifinen rakenteen määritys vaatii kuitenkin erilaisten NMR- ja joissain tilanteissa myös CDspektroskooppisten menetelmien hyväksikäyttöä (kuva 3). Näitä puhdasainemenetelmiä varten pitää
hallita myös semi-preparatiivisen tai preparatiivisen nestekromatografian kautta tapahtuva
molekyylien puhdistaminen. Tätä vaihetta hankaloittaa kasvien maine loistavina kemisteinä: yksi
molekyyli pitää pystyä eristämään kymmenien tai satojen vastaavien joukosta, jotta NMR-analyysi
ja sitä kautta bioaktiivisuuden syiden selvittäminen mahdollistuisi. Jussi Suvannon, Anu Tuomisen
ja Johanna Moilasen väitöskirjatyöt (s. 42, 44 ja 40) liittyvät tähän tutkimuskokonaisuuteen.
ppm
62
64
66
68
70
72
74
76
78
80
5.4
5.3
5.2
5.1
5.0
4.9
4.8
4.7
4.6
4.5
4.4
4.3
4.2
4.1
4.0
ppm
Kuva 3. Ellagitanniinin kaksidimensioinen HSQC NMR-spektri, joka paljastaa yhdisteen vety- ja
hiiliatomien välisen sitoutumisen sekä sitoutuneiden vetyjen lukumäärän.
16
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
Bioaktiivisten yhdisteiden molekyylispesifinen kvantitointi parhaalla mahdollisella
analyysimenetelmällä
Kun on päästy selvyyteen siitä, minkälaiset luonnonyhdisteet ovat tehokkaimpia kasvien
puolustusyhdisteinä tai märehtijöiden kasvihuonekaasupäästöjen vähentäjinä tai mitkä ovat jollain
muulla tavalla tiedemaailmaa kiinnostavia, on tarpeen selvittää mitkä kasvilajit tuottavat suuria
pitoisuuksia juuri näitä molekyylejä. Tähän tavoitteeseen ei päästä ilman tehokkaita ja
molekyylispesifisiä kvantitointimenetelmiä. Parhaimmillaan tällaiset menetelmät yhdistävät nopean
UPLC-kromatografian massaspektrometrisen MRM-kvantitointitekniikan (Multiple Reaction
Monitoring) kanssa. Laura Haudan erikoistyö (s. 28) liittyy tähän tutkimuskokonaisuuteen.
Luonnonyhdistekemian UPLC-DAD-MS/MS –laitteisto ja sen MRM-teknologia mahdollistavat
jopa 250 yhdisteen molekyylispesifisen kvantitoinnin per analyysiminuutti. Viiden minuutin UPLCanalyysin aikana on siis teoreettisesti mahdollista detektoida ja kvantitoida yli tuhat orgaanista
molekyyliä sillä edellytyksellä, että ne kaikki ovat tasaisesti jakautuneet koko UPLC-analyysin
retentioaika-alueelle. Käytännössä tilanne ei kasvinäytteiden kohdalla luonnollisestikaan ole näin
ideaalinen, vaan on tyydyttävä esimerkiksi 200–300 tehokkaimman puolustusyhdisteen tai
loislääketanniinin pitoisuuden määrittämiseen per analyysi, mikäli halutaan selvittää miten niitä
esiintyy kasvikunnassa. Kuvasta 4 nähdään, miten molekyylispesifinen MRM-tekniikka on toiminut
käytännössä mansikan 36 bioaktiivisen polyfenolin kvantitoinnissa.
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmään kesän 2015 kuluessa hankittava uusi UPLC-DADESI-Orbitrap-MS –laitteisto tulee mahdollistamaan entistä innovatiivisempien erittäin korkeaa MSresoluutiota hyödyntävien analyysimenetelmien kehittämisen niin luonnonyhdisteille kuin muillekin
orgaanisille molekyyleille. Nämä menetelmät tulevat uudistamaan tavan, jolla kasvikunnasta
jatkossa etsitään ja tunnistetaan bioaktiivisuudeltaan potentiaalisia makromolekyylejä, joita voidaan
käyttää lisäämään esimerkiksi Suomessa rehuteollisuuden tuotteiden aktiivisuutta ja
ympäristöystävällisyyttä.
3e+7
3e+7
Intensity
2e+7
2e+7
1e+7
5e+6
0
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
Retentioaika (min)
Kuva 4. Esimerkki mansikan polyfenolien kvantitoinnista molekyylispesifisillä MRMmenetelmillä.
17
5.5
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
Lisätietoja saatavissa luonnonyhdistekemian tutkimusryhmän nettisivujen kautta:
naturalchemistry.utu.fi
Rakennamme ryhmän nettisivuja koko ajan informatiivisemmiksi (kuva 5). Tavoitteena on saada
sivut toimimaan tutkimuksellisena ja opetuksellisena alustana, jota kautta on mahdollista jakaa
tietoa (1) kasvikunnan polyfenolikoostumuksesta ja polyfenoleista johtuvasta bioaktiivisuudesta
(kasvitietokanta), (2) polyfenolien rakenteesta ja rakenteen tunnistamista helpottavista yhdisteiden
kemiallisista ominaisuuksista (yhdistetietokanta) ja (3) polyfenolien korkealuokkaisista
analyysimenetelmistä (menetelmätietokanta). Näin ryhmän tutkijoiden ja opiskelijoiden työpanos
on suoraan muun tiedeyhteisön hyödynnettävissä, kun se ensin on julkaistu arvostetuissa
tiedelehdissä.
Kuva 5. Näkymä luonnonyhdistekemian nettisivuilta, joiden kautta löydät lisätietoa ryhmän
uutisista, tutkimuksesta, ihmisistä, projekteista, julkaisuista ja mediaklipeistä.
18
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
ANTOSYAANIT OVAT ENEMMÄN KUIN
KARBOKATIONEJA
Henna Koivikko
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
hennkoi@utu.fi
Antosyaanit ovat kasveissa esiintyviä väriaineita, jotka vastaavat lehdissä, kukissa, marjoissa ja
hedelmissä olevista punaisen, violetin ja sinisen sävyistä. Ne suojelevat kasvia liialliselta
auringonvalolta absorboimalla näkyvää valoa sekä toimivat eläinten ja pölyttäjähyönteisten
houkuttimina.
Antosyaanien ilmentämä väri on kuitenkin hyvin herkkä pH:n vaihtelulle. Karbokationimuoto,
jossa antosyaanien rakennekaavat tavallisesti esitetään, on todellisuudessa pysyvä ainoastaan hyvin
happamissa olosuhteissa. Tämä flavylium-kationiksi kutsuttu, tavallisesti punaisen sävyinen
molekyyli reagoi helposti värittömiksi yhdisteiksi neutraaleissa ja heikosti happamissa olosuhteissa.
Antosyaanien pH-riippuvainen reaktioketju [1-3] on esitetty alla (kaavio 1). Reaktioketju on
tärkeä värin kannalta, sillä ainoastaan kinonimuoto ja flavylium-kationi ovat voimakkaan värisiä.
Kinonimuodon konsentraatio kasvaa, kun pH:ta nostetaan; flavylium-kationin puolestaan pienenee.
Heikosti happamissa olosuhteissa termodynaamisesti pysyvimpiä ovat kuitenkin värittömät muodot,
jolloin tasapainon muodostuessa antosyaanien väri vähitellen katoaa liuoksesta.
Kasveilla täytyy siis olla jokin keino, jonka avulla antosyaanien värit voivat säilyä kasveissa
muuttumattomina, sillä myös luonnossa antosyaanit sijaitsevat tavallisesti veden ympäröiminä,
heikosti happamissa tai neutraaleissa olosuhteissa kasvisolujen solunesterakkuloissa. Myös
punaviinien antosyaanit muuttavat väriään viinin vanhetessa. Tämän värinmuutoksen mekanismit
ovat kiinnostaneet monia tutkijoita [3].
Kaavio 1. Antosyaanien pH-riippuvainen reaktioketju [1-3]. Gly = sokeriosa, R1 ja R2 = H, OH tai
OCH3.
Viitteet
1.
2.
3.
Brouillard, R., Dubois, J.-E., J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 1359-1364.
Brouillard, R., Lang, J., Can. J. Chem. 1990, 68, 755-761.
Pina, F., Olivera, J., de Freitas, V., Tetrahedron 2015, painossa, DOI 10.1016/j.tet.2014.09.051.
19
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
OLIGOMEERISTEN ELLAGITANNIINIEN
RAKENTEELLINEN MONIMUOTOISUUS
Juuso Laitila
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
juerlai@utu.fi
Ellagitanniinit
ovat
hydrolysoituviin
tanniineihin
kuuluvia
kasvien
polyfenolisia
sekundäärimetaboliitteja. Ellagitanniinit muodostuvat yleensä pentagalloyyliglukoosista molekyylin
sisäisen oksidatiivisen kytkeytymisen kautta, jossa yksinkertaisimmillaan kahdesta
galloyyliryhmästä
muodostuu
heksahydroksidifenoyyliryhmä
(HHDP).
Oligomeeriset
ellagitanniinit muodostuvat puolestaan molekyylien välisen oksidatiivisen kytkeytymisen kautta,
jolloin voi syntyä jopa 11 monomeeristä koostuvia oligomeerejä [1].
Ellagitanniinit ovat rakenteellisesti monipuolisin tanniiniryhmä ja kaikkiaan yli 500 erilaista
ellagitanniinia on karakterisoitu. Kaikista karakterisoiduista ellagitanniineista yli puolet ovat
rakenteeltaan oligomeerisiä ja juuri oligomeerisillä ellagitanniineilla on usein esimerkiksi sellaisia
farmakologisia ominaisuuksia, joita ei ole monomeerisillä ellagitanniineilla tai muilla tanniineilla
lainkaan [2].
Tässä tutkielmassa perehdytään oligomeeristen ellagitanniinien ryhmittelyyn monomeerien
välissä olevien sidosryhmien avulla. Lisäksi käydään yksityiskohtaisesti läpi erilaisten oligomeerien
rakenteita ulottuen ensimmäisestä karakterisoidusta oligomeeristä (kuva 1) aina modernien
kromatografisten ja spektrometristen menetelmien mahdollistamiin löytöihin.
Kuva 1. Ensimmäinen eristetty ja karakterisoitu oligomeerinen ellagitanniini, agrimoniini.
Vihreällä on esitetty ellagitanniineille ominainen HHDP-ryhmä ja ruskealla eräs yleinen
oligomeerien sidosryhmä, dehydrodigalloyyliryhmä.
Viitteet
1.
2.
Salminen, J-P., Karonen, M. ja Sinkkonen, J., Chem. Eur. J. 2011, 17 (10), 2806-2816.
Quideau, S., Chemistry and Biology of Ellagitannins, World Scientific, Singapore, 2009.
20
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
ANTOSYAANIANALYTIIKKAAN LIITTYVÄT
ONGELMAT JA NIIDEN RATKAISUT
Marianna Manninen
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
mailma@utu.fi
Antosyaanit ovat kasveissa, hedelmissä ja marjoissa esiintyviä punaisia, sinisiä ja violetteja
väriaineita. Kuten muitakin flavonoideja, myös antosyaaneja pidetään terveysvaikutteisina. Lisäksi
niitä käytetään ruoassa väriaineina, jotka tunnistaa E-koodista E163. Antosyaanien analysoimisessa
tehokas yhdistelmä on käänteisfaasinestekromatografia yhdistettynä diodirividetektoriin (reversedphase high-performance liquid chromatography with diode array detection, RP-HPLC-DAD). Siinä
antosyaanit erotetaan toisistaan nestekromatografisesti käänteisfaasikolonnilla ja detektoidaan
spektrofotometrisesti. Eräs menetelmän suurimmista eduista on se, että näytteen sisältämät
antosyaanit voidaan tunnistaa ilman erillistä eristämistä ennen analysointia.
Antosyaanianalytiikasta haastavan tekee se, että antosyaanien aglykonit, antosyanidiinit
muuttavat rakennettaan ja samalla väriään pH:n mukaan [1]. Paras ratkaisu ongelmaan on siirtää
antosyaanien rakennetasapaino kohti punaista flavylium-ionia (kuva 1). Samalla antosyaanien
detektointi spektrofotometrisesti helpottuu, sillä flavylium-ioni absorboi valoa aallonpituudella 520
nm, toisin kuin muut uutteessa mahdollisesti olevat fenoliset yhdisteet ja flavonoidit. Käytännössä
tasapainon siirtäminen tapahtuu siten, että liikkuvan faasin pH säädetään alle antosyaanin protonin
siirtoreaktion pK-arvon, joka tyypillisesti on noin kaksi. Lisäksi itse uute voidaan happamoida
ennen injektointia.
Käänteisfaasikromatografiassa yhdisteiden erottuminen perustuu niiden polaarisuuteen. Kun
analysoitavana on seos polaarisuudeltaan samanlaisia antosyaaneja, on yhdisteiden erottaminen
hankalaa. Siksi liikkuva faasi koostuu usein kahdesta eluentista. Liikkuvan faasin koostumusta
muutetaan analyysin aikana siten, että orgaanisen eluentin osuus kasvaa analyysin edetessä.
Laitteisto ja käytetyt liuottimet voivat kuitenkin vaikuttaa erottumiseen ja UV-spektreihin, minkä
vuoksi on hyvä käyttää vertailunäytteitä uuden menetelmän optimoimiseksi. Esimerkiksi punaviiniä
on käytetty tähän tarkoitukseen [2].
Kuva 1. Flavylium-ionin rakenne luonnossa yleisimmin esiintyville antosyanidiineille. R1 ja R2
voivat olla H, OH tai OCH3.
Viitteet
1. Santos-Buelga, C., García-Viguera, C., Tomás-Barberán, F. A. Kirjassa Methods in Polyphenol
Analysis, Santos-Buelga, C. ja Williamson, G., Toim., The Royal Society of Chemistry, Cambridge,
2003, s. 338-357.
2. Berente, B., Reichenbächer, M. ja Danzer, K., Fresen J. Anal. Chem. 2001, 371, 68-72.
21
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
2D-LC-ABTS-MENETELMÄN KÄYTTÖ FENOLISTEN
ANTIOKSIDANTTIEN ANALYTIIKASSA
Karoliina Mäkinen
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
kavima@utu.fi
Fenoliset yhdisteet ovat kasvien yleisin sekundaarimetaboliittiryhmä. Niitä löytyy lähes kaikista
kasvilajeista ja niiden pitoisuudet voivat olla jopa 30 % kasvin kuivapainosta. Useat fenoliset
yhdisteet ovat antioksidatiivisesti aktiivisia eli ne kykenevät sitomaan vapaita radikaaleja ja
estämään niiden jatkoreagointia. Fenolisten antioksidanttien analytiikka on usein hankalaa, koska
tutkittavat näytteet ovat yhdistekoostumukseltaan monimutkaisia. Esimerkiksi kaakaossa ja
viinirypäleissä esiintyy prosyanidiineja monissa eri polymerisaatioasteissa, vihreässä teessä
puolestaan on pienemmän molekyylipainon proantosyanidiineja sekä flavanoleja ja fenolisia
happoja [1].
Näiden kasvinäytteiden analysointiin on kehitetty menetelmä, jolla voidaan määrittää fenolisten
yhdisteiden koostumus sekä niiden 2,2'-atsino-bis-(3-etyylibentsotiatsoliini-6-sulfonihappo)
(ABTS) -radikaalinsieppausaktiivisuus. Kaksiulotteinen nestekromatografia, johon on yhdistetty
ABTS-radikaalinsieppausmenetelmä, on todettu tehokkaaksi menetelmäksi antioksidatiivisen
aktiivisuuden määrittämiseksi yksittäisille fenolisille yhdisteille. Hydrofiiliseen vuorovaikutukseen
perustuvan kromatografian (HILIC) ja käänteisfaasinestekromatografian (RP-LC) yhdistelmällä
saadaan paljon parempia tuloksia kuin voidaan saada yhden kolonnin systeemillä. HILIC erottaa
yhdisteet polaarisuuden mukaan ja RP-LC hydrofobisuuden. Kun nämä yhdistetään ABTShuuhteluun, saadaan tarkka menetelmä antioksidanttien määrittämiseen. Kaksiulotteisella
menetelmällä saadaan todennäköisemmin selkeitä ja tulkittavia kromatogrammipiikkejä kuin
käytettäessä vain yhtä kolonnia. [1]
Kuva 1. Työssä käytetty 2D-LC-ABTS-laitteisto [1]. HILIC eli hydrofiiliseen vuorovaikutukseen
perustuva kromatografia ja RP eli käänteisfaasikromatografia ovat tehokas yhdistelmä ABTShuuhtelun kanssa fenolisten antioksidanttien analysointiin.
Viitteet
1.
Kalili, K.M., De Smet, S., van Hoeylandt, T., Lynen, F. ja de Villiers, A., Anal Bioanal Chem. 2014,
406, 4233-4242.
22
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
KAPSAISINOIDIEN ERILAISET UUTTOMENETELMÄT
Saara Nenonen
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
sakane@utu.fi
Kapsaisinoidit ovat chilin tulisuuden aiheuttava alkaloidiryhmä [1]. Luonnosta löytyviä
kapsaisinoideja ovat kapsaisiini, dihydrokapsaisiini, nordihydrokapsaisiini, homokapsaisiini ja
homodihydrokapsaisiini (kuva 1), joista kapsaisiini ja dihydrokapsaisiini aiheuttavat 90 % chilien
tulisuudesta [2]. Kapsaisinoidien tulisuuserot johtuvat niiden kyvyistä edistää membraanin
depolarisaatiota sitoutumalla vanilloidireseptoriin [3]. Ne ovat lääketieteellisesti aktiivisia ja kipua
tuottavia komponentteja [4], joilla on todettu positiivisia neurologisia ja ravitsemustieteellisiä
vaikutuksia. Ne vaikuttavat esimerkiksi ääri- ja keskuslämpötunnistimiin [5] ja keuhkovaltimoihin
[6] sekä alifaattisten aineiden ja hiilihydraattien metaboliaan [4].
Tässä tutkielmassa esitellään erilaisia menetelmiä uuttaa kapsaisinoidit, ja etenkin kapsaisiini ja
dihydrokapsaisiini, chilistä. Menetelmiä ja niillä saatuja tuloksia kapsaisinoidipitoisuudelle
vertaillaan keskenään. Vanhempia käsiteltyjä menetelmiä ovat refluksointi ja ravistelu
uuttoliuottimina erilaisia orgaanisia liuottimia, kuten asetoni ja metanoli. Uudempia menetelmiä
ovat ohutkerroskromatografia-avusteinen uutto, mikroaaltoavusteinen uutto ja ylikriittinen uutto
sekä uutto käyttäen butyylikloridia uuttoliuottimena.
Kuva 1. Kapsaisinoidien rakenteet
Viitteet
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Govindarajan, S. V., CRC Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 1985, 22, 109–179.
Perucka, I. ja Oleszek, W., Food Chem. 2000, 71, 287–291.
Reilly, C. A., Crouch, D. J. ja Yost, G. S., J. Forensic Sci. 2001, 46, 502–509.
Govindarajan, V. S. ja Sathyanarayana, M. N., Food Sci. Nutr. 1991, 29, 435–474.
Jancsó-Gábor, A., Szolcsányi, J. ja Jancsó, N., J. Physiol. 1970, 208, 449–459.
Pórszasz, J., Such, G. ja Pórszasz-Gibiszer, K., Acta Physiol. Acad. Sci. Hung. 1957, 12, 189–205.
23
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
GRANAATTIOMENAN POLYFENOLIEN
SORMENJÄLKIPROFILOINTI UHPLC-MSn TEKNIIKALLA
Marko Pakanen
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
mavapa@utu.fi
Jo muinaisista ajoista lähtien lääkekasvinakin käytetyllä granaattiomenalla (Punica granatum) on
sen (poly)fenolirikkaan koostumuksen ansiosta lukuisia terveysvaikutuksia. Näihin lukeutuvat
muun muassa antioksidatiivisuus, anti-inflammatorisuus sekä syöpää, mikrobeja, diabetesta ja
mutageenisuutta mahdollisesti ehkäisevä vaikutus [1]. Kuluttajien tietoisuuden kasvaessa näistä
terveysvaikutuksista on granaattiomenan ja etenkin siitä valmistettujen mehujen suosio ollut
kasvussa jo useiden vuosien ajan [2].
Granaattiomenan yhdistekoostumus voi kuitenkin vaihdella, paitsi eri lajikkeiden välillä, myös
ympäristötekijöiden ja erilaisten keräys-, kuljetus- ja valmistusmenetelmien vaikutuksesta.
Perinteisillä korkean erotuskyvyn nestekromatografiaan perustuvilla menetelmillä pystytään
havaitsemaan vain pieniä yhdistejoukkoja kerrallaan ja yksittäisten näytteiden valmistamiseen ja
analysoimiseen kuluva aika on usein epäkäytännöllisen pitkä suurille näytemäärille. [2,3]
Ratkaisuksi tähän on kehitetty UHPLC-MS (ultra high-performance liquid chromatographymass spectrometry, ultra-korkean erotuskyvyn nestekromatografia-massaspektrometria) käyttöön
perustuva menetelmä, jolla on pystytty havaitsemaan granaattiomenamehunäytteistä jopa 75
erilaista yhdistettä. Menetelmässä käytetään kahta eri negatiivistä H-ESI-ionisaatiota (heated
electrospray ionization, lämmitetty sähkösumutusionisaatio). Ensimmäisessä on käytössä
flavonoideille ja muille pienille fenolisille yhdisteille optimoidut olosuhteet ja toisessa
raskaammille ellagitanniineille optimoidut olosuhteet. Lisäksi menetelmään kuuluu kolmas
positiivista H-ESI-ionisaatiota käyttävä analyysi, jolla havaitaan antosyaanit. Lineaarisen
ioniloukun avulla suoritetaan täysskannauksen lisäksi MS2- ja MS3-mittaukset yhdisteiden
tunnistamiseksi [3].
Näytteiden valmistaminen on helppoa ja nopeaa, eikä vaikuta tutkittavien yhdisteiden
rakenteeseen. Kromatografinen erottuminen on nopeaa, kvalitatiivinen aineisto on laaja ja tulokset
voidaan käsitellä kemometrisesti automaattisilla tietokoneohjelmilla, minkä ansiosta menetelmä
voisi soveltua käytettäväksi muun muassa granaattiomenan laadunvalvonnassa ja jalostuksessa [2].
Viitteet
1.
2.
3.
Ito, H., Peng Li, P., Koreishi, M., Nagatomo, A., Nishida, N. ja Yoshida, T. Food Chem. 2014, 152,
323–330.
Calani, L., Beghe, D., Mena, P., Del Rio, D., Bruni, R., Fabbri, A., Dall’Asta, C. ja Galaverna, G. J.
Agric. Food Chem. 2013, 61, 5600−5609.
Mena, P., Calani, L., Dall’Asta, C., Galaverna, G., Garcia-Viguera, C., Bruni, R., Crozier, A. ja Del Rio,
D. Molecules 2012, 17, 14821−14840.
24
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
GRANAATTIOMENAN ELLAGITANNIINIT SEKÄ
NIIDEN MAHDOLLISET SYÖPÄÄ ESTÄVÄT
OMINAISUUDET
Juha Pekkala
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
juwape@utu.fi
Paljon polyfenoleita sisältävää granaattiomenaa on käytetty vuosisatoja ravitsemus- ja
lääketieteellisiin tarkoituksiin. Granaattiomena sisältää paljon erilaisia polyfenoleita, joista
ellagitanniineilla on havaittu olevan positiivisesti terveyteen vaikuttavia ominaisuuksia. Eri
tutkimuksissa on havaittu, että todetut antimikrobiset, antikarsinogeeniset ja anti-inflammatoriset
ominaisuudet johtuvat ellagitanniineista. [1]
Kirjallisuuskatsauksessa pyrittiin selvittämään, miten erilaiset ellagitanniinit estävät syövän eri
vaiheita. Lisäksi tarkasteltiin, miten eri ellagitanniinit ja niiden johdannaiset vaikuttivat syöpää
edistäviin tekijöihin, kuten esimerkiksi CYP1-entsyymien aktiivisuuteen, suolistopatogeenien
kasvuun ja HT-29-solujen lisääntymiseen.
Granaattiomenan ellagitanniineista yleisimmät ovat punikalagiini ja punikaliini (kuva 1).
Ellagitanniinit hajoavat ellagihapoiksi hydrolyysin kautta. Urolitiinit muodostuvat ellagihapoista
suolistomikrobien vaikutuksesta. On havaittu, että urolitiinit ovat pääsääntöisesti bioaktiiviset
yhdisteet suolistossa ellagitanniinien ja ellagihappojen sijasta. [2] Erilaisten urolitiinien rakenteet
eroavat hydroksyyliryhmien määrässä ja sijainnissa. Yleisimpiä ovat urolitiini A ja B, joissa A:ssa
on kaksi hydroksyyliryhmää ja B:ssä yksi hydroksyyliryhmä (kuva 2).
Kuva 1. Granaattiomenan yleisimmät ellagitanniinit ja ellagihappo.
Kuva 2. Yleisimmät urolitiinit
Viitteet
1.
2.
Bialonska, D., Kasimsetty, S. ja Schrader, K., Ferreira D., J. Agric. Food Chem. 2009, 57, 8344-8349.
Espin, J., Larrosa, M., Garcìa-Conesa, M., Tomàs-Barberàn, F., Evid.-based Complement Altern. Med.
2013, 2013, Article ID 270418.
25
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
HYDROLYSOITUVIEN TANNIINIEN VESILIUKOISUUS
JA HYDROFOBISET VUOROVAIKUTUKSET
Heikki Saine
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
heilsai@utu.fi
Hydrolysoituvat tanniinit ovat joukko fenolisia yhdisteitä, joita esiintyy yleisesti kasvikunnassa.
Hydrolysoituvat tanniinit toimivat kasveissa osana kasvien puolustusjärjestelmää. Ne aiheuttavat
monille kasveille ominaisen karvaan maun, sekä sitovat ja saostavat kasvinsyöjän ruoansulatuksen
entsyymejä, jolloin kasvinsyöjän ruoansulatus hidastuu ja ruoansulatuksen teho alenee [1].
Tässä tutkielmassa perehdytään erityisesti hydrolysoituvien tanniinien vesiliukoisuuteen sekä
niiden hydrofobisiin vuorovaikutuksiin muiden yhdisteiden, kuten proteiinien, kanssa. Tutkielmassa
esitellään aluksi hydrolysoituvien tanniinien alaluokat, jotka ovat gallotanniinit ja ellagitanniinit.
Tämän jälkeen pohditaan näiden yhdisteiden vesiliukoisuuteen vaikuttavia tekijöitä. Vesiliukoisuus
on näiden yhdisteiden osalta merkittävä ominaisuus, sillä hydrolysoituvien tanniinien tulee olla
liuenneena veteen, jotta ne pystyvät olemaan vuorovaikutuksessa tehokkaasti muiden yhdisteiden
kanssa.
Toinen tutkielman pääaiheista vesiliukoisuuden lisäksi on hydrolysoituvien tanniinien
hydrofobiset vuorovaikutukset. Tutkielmassa pohditaan, millainen rooli hydrofobisilla vuorovaikutuksilla on tanniinien itsejärjestäytymiseen sekä sitoutumiseen muihin yhdisteisiin (kuva 1).
Lopuksi pohditaan, millaisia käytännön sovelluksia hydrolysoituvilla tanniineilla voisi olla ihmisten
terveyteen ja teollisuuteen.
Kuva 1. Pentagalloyyliglukoosin (harmaa) mahdollinen sitoutuminen proteiiniin [2].
Viitteet
1.
2.
Barrett, A., Ndou, T., Hughey, C.A., Straut, C., Howell, A., Dai, Z. et al., Inhibition of ±-amylase and
glucoamylase by tannins extracted from cocoa, pomegranates, cranberries, and grapes. J. Agric Food
Chem. 2013, 61(7), 1477-1486.
Baxter, N.J., Lilley, T.H., Haslam, E. ja Williamson, M.P., Multiple interactions between polyphenols
and a salivary proline-rich protein repeat result in complexation and precipitation. Biochemistry 1997,
36(18), 5566-5577.
26
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
HYDROLYSOITUVAT TANNIINITBIOSYNTEESIPOLULTA SPEKTRI- JA
MENETELMÄKIRJASTOKSI
Laura Hauta*, Tuomas Karskela ja Juha-Pekka Salminen
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
*lahaut@utu.fi
Abstrakti
Hydrolysoituvat tanniinit (HT) ovat luonnossa esiintyviä suurikokoisia yhdisteitä, joiden
biosynteesipolun voidaan ajatella jakaantuvan ainakin kolmeentoista eri osaan. Tässä työssä
kehitettiin yhdistespesifisiä menetelmiä, joiden avulla on jatkossa mahdollista vastata nopeasti
kysymyksiin: tuottaako jokin kasvilaji HT-yhdisteitä, millä biosynteesipolun osalla ne tuotetaan ja
millainen on tätä kautta kyseisen kasvilajin potentiaalisin HT-lähtöinen bioaktiivisuus. Tämän
lisäksi jokaisen biosynteesipolun osan HT:lle luotiin spektrikirjasto UV-, ECD- ja MS/MS spektrien
avulla. Tämä helpottaa kyseisten polkujen varrelta mahdollisesti havaittavien uusien yhdisteiden
karakterisointia.
Johdanto
Hydrolysoituvat tanniinit (HT) ovat kasveissa esiintyviä sekundäärimetaboliitteja, joiden rakenteet
vaihtelevat melko yksinkertaisista monomeereista hyvin monimutkaisiin oligomeereihin. Jo niiden
karakterisointi voi olla hankalaa, vaikka tähän onkin tarjottu työkaluja mm. kromatografisen
eluoitumisjärjestyksen,
UV-spektrien,
korkean
resoluution
massaspektrometrian
ja
massaspektrometristen frakmentoitumisten kautta [1]. Samankaltaisia haasteita liittyy myös HT:den
totuudenmukaiseen kvantitointiin, sillä niitä on yleensä vaikea poimia yhdistespesifisesti esiin
kasvisolun tuottamasta kymmenien ja satojen yhdisteiden seoksesta. Jos kvantitointiin olisi
saatavilla valmiita työkaluja, voisi näiden monenlaista bioaktiivisuutta omaavien yhdisteiden
tutkiminen helpottua huomattavasti.
HT:den biosynteesipolun voidaan ajatella jakaantuvan ainakin kolmeentoista eri osaan (Kaavio
1). Biosynteesipolun osasta riippuen HT-yhdisteiden rakenteet ovat erilaisia ja sitä kautta myös niitä
akkumuloivien kasvisolujen bioaktiivisuuksissa havaitaan eroja. Kasvilajien HT-profiilille on
tyypillistä, että kunkin lajin tuottamat pääyhdisteet edustavat yleensä vain yhtä tai kahta
biosynteesipolun osaa, jolloin tämä profiili voi toimia kemotaksonomisena markkerina ja samalla
sen perusteella voidaan tehdä arvioita kyseisen kasvilajin bioaktiivisuudesta. Esimerkiksi
gallotanniineja akkumuloivien lajien voidaan olettaa omaavan hyvän proteiiniaffiniteetin, kun taas
avoketjuisia ellagitanniineja tuottavat lajit ovat tyypillisemmin hyviä oksidatiivisen aktiivisuuden
aiheuttajia [1].
Tämän erikoistyön tarkoituksena oli puhdistaa malliyhdisteitä jokaisesta HT-biosynteesipolun
haarasta ja kehittää jokaiselle yhdisteelle UPLC-DAD-ESI-MS/MS –tekniikkaa hyödyntävä
spesifinen MRM-kvantitointimenetelmä, jonka avulla yhdisteet voisi jatkossa sekä tunnistaa että
kvantitoida mistä tahansa kasviuutteesta alle 10 minuutissa. Tämän lisäksi jokaiselle yhdisteelle on
tarkoitus mitata UV- ja ECD-spektrit sekä useita erilaisia MS/MS-spektrejä, joita voidaan jatkossa
käyttää hyväksi vastaavien uusien HT-yhdisteiden karakterisoinnissa.
Materiaalit ja menetelmät
Valitut yhdisteet puhdistettiin semipreparatiivisen käänteisfaaasinestekromatografian avulla.
Yhdisteet analysoitiin UPLC-DAD-ESI-MS/MS:llä usealla eri tavalla, jolloin selvitettiin jokaiselle
yhdisteelle (1) retentioaikaikkuna, (2) UV-spektri, (3) äiti-ionin molekyylipaino, (4) äiti-ionia
27
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
parhaiten akkumuloiva kartiojännite, (5) äiti-ionista frakmentoituvat tytärionit, (6) jokaiselle
tytärionille paras törmäysenergia, ja (7) jokaista kartiojännite-törmäysenergiaparia vastaava
MS/MS-spektri. Lisäksi määritettiin ECD-spektri ja yhdiste talletettiin molekyylikirjastoon.
Tulokset ja johtopäätökset
Kasvinäytteistä saatiin puhdistettua semipreparatiivisella nestekromatografialla useampi yhdiste
jokaisesta hydrolysoituvien tanniinien biosynteesipolun kolmestatoista oletetusta haarasta (kaavio
1). Tunnistetut yhdisteet koostuivat kaksista erityyppisistä galloyylijohdannaisista, viisistä
erityyppisistä ellagitanniinimonomeereista ja kuusista erityyppisistä ellagitanniinioligomeereista.
Lisäksi puhdistettiin oligomeereille tyypillisiä hydrolyysituotteita. Yhdisteiden molekyylimassat
vaihtelivat 332 Da ja 2804 Da välillä. Esittelen työni tarkemmat tulokset posterissa ja
erikoistyöesitelmässä.
GALLOYYLIGLUKOOSIT
1GG
2GG
3GG
GALLOTANNIINIT
Pentagalloyyliglukoosi (5GG)
4GG
MONOMEERISET ELLAGITANNIINIT
Modifioidut
Dehydro-ET:t
Tsebulagihappo
Tsebulaniini
Yksinkertaiset
HHDP-esterit
Dehydro-ET:t
Gallagyyliesterit
Geraniini
Askorgeraniini*
Punikalagiini
DiGGgallagyyliglukoosi (kaksi
isomeeria)
m-DOGoligomeerit
m-GOGoligomeerit
m-DOG-oligomeerit,
makrosyklinen
Rugosiini D*
Rugosiini G*
Rugosiini E*
Agrimoniini*
Gemiini A*
Oenotheiini A
Oenotheiini B
Hydrolyysituotteet
Rugosiini A*
Rugosiini B*
6GG
OLIGOMEERISET ELLAGITANNIINIT
C-glukosidiset ET:t
Veskalagiini
Kastalagiini
Veskavaloniinihappo
Kastavaloniinihappo
Stakhyuriini
Kasuariniini
Hippophaeniini A
Hippophaeniini B
Pedunkulagiini
Tellimagrandiini I
Tellimagrandiini II
Striktiniini
Isostriktiniini
Kasuariktiini
m-GODoligomeerit
Sanguiini H-6*
Lambertianiini A*
Lambertianiini C*
Rubusuaviini C*
Glukopyranoosi- ja
C-glukosidipohjaiset
m-DOG-oligomeerit
Hydrolyysituotteet
Hydrolyysituotteet
Agrimoniinihappo A*
Agrimoniinihappo B*
Sanguiini H-2*
Rubusuaviini A*
8GG
Kokkiferiini D2
C-glukosidiset
m-DOGoligomeerit
Salikariniini A*
Salikariniini B*
Salikariniini C*
OLIGOMEERISTEN ET:EN HYDROLYYSITUOTTEET
Kaavio 1. Hydrolysoituvien tanniinien biosynteesipolun kolmetoista olettua haaraa ja kustakin haarasta
puhdistetut yhdisteet [2]. GG = galloyyliglukoosi, ET = ellagitanniini. DOG, GOG ja GOD kuvaavat
monomeerien välistä linkitystapaaa. *= yhdisteen osalta työ on vielä kesken.
Viitteet
1.
2.
Moilanen, J., Sinkkonen, J. ja Salminen, J.-P., Chemoecology. 2013, 23, 165-179.
Moilanen, J., Koskinen, P. ja Salminen, J.-P., Phytochemistry. 2015,
http://dx.doi.org/10/1016/j.phytochem.2015.03.002.
28
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
PROANTOSYANIDIINIEN METABOLIA LAMPAISSA:
KVALITATIIVINEN JA KVANTITATIIVINEN
ANALYYSI
Annika Lehtimäki*, Maarit Karonen ja Juha-Pekka Salminen
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
*anleht@utu.fi
Abstrakti
Proantosyanidiinit ovat tanniineihin kuuluva ryhmä kasvien puolustusyhdisteitä, jotka kykenevät
sitoutumaan ja muodostamaan komplekseja proteiinien kanssa. Märehtijöillä kompleksin
muodostumisen on havaittu parantavan proteiininkäyttöä. Työssä tutkittiin esparsetista (Onobrychis
viciifolia) ja keltamaiteesta (Lotus corniculatus) valmistetun säilörehun sisältämien
proantosyanidiinien metaboliaa lampaissa in vivo. Tutkimuksessa hyödynnettiin kemiallisia
menetelmiä (mm. HCl/BuOH-depolymerisaatiota), joiden avulla pystyttiin todentamaan
liukenemattomat ja sitoutuneet proantosyanidiinit. Tuloksista nähdään, että juoksutusmahassa
suurin osa proantosyanidiineista on sitoutuneessa muodossa (proteiineihin tai kasvikuituun) ja että
liukoisten proantosyanidiinien osuus kasvaa ohutsuoleen mentäessä.
Johdanto
Proantosyanidiinit ovat kasvien yleisin tanniiniluokka, ja ne esiintyvät flavan-3-olien oligomeereina
ja polymeereina. Ne jaetaan useaan eri alaryhmään, joista yleisimpiä ovat prosyanidiinit (PC) ja
prodelfinidiinit (PD). PC- ja PD-yksiköistä muodostuneet oligo- ja polymeerit ovat biologisesti
aktiivisia, mikä perustuu osittain niiden kykyyn sitoutua ja muodostaa liukoisia tai liukenemattomia
komplekseja proteiinien kanssa.
Märehtijöiden aineenvaihdunnassa muodostuneiden tanniini-proteiini -kompleksien ansiosta
eläin pystyy tehostamaan proteiinien hyödyntämistä. Proteiineihin sitoutunut tanniinikerros suojaa
proteiineja pilkkoutumiselta pötsissä ja vuorovaikutuksen voimakkuudesta riippuen, ne saattavat
vapautua ohutsuolessa ruuansulatuksen käytettäväksi. Kokonaisuudessaan prosessi voi parantaa
eläimen terveyttä, maidontuottoa ja -laatua sekä vähentää märehtijöistä aiheutuvia
ympäristöpäästöjä [1].
Työssä tutkittiin in vivo -tasolla lampaille syötetyn esparsetista (Onobrychis viciifolia) ja
keltamaiteesta (Lotus corniculatus) valmistetun säilörehun sisältämien proantosyanidiinien
metaboliaa. Tarkoituksena oli myös selvittää, miten tanniinikoostumus mahdollisesti muuttuu
säilörehua valmistettaessa.
Materiaalit ja menetelmät
Näytemateriaaleina olivat kunkin kasvilajin tuore kasvi, säilörehun valmistukseen käytetty
nahistunut kasvi ja säilörehunäyte sekä lampaista saadut juoksutusmaha-, ohutsuoli- ja
paksusuolinäytteet.
Näytteet uutettiin asetoni/veden (80/20, V/V) avulla. Uuttojäännös pestiin vielä asetonilla ja
dikloorimetaani/metanolilla (1:1, V/V). Uute jaettiin vesi- ja rasvaliukoiseen osaan vesi/heksaaniuuton avulla.
HCl/BuOH-menetelmää käytettiin proantosyanidiinipitoisuuden määrittämiseen. Menetelmä
perustuu
vahvan
hapon
(HCl)
katalysoimaan
depolymerisaatioreaktioon,
jossa
proantosyanidiinipolymeerit hajoavat värillisiksi antosyanidiineiksi, jotka voidaan mitata
spektrofotometrisesti kuoppalevylukijalla (550 nm). Perinteisessä menetelmässä näyte inkuboitiin
95-asteisessa 2-butanolissa, joka sisälsi 5 % HCl:ää [3]. Sovelletussa menetelmässä näyte
29
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
inkuboitiin 70-asteisessa 2-butanolissa, joka sisälsi 50 % asetonia, 5 % HCl:ää ja 0,4 g/l
ammoniumrauta(III)sulfaattia [2].
Proantosyanidiinien sitoutumista proteiineihin ja kasvikuituun tutkittiin SDS-liuoksen ja
perinteisen HCl/BuOH-menetelmän avulla. SDS-liuos sisälsi 10 g/l SDS:ää ja 50 g/l
merkaptoetanolia 10 mM:ssa trishydrokloridia, jonka pH säädettiin NaOH:n avulla arvoon 8,00.
Kokonaisfenolipitoisuus määritettiin Folin Ciocalteu -reagenssin avulla. Menetelmässä
näytteen sisältämät fenoliset hydroksyyliryhmät pelkistävät reagenssin ja näyte värjäytyy siniseksi,
mikä voidaan detektoida spektrofotometrisesti kuoppalevylukijalla (730 nm).
Kasviuutteiden tanniinikoostumus, kvantitatiivinen proantosyanidiinipitoisuus, PC/PD-suhde ja
proantosyanidiinien keskimääräinen polymerisaatioaste määritettiin hyödyntämällä ultrakorkean
erotuskyvyn nestekromatografia yhdistettynä diodirividetektoriin- ja kolmoiskvadrupoli
massaspektrometriin (UPLC-DAD-MS/MS).
Tulokset ja johtopäätökset
Kuvassa 1 esitetyistä esparsetista (Onobrychis viciifolia) johtuvista proantosyanidiinipitoisuuksista
havaitaan, että liukoisten proantosyanidiinien pitoisuus laskee jo säilörehun valmistuksen
yhteydessä. Suurin osa proantosyanidiineista on juoksutusmahassa liukenemattomassa sitoutuneessa
muodossa (proteiineihin tai kasvikuituun), mutta ohut- ja paksusuolessa liukoisten tanniinien
suhteellinen osuus nousee lähes tuoreesta kasvista havaitulle tasolle. Nämä havainnot jo yksinään
antavat viitteitä esparsetin PC/PD- oligomeerien ja polymeerien toimintamekanismeista lampaissa.
Tarkemmat tulokset tulen esittelemään posterissa ja erikoistyöesitelmässä.
mg/g
Proantosyanidiinien kokonaispitoisuuden
jakaantuminen
140
120
100
80
60
40
20
0
Liukoinen
Liukenematon
Kuva 1. Esparsetin (Onobrychis viciifolia) sisältämien proantosyanidiinien kokonaispitoisuuden
jakaantuminen kasvi- ja rehunäytteissä sekä rehua syöneiden ja myöhemmin teurastettujen
lampaiden juoksutusmaha-, ohutsuoli- ja paksusuolinäytteissä.
Viitteet
1.
2.
3.
Adamczyk, B., Salminen, J.-P., Smolander, A. ja Kitunen, V., Int. J. Food Sci. Technol. 2012,
47, 875-878
Grabber, J.H., Zeller, W.E. ja Mueller-Harvey, I., J. Agric. Food Chem. 2013, 61, 2669-2678
Terrill, T.H., Rowan, A.M., Douglas, G.B. ja Barry, T.N., J. Sci. Food Agric. 1992, 58, 321329
30
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
TANNIINIEN KEMIALLISET OMINAISUUDET JA
NIIDEN MITTAUSMENETELMIÄ
Reetta Ylöstalo* ja Maarit Karonen
Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
*reylos@utu.fi
Abstrakti
Tanniinin kyky sitoutua proteiiniin ei ole aina ennustettavissa tanniinin rakenteen perusteella, mutta
sen sijaan niiden oktanoli-vesi-jakaantumiskertoimien (Kow) on havaittu korreloivan in vivo
määritettyjen tanniini-proteiini-vuorovaikutusten kanssa. Erikoistyössä kehitetään erilaisia
menetelmiä Kow-kertoimien määrittämiseksi sekä selvitetään tanniineille havaittujen kertoimien ja
pro-oksidanttiaktiivisuuksien yhteneväisyyttä. Kow-kertoimet mitataan kolmella eri metodilla:
korkean erotuskyvyn nestekromatografilla ja diodirividetektorilla (HPLC-DAD), erittäin korkean
erotuskyvyn nestekromatografilla ja diodirividetektorilla tai massaspektrometrillä (UHPLCDAD/MS) ja kuoppalevylukijalla tehtävällä Folin-Ciocalteu -menetelmällä.
Johdanto
Kasvien tanniinit vuorovaikuttavat proteiinien kanssa joko hapettumisen tai muun sitoutumisen ja
saostamisen kautta [1]. Tämä kyky vaikuttaa mm. proteiinien imeytymistehokkuuteen kasvinsyöjien
suolesta [1], mitä voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi maataloudessa parantamaan typen
imeytymistä märehtijöiden ravinnosta tai torjumaan sisäloisia [2].
Kow-kerrointa käytetään yleisesti ympäristötutkimuksessa ja farmakologiassa arvioitaessa
yhdisteen affiniteettia esimerkiksi epäorgaanisiin maahiukkasiin ja solukalvoihin. Erikoistyön
tavoitteena on testata ja kehittää Kow-kertoimien määrittämiseen soveltuvia menetelmiä ja verrata
saatuja arvoja yhdisteiden hapettumisherkkyyteen.
Materiaalit ja menetelmät
Tutkimuksessa käytetään noin 40:ä rakenteellisesti erilaista proantosyanidiinia ja ellagitanniinia
(kuva 1), jotka eristetään useista eri kasvilajeista preparatiivisella ja semipreparatiivisella
nestekromatografialla. Eri puhdistusvaiheiden seurantaan ja yhdisteiden tunnistamiseen käytetään
UHPLC-DAD-MS:a.
Kow-kertoimet määritetään ensin perinteisesti antamalla tunnetun yhdistepitoisuuden
tasapainottua oktanoli- ja vesifaasin välillä ja mittaamalla konsentraatio kummassakin faasissa
HPLC-DAD:lla. Vastaavat määritykset tehdään UHPLC-DAD-laitteistolla ja Folin-Ciocalteumenetelmällä kuoppalevylukijalla. Kuoppalevylukijalla mitataan myös yhdisteiden autooksidaatiolla pH:ssa 10 hapettuva osuus kokonaisfenolipitoisuudesta. Lisäksi kehitetään nopea ja
herkkä usean reaktion seuranta (multiple reaction monitoring) -mittausmenetelmä UHPLC-MS:lle,
jonka avulla voidaan määrittää yksittäisten yhdisteiden Kow-kertoimet useita yhdisteitä sisältävistä
kasviuutteista ja -fraktioista.
31
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
a)
b)
Kuva 1. Työssä käytettyjen tanniinien tyypillisiä rakenteita: a) tellimagrandiini I (ellagitanniini) b)
dimeerinen prodelfinidiini (proantosyanidiini).
Tulokset ja johtopäätökset
Ruusujen sisältämästä laajasta ellagitanniini- ja galloyyliglukoosikirjosta ja mustaherukan
proantosyanidiineistä eristettiin noin 5–20 mg yksittäisiä tanniineja – ellagitanniineista
monomeerejä, dimeerejä ja trimeerejä ja proantosyanidiineistä dimeerejä ja trimeerejä.
Kaikille tutkittaville yhdisteille on löydetty yhteinen sopiva konsentraatio (1 mM kantaliuos) ja
käytännön testeissä havaittu kokeiden onnistuvan huomattavan pienessä mittaluokassa. HPLC-DAD
-mittaus toimii kaikille tähän asti testatuille yhdisteille. Haittapuolena on analyysiajan pituus: yhden
yhdisteen analyysiaika rinnakkaismäärityksineen on 16 tuntia. Kuoppalevylukijamenetelmällä
saatavat tulokset yhtenevät HPLC-DAD-tulosten kanssa melko hyvin. Yhteneväisyyteen saattavat
vaikuttaa puhdasaineiden sisältämät epäpuhtaudet, jotka myös detektoidaan kuoppalevylukijalla ja
lukijan määritysrajat, joiden vuoksi liuoksista on analysoitava useampia laimennoksia.
Alustavien tulosten perusteella Kow-kerroin ei riipu edes tanniiniryhmän sisällä yhdisteen
koosta, ts. molekyylipainosta. Tutkitut dimeerit ovat monomeereihin verrattuna vesiliukoisempia ja
lisäksi heksahydroksidifenyyliryhmien määrällä vaikuttaisi olevan merkitystä jakaantumiseen.
Yksittäisten yhdisteiden UHPLC-MS-kvantitoinnin suoraan yhdisteseoksista odotetaan
onnistuessaan nopeuttavan Kow-kerroinmäärityksen tekoa huomattavasti, sillä yhdisteiden
puhdistamisen tarve poistuisi ja puhdasainekokeissa käsin tehtäviä vaiheita voitaisiin mahdollisesti
automatisoida. Lisäksi analyysiaika lyhenisi merkittävästi. Massaspektrometria kuitenkin asettaa
menetelmälle tiettyjä rajoituksia: Kasviuutteet sisältävät sekä vesi- että rasvaliukoisia yhdisteitä ja
jos kummatkin halutaan detektoida, sekä oktanoli- että vesifaasi on analysoitava. Erilaiset liuottimet
saattavat kuitenkin vaikuttaa sähkösumutusionisaation tehokkuuteen.
Viitteet
1.
2.
3.
Salminen, J.-P. ja Karonen, M., Funct. Ecol. 2011, 25 (2), 325–338.
Mueller-Harvey, I., Mlambo, V., Sikosana, J. L. N., Smith, T., Owen, E. ja Brown, R. H., J. Agric. Food
Chem. 2007, 55, 5436–5444.
Hagerman, A. E., Rice, M. E. ja Ritchard, N. T., J. Agric. Food Chem. 1998, 46, 2590–2595.
32
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
WILLOWHERB OLIGOMERIC ELLAGITANNINS:
QUANTIFICATION AND BIOACTIVITY
Nicolas Baert
Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and
Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
nicbae@utu.fi
Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen
Supervisor(s): Doc. Maarit Karonen and Doc. Jari Sinkkonen
Funding: European Commission (PITN-GA-2011-289377, “LegumePlus” project).
Estimated time of PhD dissertation: 2016.
Main aims of the PhD research
Tannin-rich forages have numerous benefits in animal nutrition. However, tannins are a very
diverse family of molecules with various chemical structures and, therefore, contrasting activities.
Knowledge is scarce about what structure causes what activity, yet understanding that correlation is
highly important to achieve a more efficient and targeted use of tannin-rich forages. My research
aims at reducing that gap in the knowledge of plant polyphenols bioactivity by addressing one
aspect of the question: the size-effect. That goal will be achieved by testing 6 oligomeric
ellagitannins (fig. 1) isolated from willowherb (Epilobium angustifolium) in a series of in vitro tests.
I will evaluate and compare their potency to reduce methane production in cows, and their capacity
to weaken sheep intestinal parasites. Those compounds constitute an excellent model for this
research purpose as they differ from one another by size only. In addition, a method that enables the
quantification of those compounds in willowherb will be developed and implemented to study their
distribution in the plant and in several populations of that species.
Main results so far
Tellimagrandin I –based oligomeric ellagitannins up to heptamer were isolated and purified from
willowherb for the first time. Those pure compounds were then utilised to create a UPLC-MS/MS
method using the Multiple Reaction Monitoring (MRM) technology (fig. 2). This method enables
fast and selective detection and quantification of those oligomers in Epilobium angustifolium
samples [1].
The in vitro assays on ruminal fermentation showed a decrease in methane production and a
correlated shift in the volatile fatty acids synthesis. Both activities vary according to the oligomer
size and reach an optimum with a certain oligomer size [2].
The oligomeric ellagitannins’ ability to induce paralysis on sheep’s nematodes was tested in
vitro. Results show a significant dose-dependent and sizedependent response. Interestingly, positive
results were obtained at concentrations as low as 25 μM, which is physiologically conceivable for
an animal feeding on willowherb [3].
The distribution of oligomeric ellagitannins – along with several flavonoid glycosides – was
studied in different parts of willowherb. Preliminary results indicate that the concentration in
oligomers decreases as their size increases. Oenothein B and A (dimer and trimer, respectively) are
the most abundant phenolic compounds in the plant and represent, together, about 10% of the dry
weight in leaves and flowers [4].
33
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
UV 280
MRM of Dimer
MRM of Trimer
MRM of Tetramer
MRM of Pentamer
MRM of Hexamer
MRM of Heptamer
Figure 1. Structure of tetrameric
tellimagrandin I.
Figure 2. UPLC-UV chromatogram of willowherb
flower extract and detection of the oligomers by the
created MRM methods.
The significance of my research for the research group and the whole research field
My research is a continuum for our group’s previous findings of the presence of the largest
ellagitannins, up to undecamers, from the plant kingdom. I have now isolated these exceptionally
large ellagitannins up to heptamer and studied their bioactivity for the first time. At the same time
my bioactivity studies are a part of two larger projects conducted by our group that will
comprehensively evaluate ruminant-related bioactivities of more than 30 ellagitannins.
Additionally, this research is part of a European project named LegumePlus that aims at
promoting a more rational use of bioactive forages in animal nutrition. By gaining a finer
comprehension of the structure-activity relationship of polyphenols we are able to select the most
efficient and the most suitable crop for a desired result: increasing milk and meat quality, protection
against intestinal nematodes or decreasing methane emissions.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
Baert, N., Karonen, M., Salminen, J-P. UPLC-MS/MS enables quantification of macrocyclic
oligomeric ellagitannins. Manuscript to be submitted to J. Chrom. A. in April 2015
Baert, N., Pellikaan, W. F., Karonen, M., Salminen, J-P. Oligomeric ellagitannins affect in vitro
ruminal methanogenesis in a size-dependent manner. Submission planned for 2015
Baert, N., Hoste, H., Karonen, M., Salminen, J-P. Anthelminthic activity of willowherb
oligomeric ellagitannins. Submission planned for 2015.
Baert, N., Kim, J., Karonen, M., Salminen, J-P. Distribution of main phenolic compounds in
willowherb populations. Submission planned for 2016.
34
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
UNDERSTANDING THE POSITIVE ENVIRONMENTAL
EFFECTS OF PLANT TANNINS: ASSESSMENT AND
APPLICATIONS
Marica Engström
Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and
Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
mtengs@utu.fi
Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen
Supervisor(s): Doc. Maarit Karonen and Doc. Petri Tähtinen
Funding: Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Turku University Foundation,
Svenska tekniska vetenskapsakademien i Finland (STV)
Estimated time of PhD dissertation: 2016
Main aims of the PhD research
The aim of my PhD research is (1) to develop rapid and specific UPLC-QqQ-MS/MS methods for
screening plant samples for their bioactive polyphenol content, (2) to develop simple methods
which can be used to quickly test if some plant species is a potential candidate to be used as
environmentally friendly forage, (3) to investigate the chemical properties of those plant tannins
that have greatest anthelmintic effects on the different stages of ruminant parasites (egg, L1 and L2
stage larvae) and (4) to study the covalent complex formation of tannins and proteins.
Main results so far
We developed UPLC-QqQ-MS/MS methods that offer fast, sensitive and selective tools for
achieving a more thorough understanding of the active and inactive polyphenols in plants. With the
methods, a broad overview of fingerprints of eight common polyphenol classes, ellagitannins, gallic
acid and quinic acid derivatives, quercetin, kaempferol and myricetin glycosides, procyanidins and
prodelphinidins can be achieved in relatively short time. Together with my undergraduate student
Milla Leppä, we have also developed a UPLC-MS based method for the rapid screening of protein
precipitation capacity of different plant polyphenols from plant extracts (Figure 1). During my six
month visit in French National Institute for Agricultural Research (Toulouse, France) I studied the
in vitro effect of series of 27 ellagitannins, 7 galloylglucoses/ gallotannins and their hydrolysis
product, gallic acid, on egg hatching and motility of L1 and L2 stage larvae of the Haemonchus
contortus. The results indicated that the activity of these compounds depended on many structural
features, including size, functional groups present in the structure, stereochemistry of certain
functional groups, and the structural rigidness of the studied compounds. Results from scanning
electron microscopy further confirmed the effect of the studied tannin molecules. Studies on tanninprotein complex formation suggested that in general, higher pH, higher tannin: protein ratio, and
longer incubation time favor the formation of covalently stabilized complexes. Furthermore, the
exact tannin structure plays a crucial role in the relative importance of these variables as well.
35
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Figure 1. UPLC-DAD trace at 280 nm of a plant extract before (A) and after (B) removal of
polyphenols with high protein affinity.
The significance of my research for the research group and the whole research field
My PhD research is adjacent to two other studies in our laboratory, Academy of Finland
Postdoctoral Researchers project "Promising ellagitannins: effects on ruminant health and
greenhouse gas emissions" of my supervisor Maarit Karonen and the EU Marie Curie Initial
Training Network project “Legume Plus” of my principal supervisor Juha-Pekka Salminen, funding
also PhD student Nicolas Baert. In these projects the role of single ellagitannins and forage plants
in environmental related ruminant aspects is evaluated by investigating the effect of ellagitannins on
different larval stages and on the production of methane and nitrogen emissions by ruminants. By
understanding the mechanisms behind the positive environmental effects of the plant tannins, it is
possible to tell which forages would be both energetically and environmentally the best choice for
the worldwide ruminant feeding. The developed UPLC-QqQ-MS/MS methods offer a user-friendly,
robust and fast addition to the chemistry tools currently used for the qualitative and quantitative
screening of large numbers of samples for their bioactive polyphenol-types and content, and these
methods are in routine use in our laboratory. The better knowledge obtained on the anthelmintic
properties of single ellagitannins and galloyglucoses/gallotannins should further promote the
selection of most suitable plants to be tested for their anthelmintic properties in other research
groups as well.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
5.
Engström, M.T, Pälijärvi, M., Fryganas, C., Grabber, J., Mueller-Harvey, I., Salminen, J.-P., J.
Agric. Food Chem., 2014, 62, 3390–3399.
Engström, M.T, Pälijärvi, M., Salminen, J.-P. 2015. Rapid fingerprint analysis of plant extracts
for ellagitannins, gallic acid and quinic acid derivatives, and quercetin-, kaempferol- and
myricetin-based flavonol glycosides by UPLC-QqQ-MS/MS (submitted to J. Agric. Food
Chem., under revision)
Engström, M.T, Karonen, M., Baert, N. Payré, B., Hoste, H., Salminen, J.-P. 2015. Beneath the
surface: Structure-activity relationships and the anthelmintic properties of plant tannins (to be
submitted to Int. J. Parasitol.)
Engström, M.T, Suber, M.P., Salminen, J.-P., Hagerman, A. 2015. Covalent stabilization of
ellagitannin-protein complexes (to be submitted to J. Agric. Food Chem.)
Engström, M.T., Leppä, M., Salminen, J.-P. 2016. Rapid analysis of plant polyphenols with
protein affinity by UPLC-QqQ-MS/MS (to be submitted to J. Agric. Food Chem.)
36
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
EVOLUTION AND DISTRIBUTION OF POLYPHENOLBASED DEFENSES OF PLANTS
Jorma Kim
Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and
Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
jookim@utu.fi
Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen
Supervisors: Prof. Juha-Pekka Salminen and Doc. Maarit Karonen
Funding: NCRG Research Services, Department of Chemistry
Estimated time of PhD dissertation: 2018
Main aims of the PhD research
Plants produce tannins for chemodefensive means against herbivory. Two mechanisms have been
proposed: 1) precipitation with plant proteins, compromising the nutritional value of plant, and
2) auto-oxidation in alkaline conditions in caterpillar midguts followed by oxidative stress as the
oxidation products and their by-products damage nutrients or cause cytotoxic effects on the gut
lumens. My aim is to comprehensively study the polyphenol profiles and bioactive effects – i.e.
oxidation at elevated pH, and protein precipitation capacity – of a wide selection of species from
different parts of plant phylogeny and observe the distribution of these two defensive means in the
plant kingdom from an evolutionary point of view. During my studies I use the state-of-the-art
technology available in our laboratory to analyse thousands of samples with relative ease, thanks to
the extensive development of analysis techniques during the past decades. In addition I will further
develop and improve these analysis methods from the metabolomics point of view. Polyphenol
profiles are studied using ultrahigh-performance liquid chromatography (UPLC) and mass
spectrometry (MS), utilising both triple quadrupole MS/MS and quadrupole orbitrap MS/MS
technologies.
Main results so far
At the moment the research is focused on the seed polyphenols of Panamanian trees. Seeds of
Psychotria genus were found to contain oligo- and polymeric propelargonidins, a subgroup of
proanthocyanidins (Figure 1) consisting mainly of afzelechin units, for which selective MS/MS
quantitation methods are not yet available. After obtaining propelargonidin-rich fractions from
Psychotria grandis seed extract using Sephadex LH-20 gel, I observed how these oligo- and
polymers fragment by triple quadrupole MS/MS. The information obtained was used to develop a
group-selective MS/MS quantitation method. The results are promising (Figure 2), and I expect to
publish the finalized method later this year.
The significance of my research for the research group and the whole research field
My research benefits directly two projects conducted in our group. By combining the plant samples
of the Panama (led by Dr. Sofia Gripenberg from University of Oxford) and PolyphenoOx (led by
Prof. Salminen) projects, I am able to obtain a uniquely wide selection of polyphenol-rich plants
from five continents. These help me to develop new group-specific MS/MS and metabolomicsoriented MS tools to be used by others as well. My research will be one of the first large-scale
polyphenol studies to benefit from the high-resolution orbitrap MS combined to UPLC, and I will
also be one of the first to use the metabolomic approach in my data processing in this scale. As a
whole, my research will result in comprehensive database of the distribution of polyphenol-based
37
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
defensive mechanisms in the plant kingdom. The database will be made available for all scientists
in the research field so that they can readily utilise my findings in their own work.
Platypodium elegans
caffeic acid derivative
Machaerium seemannii
procyanidins
Licania platypus
prodelphinidins
Anacardium excelsum
tri- and tetragalloyl glucose
Lafoensia punicifolia
punicalagin
Combretum fructicosum
punicalagin
Combretum laxum
punicalagin
Psychotria limonensis
propelargonidins
Psychotria chagrensis
propelargonidins
Psychotria grandis
propelargonidins
Psychotria marginata
propelargonidins
Psychotria horizontalis
propelargonidins
Figure 1. Simplified phylogenetic tree for selected tree species of Panama.
The highest
polyphenol concentration in mg/g, and the highest absolute protein precipitation capacity (PPC) and
pro-oxidant activity. The highest relative pro-oxidant activity. The highest relative PPC.
extension units
afzelechin
terminal unit
catechin
Figure 2. The UV chromatogram recorded at 280 nm of the Psychotria grandis raw extract with
superimposed normalised total ion chromatograms from multiple reaction monitoring (MRM)
analyses of Sephadex fractions 6 and 8. Ion with m/z at 271 represents the afzelechin extension unit
while ion with m/z at 289 represents the catechin terminal unit, illustrated in the trimer structure on
the right.
Papers to be included in the PhD thesis
Kim, J., Gripenberg, S., Karonen, M., Salminen, J.-P. Oligomeric and polymeric propelargonidins
can be quantified by selective MS/MS technology. 2015. Manuscript to be submitted.
38
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
ELLAGITANNINS IN FINNISH PLANT SPECIES –
CHARACTERIZATION, DISTRIBUTION AND
OXIDATIVE ACTIVITY
Johanna Moilanen
Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and
Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
jmmoil@utu.fi
Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen
Supervisor(s): Doc. Maarit Karonen and Doc. Petri Tähtinen
Funding: Academy of Finland, Kone Foundation, Turku University Foundation and Department of
Chemistry.
Estimated time of PhD dissertation: 6/2015.
Main aims of the PhD research
The main aims of my thesis work can be summarized by posing the following questions. How and
by which methods ellagitannins (ETs; Fig. 1) can be effectively and easily recognized/characterized
from complex plant samples without having to isolate each one them for individual
characterization? Which kind of ETs Finnish plant species produce? How much different plant
species produce them? How they are distributed among plant families, genera and species? How
structurally different ETs react in different biological environments? Which structural features
affect their reactivity?
Main results so far
The basis for my PhD work originates from the fact that ETs are more prone to oxidation than are
other types of tannins (i.e. proanthocyanidins, gallotannins and galloyl glucoses) in the highly
alkaline gut conditions of plant-eating insect herbivores. Thus, it was of interest to study in more
detail how ETs with different structures differ in their propensity to oxidize. To study this, 27 ETs
were purified and their oxidative activity (i.e. the rate at which they form quinones and other
oxidation products at pH 10) was measured [1]. It was found that ETs differed significantly in their
propensity to oxidize, and that this propensity was attributable to certain structural features.
The first study generated also a lot of characterization-related data. The published data on the
characterization of ETs is mainly focused on reporting detailed spectroscopic and spectrometric
data of individual ETs, and there is no literature available that concerns the characterization of ETs
from more complex samples, e.g. from plant crude extracts. Thus, there was a need for a more
general approach that would make the characterization of ETs easier. By utilizing the
chromatographic, spectroscopic and spectrometric data of 22 ETs, we showed that it is possible to
classify ETs into different sub-groups and even identify ETs straight from the crude extracts of the
plant samples [2].
The characterization patterns presented in [2] were of significant aid in the next study, in which
82 Finnish plant species were screened [3]. The aim was to find out, which plant species contain
ETs, which type of ETs they produce and how much ETs they produce. From the studied plant
species 30 were found to contain ETs and the content of ETs varied, depending on the species, from
trace amounts to more than 90 mg g–1 of the crude extract. The specific ET compositions of the
studied plant species was also associated to their taxonomic classification. It was found that these
two are surprisingly compatible with each other. For example, it was found that species belonging
to same genera have similar ET profiles.
39
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
The final study to be included in my PhD thesis will extend the bioactivity part of my research.
In [4], the activities of 13 ETs have been measured with an assay that can be used to evaluate the
radical scavenging activity, metal ion chelating ability and pro-oxidant activity of ETs. The reaction
conditions are quite different from those used in [1], and thus, these results will give a wider picture
of the activities of ETs. Furthermore, this study included some new ETs that were not available for
[1]. The results of these ETs will be included in [4], and they will thus widen the oxidative activity
perspective too.
Figure 1. Examples of ellagitannins belonging to different sub-groups. A = pedunculagin, a
glucopyranose-based ellagitannin, B = vescalagin, a C-glucosidic ellagitannin and C = geraniin, a
dehydroellagitannin.
The significance of my research for the research group and the whole research field
The results of my thesis work have provided information about the activities of ETs [1, 4], about
their characterization from complex plant samples [2] and about their occurrence in Finnish plant
species [3]. The results from the activity studies have shown that ETs possess activity in different
conditions and that they can be harmful for herbivores that consume them. For a long time, ETs
were considered to be biologically non-relevant because they are not as good in precipitating
proteins as are other types of tannins. The protein precipitation hypothesis has had a significant
impact on the studies concerning plant-herbivore interactions, but as our results (among many
others) show, this is not the case. On the other hand, ETs are sometimes said to be difficult to
analyze because of their complex structures. This is not valid either since the data presented in [2]
showed that a lot of information about the structures of ETs can already be obtained from, for
example, the liquid chromatographic retention order and from the UV spectrum. Thus, [2] should be
useful for all those who are interested in finding out the ET compositions of their plant samples.
The results presented in [3] are part of wider study ongoing in our research group. In [3], the focus
was set on ETs, but in the future more studies will be published in which the polyphenol profiles of
plant species are presented in more detail. Nevertheless, [3] was first study in which the ET
composition of Finnish plant species was studied at this extent.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
Moilanen, J., Salminen, J.-P. Chemoecology 2008, 18, 73–83.
Moilanen, J., Sinkkonen, J., Salminen, J.-P. Chemoecology 2013, 23, 165–179.
Moilanen, J., Koskinen, P., Salminen, J.-P. Distribution and content of ellagitannins in Finnish
plant species. Phytochemistry 2015 (available online at
http://dx.doi.org/10.1016/j.phytochem.2015.03.002).
Moilanen, J., Karonen M., Tähtinen, P., Jacquet, R., Quideau, S., Salminen, J.-P. Additional
evidence on the variable bioactivity of ellagitannins: effects as antioxidants, pro-oxidants and
metal chelators. Manuscript to be submitted to Chemoecology.
40
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
TANNIN DIVERSITY OF RUBUS CELL AND ORGAN
CULTURES: CHARACTERIZATION, BIOSYNTHESIS
AND METABOLISM
Jussi Suvanto
Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and
Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
josuva@utu.fi
Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen
Supervisor(s): Doc. Maarit Karonen and Doc. Petri Tähtinen
Funding: NCRG Research Services
Estimated time of PhD dissertation: 2019
Main aims of the PhD research
Berries of Rubus genus are unique in that they are unusually rich in polyphenolic ellagitannins.
Plant phenolics often possess various bioactivities, thus being beneficial not only for plant, but also
for human health. The yearly crop of Rubus berries in Nordic countries, on the other hand, is highly
varying as the climate and conditions are varying and overall challenging.
The project aims to produce and characterize polyphenolic secondary metabolites, most
importantly ellagitannins and proanthocyanidins (syn. condensed tannins) in cell and organ cultures
of several Rubus species (Fig 1). The profile and quantity of produced tannins will be modulated
and boosted with the use of suitable chemical elicitors and tannin pathway precursors. Tannins
found in the cell culture samples will be identified and quantified. The characterization of unknown
compounds will mainly be done by high resolution mass spectrometry and NMR spectroscopy.
Time-point measurements will be done from the cell culture samples at regular intervals to
qualitatively and quantitatively monitor the biosynthesis of tannins and other polyphenols.
Figure 1. Production of ellagitannins from cell cultures of cloudberry (Rubus chamaemorus).
At the same time, the project will also focus on studying and achieving a better understanding
of the poorly known biosynthesis of ellagitannins. This will be done by feeding the Rubus cell
cultures different types of various ellagitannins and their biosynthetic precursors. As ellagitannins
are not commercially available, they will be isolated and purified for the project from plant
material. The tannins produced by the cell cultures will also be studied for their ability to release
tannin metabolites when introduced to gut microbiota as much of the health-promoting effects of
ETs are due to their metabolism in the gut into e.g. different types of urolithins.
The work will be done in collaboration with a team at VTT Technical Research Centre of
Finland. Berries have been intensively studied by the VTT group over the past ten years in several
41
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
research projects coordinated by docent Riitta Puupponen-Pimiä, and they have established cell
cultures for both several Rubus species and other plants.
Main results so far
Berry plants of the Rubus genus are commonly reported to contain two main ellagitannins, as well
as a myriad of other monomeric and oligomeric ellagitannins. The cell cultures of several Rubus
species at VTT, on the other hand, are rich in various phenolic compounds not detected in actual
plant samples (Fig 2). Interestingly, proanthocyanidins with high polymerization level were
detected in these cell cultures which shows that the cultures have the biosynthetic capacity to form
complex tannins.
Preliminary studies have also shown the cell culture samples to contain anthocyanins (which
are biosynthetic precursors to proanthocyanidins), flavonoids, monogalloyl glucose and several so
far unknown secondary metabolites. Monogalloyl glucose is an important part of the biosynthetic
pathway of ellagitannins: all ellagitannins are produced via pentagalloyl glucose that needs
monogalloyl glucose as the key metabolite in the formation of di-, tri- and tetragalloyl glucoses.
Therefore the production of monogalloyl glucose but not yet the other galloyl glucoses or
ellagitannins by the cell cultures is of particular interest.
Figure 2. UV chromatograms (λ = 280 nm) of a typical Rubus plant sample (left) and of a
preliminary cell culture sample (right).
The significance of my research for the research group and the whole research field
Our research group hasn’t previously done work on cell cultures, which provide an excellent base
for biosynthetic studies on ellagitannins and possibly growing platforms for novel ellagitannins.
The biosynthetic pathways themselves are not well known, so the results will provide valuable
understanding on what happens inside plant cells throughout the growing period.
The studies done on ellagitannin metabolite production will provide information on which
types of ellagitannins are the most efficient producers of urolithins. This will tell us which
compounds could be used to maximize the health benefits of ellagitannins. Together with the in
vitro knowledge of the ease of formation of different types of gut metabolites (catechols vs
pyrogallols vs urolithins) from the isolated berry tannins, this project will serve as a platform for
development of future cell cultures to optimize the production of most potent ellagitannins in other
ellagitannin producing berries such as strawberries.
Novel components will be discovered and characterized in berry cell cultures, and potentially
biofunctional ellagitannins will be identified. If the cell cultures are able to produce fully novel
structures, they can be later accumulated into large-scale batch cultures at VTT for further testing
by the industry collaborators.
42
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
TANNINS AND OTHER POLYPHENOLS IN GERANIUM
SYLVATICUM: ISOLATION, IDENTIFICATION AND
BIOLOGICAL SIGNIFICANCE
Anu Tuominen
Natural Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry and
Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
ankatu@utu.fi
Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen
Supervisor(s): Doc. Maarit Karonen and Doc. Jari Sinkkonen
Funding: Emil Aaltonen Foundation, Turku University Foundation, Department of Chemistry
Estimated time of PhD dissertation: 8/2015
Main aims of the PhD research
This study originates from the co-operation with ecologists of University of Turku who studied the
preference of pollinators and herbivores between female and gynodioecious plants of Geranium
sylvaticum. The aim of this study is to characterize tannins in G. sylvaticum and study their
biological activity and the variation of tannin content and tannin type among organs, throughout the
growing season, between sexual morphs and populations. Then we can better understand what kind
of defensive compounds different plant organs contain and what is the role of these compounds in
ecological interactions.
Main results so far
My first two papers describe the organ-specific distribution of water-soluble tannins, flavonoids and
phenolic acids in G. sylvaticum and discuss how chemical profiles can reflect different pressures
against natural enemies (Fig. 1) [1-2]. This plant is very rich in tannins and other phenolic
constituents which content and type vary significantly in different organs. Leaves contain
considerably high content (13% of dry weight) of ellagitannin, geraniin. Seasonal and ontogenic
variation of tannins in G. sylvaticum was studied using UPLC-DAD-tripleQ-MS and MRM
methods which showed that geraniin content in leaves is at the highest during flowering [6].
Proanthocyanidins are more abundant in roots and seeds of this plant [1]. Proanthocyanidin
type and size was more deeply studied with off-line 2-dimensional chromatographic analysis using
HILIC and RP columns [1-2,5]. The main degree of polymerization in roots and seeds was similar
(5-7), but seeds contained mainly procyanidins whereas roots contained also prodelphinidins and
mixed oligomers [1,5].
Petals accumulate a unique group of phenolic compounds that were not found in the other plant
parts [1]. These compounds compose a totally new group of hydrolysable tannins that contain
additional acetylglucose moiety attached to the galloyl groups of galloyl glucoses and chebulinic
acid (Fig. 1) [3]. This new hydrolysable tannin group was named as sylvatiins. Sylvatiins showed
ability to act as co-pigments of petal anthocyanins by enhancing their color in a large pH scale
(Fig. 1) [3].
In fourth paper, a new method was developed to study the stability and oxidation products of
selected hydrolysable tannins in basic conditions by HPLC/DAD-ESI/QTOF/MS [4]. Hydrolysable
tannins degraded or oxidized rapidly in basic conditions and half-lives were mostly less than 10 min
at pH 10. HPLC analyses revealed that various products were formed and identified to be the result
of hydrolysis, deprotonation and oxidation. Interestingly, the main hydrolysis product was ellagic
acid; also for galloyl derivatives not containing coupled galloyl groups in their initial structures [4].
43
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Figure 1. Distribution of polyphenols and biological activity among organs of Geranium sylvaticum
and some of the main tannins. The well plate demonstrates co-pigment effect of sylvatiins.
The significance of my research for the research group and the whole research field
My research fits well to the very core of our research group which is phytochemistry and especially
chemically demanding tannins. I have done thorough qualitative and quantitative analysis of G.
sylvaticum tannins and this knowledge will aid further utilization of this plant for example in
compound isolation. I have developed our existing pro-oxidant activity method so that the oxidation
products at basic pH are analyzed with LC-DAD-MS to better understand the reactions that may
happen in insect gut. New compounds found from petals broaden compound library of the group
and our insight what kind of roles ellagitannins can have in plants.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Tuominen, A., Toivonen, E., Mutikainen, P., Salminen, J.-P. 2013. Phytochemistry 95: 394407.
Tuominen, A., 2013. Phytochemistry 95: 408-420.
Tuominen, A., Sinkkonen, J., Karonen, M., Salminen, J.-P., 2015. Phytochemistry,
http://dx.doi.org/10.1016/j.phytochem.2015.01.005
Tuominen, A., Sundman, T., 2013. Phytochem. Anal. 24:424-435.
Tuominen, A., Karonen, M. 2015. Off-line 2-dimensional chromatographic analysis of
proanthocyanidins in Geranium sylvaticum (Manuscript to be submitted to Phytochemistry)
Tuominen, A., Salminen, J.-P., 2015. Seasonal and ontogenic variation of tannins and other
polyphenols in Geranium sylvaticum (Manuscript to be submitted to Phytochemistry)
44
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
MUTANT APPROACH TO IDENTIFY DEFENSEASSOCIATED PLANT METABOLITES: NMR
PROFILING OF ARABIDOPSIS THALIANA
Tahereh Jafari
Instrument Centre, Department of Chemistry, University of Turku
tahjaf@utu.fi
Research Director: Prof. Juha-Pekka Salminen
Supervisor(s): Dr. Jari Sinkkonen and Dr. Saijaliisa Kangasjärvi
Funding: Centre for International Mobility
Estimated time of PhD dissertation: 2019
Main aims of the PhD research
The main aim of the study is to reveal defense-associated metabolites with potential impact in biotic
stress resistance in plant Arabidopsis thaliana. To this end, the metabolomes of wild type,
constitutively defense-active pp2a-b’γ mutant and a pp2a-b’γ line complemented by 35S-driven
expression of the PP2A-B’γ gene will be compared by NMR. Depending on results first obtained,
further analysis will be designed, e.g. using high light stressed or pathogen-infected plants and/or
higher order mutants where additional signaling components have been mutated in the pp2a-b’γ
background (Figure 1). An additional aim of the study is to characterize as many metabolites from
Arabidopsis as possible focusing especially to phenolic compounds and other secondary
metabolites.
Main results so far
Various plant species respond to bacterial infections by producing a range of secondary metabolites
that act as deterrents to prevent the pathogen from colonizing the host tissue. In cruciferous plants,
like the model plant Arabidopsis thaliana (Arabidopsis; mouse ear cress), methionine serves as a
precursor for glucosinolates, which confer resistance against herbivores and pathogens.
Glucosinolates may also be applicable in biotechnology, since they affect the taste of cruciferous
crops and have medicinal activity in humans by inhibiting carcinogenesis. Due to the tremendous
diversity of plant metabolites, comprehensive view to defense-inducible plant metabolites and their
possible impact in biotechnology and medicine, however, remains to be established. In this study,
we will utilize the pp2a-b’γ mutant and NMR spectroscopy for detailed view to defense-active
metabolites in Arabidopsis.
I have started my work at the beginning of October. So far I have learned to use NMR
spectrometer and made a lot of testing about the best extraction protocol. I have also done
preliminary measurements for wild type and mutant plant materials and found differences with
them. I have identified some of the metabolites from NMR spectra. I have grown a large number of
plants to make the systematic and statistically valid conclusions, and at the moment I am doing
NMR measurements from the plant samples.
45
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Figure 1. Aradopsis thaliana. Left wild type; right mutant; upside high light; downside growth
light.
The significance of my research for the research group and the whole research field
Identification of bioactive compounds from plants is drawing increasing attention worldwide. This
study will utilize Arabidopsis to identify novel defense active metabolites. Once the most
interesting candidates have been identified, Arabidopsis offers a powerful system for follow-up
studies where the underlying biosynthetic enzymes and their metabolic interactions can be
identified. On the chemical side of the work, the candidate metabolites may be isolated and
thereafter assessed for their chemical properties and potential biotechnological importance.
Papers to be included in the PhD thesis
I have started my PhD work few months ago. Therefore I have not got all results for my first paper
yet. However as soon as I achieve the results, I will start to write my first manuscript.
46
Kemian kevät 2015
Bio-orgaaninen kemia
tutkimusryhmäesittely ja opiskelijoiden abstraktit
2 kpl LuK-tutkielmien abstrakteja
2 kpl FM-erikoistyötä käsitteleviä minijulkaisuja
11 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja
sekä
Radiokemia, PET-keskus
1 kpl FM-erikoistyötä käsitteleviä minijulkaisuja
4 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja
47
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
BIOMOLEKYYLIEN KEMIAA
Prof. Harri Lönnberg
Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian
laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
s-posti: harlon@utu.fi
Bio-orgaanisen kemian tutkimus on keskittynyt nukleiinihappojen kemiaan. Keskeisimpinä
tutkimuksen kohteina ovat oligonukleotidit ja niiden konjugaatit, siis oligonukleotidit, joihin on
kovalenttisesti sidottu niille vieraita rakenneosia. Tavoitteena on ymmärtää miten nukleiinihappoja
voidaan tunnistaa ja niiden rakennetta manipuloida, sekä miten suunnitella ja valmistaa
oligonukleotidien konjugaatteja solubiologian ja lääkekehityksen tutkimusvälineiksi.
RNA:n tunnistus
Proteiinisynteesiä ohjaavien lähetti-RNA molekyylien ohella genomi tuottaa runsaasti ns. eikoodaavia ribonukleiinihappoja. Näistä eniten tutkittuja ovat pienikokoiset mikroRNA (miRNA)
molekyylit, jotka osallistuvat geeni-ilmentymän säätelyyn, mutta erittyvät myös verenkiertoon
toimien siis biologisina merkkiaineina. Niiden rakenne on hiusneulamainen kaksoiskierre, jossa on
lisäksi yksi tai useampia pullistumia. miRNA:sta ja niitä rakenteellisesti muistuttavista viraalisen
RNA:n osista on tullut uusi lääkekehityksen kohde. Rakenteiden tunnistus perinteisellä
kaksoiskierteen muodostumiseen perustuvalla hybridisaatiodiagnostiikalla ei ole mahdollista, koska
oligonukleotidit eivät useinkaan pysty avaamaan kaksoiskierteistä rakennetta. Joidenkin
pienimolekyyliyhdisteiden, kuten eräiden aminoglykosidien, tiedetään sitoutuvan RNA:n
silmukoihin ja pullistumiin jopa nanomolaarisissa konsentraatioissa. Sitoutuminen ei kuitenkaan ole
niin valikoivaa, että sitä voitaisiin hyödyntää kemoterapiassa. Konjugoimalla aminoglykosideja
emäsjärjestyksen
tunnistaviin
rakenteeltaan
muokattuihin
oligonukleotideihin,
kuten
peptidinukleiinihappoihin, pyritään riittävään selektiivisyyteen. Vuorovaikusta RNA:n kanssa
tutkitaan NMR-spektroskooppisesti käyttämällä 19F-leimattuja koettimia. Vaihtoehtoinen tapa lisätä
koettimen affiniteettia miRNA:han on korvata yksi tai useampi koettimen emäsosista voimakkaasti
metalli-ioneja sitovalla analogilla, jolloin metalli-ionin välittämä koordinatiivinen sitoutuminen
lisää muodostuvan kaksoiskierteen pysyvyyttä. Kun metalli-ionina käytetään Pt2+-ionia, jonka
ligandien vaihtoreaktiot ovat erittäin hitaita, muodostuu juosteiden välille pysyvyydeltään
kovalenttista sidosta vastaava sidos.
Kuva 1. Ko-operatiivinen sitoutuminen, jossa toteutuu yhtäaikainen pienmolekyylin sitoutuminen
ja hybridisaatio. Luonnolliset emäsparit voidaan korvata myös kenotekoisilla metalliionivälitteisillä emäspareilla. Syntyvät kompleksit ovat optimitapauksessa luonnollisten rakenteiden
mukaisesti sekvenssispesifisiä, mutta huomattavasti pysyvämpiä.
48
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
Oligonukleotidilääkkeiden kohdentaminen
Oligonukleotideja muokataan lääkkeiksi sairauksiin, joita ei kyetä hoitamaan perinteisillä
pienimolekyylisillä lääkkeillä. Voidaanko oligonukleotidilääkkeiden kulkua elimistössä ohjata
haluttuun elimeen tai kasvaimeen liittämällä niihin kemiallisia osoitelappuja, jotka kykenevät
tunnistamaan erilaisten solujen pintarakenteita? Tätä pyritään selvittämään konjugoimalla
oligonukleotideja erilaisiin hiilihydraatti-, peptidi- ja bis(fosfonaatti) rakenteisiin, leimaamalla
konjugaatit positroniemittoreilla ja seuraamalla niiden kulkua koe-eläimessä yliopiston PETkeskuksessa (PET = positroniemissiotomografia).
Kuva 2. Voidaanko oligonukleotidilääkkeiden kulkua elimistössä ohjata liittämällä niihin
kemiallisia osoitelappuja, jotka kykenevät tunnistamaan erilaisten solujen pintarakenteita.
Antiviraalisten lääkkeiden soluun otto
Nukleotidien rakenneanalogit ovat potentiaalisia viruslääkkeitä. Niiden tehokkuutta rajoittaa
kuitenkin heikko tunkeutuvuus solukalvon läpi. Aihiolääkestrategioiden tarkoituksena on viedä
lääke soluun johdoksena, joka helposti läpäisee solukalvon ja vapautuu sitten entsyymien
vaikutuksesta solun sisällä. Vaihtoehtoisesti suojatun johdoksen hydrolyyttinen pysyvyys voidaan
räätälöidä sellaiseksi, että ionisen lääkkeen vapautuminen tapahtuu ei-entsymaattisesti pääosin
soluun oton jälkeen. Erityisesti oligomeeristen nukleotidien tapauksessa on tarkoituksenmukaista
käyttää näiden kahden lähestymistavan kombinaatiota, koska entsyymien kyky hyväksyä aihiolääke
substraatikseen alenee nopeasti negatiivisen varauksen kertyessä molekyyliin.
Kuva 3. Aihiolääkestrategioiden tarkoituksena on viedä lääke soluun johdoksena, joka helposti
läpäisee solukalvon ja vapautuu sitten entsyymien vaikutuksesta solun sisällä.
49
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
RNA:n pilkkominen: mekanismeista sovelluksiin
Kun RNA:n rakenteen tunnistavaan koettimeen liitetään fosfodiesterisidoksen hydrolyysiä
katalysoiva rakenne, saadaan keinotekoinen entsyymi, joka pilkkoo kohde RNA:n ja irtoaa sitten
sitoutuakseen seuraavaan kohdemolekyyliin. Stoikiometrinen tunnistus muuttuu näin
katalyyttiseksi. Tutkimalla yksityiskohtaisesti kineettisin menetelmin RNA:n fosfodiesterisidoksen
hydrolyysin mekanismia ja sen nopeuteen vaikuttavia tekijöitä pyritään kehittämään
pienimolekyyliyhdisteitä, jotka entistä tehokkaammin pilkkovat RNA:ta.
Kuva 4. RNA:n pilkkominen: mekanismitutkimusta keinotekoisten entsyymien kehittämiseksi
Oligonukleotidien synteesi liukoisella kantajalla
Oligonukleotidien käytön yleistyminen lääkekehityksessä ja nanoteknologiassa on luonut tarpeen
valmistaa niitä entistä suuremmassa mittakaavassa. Yhtenä kustannustehokkaana vaihtoehtona on
kiinteän kantajan korvaaminen liukoisella kantajalla, joka voidaan jokaisen kytkentäsyklin jälkeen
helposti saostaa siten, että monomeeriset reagenssit jäävät liuokseen, tai ne voidaan erottaa
kantajasta nanosuodatuksella orgaanisessa liuottimessa. Tutkimus keskittyy ryhmän aikaisemmin
kehittämän tetrapodaalisen kantajan käyttöön, joka voidaan kvantitatiivisesti saostaa metanolilla.
Kuva 5. Lyhyen oligonukleotidin suuren mittakaavan synteesi saostettavalla kantajalla.
50
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
HIILIDIOKSIDIN TALTEENOTTO JA HYÖTYKÄYTTÖ
Asmo Aro-Heinilä
Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
ajmaro@utu.fi
Fossiiliset polttoaineiden käyttö on mahdollistanut ihmiskunnan nopean teollisen kehittymisen
nykytasolleen. Näiden polttoaineiden käytössä on hyötyjen lisäksi myös ongelmia; raaka-aine
varojen rajallisuus ja poltosta aiheutuvat suuret hiilidioksidipäästöt. Ilmakehän
hiilidioksidipitoisuus on noussut teollisuusajan alun 270 ppm:stä nykyiseen 400 ppm:ään.
Hiilidioksidi on kasvihuonekaasu, joten pitoisuuden nousun uskotaan olevan yhtenä syynä
ilmastonmuutokseen. [1]
Kasvavassa väestössä hiilipohjaisten tuotteiden, kuten muovien, lääkkeiden ja
liikennepolttoaineiden, tarve tulee kokoajan nousemaan. Fossiilisten polttoaineiden rajallisuuden ja
ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousun hillitsemisen takia on kehitelty erilaisia menetelmiä
kerätä hiilidioksidia talteen ja jatkojalostaa siitä tarvittavia hiilipohjaisia tuotteita.
KK
Kuva 1. Antropogeeninen eli ihmisperäinen hiilen kierto. [1]
Tässä tutkielmassa esitellään hiilidioksidin talteenottomenetelmiä suoraan ilmasta ja
konsentroiduista lähteistä. Lisäksi tutkielmassa käsitellään talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttöä
muuntamalla se metanoliksi. Metanoli soveltuu tähän tarkoitukseen hyvin, koska se on
yksinkertainen yhdiste, jota on helppo valmistaa CO2:n hydrogenaatiolla. Tuotetulle metanolille
löytyy myös paljon käyttökohteita, sillä se soveltuu hyvin polttoainekäyttöön ja se on yksi
tärkeimmistä kemianteollisuuden orgaanisista raaka-aineista.
Viitteet
1.
Goeppert, A., Czaun, M., Jones, J,Surya Prakash, G. K., Olah, G. A., Chem. Soc. Rev. 2014,
43,7995-8048
51
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
MIKRORNA BIOLOGISEN SÄÄTELYN JA
HAVAINNOINNIN KOHTEENA
Antti Äärelä
Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
ankaaar@utu.fi
MikroRNA:iksi (miRNA) kutsutaan yksijuosteisia noin 22 nukleotidia pitkiä ei koodavia RNAketjuja. Ne osallistuvat geenien ilmentymisen säätelyyn vaikuttamalla translaatioon sekä
edistämällä lähetti-RNA:n hajoamista [1]. MikroRNA:ta esiintyy verenkierrossa [2] ja on esitetty,
että seerumin
miRNA-profiilia voitaisiin käyttää erilaisten tautitilojen diagnosointiin eiinvasiivisesti. Nykyiset miRNA:n polymeraasiketjureaktioon perustuvat kvantifiointimenetelmät
ovat kuitenkin hitaita ja verrattain kalliita. Tämän vuoksi onkin tarpeen kehittää uusia
edistyneempiä analyysimenetelmiä miRNA:n havaitsemiseksi.
Kemialliset koettimet miRNA:n havaitsemiseksi ovat usein yksijuosteisia oligonukleotideja,
jotka ovat kiertyneet silmukalliseksi kaksoiskierteeksi. Oligonukleotidiin on liitetty fluoresoiva
ilmaisin, jonka fluoresenssi aktivoituu kohde miRNA:n pariutuessa koettimen kanssa. Koettimen
havainnointiherkkyyttä voidaan tehostaa entsymaattisesti. Myös nanopartikkeleja, kuten
grafeenioksidia tai kultaa, voidaan käyttää apuna miRNA:n havainnoinnissa.
MikroRNA:lla on myös terapeuttista potentiaalia. Jos miRNA:n rooli sairauden kulussa
tiedetään, voidaan sen esiintymistä ja toimintaa säätelemällä hoitaa sairautta. Synteettisiä miRNAmolekyyleja voidaan käyttää myös vaikuttamaan suoraan geenien toimintaan esimerkiksi
syöpäsairauksien yhteydessä. Synteettisiin miRNA-molekyyleihin on kuitenkin tehtävä
rakennemuunnelmia tehokkuuden ja pysyvyyden lisäämiseksi.
MikroRNA:n toimintaa voidaan säädellä synteettisillä oligonukleotideilla. Nämä niin sanotut
antisense-oligonukleotidit estävät miRNA:n normaalia toimintaa pariutumalla sen kanssa tai
hajottamalla sitä. Antisene oligonukleotidien hybridisaatioaffiniteettia ja –spesifisyyttä voidaan
parantaa muokkaamalla niiden rakennetta. [3]
Kuva 1. Orgaaniseen fluoroforiin perustuvan koettimen toimintamekanismi.
Viitteet
1.
2.
3.
Bartel, D. P, Cell, 2009, 136, 215-233
Chen, X., Ba ,Y., Ma, L., Cai, X., Yin, Y., Wang, K., Guo, J., Zhang, Y., Chen, J., Guo, X., Li,
Q., Li, X., Wang, W., Zhang, Y., Wang, J., Jiang, X., Xiang, Y., Xu, C., Zheng, P., Zhang, J.,
Li, R., Zhang, H., Shang, X., Gong, T., Ning, G., Wang, J., Zen, K., Zhang J., Zhang, C. Y.,
Cell Res., 2008,18, 997–1006.
Li, J., Tan, S., Kooger, R., Zhang, C., Zhang, Y., Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 506
52
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
UDP-RIBOOSIN JA UDP-FRUKTOOSIN
PILKKOUTUMINEN METABOLISISSA PROSESSEISSA
Juho Jaakkola1*, Satu Mikkola1, Petri Tähtinen2
1
Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä, 2Luonnonyhdistekemian
tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio,
Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
*juhjaa@utu.fi
Abstrakti
Erikoistyöni tavoitteena oli tutkia kahta sokerinukleotidia: UDP-riboosia (1) ja UDP-fruktoosia (2)
sekä näiden pilkkoutumista. Pilkkoutumisolosuhteet pyrittiin säätämään mahdollisimman lähelle
metabolisia olosuhteita käyttäen laimeita happoja ja emäksiä. Työn tarkoituksena oli saada lisätietoa
näiden kahden sokerinukleotidin käyttäytymisestä ihmisen elimistössä, jonka avulla voitaisiin
mahdollisesti tulevaisuudessa kehittää uusia ja tehokkaampia syöpälääkkeitä. Pilkkoutumistuotteina
havaittiin esimerkiksi UMP:n (4) ja UDP:n (5) kaltaisia yhdisteitä sekä pienissä määrin erilaisia
riboosin ja fruktoosin pilkkoutumistuotteita. Huomioitavaa on se, että UDP-fruktoosin (2)
mittaukset ehdittiin suorittaa ainoastaan emäksisissä olosuhteissa eikä happamissa.
1
2
Kuva 1. UDP-riboosi (1) ja UDP-fruktoosi (2)
Johdanto
Tutkijat ovat jo vuosia kiistelleet hiilihydraattien käytöstä ruokavaliossa, sillä niiden on havaittu
aiheuttavan esimerkiksi liikalihavuutta ja diabetesta [1]. Siitä huolimatta, hiilihydraatit ovat yksi
tärkeimmistä ruokaryhmistä elimistössämme, sillä elimistömme pystyy nopeasti vapauttamaan
niistä energiaa. Energiaa tarvitaan kehossamme esimerkiksi kasvuun, lihastyöhön, lämmön
ylläpitämiseen, aineenvaihduntaan sekä hermoston ja elinten toimintaan.
Hiilihydraatit ja niiden hajoamistuotteet vastaavat näiden toimintojen lisäksi solujen
tiedonkulusta, jonka takia niitä on alettu käyttämään uudenlaisten syöpälääkkeiden kehittelyssä.
Sokerinukleotidit ovat hiilihydraattien hajoamisesta syntyviä yhdisteitä, jotka vastaavat elimistössä
erilaisista sokeriaineenvaihdunnan toiminnoista sekä tuottavat elimistölle energiaa.
Sokerinukleotidit ovat monosakkaridien aktivoituja muotoja. Tässä erikoistyössä riboosi ja
fruktoosi olivat monosakkareita, jotka on aktivoitu nukleotidillä nimeltä uridiini (Kuva 1).
Aikaisemmissa tutkimuksissa ei ole tutkittu UDP-riboosin (1) ja UDP-fruktoosin (2)
pilkkoutumista vaan on keskitytty tarkemmin muihin samankaltaisiin yhdisteisiin [2]. Esimerkiksi
UDP-glukoosin on jo havaittu osallistuvan glykogeenin synteesiin ja galaktoosin aineenvaihduntaan
sekä olevan osa aineenvaihduntamme glykosyyli transferaasi – reaktioita. Jotta tulevaisuudessa
UDP-riboosia (1) ja UDP-fruktoosia (2) voitaisiin hyödyntää paremmin lääkekehityksessä, täytyy
niiden pilkkoutumista ymmärtää paremmin. Näiden syiden takia myös tämä erikoistyötutkimus oli
erittäin tärkeää.
53
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
Materiaalit ja menetelmät
Kineettiset
mittaukset
suoritettiin
BECKMAN
COULTER
P/ACETM
MDQ
kapillaarielektroforeesilla. Kapillaarielektroforeesin lisäksi pilkkoutumistuotteita analysoitiin 1H ja
31
P NMR:n avulla käyttäen Bruker 500 MHz laitteistoa sekä massamittauksilla käyttäen Agilentin
6120 kvadrupoli LC/MS – massaspektrometria.
Tulokset ja johtopäätökset
UDP-riboosin (1) ja UDP-fruktoosin (2) pilkkoutuminen emäksisissä olosuhteissa tuotti
hajoamistuotteina UMP:tä (4) ja UDP:tä (5). Molemmissa tapauksissa päätuotteena näistä kahdesta
hajoamistuotteesta oli UMP (4), jota syntyi reaktion loppuvaiheessa vielä lisää UDP:n (5)
hajoamisen kautta. UDP-riboosin (1) pilkkoutuminen happamissa olosuhteissa tuotti hyvin
samankaltaisia hajoamistuotteita kuin pilkkoutuminen emäksisissä olosuhteissa (Kaavio 1).
Kaavio 1. UDP-riboosin (1) pilkkoutuminen emäksisissä ja happamissa olosuhteissa
UDP-riboosin (1) pilkkoutuminen tapahtui emäksessä aina riboosin avoketjuisen muodon kautta (3)
ja lopulta pilkkoutumistuotteina havaittiin yhdisteiden 4 ja 5 lisäksi ”riboosi-enoni” (6) sekä vapaa
fosfaatti (7). UDP-riboosin (1) pilkkoutumisen merkittävänä erona UDP-glukoosiin oli se, että
UDP-glukoosi tuotti happamissa olosuhteissa päätuotteena UDP:tä (5), kun taas UDP-riboosi tuotti
aina UMP:tä (4). UDP-fruktoosin (2) pilkkoutuminen tuotti yhdisteiden 4, 5, 6 ja 7 kaltaisten
hajoamistuotteiden lisäksi muita fruktoosin ja fosfaatin johdannaisia.
Viitteet
1. Wrolstad R. E., Food Carbohydrate Chemistry 1. painos; Wiley-Blackwell, 2012
2. Huhta E., Parjanen A., Mikkola S., Carbohydr. Res., 2010, 345, 696-703
54
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
DNA-POHJAINEN ASYMMETRINEN
HYBRIDIKATALYYSI DIELS-ALDER –REAKTIOSSA
Olli Moisio*, Pasi Virta
Bio-orgaanisen kemian tutkimusryhmä, Orgaanisen kemian ja kemiallisen
biologian laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
oamois@utu.fi
Abstrakti
Erikoistyössä tutkittiin DNA:n ja siihen sidotun Cu2+-ionin muodostamien hybridikatalyyttien
kykyä toimia stereoselektiivisenä katalyyttinä Diels-Alder –reaktiossa. Erityisesti tarkasteltiin
puriinijuosteen Hoogsten-sivuun sitoutuvan kolmannen juosteen vaikutusta katalyysiin. Katalyytit
muodostettiin supramolekulaarisesti kupari-bipyridyylikompleksin interkalaation kautta (I) ja
sitomalla bipyridyyli kovalenttisesti modifioituun uridiinifosforamidiittiin (II). Reaktiotuotteiden
stereomeerijakauman seuraamista varten määritettiin kiraalinen HPLC-systeemi. Parhaimmillaan
hybridikatalyytin
avulla
saavutettiin
71%:n
enantiomeerinen
ylimäärä
endo(+) -isomeerin suhteen.
Kuva 1. DNA-pohjaisen hybridikatalyytin muodostus supramolekulaarisesti ja kovalenttisesti.
Johdanto
Voimakas stereoselektiivisyys ja kyky nopeuttaa reaktiota hyvin miedoissa reaktio-olosuhteissa
ovat entsyymeille luonteenomaisia ominaisuuksia, jotka ovat erittäin haluttuja, mutta harvemmin
saavutettuja ominaisuuksia myös synteettisten katalyyttien kohdalla. Proteiinipohjaisten entsyymien
katalysoimien reaktioiden kirjo on synteettisiin katalyytteihin verrattuna kuitenkin varsin kapea.
Hybridikatalyyttien avulla pyritään yhdistämään biopolymeerien stereoselektiiviset ominaisuudet ja
siirtymämetallikatalyyttien monipuolisuus. DNA:n ikoninen, oikeakätinen kaksoiskierre on hyvä
esimerkki toisesta luonnon tarjoamasta kiraalisesta biopolymeeristä, jonka kykyä toimia
stereoselektiivisyyden lähteenä on viime vuosina tutkittu useiden orgaanisten reaktioiden kohdalla1.
Erikoistyön hybridikatalyytissä yhdistyvät asymmetrisyyden lähteenä toimiva DNA, sekä
substraatin, eli katalyysin kohteen sitova, reaktiota nopeuttava siirtymämetallikeskus (Cu2+)
Tutkimuksessa hyödynnettiin sekä synteettistä, että luonnollisista lähteistä saatavaa DNA:ta ja
kahta eri menetelmää Cu2+-katalyytin liittämiseksi rakenteeseen.
55
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
Materiaalit ja menetelmät
Spesifiset DNA-sekvenssit syntetisoitiin fosforamidiittisynteesillä Applied Biosystemsin 3400
DNA-syntetisaattorilla ja karakterisoitiin MS-spektroskopisesti. Erikoistyössä käytetty luonnollinen
DNA (st-DNA:n natriumsuola) on Sigma-Aldrichin kaupallinen tuote. Diels-Alder -reaktion
stereomeerijakaumaa seurattiin normaalifaasikromatografisesti isokraattisella virtauksella
(1-5% isopropanoli/heksaani) Phenomenexin kiraalisella Lux® Cellulose-1 -kolonnilla.
Tulokset ja johtopäätökset
Kuparikatalysoitu Diels-alder reaktion reaktioseos tuotti vedessä
ilman DNA:n läsnäoloa oikealla esitetyn kromatogrammin
(1% iPrOH/heksaani) mukaisen stereomeerijakauman (95:5
endo/exo, 1:1 +/-). Supramolekulaarisesti muodostettu katalyytti
(ON
1)
tuotti
71%
enantiomeerisen
ylimäärän
endo(+)-isomeerin
suhteen.
Kolmannen
DNA-juosteen
lisääminen katalyytin rakenteeseen (ON 2) alensi ylimäärän 19
%:iin. Luonnollisen, kokeen kannalta satunnaisen sekvenssin
omaava st-DNA tuotti 15% enantioylimäärän. Heikomman
streoselektiivisyyden arveltiin johtuvan sen sisältämän natriumin
kaksoiskierrettä stabiloivasta vaikutuksesta. Jatkotutkimuksia
varten syntetisoitiin jodouridiinista bipyridyylimodifioitu
fosforamidiitti, jota käytettiin onnistuneesti rakennusosana DNA- Kuva 2. DA–reaktion
kiinteäkantajasynteesissä.
kromatogrammi (ei DNA:ta).
Taulukko 1. Stereomeerijakauma erilaisille hybridikatalyyteille.
Oligonukleotidi
endo/exo
endo + [% ee]
Ei DNA:ta
95:5
ei ylimäärää
st-DNA (natriumsuola)
96:4
15
ON 1:
98:2
71
ON 2:
97:3
19
Reaktio-olosuhteet: 2.0 mM DNA (emäsparien suhteen), 0,33 mM
[Cu(bipy)(NO3)2, 1 mM dienofiili ja 15 mM syklopentadieeni MOPSpuskurissa (20 mM, ph 6,5). *ON2: Kakodylaattipuskuri
(20 mM, pH 5.0)
Kuva 3. Jodouridiinista
johdettu katalyytti, jossa
kovalenttisesti sidottu
bipyridyyli.
Viitteet
1.
Park, S.; Sugiyama, H. Angew. Chem. Int. Ed.. 2010, 49, 3870–3878.
56
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
METAL CHELATES ENHANCING OLIGONUCLEOTIDE
HYBRIDISATION
Oleg Golubev
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
olegol@utu.fi
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor(s): Dr. Tuomas Lönnberg
Funding: National Graduate School of Organic Chemistry and Chemical Biology; University of
Turku research grant fund; Turun yliopistosäätiö.
Estimated time of PhD dissertation: 12/2015
Main aims of the PhD research
The objective of the PhD research is to develop metal-ion-binding surrogate nucleosides, the base
moieties of which serve as tridentate ligands for soft metal ions and the resulting complexes bind
tightly and selectively to natural nucleic acid bases within nucleic acids. Incorporation of such
surrogate nucleosides to oligonucleotides hopefully leads to short oligonucleotide probes that
hybridize with native DNA or RNA oligonucleotides with an enhanced affinity, while retaining the
high sequence specificity of the natural nucleic acids. Such probes would be particularly useful in
recognition of short non-coding RNAs, such as micro-RNA that gain ever increasing interest as a
biomarker and target of drug development.
Main results so far
Screening for potential metallo-nucleobases by NMR titrations. Screening for potential metallonucleobases by NMR titrations. Four metal-ion-binding nucleosides, viz. 2,4-bis(3,5-dimethyl-1Hpyrazol-1-yl)-5-(β-D-ribofuranosyl)pyrimidine
(1),
2,4-bis(1-methylhydrazinyl)-5-(β-Dribofuranosyl)-pyrimidine (2), 2,6-bis(1-methylhydrazinyl)-9-(β-D-ribofuranosyl)-9H-purine (3),
and 6-(3,5-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl)-9-(β-D-ribofuranosyl)-9H-purine (4) have been synthesized
(Fig.1). The ability of these nucleosides and the previously prepared 2,6-bis(3,5-dimethyl-1Hpyrazol-1-yl)-9-(β-D-ribofuranosyl)-9H-purine (5) to form Pd2+ mediated complexes with canonical
nucleosides and nucleoside 5´-monophosphates has been studied by 1H NMR spectroscopy [1,2].
Fig. 1. Structures of the metal-ion-binding nucleosides 1-5 used in the present studies.
57
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
To learn more about the underlying principles of metal-ion-mediated recognition of nucleic acid
bases, chlorido complexes of 6-11 were prepared (Fig.2) and their interaction with nucleoside 5´monophosphate (NMP) has also been investigated by 1H NMR spectroscopy. In all cases, the
binding sites within the nucleobases were assigned on the basis of Pd2+ induced changes in
chemical shifts of the base moiety proton resonances. The selectivity obtained by varying the
hydrogen bonding properties and size of the ortho-substituents of Pd2+-bound pyridine ligands was
rather modest [3].
Fig. 2. 2,6-Disubstituted pyridine Pd2+ complexes used to study the discrimination of nucleobases
by metal-ion-mediated base-pairing.
Metal-ion-mediated hybridization of modified oligonucleotides. The potential of three modified
purine
bases,
namely,
6-(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)purine,
2-(3,5-dimethylpyrazol-1yl)hypoxanthine, and 2-(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)adenine were incorporated in the middle of 9mer 2′-O-methyl oligonucleotides and the hybridization of these modified oligonucleotides with
their unmodified counterparts studied by UV and CD spectrometry in the absence and presence of
Cu2+ or Zn2+[4]. All of the modified oligonucleotides formed more stable duplexes in the presence
of divalent metal ions than in the absence thereof, but with different preferences for the
complementary oligonucleotide.
The objective of the final part of my PhD studies is to find metal ion complexes that could
discriminate between natural nucleobases upon double helix formation, oligonucleotides carrying a
Pd2+ ion with vacant coordination sites at a predetermined position will be synthesized and their
affinity to complementary as well as mismatched counterparts quantified by UV-melting
measurements. In the first stage, the most promising candidates of the monomer studies 6-11 will be
converted into phosphoramidite building blocks, which are then introduced into oligonucleotides on
solid support. For more facile synthesis of these modified building blocks, GNA, rather than DNA
or RNA, backbone will be used in these studies.
The significance of my research for the research group and the whole research field
Non-coding RNAs, in particular microRNAs (miRNA) are emerging as novel targets of diagnostics
and chemotherapy. Owing to the short length and stable double helical hairpin structure, their
recognition and/or intervention of their biological action by conventional hybridization by WatsonCrick base-pairing is not possible. My studies bring basic information about the feasibility of
enforcing the sequence selective hydridization by exploitation of metal-ion-binding surrogate bases
within the oligonucleotide probes, in particular about the use of Pd2+-mediated binding for the
purpose.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
O. Golubev, T. Lönnberg and H. Lönnberg, Helv. Chim. Acta, 2013, 96, 1658-1669
O. Golubev, T. Lönnberg and H. Lönnberg, J. Inorg. Biochem., 2014, 139, 21-29
O. Golubev, T. Lönnberg and H. Lönnberg, Molecules 2014, 19, 16976-16986
S. Taherpour, O. Golubev and T. Lönnberg,. J. Org. Chem., 2014, 79, 8990-899
58
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
IMPROVED 19F NMR SENSORS FOR THE
CHARACTERIZATION OF DNA AND RNA SECONDARY
STRUCTURES AND OF THEIR COMPLEXES WITH
NOVEL DRUG CANDIDATES
Lotta Granqvist
ltgran@utu.fi
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor(s): Dr. Pasi Virta
Funding: Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences
Estimated time of PhD dissertation: 2017
Main aims of the PhD research
19
F NMR spectroscopy is a promising tool for the characterization of molecular interactions,
secondary structural arrangements, and their dynamics in oligonucleotides. 19F NMR spectroscopy
gives quantitative information about molar ratios of the secondary structural species and it usually is
clearly superior for the detection of processes, which are too dynamic in spectrophotometric terms.
The goals of this research project are (1) to develop novel high-fluorine-content sensors, which
reliably detect RNA and DNA secondary structures at micromolar concentrations, (2) to apply these
sensors for the characterization of molecular interactions involved in RNA and DNA and (3) to use
this knowledge for the design of novel RNA and DNA targeting molecules.
Main results so far
A fluorine sensor (1) for DNA has been synthesized and it's applicability in an automated
DNA/RNA-synthesis has been verified. This sensor bears three magnetically equivalent fluorine
atoms, which don't couple to neighbouring protons, and hence the sensor allows 19F NMR
experiments to be performed at micromolar oligonucleotide concentrations. The sensor 1 is primaly
designed for the detection of DNA secondary structures, which has been demonstrated by the 19F
NMR spectroscopic monitoring of DNA-triplex/duplex/single strand conversion (figure 1).The
experiments with HIV-1 TAR model have shown that the sensor is informative also in the RNA
environment. [1]
Figure 1. 19F NMR signals of sensor 1 in different DNA hybridization modes.
59
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
In addition, potential fluorine sensors for RNA have been synthesized, and the ongoing work is
focused to the 19F NMR-based detection of RNA secondary structures.
The significance of my research for the research group and the whole research field
One of the main interests of the laboratory is the applications of modified oligonucleotides or
oligonucleotide-related oligomers. 19F NMR spectroscopy gives an additional tool to characterize
their interactions with RNA- or DNA-targets. The main advantage is the detailed information,
which may be provided even in local environmental level. Our recent results have e.g. revealed new
or unexpected information about the strand-invasion that takes place, when hairpin-type
microRNAs are targeted with an exterior single strand (i.e. an invader oligonucleotide). These
results are significant in the field of oligonucleotide chemistry in general.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
Granqvist, L. and Virta, P. J. Org. Chem. 2014, 79, 3529-3536.
60
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
CELL SPECIFIC TARGETING OF THERAPEUTIC
OLIGONUCLEOTIDES WITH COVALENT
CONJUGATION
Satish Jadhav
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
satjad@utu.fi
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor(s): Dr. Päivi Poijärvi-Virta and Dr. Pasi Virta
Funding: Erasmus Mundus Action II (EXPERTS), Finnish Cultural Foundation, Doctoral
Programme in Physical and Chemical Sciences.
Estimated time of PhD dissertation: 12/2015
Main aims of the PhD research
Aim of the PhD research is the development of cells specific therapeutic oligonucleotide delivery
methods by covalent conjugation. The major obstacle to the use of therapeutic RNAs is the
internalization of the large anionic oligonucleotides across the plasma membrane of the cells. In
PhD studies the applicability of the different receptor based strategies for cell-specific targeting and
internalization of therapeutic oligonucleotides are studied: Carbohydrates, Bisphosphonate are
conjugated to PET labelled oligonucleotides by covalent conjugation.
Main results so far
First project was the synthesis of multi-galactose-conjugated 2’-O-methyl oligoribonucleotides (fig.
1) and their in vivo imaging with positron emission tomography in rat. Protected 1,4,7triazacyclononane-1,4,7-triacetic
acid
(NOTA)
precursor
bearing
a
4-[4-(4,4 ́dimethoxytrityloxy)butoxy]phenyl side arm was first immobilized via a base labile linker to the
support and the oligonucleotide was assembled on the detritylated hydroxyl function of this handle.
One, three or seven galactopyranosides conjugated to 5’-terminus by coupling phosphoramidite
building block bearing two phthaloyl protected aminooxy groups and one protected hydroxyl
function. In vivo imaging in rats with PET showed remarkable galactose-dependent liver targeting
of the conjugates1.
Figure 1. Structure of the tri and, hepta galactose -oligonucleotide conjugates
A second project was the synthesis of hyaluronic acid oligosaccharides-ribonucleic acid conjugation
(fig. 2) and their in vivo PET imaging in rat. Hyaluronic acid hexasaccharide had been prepared
from HA disaccharides by using trichloroacetimidate activated glycosylation method and TMSOTf
as a glycosylation activator. The critical deprotection step e.g. deprotection of trichloroacetyl amide
functional group was carried out in ammonolysis reaction condition. We had synthesized the
hyaluronic acid hexasaccharide, tetrasaccharide, and maltohexaose oligonucleotide conjugates with
61
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
NOTA ligand efficiently by using copper free clik reaction. In vivo PET imaging showed
biodistribution of intravenously injected 68Ga-NOTA-anti-miR-15b-conjugates varied notably with
the structure. Results of this work will be submitted to journal very soon.
Figure 2. Structure of the hyaluronic acid-oligonucleotide conjugates
The third project is the synthesis of bone targeting bisphosphonate oligonucleotide conjugates (fig.
3). Bisphosphonate drug, alendronate azide derivate was prepared and subsequent copper free click
chemistry for preparation of oligonucleotide conjugates is carried out. Currently the synthesis of
both bisphosphonate oligonucleotides conjugates is completed and further studies of preclinical
tests are in progress at Turku PET center and Dept. of Biomedicine, University of Turku.
Figure 3. Structure of the Alendronate-oligonucleotide conjugates
Fourth project, synthesis of chondroitin sulfate-fluorophore conjugates (fig. 4) and their
binding/uptake studies in neuronal cells. Syntheses of CS tetrasacharide and disaccharide
fluorophore conjugates are carried out by very efficient method using orthogonal copper free click
reaction and their cellular uptake/binding in primary neuronal cell culture are studied. This
manuscript is under preparation.
Figure 4. Structures of the chondroitin tetrasaccharide-flurophore conjugate.
The significance of my research for the research group and the whole research field
In continuation of the research program at our research group for the development of
oligonucleotide conjugation strategies, my research could produce orthogonal oligonucleotide
conjugation methods with interest of various preclinical tests by using PET studies.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
Mäkilä, J., Jadhav, S., Kiviniemi, A., Käkelä, M., Liljenbäck, H., Poijärvi-Virta, P., LaitalaLeinonen, T., Lönnberg, H., Roivainen, A., Virta, P. Bioorg. Med.Chem 2014, 22, 6806-6813.
62
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
SOLID-SUPPORTED SYNTHESIS OF MULTIPODAL
SCAFFOLDS FOR GLYCOTARGETING
Marika Karskela
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
mimlepp@utu.fi
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor(s): Dr. Pasi Virta
Funding: Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Department of Chemistry,
Instrument Center, Magnus Ehrnrooth Foundation, Turku University Foundation.
Estimated time of PhD dissertation: 2016
Main aims of the PhD research
I have studied methods to conjugate carbohydrates with other bioactive molecules, e.g.
oligonucleotides and peptide structures. The main aim is to create conjugates that enable cell-type
specific targeting and enhanced cell penetration of therapeutic compounds, driven by the selective
binding between carbohydrates and cell surface sugar-binding proteins, lectins. Carbohydrate–
protein interactions are responsible for the initiation of numerous physiological processes. Synthetic
carbohydrate clusters, i.e. glycoclusters, are potential tools for the utilization and modification of
these recognition events. Synthetic clusters may also inhibit unwanted interactions in auto-immune
diseases or block microbial infections on cell surface. Model compounds aim to mimic natural
glycostructures that bind to protein receptors. Their binding properties can be modified through
their chemical structures. Multivalency is generally preferred in nature and is required for high
affinity and specificity. To synthesize glycoclusters, multifunctional building blocks, i.e. scaffolds
are needed. Hence, other aim of this study was to develop such scaffolds to which several
carbohydrates can be covalently attached. Particularly of interest was the controlled, orthogonal
attachment of dissimilar carbohydrates to create heterotypic clusters.
Main results so far
Diverse multipodal scaffolds were synthesized to build homotypic and heterotypic glycoclusters.
These clusters were further conjugated with oligonucleotides or peptide structures using oximation
or peptide couplings. All glycoconjugates were synthesized entirely on solid support, followed by
release and deprotection, RP HPLC purification, and MS & NMR (only peptide conjugates)
characterization.
The synthesis of oligonucleotide glycoconjugates involved either stepwise ligation of
prefabricated glycoclusters to growing oligonucleotide chain (in 1, Fig. 1.) [1] or ligation of several
disaccharides simultaneously (in 2) [2]. Prefabricated homotypic clusters in 1 were prepared using
Cu(I)-catalyzed 1,3-dipolar cycloaddition (i.e. click) reaction. Aldehyde-functionalized glucose and
mannose clusters were ligated to the oligonucleotide chain through oximation with aminooxyfunctionalized nucleotide branching units.[1]
Another approach utilized hyaluronan which is the main ligand for transmembrane
glycoprotein CD44 that is overexpressed in many cancers. Hyaluronan disaccharides of 2 were
studied as mediators of cellular delivery through receptor mediated endocytosis in vitro.[2]
Disaccharides were ligated to chain using oximation. With this assembly only unspecific cellular
entrance was detected although hyaluronan conjugates have been detected to increase the uptake of
cancer drugs to cancer cells.
63
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
We have also developed various methods for the preparation of heterotypic glycoclusters.
These have been synthesized using mainly peptide coupling chemistry to create structures with
branched (in 3)[3] or cyclic (in 4)[4] peptide scaffolds. Also the aglycon moieties can contribute to
high-affinity binding to lectins through peptide-peptide interactions. Hence, this creates an
additional dimension to the diversity of the clusters. The branched glycocluster in 3 was further
conjugated with a biotin ligand to allow convenient immobilization on avidin- or streptavidincoated surfaces.[3] The approach should be extendable to conjugation of the clusters with any
aminooxy-functionalized compound.
Figure 1. Structures of the glycoconjugates. Ligations with click reaction shown in blue color,
oximation in orange, and peptide couplings of the sugar units in green.
The significance of my research for the research group and the whole research field
My research is part of our research program to develop cell specific delivery methods for
therapeutic oligonucleotides. This study includes developing of methods and model compounds for
the needs of basic research. Synthetic glycoclusters and their conjugates have been studied by
several research groups during last decades but the synthesis of heterotypic clusters, containing
dissimilar sugar units in same cluster, remains less studied.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
Karskela, M., Helkearo, M., Virta, P., Lönnberg, H. Bioconjugate Chem. 2010, 21, 748-755.
Karskela, M., Virta, P., Malinen, M., Urtti, A., Lönnberg, H. Bioconjugate Chem. 2008, 19,
2549-2558.
Karskela, M., von Usedom, M., Virta, P., Lönnberg, H. Eur. J. Org. Chem. 2012, 33, 65946605.
Virta, P., Karskela, M., Lönnberg, H. J. Org. Chem. 2006, 71, 1989-1999.
64
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
NUCLEOTIDES AS ANTIVIRAL COMPOUNDS: ON THE
FEASIBILITY OF AN ESTERASE-DEPENDENT
PRODRUG STRATEGY FOR 2-5A
Emilia Kiuru
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
emilia.kiuru@utu.fi
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor(s): Dr. Mikko Ora
Funding: Alios Biopharma, Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Department
of Chemistry
Estimated time of PhD dissertation: 2015
Main aims of the PhD research
Analogues of nucleotides and oligonucleotides constitute a promising class of therapeutic agents.
The efficiency of phosphate based drugs, however, largely depends on the prodrug strategy used to
enhance their cellular uptake. The basic idea with most of the prodrug strategies is that the negative
charges of the phosphate groups are kept masked in plasma and restored by an enzyme-triggered
removal of the protecting groups inside the cell. The primary aim of the thesis was to evaluate the
feasibility of a prodrug strategy, based on esterase-labile protecting groups, for an antiviral
compound called 2-5A, which is a short 2´,5´-linked oligoribonucleotide. In spite of the success of
the esterase-dependent prodrug strategies, they still suffer from one major shortcoming. The
enzymatic deacylation is markedly retarded upon accumulation of negative charge on the substrate,
which is the case with molecules having several phosphodiester linkages. Another general problem
is that biodegradation of the prodrugs often releases potentially toxic by-products, for example,
formaldehyde and electrophilic alkylating structures are typically formed. For these reasons,
development of protecting groups, which are not dependent on enzymatic activation and do not
liberate toxic compounds, appeared highly desirable.
Main results so far
Two different oligoadenylate trimers 1 and 2 (Figure 1.), protected with esterase-labile protecting
groups, were synthesized as prodrug candidates for the short oligoribonucleotide 2-5A and the
multistep release of 2-5A by carboxyesterases was studied.[3] In addition, measurements were
made with protected adenylyl-2´,5´-adenosines [2], and thymidine 5´-monophosphates [1] to
optimize the structures of esterase-labile protecting groups. The protecting group scheme of the
prodrug candidates was based on 3-acetyloxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)propyl group for the
protection of the phosphate groups and acyloxymethyl groups for the protection of 3´-hydroxyl
groups adjacent the phosphodiester linkages. The results demonstrated that the deprotection of 25A, bearing four esterase-labile protecting group, became significantly slower upon accumulation
of negative charge. The 3-acetyloxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl) propyl groups, did not function as
protecting groups for the 5´-terminal phosphate and the 2-5A prodrug candidate I (1) was never
converted to the desired 2-5A. The situation was markedly improved when the distance between the
enzyme cleavage site and the negative charge was increased and a considerable proportion of 2-5A
having a bis(3-acetyloxymethoxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)propyl) protected 5´-terminal phosphate,
was released from the 2-5A prodrug candidate II (2). The removal of the protecting groups still
seemed to be too slow, leading to formation of several by-products. For the reason, a feasible
prodrug strategy could be found on thermolabile protecting groups. The applicability of six novel
65
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
2,2-disubstituted 4-acylthio-3-oxobutyl groups as protecting groups of phosphodiester linkages was
studied.[4,5] Appropriately protected nucleoside 5´-methyl phosphates 3a-b, 4a-c and 5 were
prepared as model compounds and the enzymatic and non-enzymatic removal of such groups was
followed at pH 7.5 and 37 °C. The protecting groups are cleaved by esterases, but they undergo
thermolytic removal in case the enzymatic reaction becomes retarded. The branched structure
allows tuning of the deprotection rate by varying the structure of 2-substituents. The released
protecting groups did not form adducts with glutathione and thus, most likely are not markedly
alkylating. The developed protecting groups are expected to be useful as protecting groups of
oligonucleotides and compounds containing several phosphodiester linkages.
Figure 1. Structures of the protected 2-5A trimers (1, 2) and nucleoside 5´-methyl phosphates (3-5).
The significance of my research for the research group and the whole research field
The research area of Bioorganic Group is focused on chemical biology of nucleic acids, among
other things in the synthesis and characterization of structural analogues and conjugates of
oligonucleotides, as well as investigation of their exploitation as therapeutics. My research
contributes to the development of knowledge on the synthesis of novel antiviral prodrugs based on
nucleotides and short oligoribonucleotides. The developed prodrugs having esterase- and
thermolabile protecting groups may significantly enhance the therapeutic potential of such drugs by
facilitating their cellular uptake.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
5.
Ora, M., Taherpour, S., Linna, R., Leisvuori, A., Hietamäki, E., Poijärvi-Virta, P., Beigelman,
L., Lönnberg, H. J. Org. Chem. 2009, 74, 4992–5001.
Kiuru, E., Ora, M., Beigelman, L., Blatt, L., Lönnberg, H. Chem. Biodiversity 2011, 8, 266286.
Kiuru, E., Ora, M., Beigelman, L., Blatt, L., Lönnberg, H. Chem. Biodiversity 2012, 9, 669688.
Kiuru, E., Ahmed, Z., Lönnberg, H., Beigelman L., Ora, M. J. Org. Chem. 2013, 78, 950-959.
Kiuru, E., Lönnberg, H., Ora, M. Helv. Chim. Acta 2013, 96, 1997-2008.
66
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
SOLUTION PHASE SYNTHESIS OF SHORT
DEOXYOLIGONUCLEOTIDES ON PRECIPITATIVE
TETRAPODAL SOLUBLE SUPPORT
Vyacheslav Kungurtsev
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
vyakun@utu.fi
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor(s): Dr. Pasi Virta and Prof. Harri Lönnberg
Funding: Marie Curie Actions MEMTIDE, Doctoral Programme in Physical and Chemical
Sciences.
Estimated time of PhD dissertation: 2016
Main aims of the PhD research
The ultimate objective for the project was to make a paradigm shift in the technology used for the
synthesis of oligonucleotides by coupling the organic solvent nanofiltration (the technique using
membranes to discriminate between molecules present in homogeneous solution with novel soluble
supports into a breakthrough technology – membrane enhanced synthesis. The development of
protocols to make novel soluble supports and new blockwise strategies for assembly of
deoxyoligonucleotides on a soluble support allows to advance the use of solution phase synthesis of
DNA oligomers.
Main results so far
The growing oligonucleotides, which are tetrahedrally branched from a pentaerythritol-derived core
(Fig. 1 A), were found to precipitate virtually quantitatively from methanol; a feature that could be
utilized as a purification step in the liquid-phase synthesis. Two precipitations are needed in each
coupling cycle when using commercially available phosphoramidite building blocks: one after the
oxidation step and the second after removal of the 5’-O-(4,4’-dimethoxytrityl) protecting group.
Couplings using a small excess (1.5 equiv. of a nucleoside phosphoramidite per 5’-OH group)
of the standard 5’-O-(4,4’-dimethoxytrityl)-protected phosphoramidite building blocks proved
efficient, and purification of the products could be carried out by simple precipitation (over 90% of
the products usually gained) in methanol. Ammonolysis gave nearly homogeneous nucleotide
trimers (CCT, GCT, ACT) in ca. 70% yield and a pentamer (AGCCT) in 43% yield.
A
B
Figure 1. Structures of the soluble supports developed
The protocol employed still suffered from some minor side reactions, including traces of premature
cleavage of the 2-cyanoethyl and benzoyl protecting groups and depurination of 2´-deoxyadenosine
upon acidolytic removal of the 5´-O-(4,4´-dimethoxytrityl group. For these reasons, and to avoid the
67
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
oxidation step, the feasibility of phosphotriester chemistry using 3´-(1-benzotriazoly-1-yl 2chlorophenyl) phosphotriesters as building blocks was studied. The method5 is based on 1methylimidazole promoted assembly of appropriately protected nucleoside 3´-(benzotriazol-1-yl 2chlorophenyl phosphates. All small molecules are removed after each coupling and 5´-Odetritylation by precipitating the support with MeOH. On using 2 equiv. of building blocks per 5´OH trimers (CCT, AAT, GGT, TTT) have been obtained in 70% isolated yield and pentamer
(CGCAT) containing all four nucleosides in 55% isolated yield calculated according to UVabsorbance.
Clustered nucleosides (1) have successfully been used as a support for the synthesis of short
oligonucleotides in solution [2, 3]. The modular structure of the cluster allows varying both the
linker and nucleoside parts. In order to meet the conditions at which the grown oligomer could be
released in a fully protected form, hydroquinone-O,O’-diacetic acid was exploited as a linker (Fig. 1
B).
As a proof of concept, a thymidine-derived cluster was used as a soluble support for the
synthesis of a CTT-trimer by the bisOBTp based phosphotriester approach [4]. The support demonstrated excellent quantitative precipitation in MeOH and the desired cluster bearing CTT-trimer was
obtained in high yield (87 %). The hQ-linker is cleaved under very mild basic conditions allowing
base protections to stay intact. However, when an analytical sample of the cluster bearing the
protected CCT-trimer was treated with the proposed 0.05 M K2CO3 in MeOH, not only the removal
of benzoyl protections was observed, but phosphate linkages were cleaved as well. By decreasing
the concentration of K2CO3 by a factor of 10, the expected result was achieved. The DMT-COBzTT3’-OH was obtained in a homogeneous form.
Two clusters containing purine nucleosides, viz. fully protected 5´-TAT-3´ and 5´-AGT-3´,
were then synthesized by the same bisOBTp promoted phosphotriester approach. All three clusters
were treated in bigger scale with 0.005 M potassium carbonate in MeOH and the resulted DMTCBzTT, DMT-TABzT, DMT-ABzGiBuT were quantitatively released and isolated by flash column
chromatography in very high yields (95-99 %) in hundreds of miligrams scale.
To test the applicability of the fully protected trimers as a building blocks in oligonucleotide
synthesis, the DMT-TTABz was synthesized by the same phosphotriester method, cleaved with
0,005 M K2CO3 in MeOH, phosphorylated with bisOBTp and allowed to react with 1. The cluster
obtained bearing the protected TTTA-tetramer was detritylated and the oligonucleotide was
released and precipitated as a sodium salt in absolute ethanol. The nearly homogeneous 5’-ATTT-3’
tetramer obtained in 67 % yield (according to UV) was analysed by RP HPLC and mass
spectrometry.
The significance of my research for the research group and the whole research field
The developed novel soluble supports and synthetic protocols are useful for the production of short
oligonucleotides on a scale of hundreds of milligrams without the need for any special equipment.
Bearing in mind upcoming purification methods like OSN the methods allow nearly immediate
implementation due to proposed very high rejection value for the soluble supports developed.
Nowadays the need for fully protected trinucleotide-building blocks has arisen. They are required in
oligonucleotide-directed mutagenesis and used to create combinatorial peptide or antibody libraries.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
Molina, A.G.; Kungurtsev, V.; Virta, P.; Lönnberg, H. Molecules 2012, 17, 12102-12120.
Kungurtsev, V., Laakkonen, J., Molina, A. G. and Virta, P. (2013), Eur. J. Org. Chem., 2013,
29, 6687–6693.
Kungurtsev, V., Virta, P and Lönnberg H. (2013), Eur. J. Org. Chem., 2013, 35, 7886–7890.
Kungurtsev, V., Lönnberg H. (2015) Synthesis and application of deoxytrinucleotide building
blocks on precipitative soluble support (in progress).
68
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
CHEMICAL MODELS FOR RNA CLEAVAGE
Luigi Lain
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
luigi.lain@utu.fi
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor(s): Dr. Tuomas Lönnberg
Funding: Marie Curie ITN, Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Department
of Chemistry
Estimated time of PhD dissertation: 11/2015
Main aims of the PhD research
The work is aimed at improving our understanding on the mechanisms of RNA phosphodiester
bond transesterification (Figure 1), and clarifying with the aid of chemical models the underlying
principles of the catalysis of this reaction by ribozymes and protein enzymes. While the general
course of the reaction has been known for decades, and widely studied due to its biological
importance, the complex free energy landscape of the reaction is still not completely understood,
and even less well as regards interactions with other chemical entities.
Figure 1. Reactions of cleavage and isomerization at the RNA phosphodiester bond
Main results so far
In the first part of the work [1], a structurally modified dinucleotide, 1, was synthesized and its
reactions studied over a wide pH-range. It was found that the aminomethyl groups at C4´ of the 3´linked nucleoside by a rich and complex interaction with the phosphate group and/or the
phosphorane intermediate resulted in very different rates of cleavage and isomerization for the two
isomers, and even different mechanisms depending the protonation state of the amino groups. The
highest rate acceleration was achieved with the 3’ isomer at moderately alkaline pH (deprotonated
amines), with a thousand-fold increase over the background rate of hydrolysis for the unmodified
69
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
dinucleotide uridylyl-3´,5´-uridine (UpU). Mechanistic explanations for the observed changes in
reaction rates were given.
The second part [2] dealt with the buffer catalysis of UpU transesterification of amine buffers in
80% DMSO. In water, the hydroxide ion concentration of these buffers is much higher, and the
specific base catalysis predominates over the buffer catalysis. DMSO suppresses the autoprotolysis
of water, allowing one to study the catalysis by the buffers. Modest rate enhancements on the
cleavage have been found. No direct correlation was observed between the pKa of the amines and
their catalytical activity, but for the more acidic amines a completely different mechanism takes
place. The data was compared to similar studies made on a nucleotide analogue having an aryl
leaving group in place of the 5´-linked nucleoside.
The third part [3] of the work is rather similar to the first part. For comparative purposes, the
modified dinucleotide 2 was prepared and its reactions were studied over the whole pH range. The
aim was to learn more about the nature of interaction of hydroxyl, amino and ammonium functions
with the phosphorane intermediate: to what extent the observed rate-accelerations were caused by
acid-base catalysis, hydrogen bonding, or electrostatic field effects. Surprisingly, the activity of 2
was only marginally different from that of UpU, which seems to rule out hydrogen bonding as the
cause of intramolecular catalysis by ammonium groups.
The fourth paper is as yet unpublished. The subject is the catalysis of UpU cleavage by cyclenbased cleaving-agents 3a and 3b. These compounds are previously known, but used only for
complexing with Zn2+. They turned out to have a surprisingly strong catalytic effect, with rate
accelerations over four orders of magnitude. The mechanism hasn’t been fully clarified, but there is
strong support for one of the cyclens binding the uracil ring, with the other performing the catalysis;
the isolated cyclens are catalytically inactive, and the transesterification is not catalyzed on
adenosine. Given the serendipitous nature of the discovery, it is likely that such a catalytical activity
can be further enhanced.
Figure 2. Structures of some of the compounds used in the PhD work. For 1 and 2, the structural
modifications introduced over a regular dinucleotide are marked in red
The significance of my research for the research group and the whole research field
My work provides new insight on the mechanisms of RNA transesterification catalyzed by acids
and bases. It helps establishing how strategically placed amino groups interact with the
phosphodiester bond. That knowledge increases our comprehension of how RNA-cleaving enzymes
and ribozymes work, and is one more step towards artificial cleaving agents. Of particular impact
towards that last goal may be the first and last papers, detailing strong rate accelerations which
could have useful applications.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
Lain, L.; Lönnberg, H. and Lönnberg, T. Chem. Eur. J. 2013, 19, 12424.
Lain, L.; Lönnberg, H. and Lönnberg, T. Org. Biomol. Chem. 2015, 13, 3484.
Lain, L.; Lönnberg, H. and Lönnberg, T. Org. Biomol. Chem. in press.
70
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
PRODRUG STRATEGIES OF ANTIVIRAL NUCLEOTIDES:
STUDIES ON ENZYMATICALLY AND THERMALLY
REMOVABLE PHOSPHATE PROTECTING GROUPS
Anna Leisvuori
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
asleis@utu.fi
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor(s): Dr. Mikko Ora
Funding: Alios BioPharma, Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Magnus
Ehrnrooth Foundation, Turku University Foundation.
Estimated time of PhD dissertation: 2015
Main aims of the PhD research
Many viral diseases are efficiently prevented with vaccines. Since it is difficult to develop a vaccine
for viruses with high genetic variability, antiviral therapies based on other mechanisms are needed
too. Antiviral nucleosides have proved their potential in the treatment of several viral infections,
including HIV and hepatitis C virus. Once inside the cell, the antiviral nucleosides need to be
phosphorylated to the nucleoside triphosphates by kinases to achieve the antiviral effect. However,
the first phosphorylation to the nucleoside monophosphate often is inefficient, which leads to low
antiviral activity. The first phosphorylation step can be bypassed by delivering the antiviral
nucleoside directly as its protected monophosphate derivative i.e. applying a prodrug strategy.
Many prodrug strategies are based on biodegradable protecting groups, esterase labile protecting
groups in particular. Yet, several studies have demonstrated that, in case of esterase labile
protecting groups, the rate of the removal of the second and subsequent protecting groups is
significantly retarded. This is due to the negatively charged phosphodiester intermediate which is
formed after the first protecting group is removed. The negative charge on the phosphorus disturbs
the active site of the enzyme. The PhD research is aimed at studying biodegradable protecting group
strategies of antiviral nucleotides where the issue of retardation could be avoided.
Main results so far
Several potential prodrug candidates of antiviral nucleosides have been synthesized and the removal
rate of the biodegradable protecting groups has been studied. 3-acetyloxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)propyl, 3-acetyloxymethoxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)propyl and pivaloyloxymethyl groups have
been studied as biodegradable phosphate protecting groups of L-alanine methyl ester derived
phosphoramidates (1, Fig. 1) [1], 5´,5´-dinucleoside monophosphates (3) [2] and 3´,5´-cyclic
nucleosides (2) [3]. In the synthesized compounds, the second protecting group is cleaved by some
other mechanism than esterase triggered activation or the structure of the prodrug requires only one
protecting group. In addition, an esterase labile protecting group that is also thermally removable
has been studied as protecting group of oligomeric phosphodiesters by synthesizing thymidine
derived oligomers as model compounds (4, Fig. 1) [4]. The underlying idea of this protecting group
is that in case the enzymatic removal severely slows down due to the negative charge accumulating
on the molecule, the thermal removal mechanism will ensure the removal of the protecting group.
All of the protecting groups were shown to undergo conversion to fully deprotected products in
the presence of esterase. The enzymatical removal of 3-acetyloxymethoxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)propyl group from nucleoside 5´-phosphoramidate was at least one order of magnitude faster than
the removal of 3-acetyloxy-2,2-bis(ethoxycarbonyl)propyl group, thus making it more potential
71
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
biodegradable phosphate protecting group, but the removal rate is nevertheless rather slow. Of the
three studied phosphate protecting groups, the 4-acetylthio-2,2-dimethylbutyl group, which is both
enzymatically and thermally removable, seems most attractive. The protecting groups were cleaved
from the studied oligomeric phosphodiesters enzymatically and were additionally cleavable nonenzymatically. The carboxyesterase catalyzed removal of the protecting group proceeded readily.
Accumulation of the negative charge on the intermediates did not markedly retard the nonenzymatic removal of the protecting group. However, the rate of the thermal removal still is too
slow to allow efficient protection of longer oligonucleotides and needs optimization. By increasing
the electronegativity of substituents at C2, the thermal stability may be decreased.
Figure 1.
Structures of few of the synthesized compounds.
The significance of my research for the research group and the whole research field
The research field of the Bioorganic group is nucleic acid chemistry, e.g. studies on recognition and
cleavage of RNA, targeting of oligonucleotides by covalent conjugations, large scale synthesis of
oligonucleotides and prodrug strategies of nucleotides. Our research is multidisciplinary: the
problems originate from biology and the solutions are tried to find with organic chemistry. Thus,
understanding of both fields is required. The research included in the thesis is continuation of the
previous studies on biodegradable protecting groups done in our laboratory since late 1990’s.The
results accomplished in the thesis enable further development of prodrug strategies of nucleotides in
our group. The antiviral drug field is highly commercial and the pharmaceutical companies’ interest
is to keep their results of their own, but the thesis brings new knowledge for free use to the entire
nucleic acid chemistry field and may on its part contribute to the development of more efficient
antiviral drugs.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
Leisvuori, A., Aiba, Y., Lönnberg, T., Poijärvi-Virta. P., Blatt, L., Beigelman, L., Lönnberg,
H., Org. Biomol. Chem., 2010, 8, 2131-2141.
Leisvuori, A., Ahmed, Z., Ora, M., Blatt, L., Beigelman, L., Lönnberg, H., Arkivoc, 2012, 5,
226-243.
Leisvuori, A., Ahmed, Z., Ora, M., Blatt, L., Beigelman, L., Lönnberg, H., Helv. Chim. Acta,
2012, 95, 1512-1520.
Leisvuori, A., Ora, M., Lönnberg, H., Eur. J. Org. Chem., 2014, 5816-5826.
72
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
SYNTHESIS OF SHORT OLIGONUCLEOTIDES ON A
SOLUBLE SUPPORT BY THE PHOSPHORAMIDITE
METHOD
Alejandro Gimenez Molina
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
algimo@utu.fi
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor(s): Prof. Harri Lönnberg and Dr. Pasi Virta
Funding: 1) Marie Curie FP7; 2) UTUGS.
Estimated time of PhD dissertation: 2015.
Main aims of the PhD research
The increasing demand of oligonucleotides for clinical trials and building blocks in nanotechnology
has created a need for their large scale synthesis. Evidently a novel paradigm for the synthesis is
needed to fulfil the demand in a cost effective manner. The aim of my PhD research is the solution
phase synthesis of oligonucleotides using various methodologies based on chromatographic and
precipitation techniques. For this purpose different soluble supports and novel protecting group
strategies, including linkers have been developed.
Main results so far
The applicability of acetylated and methylated β-Cyclodextrins as viable soluble supports for the
synthesis of short 2’-oligodeoxyribonucleotides (DNA) in solution [1] was demonstrated by
assembling a 3’-TTT-5’ trimer and a 3’-TTCAT-5’ pentamer. To simplify the coupling cycle, the
5’-O-(4,4′-dimethoxytrityl) protecting group was replaced with an acetal that upon acidolytic
removal gave easily removable volatile products. Novel 5′-O-(1-methoxy-1-methylethyl)-protected
building blocks were synthesized for this purpose and the hydrophobic cyclodextrin support
allowed efficient coupling on using only 1.5 equivalent excess of the monomeric building blocks. In
addition, rapid flash chromatographic purification after each coupling cycle and extractive removal
of the support after ammonolytic deprotection of the oligomer gave nearly homogeneous products.
Alternatively, the usefulness of a pentaerythritol-derived core [2] was demonstrated on the
solution phase synthesis of various 2’-oligodeoxyribonucleotides trimers (5’-CCT-3’, 5’-GCT-3’,
5’-ACT-3’) and a pentamer (5’-AGCCT-3’). The growing oligonucleotides, which were
tetrahedrally branched from a pentaerythritol-derived core, were found to precipitate virtually
quantitatively from methanol. This feature was utilized as a purification step in the liquid-phase
synthesis: one time upon the oxidation step and another time after the detritylation step. Couplings
were carried out on using only a small excess (1.5 equivalents per free 5’-OH group) of
commercially available phosphoramidite 5’-O-DMTr protected building blocks. Final ammonolysis
gave nearly homogeneous trimers in approximately 70% yield and the pentamer in 43% yield.
The precipitative tetrapodal pentaerythritol-derived soluble support was also applied to the
solution phase synthesis of oligoribonucleotides (RNA) [3]. Novel 2'-O-(2-cyanoethyl)-5'-O-(1methoxy-1-methylethyl) protected ribonucleoside 3'-phosphoramidites were prepared and their
usefulness as building blocks in RNA synthesis demonstrated. As a proof of concept, a pentameric
oligoribonucleotide, 3'-UUGCA-5', was synthesized. Similarly as before, couplings were carried out
with 1.5 equivalents of the building block. In each coupling cycle, the small molecular reagents and
byproducts were removed by two quantitative precipitations from MeOH. After completion of the
chain assembly, the pentamer was released in high yields.
73
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Finally, a workable method for the preparation of short oligoribonucleotides from commercially
available 5´-O-(4,4´-dimethoxytrityl)-2´-O-(tert-butyldimethylsilyl)ribonucleoside 3´-(2-cyanoethyl
N,N-diisopropylphosphoramidite) building blocks on the tetrapodal soluble support [4] was
developed. The coupling cycle consisted of 4,5-dicyanoimidazole promoted coupling in MeCN with
1.5 equiv. of the monomeric building block, conventional iodine oxidation and precipitation from
water followed by flash chromatographic purification. Treatment with triethylamine, followed by
ammonolysis and desilylation with Et3N(HF)3 afforded the oligoribonucleotide pentamer 3´UUGCA-5´ in 46% overall yield.
Figure 1. Structures of the soluble supports used for the synthesis of oligonucleotides in solution.
The significance of my research for the research group and the whole research field
The work described above contributes in the field of nucleic acid chemistry, in particular in the
development of novel protocols for the large-scale solution phase synthesis of oligonucleotides.
Since the quantities required for physico-chemical studies are often larger than what can be
obtained by solid phase synthesizers, the significance of this work will be valuable for researchers
who need to prepare such oligonucleotides in hundreds of mg scale in the laboratory without the use
of any special equipment.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
Molina, A. G.; Kungurtsev, V.; Virta, P.; Lönnberg, H. Molecules 2012, 17, 12102-12120.
Kungurtsev, V.; Laakkonen, J.; Molina, A. G.; Virta, P. Eur. J. Org. Chem. 2013, 6687–6693.
Molina, A. G.; Jabgunde, A. M.; Virta, P.; Lönnberg, H. Beilstein J. Org. Chem. 2014, 10,
2279-2285.
Molina, A. G.; Jabgunde, A. M.; Virta, P.; Lönnberg, H. Curr. Org. Synth. 2015, 12, 202-207.
74
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
METAL-ION-BINDING OLIGONUCLEOTIDES: HIGH-AFFINITY
PROBES FOR NUCLEIC ACID SEQUENCES
Sharmin Taherpour
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
shtahe@utu.fi
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor: Dr. Tuomas Lönnberg
Funding: Academy of Finland and Department of Chemistry
Estimated time of PhD dissertation: 9/2015
Main aims of the PhD research
This study is aimed at developing modified oligonucleotides with enhanced affinity to their natural
counterparts through metal-ion-mediated base pairing. The increasing number of biologically
relevant short RNA targets creates demand for agents that are able to bind short nucleic acid
sequences with high affinity and selectivity. For example, the single-stranded regions of miRNA are
too short for effective hybridization with unmodified oligonucleotides at physiological temperature.
One way to achieve the desired strong hybridization could be the replacement of some of the natural
Watson-Crick base pairs with stronger metal-ion-mediated base pairs between artificial and natural
nucleobases. So far, however, nearly all of the metal-ion-mediated base pairs described in the
literature have been formed between either two artificial or two natural nucleosides, making them
unsuitable for this task.
Main results
2,6-Bis(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)purine riboside (1) has been identified as a promising candidate
for a metal-ion-carrying artificial nucleoside, both at the monomer level and within oligonucleotide
assemblies. The stabilities of metal ion mediated base pairs were first studied by 1H NMR titrations.
The modified nucleobase (1) was found to form a highly stable, well-defined ternary complex with
uridine and Pd2+ at low micromolar concentrations (Fig. 1).[1]
H1´ (complex)
H1´(complex)
H5 (complex)
A
H5 and H1´
H5
and
(free
Urd)H´
(free Urd)
D
H5(complex)
1.0
x(complex) / a.u.
0.8
B
0.6
0.4
0.2
C
1 : Pd2+ : U
0.0
0.0
5.90
5.90
5.85
5.85
5.80
5.80
5.75
5.75
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
[Urd] = [1] / mmol L
5.70 ppm
5.70ppm
3.0
3.5
4.0
-1
Figure 1. (A-C): 1H NMR spectra of uridine (H5 and H1´) at various concentrations of uridine, the
artificial nucleoside (1) and Pd2+ at pH 7.3. (A): [Urd] = [1] = 3.6 mmol L-1, [Pd2+] = 2.52 mmol L1
; (B): [Urd] = [1] = 0.061 mmol L-1, [Pd2+] = 0.042 mmol L-1 ; (C): [Urd] = [1] = 13.84 mmol L-1,
[Pd2+] = 0. (D): Mole fraction of uridine in complex as a function of the concentration of uridine
and 1; pH = 7.3.
75
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Stabilities of various oligonucleotide assemblies between native and modified oligonucleotides in
the presence (or absence) of an equimolar concentration of Pd2+, Zn2+ or Cu2+ were determined by
the conventional method, viz. by measuring their melting temperatures. Within an oligonucleotide
structure, the Cu2+ (and, to a lesser extent, the Zn2+) chelate of the modified nucleoside (1) was
found to be stabilizing both at an internal [2-3] and, particularly, at a terminal position of RNA (Fig.
2).[2] All of the duplexes studied were CD-spectropolarimetrically verified to be of the canonical Atype.
Figure 2. The effect of the Cu2+-mediated base pair between 1 (X) and uridine on the stability of short
oligonucleotides.
Biologically relevant RNA targets typically include several double-helical regions, giving rise to
exceedingly convoluted UV melting profiles. To avoid this problem, hybridization of the metal-ionbinding oligonucleotides was also studied by incorporating a fluorescent nucleoside analog
(pyrrolo-dC) in one strand of the putative duplex and quantifying the fluorescence intensity of this
residue. The system was first calibrated with simple short double-helical oligonucleotides, the
melting temperatures of which could be measured and interpreted unambiguously. In these
duplexes, the drop of fluorescence intensity on hybridization correlated well with the thermal
stability of the duplex.[4]
To study metal-ion-promoted hybridization in a biologically more relevant system, the affinity
of short metal-ion-binding oligonucleotides for the trinucleotide bulge motif of TAR RNA models
was quantified by the fluorescence-based method. The fluorescent residue was placed at various
sites of the TAR RNA models. The results obtained with these models were not as clear as those
obtained with simple duplexes and, therefore, hybridization of the metal-ion-binding
oligonucleotides with the desired target site could not be unambiguously established. It seems
possible that even with the stabilizing effect of the metal-ion-mediated base pair, the affinity of the
modified oligonucleotides for the very short target sequence remains too low.
The significance of my research for the research group and the whole research field
Metal-ion-mediated base-pairing of nucleic acids is gaining more and more interest owing to its
potential applications in bio- and nanotechnology. Our research represents a new and growing field
in our laboratory. The results will give tools and knowledge for targeting of short nucleic acid
sequences. The intended application is recognition and selective inhibition of small non-coding
RNAs but our results could also find use in DNA-based nanotechnology.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
Taherpour, S., Lönnberg, T. J. Nucleic Acids: 2012, 2012, article ID 196485.
Taherpour, S., Lönnberg, H., Lönnberg, T. Org. Biomol. Chem., 2013, 11, 991-1000.
Taherpour, S., Golubev, O., Lönnberg, T. J. Org. Chem., 2014, 79, 8990-8999.
Taherpour, S., Lönnberg, T. RSC Adv., 2015, 5, 10837-10844.
76
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
APPLICATIONS OF HOOGSTEEN-FACE
RECOGNITION OF DNA AND RNA DOUBLE HELICES
Ville Tähtinen
Bioorganic Chemistry Research Group, Laboratory of Organic Chemistry
and Chemical Biology, Department of Chemistry, University of Turku
vpotah@utu.fi
Research Director: Prof. Harri Lönnberg
Supervisor(s): Dr. Pasi Virta
Funding: Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences
Estimated time of PhD dissertation: 2018
Main aims of the PhD research
Triplex-forming oligonucleotides (TFOs) have received considerable interest because of their
potential as therapeutic agents that sequence-selectively recognize DNA (the basis of the antigene
therapy) and double helical RNA. The latter targeting has recently become highly attractive owing
to realization of the role of the noncoding RNA in gene expression. In addition to medicinal
relevance, the Hoogsteen-face recognition offers an interesting option for molecular biology tools.
The goals of this research project are (1) to develop novel oligonucleotide conjugates or
oligonucleotide-resembling structures (e.g. modified PNAs) that have high affinity to DNA/RNA
duplexes especially under physiological conditions, (2) to provide further information about the
mechanism of Hoogsteen-face recognition (obtained mainly by 19F NMR experience in the
laboratory) and (3) to develop novel Hoogsteen-face recognition -based molecular biology tools, in
which fluorescence and 19F NMR spectroscopy will be applied.
Main results so far
We have recently synthesized a small library of neomycin-2’-deoxyoligonucleotide conjugates and
demonstrated their Hoogsteen-face binding to double helical DNAs (neomycin is a known triplex
groove binder). In the best case (with C-5-conjugated neomycin), a notable stabilization was
obtained and the stabilization could be doubled by two neomycin units (Figure 1). Stabilization in
the pyrimidine interrupt could also be gained. The triplex formation in this study has been
characterized, in addition to conventional spectrophotometric methods (UV and CD spectroscopy),
by 19F NMR spectroscopy of the corresponding fluorine labelled oligonucleotides. 19F NMR
spectroscopic analysis gave additional information about the molar ratios of secondary structural
species (triplex/duplex/single strand, Figure 2) and an indication to varying local environment in the
target triplex was also observed.
Figure 1. Structure of neomycin conjugates (ON2 and ON7) and their influence on the triplex
stability (cf. Tm3-values in comparison to unmodified oligonucleotide ON1).
77
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
1.0
1.0
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0.0
0.0
30
40
50
60
70
20
30
40
50
60
70
Figure 2. Relative molar fractions of triplexes, duplexes and single strands (19F-duplex 2 + ON1 vs.
ON2) upon thermal denaturation obtained by 19F NMR spectroscopy and UV-melting profiles (λ =
295 nm, C) from the mixtures at pH 5.5. Conditions: 50 μmol L-1 of each oligonucleotide in 0.1 mol
L-1 NaCl at pH 5.5 or 6.0 (the structure of ON2 in Figure 1).
The significance of my research for the research group and the whole research field
One of the main interests of the Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology has been
the applications of modified oligonucleotides or oligonucleotide-related oligomers. This together
with the 19F NMR spectroscopy experience provide strong basis for the development of new triplex
forming oligonucleotides (TFOs) or resembling structures (e.g. PNA). The Hoogsteen-face
recognition -based molecular biology tools may have interesting applications, since their
functionality does not require strand invasion (or complementary single strands). The new TFOcandidates, detailed information of triplex/duplex/single strand conversion obtained by 19F NMR
spectroscopy and novel TFO-based molecular biology tools are all subjects of general interest in the
field of organic and bioorganic chemistry.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
Tähtinen, V.; Granqvist, L. and Virta, P. Bioorganic & Med. Chem. 2015, submitted.
78
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
SELECTFLUOR-PREKURSORIN VALMISTUS JA
[18F]SELECTFLUORIN RADIOANALYYTTISTEN
MENETELMIEN KEHITYS
Salla Lahdenpohja1,2*, Anna Kirjavainen2, Sarita Forsback2 ja Olof Solin1,2
1
Orgaanisen kemian ja kemiallisen biologian laboratorio, Kemian laitos,
20014 Turun yliopisto
2
Radiofarmaseuttisen kemian laboratorio, Valtakunnallinen PET-keskus,
20014 Turun yliopisto
*saorla@utu.fi
Abstrakti
[18F]Selectfluor bis(triflaatti) on erittäin reaktiivisen [18F]fluorikaasun johdos, jota voidaan
tehokkaasti käyttää elektrofiilisissä 18F-fluorausreaktioissa. Työn tavoitteena oli syntetisoida
Selectfluorin edeltäjämolekyyliä ja löytää analyysimenetelmä [18F]Selectfluor bis(triflaatille) ja sen
edeltäjämolekyylille. Työssä kehitetty nestekromatografinen menetelmä soveltuu [18F]Selectfluor
bis(triflaatin) tunnistamiseen radioaktiivisuuden avulla. Selectfluor on mahdollista tunnistaa myös
massaspektrometrisesti, mutta tämä menetelmänkehitys on vielä kesken.
Johdanto
[18F]N-F-yhdisteet ovat elektrofiilisiä fluorausreagensseja ja ne olivat kiinnostuksen ja kehityksen
kohteena 1980-luvulla. Kiinnostus [18F]N-F-yhdisteisiin laski nukleofiilisen 18F-fluorauksen
ylivoimaisuuden takia, mutta on taas noussut takaisin pinnalle N-[18F]fluoribentseenisulfonimidin
[1] ja [18F]Selectfluor bis(triflaatin) [2] kehityksen myötä. Molempia yhdisteitä on käytetty 18Fleimausreaktioissa. [18F]Selectfluor bis(triflaatilla) on valmistettu muun muassa neurologisissa
tutkimuksissa käytettyä [18F]-6-fluori-3,4-dihydroksi-L-fenyylialaniinia (6-[18F]FDOPA) [2].
Erikoistyössä valmistettiin Selectfluorin edeltäjämolekyyliä, jota leimattiin [18F]F-:sta
valmistetulla [18F]fluorikaasulla [2,3]. Työssä pyrittiin kehittämään [18F]Selectfluor bis(triflaatin)
radioanalyyttisiä tutkimusmenetelmiä. Koska Selectfluor ei ole ultraviolettikromoforinen,
analyysimenetelmien kehitys keskittyi korkean erotuskyvyn nestekromatografiaan (HPLC) ja
nestekromatografia-massaspektrometriaan (LC-MS), joissa molemmissa käytettiin hyväksi
radioaktiivisuuden tunnistamista.
Materiaalit ja menetelmät
Selectfluorin
edeltäjämolekyyli
(1-kloorimetyyli-1,4-diatsabisyklo-[2.2.2]oktaani
triflaatti)
syntetisoitiin kahdessa vaiheessa. Edeltäjämolekyyli leimattiin [18F]fluorikaasulla automatisoidulla
synteesilaitteistolla, joka oli sijoitettu kuumakemiakammioon. Kaaviossa 1 on esitetty Selectfluorin
edeltäjämolekyylin synteesi ja sen 18F-leimaus.
Kaavio 1. Selectfluorin edeltäjämolekyylin kaksivaiheinen synteesi ja [18F]Selectfluor bis(triflaatin)
radiosynteesi.
[18F]Selectfluor bis(triflaattia) analysoitiin HPLC- ja LC-MS-laitteistoilla, joihin molempiin oli
liitetty radioaktiivisuusdetektori. HPLC-ajot suoritettiin pH-välillä 2,5 – 10 käyttäen erilaisia
79
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
gradientteja ja isokraatisia ajoja. Orgaanisena faasina käytettiin metanolia tai asetonitriiliä ja
vesifaasina käytettiin erilaisia puskuriliuoksia.
LC-MS:lla tehtiin [18F]Selectfluor bis(triflaatin) analyysimenetelmien kehityksen lisäksi kokeita
käyttäen [19F]Selectfluor bis(triflaattia) ja Selectfluor-edeltäjämolekyyliä. Ajoliuoksina käytettiin
metanolia ja vettä, joihin oli lisätty 0,1 % muurahaishappoa.
Tulokset ja johtopäätökset
Selectfluor-edeltäjämolekyyliä valmistettiin 49 ja 64 %:n saannoilla ja sitä leimattiin onnistuneesti
[18F]F2-kaasulla, jolloin muodostui [18F]Selectfluor bis(triflaattia). Leimausreaktion onnistuminen ja
Selectfluorin edeltäjämolekyylin toimivuus varmistettiin käyttämällä saatua [18F]Selectfluor
bis(triflaattia) 6-[18F]FDOPAn valmistukseen.
Käyttäen isokraattista HPLC:tä, yhdisteiden erottaminen oli vaikeaa. Gradienttiajoilla tulokset
olivat hyvin vaihtelevia. Signaalien erottuminen ja muoto olivat parhaimmat pH:n ollessa 4,9.
Näytteet laimennettiin metanoliin, koska asetonitriiliin havaittiin nopeuttavan [18F]Selectfluor
bis(triflaatin) hajoamista.
LC-MS:ssa [18F]Selectfluor bis(triflaatti) ja [19F]Selectfluor bis(triflaatti) näkyivät spektrissä
m/z-arvolla 179, joka vastaa Selectfluorin massaa ilman triflaattiryhmiä. Tämän lisäksi havaittiin
edeltäjämolekyylin signaali (m/z 161) ja tunnistamaton signaali (m/z 191). Tunnistamaton signaali
on todennäköisesti edeltäjämolekyylin metanoliaddukti. Adduktisignaali onnistuttiin erottamaan
[19F]Selectfluor
bis(triflaatilla)
laskettaessa
muista
laskemalla
metanolipitoisuutta.
metanolipitoisuus 90 prosentista 5 prosenttiin, sinisellä kuvattu adduktisignaali erottuu selkeästi
tuotteesta ja prekursorista (kuva 1). Tuotesignaalin (punainen) erottuminen edeltäjämolekyylin
signaalista (musta) oli vähäistä.
Kuva 1. A) m/z-arvot 161, 179 ja 191 90 %:n metanolipitoisuudessa, B) m/z-arvot 161, 179 ja 191
5 %:n metanolipitoisuudessa.
Menetelmäkehityksen tuloksena [18F]Selectfluor bis(triflaatti) voidaan erottaa [18F]fluoridista radioHPLC:llä. Selectfluor bis(triflaatti) voidaan erottaa m/z-arvollaan LC-MS:lla edeltäjämolekyylistä
ja edeltäjämolekyylin metanoliadduktista. Jatkotutkimuksia radio-LC-MS:lla tarvitaan
[18F]Selectfluor bis(triflaatin) erottamiseksi sen valmistuksen yhteydessä muodostuneista muista
radioaktiivisista yhdisteistä.
Viitteet
1.
2.
3.
Teare, H., Robins, E.G., Åstrand, E., Luthra, S.K. ja Gouverneur, V., Chem. Commun. 2007,
23, 2330-2332.
Teare, H., Robins, E.G., Kirjavainen, A., Forsback, S., Sandford, G., Solin, O., Luthra, S.K. ja
Gouverneur, V., Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6824-6824.
Bergman, J. ja Solin, O., Nucl. Med. Biol. 1997, 24, 677-683.
80
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
HIGH SPECIFIC RADIOACTIVITY
11
C-METHYL IODIDE FOR RADIOLABELLING
Eveliina Arponen
Radiopharmaceutical Chemistry Laboratory, Turku PET Centre and
Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of
Chemistry, University of Turku
evearp@utu.fi
Research Director: Prof. Olof Solin
Supervisor(s): Doc. Pertti Lehikoinen and Prof. Olof Solin
Funding: Turku PET Centre, Finnish Centre of Excellence in Cardiovascular and Metabolic
Diseases, Academy of Finland
Estimated time of PhD dissertation: 2018
Main aims of the PhD research
Modern PET (positron emission tomography) -scanners with high resolution capabilities often
require large amounts of radioactivity in order to generate high quality images (data). This
increased need of radioactivity in turn demands better specific radioactivity to keep the injected
mass at tracer level. This is especially true when imaging small animals, and is at present in many
cases the limiting factor in successful preclinical imaging.
In the sequence of 11C-radiopharmaceutical production typically most of the stable carbon is
introduced from the system and reagents which are used to convert the product into a labelling
agent. With present day methods the dilution of 11C with 12C is a thousandfold at best, i.e. for each
11
C atom we have at least 1000 12C atoms.
11
C-Methyl iodide is a useful precursor for incorporating 11C via methylation of compounds
containing oxygen, sulphur and nitrogen nucleophiles. Today there are two commonly used
production methods for 11C-methyl iodide: the classic LiAlH4/THF/HI wet method or heat initiated
gas-phase radical reaction. Both are time-consuming methods constituting ca.10 min step in the
synthesis. The 20.4 min half-life of 11C imposes several challenges to the preparation and use of
11
C-labelled compounds. Every saved minute can be seen as an improvement of the final specific
radioactivity.
The aim of the first study was to develop a PET-tracer for D2C-adrenoceptor imaging and to
evaluate it in D2-adrenoceptor knock-out (KO) mice. D2C-Adrenoceptors in the human brain are
involved in various neuropsychiatric diseases such as depression, schizophrenia and movement
disorders.
At present we are investigating options to carry out gas-phase conversion of 11C-methane into
11
C-methyl iodide and further to 11C-methyl triflate. Ideally this will be done on-line while
emptying the target and feeding the irradiation product into the labelling synthesis. Alternative
initiation methods for on-line halogenations, such as electron discharge will be studied. In addition
to the possibility of cutting down synthesis time, a closed system setup in the on-line approach is
expected to reduce stable carbon dilution. The aim of this study is to produce high specific activity
labelling precursors (11C-methyl iodide, 11C-methyl triflate) for 11C-radiosynthesis. In this work
analytical procedures will be established to determine the specific activity of 11C-methane in the
target gas using radioGC/MS.
81
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Main results so far
11
C-ORM-13070
(1-[(S)-1-(2,3-dihydrobenzo[1,4]dioxin-2-yl)methyl]-4-(3-11C-methoxymethylpyridin-2-yl)-piperazine) was synthesized by 11C-methylation of O-desmethyl-ORM-13070 with
11
C-methyl triflate, which was prepared from cyclotron-produced 11C-methane via 11C-methyl
iodide. 11C was prepared by the 14N(p,α)11C nuclear reaction using 17 MeV protons, which were
produced with an MGC-20 cyclotron, and was obtained as 11C-methane. The target gas was
nitrogen, containing 5% hydrogen. The initial radioactivity of 11C-methane was 37 GBq, and the
average synthesis time was 32 ± 3 min, including the synthesis of 11C-methyl triflate, methylation,
HPLC purification, and formulation. The radiochemical yield, calculated from the initial 11Cmethane (decay-corrected to EOB), was 9.6 ± 2.7%, and the radioactivity of 11C-ORM-13070 was
1210 ± 360 MBq at EOS. Measured by analytical HPLC, the specific activity was 640 ± 390
GBq/μmol at EOS (theoretical maximum specific activity for 11C is 340 000 GBq/μmol). The
radiochemical purity of the product exceeded 99% in all syntheses (n = 118). An efficient method
for the radiosynthesis of high specific activity 11C-ORM-13070 was developed. 11C-ORM-13070
emerged as a specific and selective tracer for in vivo imaging of brain α2C-adrenoceptors [1].
We have developed a new method and an apparatus to produce 11C-methyl iodide using
electron discharge in the gas-phase conversion of 11C-methane into 11C-methyl iodide. 11C-Methyl
iodide is synthesized in a single pass through discharge chamber containing iodine crystals.
Optimisation of the discharge system for higher and more reproducible 11C-methyl iodide yield is
ongoing.
.
O
H
O
N
N
O
HO
N
[11C]Methyl triflate
H
N
N
O
o
TBAOH/acetonitrile, 3 min 80 C
11
H3 C
1
N
O
2
Figure 1. Synthesis scheme for 11C-ORM-13070.
The significance of my research for the research group and the whole research field
The present study plan aims to develop a rapid and facile method to produce the most important
11
C-labeling precursors for PET chemistry. If successful, we will have in hand methods that will
enable us to speed up the production and increase the amount of tracers in our “tracer library”. Our
goal is to apply the obtained knowledge of the labelling agent production to synthesise improved
quality PET-tracers with very high specific radioactivity.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
Arponen E, Helin S, Marjamäki P, Grönroos T, Holm P, Löyttyniemi E, Någren K, Scheinin
M, Haaparanta-Solin M, Sallinen J, Solin O, J. Nucl. Med. 2014, 55, 1171-1177.
82
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Electrophilic fluorination and preclinical evaluation of
[18F]F-DPA and development of new methodologies for the
production of high specific activity electrophilic 18Ffluorination reagents.
Thomas Keller
tomkel@utu.fi
Radiopharmaceutical Chemistry Laboratory, Turku PET Centre and
Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of
Chemistry, University of Turku
Research Director: Prof. Olof Solin, PhD
Supervisor(s): Adj. Prof. Merja Haaparanta-Solin, PhD, and Dr. Sarita Forsback, PhD
Funding: Funding was received from the Marie Curie ITN Radiomi, grant number 316882 and
from the Academy of Finland, grant number 266891.
Estimated time of PhD dissertation: 2017
Main aims of the PhD research
The aim of this project is twofold, the development of a new strategy for the production of high
specific activity [18F]F2 and the use of electrophilic 18F-fluorination reagents in the synthesis of
novel analogues of [18F]DPA714 a translocator protein (TSPO) specific radioligand.
Electrophilic 18F-fluorination can provide a fast and simple synthetic route to a range of target
molecules inaccessible by nucleophilic labelling. Reagents such as post-target produced [18F]F2
(Fig. 1) and the more versatile [18F]Selectfluor (derived from post-target produced [18F]F2) can be
produced in our facility with high specific activity. However both reagents suffer from the
drawbacks associated with the addition of carrier fluorine gas and the consumption of [18F]F2 during
the high voltage electric discharge required for the 19F/18F isotopic exchange reaction.
Figure 1. Post-target production of [18F]F2 by high voltage discharge
Main results so far
In collaboration with Dr Frédéric Dollé of the Atomic Energy Commision, Orsay, France, we have
been working on the synthesis of [18F]DPA714 and a novel analogue, [18F]F-DPA (Fig. 2), labelled
by an electrophilic route. The well-known labelling of [18F]DPA714 served as a good means by
which to get acquainted with the world of radiochemistry and some of the custom-built devices
used in the radiolabelling process. In addition, the use of this existing tracer in preclinical
experiments provided an excellent opportunity learn about the preclinical aspects of the project,
gain experience working with laboratory animals and provides a standard for the evaluation of the
novel [18F]F-DPA.
83
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Figure 2. Structures of [18F]F-DPA and [18F]DPA-714
Initial test reactions employing [18F]F2 directly as the electrophilic fluorination reagent were
unsuccessful in the production of the desired [18F]F-DPA product. Hence, [18F]Selectfluor, a milder
electrophilic 18F-fluorination reagent was chosen for further experiments. This approach proved
quite successful and the [18F]F-DPA product was obtained sufficient yield and specific activity for
preclinical evaluation. The animal work is ongoing and is yielding promising results that are yet to
be published.
In addition to the development of novel tracers a large portion of the project is being devoted to
research concerning a new approach to the production of high specific activity [18F]F2. As described
above, the current methodology employs a high voltage discharge to promote the 19F/18F isotopic
exchange reaction and this also consumes a portion of the [18F]F2. The new approach provides the
energy in a milder form as high energy Vacuum UV photons with the intention that this will reduce
the [18F]F2 consumption. Initial experiments are ongoing and a proof of concept has been obtained,
however significant optimization is yet to be performed before the results can be published.
The significance of my research for the research group and the whole research field
The research group at the Turku PET Centre has particular expertise with the use of electrophilic
fluorination as a labelling strategy. This specialized knowledge together with the simplicity of the
method itself makes it an attractive approach to synthesize novel radioligands.
Translocator protein (TSPO) overexpression in the brain is associated with a range of diseases,
amongst them; Alzheimer’s, stroke, sultiple sclerosis and brain injury. As a result TSPO-specific
radioligands are routinely used in the imaging of neuroinflammation caused by these diseases.
However despite this many of the existing TSPO tracers suffer from certain drawbacks, such as a
short half-life of the selected radionuclide or low metabolic stability of the particular labelling
position. Hence there is a significant interest in the development of new radio-ligands that may
overcome some of these pitfalls.
84
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
ELECTROPHILIC 18F-LABELLING OF MARSANIDINE
AND GENERATION OF HIGH SPECIFIC ACTIVITY
[18F]F2 GAS WITH VUV PHOTONS
Anna Krzyczmonik
Radiopharmaceutical Chemistry Laboratory, Turku PET Centre and
Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of
Chemistry, University of Turku
anmakrz@utu.fi
Research Director: Prof. Olof Solin
Supervisors: Prof. Olof Solin, PhD, Adj. Prof. Merja Haaparanta-Solin, PhD, and Dr. Sarita
Forsback, PhD
Funding: European Union’s 7th Framework Programme for Research, grant number 316882, National
Science Centre (Poland), grant number 2011/01/B/NZ4/00520, Academy of Finland, grant number 266891
Estimated time of PhD dissertation: 2017
Main aims of the PhD research
My research concentrates on application of electrophilic fluorination in synthesis of radiotracers for
Positron Emission Tomography (PET).
The first part of my study is to developed a new way of synthesis of [18F]F2 with high specific
activity (figure 1). [18F]F2 is produced at Turku PET Centre from [18F]MeF with addition of carrier
F2 gas in neon. The 19F/18F isotopic exchange is obtained using high voltage to produce [18F]F2 gas
with high specific activity.
Figure 1. Synthesis of high specific activity [18F]F2
In my research I am applying vacuum UV photon illumination as a means to promote the 18F/19F
isotopic exchange to obtain higher specific activity.
The second part of my research concentrates on the synthesis of new PET tracers via
electrophilic fluorination. The first tracer I synthetized was a potential subtype selective α2Aadrenoceptor tracer. α2-adrenoceptors (ARs) mediate many actions of adrenaline and noradrenaline
and regulate their release. Brain α2-ARs are potential therapeutic targets in various neuropsychiatric
disorders, such as depression, schizophrenia, and neurodegenerative diseases.
Main results so far
[18F]6-fluoro-marsanidine, a potential subtype selective α2A-adrenoceptor tracer, was labelled using
electrophilic fluorination. High specific activity [18F]F2 was produced post target from [18F]MeF by
using high voltage to obtain 19F/18F isotopic exchange. The [18F]F2 was used for labelling of
Selectfluor (figure 2). The crude stock solution of [18F]Selectfluor reacted directly with marsanidine
precursor. The product was purified by preparative HPLC to give a radiochemical purity more than
99%.
85
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Figure 2. Radiosynthesis of [18F]Selectfluor
With this method [18F]6-fluoro-marsanidine was produced with sufficient yield for preclinical
studies (figure 3).
The biodistribution of [18F]6-fluoro-marsanidine in healthy rats and mice was investigated in
vivo with PET imaging. Binding in the brain tissue was assessed using ex vivo by autoradiography.
The extent of tracer metabolism in the blood and brain tissue was analysed by radio thin layer
chromatography.
Preclinical studies showed uptake of the tracer in the brain and demonstrated that [18F]6-fluoromarsanidine passes the blood-brain barrier. The parent tracer metabolized relatively fast, with the
formation of numerous labelled metabolites.
Figure 3. Radiosynthesis of [18F]6-fluoro-marsanidine
A new system for generation of high specific activity was built. The utility of vacuum UV photons
in production of [18F]F2 gas has been confirmed. Preliminary experiments gave promising results
which have to be confirmed in further studies.
The significance of my research for the research group and the whole research field
In 1997 a research group from Turku PET Centre developed a new method for production [18F]F2
gas with high specific activity. Since this time Turku has been one of the few places in the word
which has the possibility to develop new tracers synthetized by electrophilic fluorination and
evaluate them in preclinical studies.
In my research I am using this opportunity for synthesis of new tracers unattainable with other
methods. I also perform the preclinical studies to evaluate the utility of them in small animals.
86
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
SYNTHESIS, ANALYTICS AND EVALUATION OF HIGH
SPESIFIC RADIOACTIVITY RADIOTRACERS FOR
PET-IMAGING OF PANCREAS
pcleht@utu.fi
Paula Lehtiniemi
Radiopharmaceutical Chemistry Laboratory, Turku PET Centre and
Laboratory of Organic Chemistry and Chemical Biology, Department of
Chemistry, University of Turku
Research Director: Prof. Olof Solin
Supervisor(s): Prof. Olof Solin, PhD, Dr. Sarita Forsback, PhD, and Adj. Prof. Merja HaaparantaSolin, PhD
Funding: Academy of Finland (grant no. 266811), The Diabetes Research Foundation, The Novo
Nordisk Foundation
Estimated time of PhD dissertation: 2018
Main aims of the PhD research
Main aim of this research is to develop new 18F and 63Zn –labelled positron emission tomography
(PET)-radiotracer with high specific radioactivity (SA) for preclinical and clinical studies. The
focus is on 18F-labelled exendin-peptide synthesis and determination of its SA. This 18F-peptide can
possibly be used for clinical imaging of human pancreatic beta-cells with PET.
An additional aim is to develop methods for 63Zn-labelling of peptides and to study the tracer
uptake in pancreas with for studying insulin metabolism in vivo. A third aim is to synthetize a
suitable radiotracer with high SA for imaging the norepinephrine transporter protein (NET) and to
study its suitability for clinical PET imaging of pancreas.
For identification and determination of SA of the radiotracers radio-HPLC/MS/MS –methods
will be developed. The pharmacokinetics of the new radiotracers is evaluated in various animal
models.
Main results so far
We have developed an 18F-labelling method for the exendin-peptide (figure 1.) Radioactive
fluorine, [18F]F-, was produced using the cyclotron. During azeotropic distillation of a mixture of
Kryptofix 2.2.2, K2CO3 and 18F-, a complex was formed. Using this complex a tosylate-precursor
was labelled with 18F-fluorine and the labelled precursor was used to label the exendin-peptide via
click chemistry. 18F-labelling of the exendin-peptide has been successful, radiochemical yield was
̴ 35 % and the synthesis was reproducible. The final product purification and formulation needs
further development due to the very adhesive nature of the exendin-peptide. Also the SA of the 18Fexendin is to be improved.
We have developed radio-TLC and HPLC -methods for detecting 18F-exendin and we will
continue to develop new radio-HPLC/MS/MS-method for the determination of SA.
87
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Figure 1. Synthesis scheme for 18F-labelling of exendin-peptide. Tosylate- precursor 1, 18F-labelled
precursor 2 and 18F-exendin 4.
The significance of my research for the research group and the whole research field
A reliable method for non-invasive in vivo quantification of beta-cell mass in human pancreas is
needed to understand the pathophysiology of type 1 and type 2 diabetes. Based on the animal
studies the 18F-labelled exendin-peptide looks promising for imaging pancreatic beta cells but
further development of the tracer is still needed. Zinc plays a central role in insulin metabolism.
Therefore development of non-invasive Zn-probes is warranted.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
18
F-labelling of the exendin-peptide via click chemistry, manuscript.
88
Kemian kevät 2015
Toiminnallisten materiaalien
tutkimusryhmäesittely ja opiskelijoiden abstraktit
3 kpl FM-erikoistyötä käsitteleviä minijulkaisuja
5 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja
89
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
FUNKTIONAALISIA MATERIAALEJA JA OHUITA KALVOJA :
MOLEKYYLIEN KEMIALLISTEN JA FYSIKAALISTEN OMINAISUUKSIEN
KÄYTTÖÄ IHMISEN PARHAAKSI …
ELI MITÄ ON MATERIAALIKEMIA
Keijo Haapakka, Carita Kvarnström, Jukka Lukkari
Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin
laboratorio laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
s-posti: keijo.haapakka@utu.fi, carita.kvarnström@utu.fi ja jukka.lukkari@utu.fi
Kemiassa käsitteellä materiaali tarkoitetaan kemiallisia yhdisteitä, joiden yksittäisellä molekyylillä
tai makroskooppisella ainemäärällä on ominaisuuksia, joita voidaan hyödyntää joissain
sovellutuksissa. Materiaalikemian tutkimusta ohjaavat täten yhdisteiden fysikaaliset ja kemialliset
ominaisuudet, ei niinkään niiden kemiallinen luonne. Funktionaaliset (toiminnalliset) materiaalit
pystyvät reagoimaan ympäristössä tapahtuviin fysikaalisiin tai kemiallisiin ilmiöihin jollain tavoin,
joko muuntamalla ominaisuuksiaan (elektroniset, mekaaniset, optiset jne.) tai tekemällä esimerkiksi
mekaanista, kemiallista tai sähköistä työtä. Arkikielessä näistä käytetäänkin usein hieman
epämääräistä termiä ”älykkäät materiaalit”. Funktionaalisten materiaalien ryhmässä tutkitaan sekä
fysikaalista että sovellettua materiaalikemiaa.
Funktionaaliset materiaalit
Ryhmässä tutkittavat toiminnalliset materiaalit ovat yleensä sähköä johtavia, valoherkkiä,
luminoivia, viskoelastisia, ioniherkkiä tai katalyyttisesti aktiivisia. Yhteistä niille on se, että niiden
ominaisuuksia voidaan säädellä ulkoisin keinoin tai ne itse mukautuvat kulloiseenkin fysikaaliseen
ja kemialliseen ympäristöönsä. Tutkittavat materiaalit ovat yleensä ”pehmeitä” orgaanisia
materiaaleja, esimerkiksi johdepolymeereja, polyelektrolyyttejä tai yleisesti polymeereja sekä hiilen
uusia allotrooppeja (fullereenit, grafeeni ja sen johdokset).
Johdepolymeerit, redoxpolymeerit, synteettiset ja bioinnoitetut redoksipolyelektrolyytit
Johdepolymeerien sähkönjohtavuutta voidaan muuttaa ulkoisen sähköpotentiaalin avulla. Samalla
niiden väri muuttuu, mikä voi mahdollistaa niiden käytön orgaanisissa näyttöpaneeleissa. Muita
sovellutuskohteita ovat kemialliset anturit, orgaaniset transistorit (ns. orgaaninen elektroniikka)
sekä aurinkokennot, joista erityisesti viimeksi mainittuja sovellutuksia ryhmässä tutkitaan.
+
N
Cl
O
-
N
-
2 Cl
.
.
S
+
N
+
N
.
.
x
y
Kuva 1. Johdepolymeereja, ionisia johdepolymeereja sekä redoksipolymeereja.
Polyelektrolyytit ovat ionisia polymeereja. Ne ovat hyvin vesiliukoisia ja useimmiten erittäin
bioyhteensopivia. Ympäröivän liuoksen kemiallinen koostumus ja lämpötila vaikuttaa voimakkaasti
polyelektrolyyttien ominaisuuksiin. Erityisiä mielenkiinnon kohteena olevia polyelektrolyyttejä
ovat johdepolymeerien vesiliukoiset muodot sekä redoksipolyelektrolyytit. Uutena tutkimusaiheena
90
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
ovat bioinnoitetut kinonipohjaiset polyelektrolyytit, jotka rakenteeltaan muistuttavat polyfenolisia
luonnonyhdisteitä, sekä melaniininanopartikkelit. Melaniini on luonnossa hyvin yleinen tumma
pigmentti, jonka fysikaaliskemialliset ominaisuudet ovat sovellutusten kannalta lupaavia.
Polykinonit ovat redoksiaktiivisia polymeereja, jotka voivat toimia sensorimateriaaleina,
molekulaarisina liimoina sekä välittäjinä elävän ja elottoman materiaalin välillä.
Kuva 2. Polykinoneita ja melaniininanopartikkeleita
Hiilen allotroopit. Grafeeni ja sen johdannaiset ovat savuttaneet merkittävän aseman
materiaalitutkimuksessa, on puhuttu jopa ihmeaineesta; grafeeni on mm. erinomainen sähkönjohde.
Tuiki tavallinen materiaali, grafiitti, koostuu löyhästi toisissaan kiinni olevista yhden hiiliatomin
paksuisista grafeenilevyistä. Grafeenia voidaankin valmistaa tavallisesta grafiitista erottelemalla
(eksfolioimalla) siitä yksittäisiä levyjä tai hapettamalla grafiitti grafeenioksidiksi, joka muodostuu
irrallisista hapettuneista grafeenilevyistä. Grafeenioksidi on eriste, joten useimpia sovellutuksia
varten se on pelkistettävä takaisin. Tutkimme erityisesti grafeenin valmistusta suoraan grafiitista
mekanokemiallisin menetelmin, grafeenioksidin kemiallista ja sähkökemiallista pelkistystä sekä
grafeenilevyjen funktionalisointia ionisilla nesteillä ja foto- tai bioaktiivisilla ryhmillä. Grafeeni- ja
grafeenioksidilevyjä käytetään myös lisäkomponetteina komposiittimateriaaleissa lisäämään
sähkönjohtavuutta ja mekaanista lujuutta. Materiaali soveltuu erinomaisesti myös
anturisovellutuksiin. Ryhmässä on mm valmistettu pelkistetystä grafeenioksidista paperin pinnalle
kertakäyttöinen
kaasuanturi,
joka
pystyy
havaitsemaan
60
miljardisosan
(ppb)
typpidioksidipitoisuuden.
shear
0
10 ppm
NO2
'R/R0 (%)
-20
-40
-60
N2
-80
0
N2
UV
5
10
15
Time (min)
20
Kuva 3. Grafiitin mekanokemiallinen eksfoliointi (ylh. vas.); grafeenioksidin kemiallinen pelkistys
vanadiinilla (alh. vas.); grafiittia (kiinteä) ja grafeenioksidi-vesi –suspensio ennen ja jälkeen
pelkistyksen (ylh. oik.); pelkistetystä grafeenioksidista valmistettu kertakäyttöinen kaasuanturi (alh.
oik.)
91
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
Fullereenien tutkimus keskittyy C60-fullereeniin ja sen johdannaisiin. Nämä johdannaiset sisältävät
kompleksoivia ja itsejärjestymistä edesauttavia ryhmiä. Ne ovat hyviä elektronivastaanottajia ja
soveltuvat täten hyvin aurinkokennoihin.
Kuva 4. Fullereenin rakenne ja C60-tolueeniliuos sekä pinta-modifioitu fullereenimolekyyli
Ioniset nesteet (suolasulat) ovat suurikokoisista ja epäsymmetrisistä
orgaanisista kationeista ja anioneista koostuvia suolasulia, jotka ovat
huoneenlämmössä nestemäisiä. Ionisilla nesteillä on osoitettu olevan
suuri vaikutus johdepolymeerien morfologiaan ja sähkökemialliseen
aktiivisuuteen. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi malmien erotuksessa,
lääkeaineiden
valmistuksessa,
lämmönsiirrossa,
hiilidioksidin
talteenotossa, aurinkokennojen ja polttokennojen valmistuksessa sekä
eri materiaalien nanorakenteen muokkauksessa. Tutkimuksessa ionisia
nesteitä käytetään komposiittien valmistukseen.
Kuva 5. Ruokasuola (vas.)
ja ioninen neste (oik.)
lämpötilassa 25 °C.
Funktionaaliset ohutkalvot
Sovellutuksia varten on useissa tapauksissa tarkoituksenmukaista valmistaa toiminnallisista
materiaaleista ohuita kalvoja. Ohutkalvoilla tarkoitetaan tässä yhteydessä kalvoja, joiden paksuus
vaihtelee välillä 1 – 100 nm, toisinaan mikrometriin asti. Tälläisiä kalvoja valmistetaan ryhmässä
yleensä kolmella eri menetelmällä, itsejärjestymisen avulla (ohuimmat, yleensä vain yhden
molekyylin paksuisia), vaiheittaisen kerrostamisen avulla (paksuus > 1 nm) sekä sähkökemiallisesti
polymeroimalla (paksuimmat, jopa mikrometrejä).
Itsejärjestyneitä monomolekulaarisia kalvoja käytetään yleensä vain tutkimustarkoituksiin, kun on
päämääränä selvittää jonkin yksittäisen komponentin toimintaa ja rakennetta herkillä
sähkökemiallisilla ja spektroskooppisilla menetelmillä. Sen avulla myös esikäsitellään
kasvatusalustoja kalvojen kasvattamista varten muilla menetelmillä.
Vaiheittainen kerrostus on monipuolinen ja helppo menetelmä, jolla voidaan muodostaa lähes
mielivaltaisia eri komponentteja sisältäviä monikerroskalvoja lähes mille tahansa alustalle.
Menetelmä voidaan käytännössä toteuttaa eri tavoin ja ryhmässä on rakennettu automaattiset
kalvonkasvatuslaitteistot ns. kasto-, pyöritys-, ruiskutus-, pyöritys-ruiskutus – ja
sumutusmenetelmiä varten. Kaikissa perusperiaatteena on kuitenkin kalvojen muodostaminen
adsorboimalla pintaan vuorotellen positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita molekyylejä.
Automaattisten kasvatuslaitteistojen avulla voidaan valmistaa lähes mielivaltaisen koostumuksen
omaavia satojakin kerroksia sisältäviä ohutkalvoja. Käytetyt materiaalit ovat yleensä synteettisiä (ja
toiminnallisia), biologisia tai bioinnoitettuja polyelektrolyyttejä, nanopartikkeleita ja 2Dnanomateriaaleja (grafeeni ja sen johdokset sekä analogit).
Tällä hetkellä aktiivisen tutkimuksen kohteena ovat hapettavat monikerroskalvot, jotka itsestään
muodostavat pinnalleen ohuen johdepolymeeri- tai melaniinikerroksen, kun ne joutuvat
kosketuksiin vastaavan monomeerin kanssa.
92
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
Kuva 6. Vaiheittainen kerrostus kasto- (vas.) ja pyöritys-ruiskutus –menetelmällä (kesk.),
esimerkkinä TiO2-nanopartikkeleita sisältäviä eripaksuisia kalvoja (oik.).
Sähkökemiallista polymerointia käytetään erityisesti johdepolymeeri- ja redoksipolymeerikalvojen
valmistuksessa. Johdepolymeerit valmistetaan yleensä hapettamalla vastaavaa monomeeria, jolloin
polymeerikalvon kasvua voidaan seurata sähkökemiallisesti. Redoksipolymeereja voidaan valmistaa
myös pelkistämällä. Ryhmässä tutkitaan esim. syanopyridiinimonomeereista pelkistämällä
valmistettuja viologeenipohjaisia redoksipolymeereja.
0.02
I / mA
0.01
0.00
-0.01
-0.02
-0.03
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
E/V
Kuva 7. Ylhäällä pyrrolin ja alhaalla vasemmalla syanopyridiinin sähkökemiallinen polymerointi.
Alhaalla oikealla polymerointi syklisellä voltammetrialla.
Ohutkalvojen tutkimusmenetelmät
Paitsi itse ohutkalvoja ja niiden komponentteja ryhmässä kehitetään myös kalvojen
tutkimusmenetelmiä. Pääkohteena ovat tällöin erilaiset sähkökemiallisten ja spektroskooppisten
93
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
menetelmien yhdistelmät, spektrosähkökemialliset menetelmät. Erityisesti keskitytään
tutkimusmenetelmiin, joissa kalvoja voidaan tarkastella ns. in situ –olosuhteissa, joka tässä
tapauksessa yleensä tarkoittaa nesteen alla tapahtuvia mittauksia. Näitä ovat erilaiset
värähdysspektroskoopisten ja sähkökemiallisten menetelmien kombinaatiot sekä moduloitu
reflektanssispektroskopia. Ryhmässä on myös kehitetty ohutkalvojen mekaanisten ominaisuuksien
mittausmenetelmä.
FTIR
UV-Vis
external reflection
hole for filling or purging
ZnSe window
Electroactive
film
Potentiostat
reference electrode bridge
Raman
Electroactive
film
FTIR
internal reflection
Counter electrode
Reference
electrode
Laser
beam
IR -beam
Ge or ZnSe
reflection element
Kuva 8. Ryhmässä rakennettuja mittauslaitteistoja UV-Vis-Raman– ja FTIR-heijastusspektrosähkökemiaa (vas.) sekä moduloitua reflektanssispektroskopiaa (oik.) varten.
Yhteistyökumppaneita ovat mm.
¾ IFW:n tutkimuslaitos, Dresden, Saksa
¾ Kuninkaallinen teknillinen korkeakoulu, Tukholma, Ruotsi
¾ Modenan yliopisto, Modena, Italia
¾ Szegedin yliopisto, Szeged, Unkari
¾ Uppsalan yliopisto, Uppsala, Ruotsi
¾ Institute of Physical Chemistry, University of Linz, Itävalta
¾ University of Cambridge, Wolfson College, Iso-Britannia
¾ University of Copenhagen, Tanska
¾ Changchun Institute of Applied Chemistry, Kiina
¾ University of Tirana, Albania
¾ University of Reims Champagne-Ardenne, Ranska
¾ Jožef Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia
¾ University of Urbino, Italia
94
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
KERROS-KERROKSELTA KOOTUT OHUTKALVOT JA
LUMINESOIVAT KALVOSENSORIT
Hannu Grönberg ja Keijo Haapakka
Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja
kemiallisen analyysin laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
htmgro@utu.fi
Abstrakti
Kerros-kerrokselta eli LbL-tekniikalla valmistettuja ohutkalvoja on tutkittu runsaasti viimeiset 20
vuotta. Ohutkalvojen valmistamiseen voidaan käyttää kastamis-, sumutus- tai sumutus-pyöritysmenetelmiä. Kalvoja on rakennettu sekä tasaisten ja epätasaisten pintojen että nanohiukkasten
päälle. Luminesenssiin perustuvat sensorit käyttävät hyväksi värinkantajia, kromoforeja.
Kromoforit aiheuttavat signaalin, joka voidaan mitata tai on nähtävissä.
Johdanto
Itsejärjestymiseen verrattuna LbL-menetelmällä valmistetut kalvot ovat paremmin hallittavissa.
Niiden käyttö ja tutkimus onkin lisääntynyt vauhdikkaasti 1990-luvun lopulta lähtien. Koska LbLkalvojen valmistukseen on erilaisia menetelmiä, pyrittiin selvittämään, mikä menetelmä on sopivin.
Pyrittiin selvittämään rakentumista myös ajallisesti.
Valo-opillisiin menetelmiin, kuten luminesenssiin, perustuvat tutkimusmenetelmät ovat eihajottavia ja ei-kajoavia ja niidenkin käyttö on lisääntynyt viime vuosina. Selvitettiin, onko
luminesenssiin perustuvilla menetelmillä käyttöä sensoreina, mikä on LbL-kalvojen merkitys
sensoreissa ja esiteltiin sensorityyppejä. Erikoistyö on kirjallisuustutkimus.
Tulokset ja johtopäätökset
Muutaman nanometrin paksuisia ohutkalvoja voidaan valmistaa valtavasta valikoimasta
rakennusaineita. Kuvassa 1a on kuvattu kahden ensimmäisen adsorptiovaiheen yksinkertaistettu
molekylaarinen periaate. Aluskerros on positiivisesti varattu. Se kastellaan polyanioniliuokseen,
joka tarttuu positiiviseen kerrokseen muutamassa sekunnissa. Sen jälkeen tapahtuu 5-20 min
kestävä järjestyminen. Tätä seuraa huuhteluvaihe, joka huuhtelee muun kuin yhden lähimmän
kerroksen. Seuraavana on kastelu polykationiliuokseen, tarttuminen, järjestyminen ja huuhtelu.
Näin voidaan toistaa useita kertoja, tapauksesta riippuen kymmeniä tai satoja kertoja. Kuvassa 1b
on kuvattu kastelemista dekanttereissa. Kuvassa 1c on kastelemisen sijasta sumutusmenetelmä.
Sumutusmenetelmän etuina ovat pienempi kemikaalin kulutus ja mahdollisuus automatisointiin.
Sumutusmenetelmään voidaan yhdistää aluskerroksen pyöritys. Siinä keskipakovoima työntää
kemikaalia ulospäin, niin että vain ohut kerros jää jäljelle. Parhaan laadun kalvot, kun ajatellaan
rakentumisen toistettavuutta ja kerrospaksuuksien tasaisuutta, luotiin käyttämällä menetelmää, jossa
kalvo pidettiin vakioisesti märkänä. Tämä tarkoittaa, että pohjakerros pidetään pyörimässä ja sitä
joko sumutetaan polyelektrolyyttiliuoksella tai huuhdellaan vedellä ilman mitään viivettä vaiheiden
välillä.
Kalvoja voidaan rakentaa monen eri aluskerrostyypin päälle. Kuvassa 2 on esitetty näkyvä
muutos. Tasaisen aluskerroksen lisäksi ohutkalvoja voidaan muodostaa nanohiukkasten ja misellien
ympärille. Näin muodostetut hiukkaset ovat lupaavia lääkeainejakelun ja bioaistimisen työkaluja.
Luminesenssi on säteilyn itsestään tapahtuvaa emissiota elektronisesti kiihdytetyltä lajilta tai
värähtelyillä kiihdytetyltä lajilta, joka ei ole lämpötasapainossa ympäristönsä kanssa. Kun
molekyyli absorboi valoa, absorptiota seuraava purkautuminen voi tapahtua eri tavoilla.
Fluoresenssi ja fosforesenssi ovat luminesenssin erikoistapauksia.
95
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
Värin kantajat eli kromoforit ovat kemiallisia ryhmiä, jotka vaihtavat väriä ja värin voimakkuutta
joutuessaan erityisen analyytin ympäristöön. Myös LbL-kalvossa kromoforin ollessa osa
polyelektrolyyttiä tämä vaihdos tapahtuu kemian sääntöjen mukaan. Luminesenssia voidaan siis
käyttää hyödyksi monikerroskalvosensoreissa oksastamalla polyelektrolyyttiin kromoforeja. Ne
aiheuttavat aallonpituusmaksimin muutoksen eli Stokesin siirtymän ja signaalin, joka voidaan
mitata tai on nähtävissä. Elektronisesti kiihdytetyt tilat, eksitonit ja niiden liikkuvuus aiheuttavat
luminesenssin ja värimuutoksen. Eksitonien liikkuvuuteen voidaan vaikuttaa lisäämällä
molekyylien haarautuneisuutta ja siten aggregoitumista. Pääosa kaupallisista sensoreista perustuu
orgaanis-polymeeriseen tai epäorgaanis-puolijohtavaan kalvoon, joka absorboi tai reagoi
analyyttimolekyylien kanssa.
Kuva 1. LbL-tekniikan periaate.[1].
Kuva 2. TiO 2 /polystyreenisulfonaattikalvoja piialuskerrosten päällä. Käsittelemätön pii (ylhäällä
vasemmalla), 15 kaksoiskerrosta (ylhäällä oikealla), 20 kaksoiskerrosta (alhaalla vasemmalla) ja 25
kaksoiskerrosta (alhaalla oikealla) [2].
Viitteet
4.
5.
G. Decher ja J. B. Schlenoff (toim.): Multilayer Thin Films, Sequential Assembly of
Nanocomposite Materials, 2. painos 2012
M. Salomäki, T. Peltonen, J. Kankare: Multilayer films by spraying on spinning surface – Best
of both worlds. Thin Solid Films 2012, 520, 5550-5556
96
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
SÄHKÖÄ JOHTAVAT KOMPOSIITIT:
KALSIUMKARBONAATIN PÄÄLLYSTÄMINEN
JOHDEPOLYMEEREILLÄ
Ilkka Palmunen1*, Pia Damlin1, Carita Kvarnström1, Juuso Hakala2 ja Matti
Lammela2
*iapalm@utu.fi
1
Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja
kemiallisen analyysin laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
2
Nordkalk Oy Ab, Kehityslaboratorio, Skräbbölentie 14-16, 21600 Parainen
Abstrakti
Sähköä johtavia materiaaleja voidaan käyttää antistaattisina pinnoitteina estämään esimerkiksi
tulipalojen syntyä tai elektronisten komponenttien hajoamista. Tässä työssä valmistettiin
uudenlaisia komposiittipartikkeleita päällystämällä täyteaine CaCO3:a eri johdepolymeereillä.
Kalkin massaosuutta (25-90 m-%) ja muita parametreja vaihdeltiin näytteiden välillä. Materiaaleja
karakterisoitiin käyttäen FTIR-, SEM- ja johtavuusmittauslaitteita. Tulosten perusteella arvioitiin
komposiittien antistaattisia ominaisuuksia, jotka vaihtelivat valmistustavasta riippuen paljon.
Johdanto
Johdepolymeerit ovat herättäneet maailmalla kasvavaa mielenkiintoa vuodesta 1977 asti, jolloin
niitä ensimmäisen kerran syntetisoitiin. Niitä voidaan hyödyntää erilaisissa sovelluskohteissa kuten
esimerkiksi näytöissä, ladattavissa paristoissa tai sensoreissa [1]. Tavallisimpia ovat kuvassa 1
esitetyt, joita käytettiin myös tässä työssä.
polyaniliini
poly(3,4-etyleenidioksitiofeeni)
polypyrroli
Kuva 1. Työssä syntetisoitujen johdepolymeerien rakenteet.
Johdepolymeerien huono prosessoitavuus ja mekaaniset ominaisuudet ovat toisaalta rajoittaneet
niiden laajaa käyttöä. Nykyisin tutkitaankin paljon uusia komposiittimateriaaleja, joissa orgaanisia
tai epäorgaanisia partikkeleita on päällystetty johdepolymeereillä. Tällöin voidaan saada yhdistettyä
kunkin osakomponentin hyvät kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet tuotteessa.
Kalkki on hyvin yleisesti käytetty halpa täyteaine, jota on tutkittu paljon. Siitä on jalostettu
monia erilaisia laatuja, joilla on hyviä mekaanisia ominaisuuksia. Se soveltuu hyvin mm. erilaisiin
pinnoitteisiin, ja näistä syistä sitä käytettiin myös tässä työssä täyteaineena.
Työn ensisijaisena tarkoituksena oli saada komposiitit staattisia varauksia purkaviksi, mikä
edellyttää materiaalilta riittävän hyvää sähkönjohtokykyä. Kalsiumkarbonaatin toivottiin
kompensoivan johdepolymeerien mekaanisia puutteita ja laskevan mahdollisten tuotteiden hintaa.
97
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
Materiaalit ja menetelmät
Polymeerien synteesejä varten käytettiin niitä vastaavia monomeereja eli aniliinia, 3,4etyleenidioksitiofeenia ja pyrrolia (Sigma-Aldrichilta). Polymerisaatioreaktioissa monomeerit
hapetettiin pääasiassa ammoniumpersulfaattia tai rauta(III)kloridia käyttäen. Kalsiumkarbonaattia
saatiin erä Nordkalk Oy Ab:lta ja sitä sekoitettiin polymeereihin kahta eri tapaa käyttäen. In-situ
menetelmässä kalkkidispersio lisättiin heti polymeerisaatioreaktion alussa reaktioastiaan, kun taas
ex-situ menetelmässä se lisättiin vasta polymerisaation jälkeen.
Näytteitä analysoitiin Keithley 2400 Source Meter johtavuusmittarilla, Zeiss Supra 55VP
pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja Bruker Vertex 70 FTIR-laitteella.
Tulokset ja johtopäätökset
Työssä onnistuttiin valmistamaan polyaniliinia, poly(3,4-etyleenidioksitiofeenia) ja polypyrrolia
(kuva 1) käyttäen kemiallista hapettavaa polymerisaatioreaktiota. Tämä voitiin osoittaa
vertailemalla kunkin puhtaan polymeerin FTIR-spektrejä vastaaviin kirjallisuudesta löytyviin
spektreihin. Johtavuusmittaukset myös puolsivat onnistuneita polymerisaatioita, kun
parhaimmillaan tuloksiksi saatiin konduktiivisuusarvoja odotetusti alueelta 1x10-4 – 1x102 S / cm.
Polyaniliinin ja polypyrrolin johtavuusarvot olivat hyvin samaa luokkaa, noin 20 S / cm, kun taas
parhaan poly(3,4-etyleenidioksitiofeenin) johtavuus oli noin 2x10-4 S / cm.
Varsinaisia CaCO3/johdepolymeeri -komposiitteja pyrittiin valmistamaan ensin in-situ
sekoittamalla kalkki ja monomeeri vesidispersioksi ja käynnistämällä reaktio hapettimen
lisäyksellä. Komposiitti saatiin näin johtavaksi, mutta kalkille ominaisia värähtelyitä ei nähty enää
FTIR-spektreissä. SEM kuvissa näkyi kuitenkin kaksi eri faasia. Tämä voidaan selittää seuraavilla
reaktioyhtälöillä (1) ja (2).
(1)
(2)
CaCO3 + H2SO4
CaSO4 + H2CO3
Reaktiossa (1) vapautuvat protonit saavat kalkin hajoamaan (2) monomeerista riippumatta, ja
kalsium saostuu anionista riippuen eri suoloina, tässä tapauksessa kalsiumsulfaattina.
Protoneista aiheutuvan ongelman ratkaisemiseksi komposiitteja yritettiin myös valmistaa
käyttäen ex-situ menetelmää. Siinä tavoitteena oli ensin syntetisoida polymeeri, ja sitten
mekaanisesti sekoittaa tämä kalkkiin neutraloinnin jälkeen. Näin saatiinkin säilytettyä kalkin
alkuperäinen koostumus, mutta huomattavasti alentuneilla komposiittien konduktiivisuusarvoilla.
Komposiiteille, joissa kalkin osuus oli ≥ 50 m-% , saatiin johtavuudeksi arvoja σ < 5x10-6 S / cm.
Mahdollisten tuotteiden kehittäjille jää harkittavaksi komposiittien johtavuuden ja mekaanisten
ominaisuuksien painoarvot. Sovelluksesta riippuen osa näytteistä voisi riittävän hyvin purkaa
staattisia varauksia, omaten samalla kohtuullisen hyvät mekaaniset ominaisuudet. Jatkossa voidaan
vielä tutkia kalkin ja polymeerien sekoitussuhteita, jotta löydettäisiin sopiva tasapaino johtavuuden
ja mekaanisten ominaisuuksien välille. Lisäksi ex-situ menetelmää voitaisiin kehittää vielä niin, että
polymeerit saataisiin paremmin sekoitettua täyteaineeseen tai adsorboitumaan CaCO3-partikkelien
pinnalle konduktiivisuusarvojen parantamiseksi.
Viitteet
1.
Stejskal, J. ja Gilbert, R. G., Pure Appl. Chem. 2002, 74, 857-867.
98
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
HYVÄLAATUISTEN OHUTKALVOJEN KASVATUS
GRAFEENIOKSIDILLA JA POLYELEKTROLYYTEILLÄ
ULTRAÄÄNINEBULISAATION AVULLA
Timo Parviainen*, Mikko Salomäki ja Jukka Lukkari
Toiminnallisten materiaalien tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja
kemiallisen analyysin laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
*tjparv@utu.fi
Abstrakti
Ultraääninebulisaatio on metodi, joka on kustannustehokas, hellävarainen ja skaalautuva, sekä jolla
on mahdollista päällystää vesiliukoisia, biologisia, huokoisia tai muuten herkkiä materiaaleja.
Tutkittiin metodin käyttökelpoisuutta ohutkerrosten valmistamiseen kahdella erilaisella
materiaalilla; grafeenioksidilla ja polyelektrolyyteillä. Oikeiden parametrien löydyttyä saatiin
valmistettua hyvälaatuisia ja ohuita kalvoja. Todettiin metodin olevan tehokas, ja sillä olevan
potentiaalia muun muassa sensorien valmistamiseen.
Johdanto
Ultraääninebulisaatio ei ole teknologiana uusi asia, mutta sen käyttö ohutkalvonkasvatuksessa on.
Sen mielenkiintoisin ominaisuus on synnyttämän aerosolisuihkun tippakokojen pienuus. Aerosolin
nestefaasi on helposti kuivattavissa ennen sen saapumista päällystettävän materiaalin pinnalle, joten
kyseessä on kuiva ja hellävarainen päällystysmetodi. Täten se soveltuu monenlaisen vaikeasti
päällystettävän, kuten vesiliukoisen tai biologisen materiaalin päällystämiseen. Pieni hiukkaskoko
mahdollistaa myös muun muassa huokoisten materiaalien ja hankalan muotoisten esineiden
päällystämiseen, varsinkin jos metodi yhdistetään spinpäällystykseen. [1,2]
Ohutkerroksia voi tehdä monenlaisista materiaaleista, joista nanorakenteiset grafeenianalogit ja
polyelektrolyytit ovat hyviä esimerkkejä. Polyelektrolyyttien etuna on valtava määrä tieteellisestä
kirjallisuudesta löytyvää vertailumateriaalia [3], joiden avulla parametritkin saattavat ovat
ennustettavissa. Grafeenianalogit, tässä tapauksessa nanopallot ja nanopalloklusterit taas ovat
mielenkiintoisia niiden huokoisen rakenteen ja suuren pinta-alan takia.
Tässä työssä tarkoituksena oli tutkia ultraääninebulisaatiopäällystystä grafeenioksidilla ja
polyelektrolyyteillä. Odotettavissa oli hyvälaatuisia ohutkalvoja, joiden ominaisuudet olisivat
muokattavissa ja vähintään vastaisivat aiemmin eri metodeilla valmistettuja. Onnistuessa löytyisivät
sopivat parametrit hyvälaatuiselle päällystykselle, ja saataisiin aikaan nanorakenteinen
grafeenioksidipinta, joka voisi jatkossa olla funktionalisoitavissa.
Materiaalit ja menetelmät
Työssä käytettiin Sonaer Ultrasonicsin valmistamaa ultraääninebulisaattorilaitteistoa, johon
päällystyksessä käytetyt nesteet ja pesuneste pumpattiin tietokoneohjatusti. Ultraäänikärjen
tuottama aerosolisuihku oli suunnattu ohjauskaasuvirtauksen avustuksella N-trimetoksyylisilaanipropyyli-N,N,N-trimetyylammoniumilla funktionalisoidulle, spinnerilaitteistossa pyörivälle
piilevylle.
Käytettiin muokatulla Hummersin metodilla valmistettua grafeenioksidia [4], joka oli
laimennettu 0,6 mg/ml konsentraatioon. Työssä käytettiin myös natriumpoly(styreenisulfonaatin) ja
poly(diallyylidimetyyliammonium)kloridin 10 mM vesiliuoksia, joita suihkutettiin piilevylle
vuorotellen siten, että välissä tapahtui vedellä tapahtunut pesusuihkutus.
Grafeenioksidipäällystettyjä piilevyjä tutkittiin atomivoimamikroskoopilla, skannaavalla
elektronimikroskoopilla ja FT-IR -spektrometrillä. Polyelektrolyyttiohutkerroksilla päällystettyjä
piilevyjä tutkittiin ellipsometrialla ja atomivoimamikroskoopilla.
99
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
Tulokset ja johtopäätökset
Polyelektrolyyttipäällystys tapahtui pääosin ongelmitta. Tärkeimmät parametrit – nebulisaattoriin
saapuvan nesteen virtausnopeus ja kokonaistilavuus – saatiin optimoitua kvalitatiivisessa
tarkastelussa riittävällä tarkkuustasolla. Havaittiin myös, että jos ohutkerros pääsee relaksoitumaan
tai kuivumaan kaksoiskerrosten välillä, lopputuloksen laatu heikkenee merkittävästi.
Grafeenioksidin tapauksessa havaittiin käytetyn laitteiston olevan riittämätön saamaan aikaan
täydellinen nanorakenteinen pinta. Ultraäänikärjestä lähtevä aerosoli ei kerennyt kuivua täysin
ennen saapumistaan piilevylle, joten parhaimmilla piilevyillä tulos muistutti dropcast-tyylistä
kalvonkasvatusta. Kyseiset parhaat valmistetut ohutkalvot olivat muuten laadultaan hyvä- ja
tasalaatuisia, hiukkaskokovaihtelun rajoissa. Aerosolin kuivumisongelma on jatkossa helppo
ratkaista käyttämällä pidempiä matkoja, sekä mahdollisesti lämmityselementtiä piilevyn ja
ultraäänikärjen välillä. Tällöin aerosolin nestefaasi pääsisi kuivumaan tehokkaammin.
Kuva 1. Piilevystä 8 (10 mM PSS ja PDADMAC, 10 kerrosta, 1 ml, 1 ml min-1) otettu AFMkorkeusdifferentiaalikuva, 20 * 20 mikrometriä.
Taulukko 1. Käytettyjen esiasteliuosten tilavuuden ja virtausnopeuden vaikutus
polyelektrolyyttiohutkerrosten kerrospaksuuteen.
Piilevy
Virtausnopeus / ml min-1
Tilavuus / ml
Mittauskerrat a
1
2
3
4
5
6
7
8
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
0,2
5,0
1,0
1,0
0,2
10,0
0,2
10,0
1,0
1,0
1,0
10
10
10
1
1
1
1
1
a
Kerrospaksuus / nm b
7,6 ± 0,1
6,5 ± 0,1
28,8 ± 0,4
3,6 ± 0,2
20,4 ± 0,2
15,6 ± 0,1 c
28,5 ± 3,6 d
13,1 ± 0,3
Ohutkerroksista joko suoritettiin ellipsometriamittaus joka kaksoiskerroksen jälkeen, tai yksi mittaus kymmenen
kerroksen jälkeen, b Kymmenen kaksoiskerrosta, kolmen mittauspisteen keskiarvo, c Laskettu vain kahdesta
mittauspisteestä, d Suuret RMSE-arvot; tulokset eivät kovin luotettavia
Viitteet
1.
2.
3.
4.
Stewart-Clark, S. S., Lvov, Y. M. ja Mills, D. K., J. Coat. Technol. Res. 2011, 8, 275-281.
Salomäki, M., Peltonen, T. ja Kankare, J., Thin Solid Films 2012, 520, 5550-5556.
Schlenoff, J. B., Dubas, S. T. ja Farhat. T, Langmuir 2000, 16, 9968-9969.
Hirata, M., Gotou, T., Horiuchi, S., Fujiwara, M. ja Ohba, M., Carbon 2004, 42, 2929-2937.
100
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
STUDIES ON CATIONIC CONJUGATED
POLYELECTROLYTES
Sergio Ulises Espinosa Domínguez
Functional Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry
and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku
suesdo@utu.fi
Research Director: Prof. Carita Kvarnström
Supervisor(s): Dr. Pia Damlin, Prof. Carita Kvarnström
Funding: The Mexican National Council for Science and Technology (CONACyT).
Estimated time of PhD dissertation: 2016.
Main aims of the PhD research
Conjugated polyelectrolytes (CPEs) are conjugated polymers (organic molecules with a base
structure of alternating single and double/triple bonds) functionalized with ionic groups (cationic or
anionic), giving CPEs solubility in polar solvents (e.g. water) but keeping the delocalized electronic
structure typical of conjugated polymers, which in solution and solid state generates unique optical
and semiconducting properties, tunable by molecular-structure and media. Because of this, since the
introduction of the first set of CPEs (almost 30 years ago), these molecules have been applied as
fluorescence-based sensors (for temperature, solvent polarity, pH, and chemical or bio-chemical
species). Also, CPEs are solution-processable, allowing their use for industrial scale production of
different surfaces and devices, using for example layer-by-layer assembly or roll-to-roll printing.
Both cationic and anionic CPEs also possess interesting surface-electronic properties (which are not
yet well understood), reason why their use as selective layers in electronic and optoelectronic
organic devices is a current frontier research field.
The aim of this project is to gain understanding on different properties of cationic conjugated
polyelectrolytes (CCPE) both in solution (mainly fluorescence-based studies) and solid state
(mainly electrochemical and electronic studies), for (i) basic research (e.g. structural and media
effects on packing and interactions) and/or (ii) possible applications (e.g. modified electrodes)
purposes. The project is currently focused on the analysis of previously experimental data using
different experimental and theoretical supporting tools (in collaboration with other research
groups), and also generating new experimental results, from studies on composite materials, using
mainly the same experimental approaches.
Main results so far
Figure 1 shows some of the molecules used in this project, while figure 2 shows some experimental
results which are specific only for certain molecules, concentration and media. Some of these
results are included in the manuscripts currently under preparation (see references), while some
others could constitute new manuscripts (this is under evaluation as mentioned before).
Figure 2a shows the shifts in oxidation onset (films) and absorption (but not in fluorescence) of
solutions of certain homologous CCPEs. Figure 2b shows differences in particle size of homologous
CCPEs in function of concentration (this does not affect fluorescence intensity). These two results
point into packing differences in function of specific molecular differences and media.
On the other hand figure 2c shows the behavior of two homologous CCPEs in presence of
increasing concentrations of an anionic quencher (i.e. Stern-Volmer plots) in two different media.
The difference observed could be attributed to selective blocking of the charged part of the CCPEs
in solution. Finally, figure 2d shows the change in interaction kinetic constants in function of
101
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
temperature (i.e. van ‘t Hoff plots) of two CCPEs in two different media. The difference observed
between media could be attributed mainly to hydrogen bonding in solution.
(a)
(b)
Figure 1. Some general molecules used in the PhD work, (a) cationic conjugated polyelectrolytes
(spacer length not shown) and (b) some anionic molecules used.
(a)
Shift
CCPE 1
(b)
No
shift
CCPE 2
Shift
Media 1
(c)
(d)
Media 2
Media 1
Media 2
Figure 2. Differences in (a) optical/electrochemical properties and (b) particle size between certain
homologous CCPE in common media, and differences in (d) Stern-Volmer and (d) van ‘t Hoff plots
between certain CCPE (each curve), due to changes in the media.
The significance of my research for the research group and the whole research field
The molecules used in this PhD project have been used in this research group during more than 10
years now, however not with the approach of the present project, and therefore this work should
generate new and valuable information for the group. On the other hand, as explained in the
introduction, several CPEs (similar to those used in this project, however with different functional
groups) are currently being studied and applied in electronic and optoelectronic applications,
evaluating the effect of molecular structure, solubilizing media and solid-state packing, which
means that this contribution should be useful for pure and applied research on CPEs.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
Domínguez, S. E., Meriläinen, M., Ääritalo, T., Damlin, P., Kvarnström, C. “Effect of media
and molecular structure on optical-electrochemical properties of cationic polythiophenes”.
Manuscript in preparation.
Domínguez, S. E., Troshin, P. A., Damlin, P., Kvarnström, C. “Solution interactions between
cationic polythiophenes and anionic quenchers in different media”. Manuscript in preparation.
102
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
VIOLOGEN BASED POLYMERS AND COMPOSITES
FOR ELECTROCHROMIC DISPLAY APPLICATIONS
Bhushan Gadgil
Functional Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry
and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku
bhraga@utu.fi
Research Director: Prof. Carita Kvarnström
Supervisor(s): Prof. Carita Kvarnström and Dr. Pia Damlin
Funding: Academy of Finland, Graduate School of Chemical Sensors and Microanalytical
Systems, Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Magnus Ehrnrooth Foundation
Estimated time of PhD dissertation: 12/2015
Main aims of the PhD research
The main goal of the thesis is to fabricate different viologen/polyviologen (V/PV) materials, V
functionalized polymers and composites for their use in electrochromic displays. Electrochromism
(EC), an electrically-controlled reversible color change, possesses unique properties for diverse
applications including smart optoelectronics, mirrors, displays and solar control windows. In
particular, EC windows and mirrors used in automobiles and airplanes have been commercially
available for a while. Due to its redox active, intensely colored radical cation formation, (V/PV)
materials are ideal candidates for EC applications. Key benefits of viologen (1,1-disubstituted-4,4bipyridinium dications) in electronic displays are low driving voltage for visual changes, high
contrast, no need for backlight unit like LCDs, the possibility of large area displays and simple cell
constructions. Inspired by these advantages of V/PV systems, we aimed to synthesize different
conducting polymers bearing viologen functionalities or composites of V/PV materials with
graphene as thin films on transparent conductors for EC applications.
Main results so far
In the first task, a thiophene monomer with a pendant cyanopyridine group was synthesized (Figure
1). Due to the difficulties in homopolymerization, electrochemical copolymerization method in
order to achieve the desired polymer film with viologen functionality. The copolymer films were
fully characterized >1@. In order to improve adhesion and insolubility of the above mentioned
polymer film, we choose the ionic liquid which dissolves the monomer completely while the
polymer film could withstand at the electrode during homopolymerization. We thus successfully
achieved the goal of obtaining stable polythiophene film with pendant viologen units. Besides
structural characterizations, the EC properties of this film were tested >2@.
In the order to fully characterize these viologen based films, an in situ ESR/UV-Vis-NIR
spectroelectrochemistry was performed at Spectroelectrochemistry Centre, IFW, Dresden,
Germany. As a model compound, we synthesized a simple cyanopyridine based monomer. Its
electropolymerization in aqueous electrolyte resulted in an ultimate PV film strongly adhered on the
electrode surface. The film was characterized by electrochemistry and ESR/UV-Vis-NIR
spectroelectrochemistry in order to study redox processes involved in the film >3@. Similarly, a
spectroelectrochemical study was carried out with a polythiophene derivative bearing pendant
viologen. A viologen entity has been found to enhance the overall EC contrast in such materials.
The EC study of this polymer bearing viologen functionality led to one article >4@.
103
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Figure 1. Structures of the monomers used in the PhD work.
The films in our previous works have showed pleasing EC properties which might be useful in
display applications. Working on the enhancement in the EC contrast, we have to consider the
parameters like color diversity, memory effect, low cost, easy processibilty, low driving voltage and
fast response times. In addition, another factor for enhancing the EC performance is the stability of
the electrochrome which must undergo many repeatable color changes between colored and
bleached states, thus remain operable over long scanning periods. For this reason, we developed
composites of viologens with 2D materials like graphene in order to improve the kinetics as well as
the electrochrome durability and high coloration efficiency >5@. The results showed that the
composite assembly would work better in terms of long terms performance of the device (Figure 2).
(a)
(b)
(c)
Figure 2. (a)Schematic of PV-rGO nanocomposite showing possible interactions. (b) Photographs
of the EC switching and (c) Color/bleach characteristics PV-rGO/FTO films at 525 nm.
The significance of my research for the research group and the whole research field
The afore mentioned research work has been carried out in close collaboration with people working
in the functional materials group. Since the mid-eighties, the focus of the research group has been
on soft materials like conjugated polymers and macromolecules. My doctoral research work has
contributed in developing composites and novel functional polymers for electrochromic
applications. In terms of the research field, the contributions are in a way quite broad. The future
optoelectronics is in need of flexible and highly stable display materials. This thesis work would
certainly offer interesting novel functional materials for ECDs and flexible OLEDs.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
5.
Gadgil, B., Damlin, P., Ääritalo, T., Kankare, J.; Kvarnström, C. Electrochim. Acta 2013, 97,
378-385.
Gadgil, B., Damlin, P., Ääritalo, T.; Kvarnström, C. Electrochim. Acta 2014, 133, 268-274.
Gadgil, B., Damlin, P., Ääritalo, T.; Kvarnström, C. accepted to RSC adv. 2015.
Gadgil, B., Dmitrieva, E., Damlin, P., Ääritalo, T.; Kvarnström, C. J. Solid State Electrochem.
2015, 19, 77-83.
Gadgil, B., Damlin, P., Heinonen, M.; Kvarnström, C. Carbon 2015, 89, 53-62.
104
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
EFFECT OF COMPLEX STRUCTURE ON
LUMINESCENCE OF LANTHANIDE COMPLEXES
Markus Räsänen
Functional Materials Chemistry Group, Laboratory of Material Chemistry
and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku
mpvras@utu.fi
Research Director: Prof. Keijo Haapakka
Supervisors: Dr. Harri Takalo, Prof. Keijo Haapakka and Prof. Emer. Jouko Kankare (optional
supervisor)
Funding: Doctoral Programme DIA-NET, Turku University Foundation.
Estimated time of PhD dissertation: 2016
Main aims of the PhD research
The aim of this research is to study the factors that effect on the luminescence properties of the
lanthanide complexes. Depending on the ligand, the complexes are strongly luminescent and thus
have wide application area including the usage in the bioanalysis. The next topic of this research are
stabile Eu(III) chelates used in the immunoassay. The brightnesses of the luminescence of these
chelates are very high, even twofold as compared to the commercial DELFIA enhancement solution
used widely in the bioassays. The aim of research is to study the effect of the chelate structure on
the luminescence properties of the chelates and also to study the reason for the following
phenomenon: some of chelates are much brighter in a dried TLC plate than in solution.
Figure 1 shows the schematic representation of the energy flow in the excited lanthanide
complex. There is conversation in the literature concerning the roles of the charge transfer (CT)
states in the energy flow within the lanthanide complexes. The partially purpose of this research is
to study the roles of these states in the energy flow.
Figure 1. Schematic representation of energy absorption, migration, emission (plain arrows) and
dissipation (dotted arrows) processes in a lanthanide complex. 1S* or S = singlet state, 3T* or T =
triplet state, A = absorption, F = fluorescence, P = phosphorescence, k = rate constant, r = radiative,
nr = non-radiative, IC = internal conversion, ISC = intersystem crossing, ILCT = intra-ligand charge
transfer, LMCT = ligand-to-metal charge transfer. Back transfer processes are not drawn for the
sake of clarity.
105
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Main results so far
In the first article [1], the photophysical properties of the series of the substituted aromatic βdiketone complexes of Eu(III) were studied, where the substituents were selected because of their
different electron donating ability. The electron donating ability had no straightforward effect on the
quantum yield of the complexes, so apparently the ILCT-state does not play a role in the energy
transfer from the ligand to Eu(III). Instead, the LMCT-state must have a role of importance, namely
it quenches the luminescence. Moreover, the complexation of the ligand to a lanthanide ion seems
partly to prevent the formation of the ILCT-state which makes possible to excite the Eu(III) ion via
triplet state even in the complexes that have the ILCT (and LMCT) -state.
In the second article [2], the blue-light excitable ternary Eu(III) complexes and their
encapsulation into the polystyrene nanoparticles were studied. The ternary complexes consisted of
the most interesting β-diketones used in the first article, the Lewis base (4’-(4-diethylaminophenyl)2,2':6',2''-terpyridine) and Eu(III). The complexes can be excited even at 450 nm and thus they can
be applied to the biological imaging. Unfortunately, they are not stable in aqueous environments.
Because of this, we tried to encapsulate them in to the polystyrene nanoparticles. This attempt was
successful meaning that the particles loaded with these ternary complexes can be used the biological
imaging.
In the third article [3], the ternary complexes of EuEDTA with differently substituted
dipicolinic acid (dpas) were studied to evaluate the role of dpas in the luminescence brightnesses of
these complexes. These ternary complexes mimic the homogeneous duplex polymerase chain
reaction assay concepts for which the dpas are synthetized. The aim of this study is to improve the
brightness of the ternary complex of Eu(III) used presently in the assay. Eight of the studied dpas
had brighter luminescence than in the assay currently used dpa of which one was nearly three times
brighter.
The significance of my research for the research group and the whole research field
I do the experimental works in my group and plan the necessary measurements together with the
group. Ligands and partly complexes are synthetized by others. Broadly, my research hopefully
increases the understanding of the factors that effect on the lanthanide luminescence and maybe
opens new applications.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
Räsänen, M., Takalo, H., Rosenberg, J., Mäkelä, J., Haapakka, K., Kankare, J. J. Lumin. 2014,
146, 211-217.
Räsänen, M., Takalo, H., Rosenberg, J., Soukka, T., Haapakka, K., Kankare, J. J. Lumin. 2015,
160, 128-133.
Räsänen, M., Takalo, H., Rosenberg, J., Soukka, T., Haapakka, K., Kankare, J. manuscript to
be submitted.
106
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
ELECTROACTIVE COMPOSITE MATERIALS FOR
SUSTAINABLE ENERGY APPLICATIONS
Milla Suominen
Functional Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry
and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku
milsuo@utu.fi
Research Director: Prof. Carita Kvarnström
Supervisor(s): Dr. Carita Kvarnström and Dr. Pia Damlin
Funding: Kiinteistösäätiö
Estimated time of PhD dissertation: 2019
Main aims of the PhD research
This research focuses on understanding the electrochemical properties of different grapheneconducting polymer composite materials. The ultimate goal is to utilize these composites as active
materials in flexible and sustainable energy applications. We will study the use of different
conducting polymers (Fig. 1), different electrolyte solutions, different sources and preparation
methods for graphene (GO, electrochemical exfoliation of graphite), and different preparation
methods for composites (electrodeposition, spin-spray- and Layer-by-Layer –techniques) on the
composite materials’ properties. Environmentally friendly and fully organic energy harvesting
devices form a base for this PhD research.
Main results so far
Electrical double-layer capacitors (EDLC), also known as supercapacitors, are promising energy
storage devices which offer long cycle life and high power density. Supercapacitors are used as
temporary energy storage devices in renewable energy systems, such as wind power plants, as high
peak power sources in vehicles, and as an interim power source in autonomous energy harvesting
circuits when the primary source is not available. In their electrical performance they align between
conventional capacitors and batteries. Their power density (kW/kg) is typically 10-fold compared
with Li-ion batteries, and the charge time of a supercapacitor can be of the order of few seconds.
Their cycle life can exceed 1 000 000 cycles, which is superior to battery cycle life (500 – 3000
cycles). In addition, supercapacitors can use aqueous electrolytes, so they do not contain hazardous
or toxic materials which make them green energy storage devices.
Among the various materials which have been investigated in these devices, carbon based
materials are of great interest owing to their abundance, stability and environmental friendliness.
Graphene, one of the “newest” available carbon allotropes, is an obvious choice for this application
offering high specific surface area, high intrinsic electrical conductivity, and good chemical and
thermal stability. Although the characteristics of graphene supercapacitors are very encouraging,
there are still issues which must be addressed. In particular, the strong tendency of restacking into
bigger graphite agglomerates decreases the active surface area of graphene, which results in low
energy densities. The energy density in supercapacitors is only about 10 % of the energy density of
a typical Li-ion battery.
In addition to high performance supercapacitors there is also a great demand for the
development of new inexpensive and flexible energy storage devices for soft portable equipment.
Conducting polymers are lightweight, they have good tensile strength and they are flexible.
However, swelling during cycling reduces their long term performance. This research will address
this issue by utilizing graphene/conducting polymer composite structures. Graphene/conducting
polymer composites show improved mechanical and electrical properties.
107
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Electrochemistry offers a simple, gentle and versatile method for preparing composites. We
have successfully prepared a reduced GO/PEDOT-composite material with a simple one-step
electrochemical synthesis method in ionic liquids [1]. GO was also completely reduced by an
electrochemical method, which doesn’t introduce extra components to the composite that could
harm its electrical properties. The composites showed increased electrochemical activity and
mechanical stability when compared to pure conducting polymer films. The properties of the
composites were also tested in a flexible supercapacitor, and they showed good capacitive behavior
and increased stability during cycling [2]. This work was made in collaboration with electronics
group in Tampere University of Technology.
Figure 1. Structures of conducting polymers that have good capacitive properties.
The significance of my research for the research group and the whole research field
This PhD research will be performed at Laboratory of Materials Chemistry and Chemical Analysis
in the Group of Applied Materials Chemistry. The group has over 20 years of experience in
electrochemical and spectroelectrochemical characterization of semiconducting materials. The use
of conjugated polymers and other functional materials with potential for applications in sensors and
organic solar cells has been the main lines in the research activity for some years.
Successful application of organic materials in electronic devices depends on a thorough
understanding of the materials electrochemistry, molecular structure and charge-transfer
mechanism. Despite these features being closely related, they are often studied separately. By
combining independent measuring techniques several parameters can be recorded simultaneously
and a more extensive study can be made on the same sample under identical conditions. Such a
combination of techniques has been the focus point of the group. Main emphasis has been on
developing in situ measuring techniques for simultaneous electrochemical and spectroscopic (FTIR,
Raman) studies suitable for thin film analysis. This enables simultaneous analysis of structural and
electronic changes in a material. In devices consisting of composite materials it is inevitable to
study the changes in the basic properties and performance of the materials as such and when
combined with other materials. Here the spectroelectrochemical techniques play an important role.
Though there are many publications on different composite materials’ performance in applications,
the understanding of their electrical properties is still poor. This PhD research will focus on
understanding these basic properties better.
As was already mentioned, composites exhibit synergistic effect with enhanced charge density,
electrical conductivity, and mechanical stability. In addition to supercapacitors, these composite
materials can be utilized as active materials in sensors, organic solar cells and electrochromic
displays, to mention a few.
Papers to be included in the PhD thesis
1. Damlin, P., Suominen, M., Heinonen, M., Kvarnström, C. Ionic liquids for non-covalent
modification of graphene sheets in conducting polymer composite materials, submitted
manuscript.
2. Lehtimäki, S., Suominen, M., Damlin, P., Tuukkanen, S., Kvarnström, C., Lupo, D.,
Electrodeposited graphene-PEDOT composites in printable supercapacitors on plastic
substrate, submitted manuscript.
108
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
ELECTROCHEMICAL SYNTHESIS AND
CHRACTRIZATION OF POLYVIOLOGENS
Nianxing Wang
Functional Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry
and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku
nianxing.wang
@utu.fi
Research Director: Prof. Carita Kvarnström
Supervisor(s): Dr. Pia Damlin, Prof. Carita Kvarnström
Funding: CHEMSEM graduate school, Academy of Finland
Estimated time of PhD dissertation: 12/2015
Main aims of the PhD research
My research is focused on the electrochemical synthesis of polyviologen materials and the
characterization of their properties. In this work, a series of polyviologen materials were
synthesized from different cyanopyridine based monomers. The electrochemical properties and
structures of the materials were studied by many different techniques, such as electrochemical
methods, UV-vis spectroscopy, Atomic Force Microscopy (AFM), FTIR spectroscopy, Raman
spectroscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM). Polyviologens have unique redox properties
and can work as electrochromic materials and redox mediators. An aim of this research is to design
different structures of the polyviologen materials, by adjust the structures the polyviologen
materials can be applied as redox active matrices materials different molecules or work as
functional in various electronics.
Main results so far
The viologen has got much attention due to its unique redox property, meaning the viologen can
undergo two reversible redox processes showing three different forms, which can be seen in Fig. 1a.
Additionally, the viologen can undergo intensive color changes upon reduction in the radical cation
form, and the color could be violet or blue depending on the substituted groups, so the viologens
were widely utilized in electrochromic devices and sensors. In this work, a series of polyviologen
materials have been synthesized and characterized in the previous years. The polyviologens have
exhibited good redox properties as shown in Fig 1b. Furthermore, by changing the substitute group,
the potentials and the colors of the polyviologens can be turned.
The structures of the polyviologens/copolyviologens were also studied. It has been proved that
the cavities in a network structures of the polyviologens is controlled by the structures of the
monomer, furthermore, the cavity size can also be enhanced by employing an additional monomer
to form the copolyviologen. The hybrid film basing on the polyviologen and reduced Graphene
Oxide have shown unique electrochemical property, which indicated the polyviologen materials
with different cavities can be utilized as the host materials for various materials. Additionally, the
polyviologens can also be synthesized with well-ordered structure, which give them more
opportunities to work under various conditions.
109
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
2,5
O2
5 mV/s
10 mV/s
20 mV/s
50 mV/s
100 mV/s
2,0
1,5
1,0
O1
I / μA
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
R1
-2,0
R2
-1,2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
E vs Ag/AgCl [V]
(a)
(b)
Figure 1. a) Scheme of viologen in its three redox forms. b) The redox response of a polyviologen
film.
The significance of my research for the research group and the whole research field
The research of viologen materials has been mainly focused on the design of the molecules or
supermolecules. Different electrochemical synthesis routes have been studied for film formation of
polyviologen derivatives. The redox property can be easily turned in the polyviologen materials and
the polymer can also work as the immobilization material for other molecules or particles by
modifying the fined structure of the polymer backbone.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
Wang, Nianxing, Pia Damlin, Beatriz Meana Esteban, Timo Ääritalo, Jouko Kankare and
Carita Kvarnström. 2013. Electrochemical synthesis and characterization of copolyviologen
films. Electrochimica Acta 90.171-78.
Wang, Nianxing, Anniina Kähkönen, Pia Damlin, Timo Ääritalo, Jouko Kankare and Carita
Kvarnström. 2015. Electrochemical synthesis and characterization of branched viologen
derivatives. Electrochimica Acta 154.361-69.
Wang, Nianxing, Anniina Kähkönen, Timo Ääritalo, Pia Damlin, Jouko Kankare and Carita
Kvarnström. 2015. Synthesis and Characterization of Polyviologen Film on the Linked Self
Assembly Monolayer. Submitted to Langmuir.
Wang, Nianxing, Zsófi Lukacs, Timo Ääritalo, Pia Damlin and Carita Kvarnström. 2015.
Electrochemical Synthesis of Viologen and Reduction of Graphene Oxide as Composite
material in Ionic Liquid, manuscript.
110
Kemian kevät 2015
Epäorgaanisen materiaalikemian
tutkimusryhmäesittely ja opiskelijoiden abstraktit
2 kpl LuK-tutkielmien abstrakteja
1 kpl FM-erikoistyötä käsitteleviä minijulkaisuja
4 kpl FT-vaiheen etenemisraportteja
111
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
EPÄORGAANISTA MATERIAALIKEMIAA
Dos. Mika Lastusaari ja Dos. Ari Lehtonen
Epäorgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja kemiallisen analyysin
laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
s-posti: mika.lastusaari@utu.fi ja ari.lehtonen@utu.fi
Epäorgaanisessa materiaalikemiassa tutkitaan ns. kovia materiaaleja eli materiaaleja, joissa on
mukana myös epäorgaaniselle kemialle tyypillisiä alkuaineita. Epäorgaanisen kemian piiriin Turun
yliopistossa kuuluvat sekä Harvinaisten maametallien kemian tutkimusryhmä (johtaja: Mika
Lastusaari) että Metalliorgaanisen kemian ryhmä (johtaja: Ari Lehtonen). Harvinaiset maametallit
(eli lantanidit + Y ja Sc) eivät nimestään huolimatta ole harvinaisia, vaan yleisempiä kuin
esimerkiksi Ag tai Au ja yhtä yleisiä kuin vaikka Cr, Cu, Zn, Ni, V, Mo ja W. Näistä kolmea
viimeistä tutkitaan metalliorgaanisen kemian ryhmässä. Epäorgaanisen materiaalikemian ryhmissä
(Kuva 1) tutkitaan toki myös muita epäorgaanisia yhdisteitä.
Hellen Isabella
Is
Mika
Ari
Antti
An
Tero
Emilia
Minnea
Ik
Iko
Kuva 1. Epäorgaanisen materiaalikemian ryhmä.
Loisteaineet
Harvinaisten maametallien kemian tutkimusryhmän tärkein tutkimuskohde ovat loisteaineet.
Epäorgaaniset loisteaineet ovat toiminnallisia materiaaleja parhaimmillaan, sillä ne muuntavat
monenlaista energiaa näkyväksi valoksi, luminesenssiksi. Loisteaineiden tavallisia käyttökohteita
ovat mm. näytöt, lamput, laserit, setelien yms. turvamerkinnät sekä lääketieteellinen kuvantaminen.
Harvinaisten
maametallien
kemian
ryhmän
tutkimuksen
pääkohteet
ovat
kestoluminesenssimateriaalit, joiden arkipäiväisin käyttö on itsevalaisevissa poistumistiekilvissä
sekä up-convertoivat loisteaineet, joilla voidaan muuntaa IR-säteilyä näkyväksi valoksi ja jopa UVsäteilyksi. Näitä jälkimmäisiä materiaaleja ryhmässä tutkitaan erityisesti käytettäväksi
lääketieteellisessä diagnostiikassa. Ryhmässä tutkitaan myös kummankin edellä mainitun
loisteainetyypin soveltamista auringon energian talteenotossa ja muuntamisessa uusiutuvaksi
energiaksi. Kasvit ja aurinkokennot eivät nimittäin pysty käyttämään hyväksi IR- ja UV-säteilyä,
joten muuntamalla nämä näkyväksi valoksi, voidaan uusiutuvan energian tuottoa parantaa (Kuva 2).
Lisäksi tärkeänä tutkimuskohteena ovat epäorgaaniset luonnonyhdisteet eli mineraalit ja niiden
johdannaiset.
112
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
Kuva 2. Auringon energian hyväksikäytön parantaminen loisteaineiden avulla.
Up-konvertoivat materiaalit
Up-konvertoivien materiaalien tutkimiseen ryhmässämme ovat keskittyneet väitöskirja-työntekijät
Tero Laihinen, Minnea Tuomisto ja Emilia Palo. Tero tutkii up-konversiota ja sen parantamista
käyttämällä eri harvinaisten maametallien yhdistelmiä. Minnean ja Emilian päämääränä taas on
saada parannettua IR-energian absorptiota käyttämällä hyväksi d-siirtymämetalleja tai orgaanisia
antennimolekyylejä. Tärkein tällä hetkellä tutkittava up-konvertoiva materiaali on NaYF4 (Kuva 3).
Up-konversion osalta tehdään yhteistyötä Turun yliopiston Biotekniikan ja Molekulaarisen
kasvibiologian kanssa, koska tavoitteena ovat uudenlaiset lääketieteelliseen diagnostiikkaan
soveltuvat määritykset sekä auringon energian käytön tehostaminen. Lisäksi uusiutuvan energian
osalta yhteistyökumppaneita on Uppsalan (Ruotsi) ja Kööpenhaminan (Tanska) yliopistoissa sekä
norjalaisessa Bioforsk-tutkimuskeskuksessa. Ryhmämme on mukana myös eurooppalaisessa
COST-verkostossa ”The European upconversion network - from the design of photon-upconverting
nanomaterials to biomedical applications”.
113
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
Kuva 3. Up-konvertoivat loisteaineet NaYF4:Yb3+,Ho3+ (vas.) ja NaYF4:Yb3+,Tm3+ (kesk.) 980
nm:n IR-laserin säteessä. Näytteet ovat kapillaariputkissa. Oikealla on nanokiteisen
NaYF4:Yb3+,Er3+-materiaalin elektronimikroskooppikuva (TEM).
Kestoluminesenssimateriaalit
Kestoluminesenssissa materiaali luminoi pimeässä vielä pitkän aikaa sen jälkeen, kun virityslähde
on sammutettu (Kuva 4). Kestoluminoivia materiaaleja ryhmässämme tutkii tällä hetkellä
graduntekijä Isabella Norrbo. Yhteistyötä kestoluminesenssin saralla tehdään erityisesti São Paulon
yliopiston (Brasilia) ja Puolan tiedeakatemian kanssa. Tavoitteena on selvittää kestoluminesenssin
mekanismi eri materiaaleissa sekä kehittää materiaaleja erilaisiin sensori- ja merkkiainesovelluksiin.
Kuva 4. Kestoluminoiva materiaali SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ arkipäiväisessä käytössä.
Luminoivat luonnonmateriaalit
Luminesenssi on melko tavallinen ilmiö epäorgaanisille luonnonmateriaaleille eli mineraaleille.
Ryhmässämme väitöskirjatyöntekijä Hellen Santos tutkii sekä luonnon että synteettisten
savimineraalien käyttöä loisteaineina aurinkoenergiakeräimissä. Graduntekijä Isabella Norrbo taas
tutkii synteettisiä hackmaniittimineraaleja (Kuva 5) sensorisovelluksiin. Hackmaniiteilla tavataan
myös tenebresenssiä, mikä tarkoittaa värin palautuvaa muutosta, kun materiaali altistetaan sopivalle
säteilylle (esim. UV- tai röntgensäteily).
114
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
Kuva 5. Kahden synteettisen Hackmaniitin väri eri lamppujen alla.
Metalliorgaaninen kemia ja koordinaatiokemia
Metalliorgaanisten yhdisteiden tutkimus tähtää uusien katalyyttien löytämiseen ja entsyymien
aktiivisten keskusten mallintamiseen. Tutkittavat yhdisteet ovat pääasiassa monihampaisten
organisten ligandien muodostamia vanadiini-, molybdeeni- ja volframikomplekseja. Ryhmässä
tehty tutkimus liittyy eurooppalaisen COST-verkoston toimeen ”CMST COST Action CM1003
Biological oxidation reactions - mechanisms and design of new catalysts”. Tämän toimen aihepiiri
käsittelee biologisia hapetusreaktioita. Katalyyttisten ominaisuuksien lisäksi kompleksiyhdisteillä
on muitakin käyttökohteita. Esimerkiksi monilla siirtymämetallien kompleksiyhdisteillä esiintyy
varauksensiirtoa ligandilta metallille. Tämä aiheuttaa voimakkaan absorption näkyvän valon
alueella, joten kompleksit saattavat toimia myös aurinkokennoissa herkistiminä. Monihampaisia
ligandeja voidaan käyttää lisäksi mm. metalli-ionien uuttamiseen vedestä orgaaniseen faasiin
arvometallien kierrätyksessä.
Vanadiini on yleinen alkuaine, jota on pieninä määrinä monissa eliöissä. Vanadiini on niissä usein
osana jotain entsyymiä ja sen tehtävänä on katalysoida erilaisia hapetus- ja pelkistysreaktioita.
Tässä ryhmässä tutkitaan sellaisia vanadiiniyhdisteitä, jotka muistuttavat rakenteeltaan
(biomimeettinen) ja toiminnaltaan (biovirikkeinen) luonnossa esiintyviä entsyymejä.
Kuva 6. Kloroperoxidaasin rakenne (vasemmalla) ja malliyhdisteitä (oikealla).
115
Kemian kevät 2015 – Tutkimusryhmät
Myös molybdeeni ja volframi ovat tärkeitä alkuaineita erilaisten eliöiden aineenvaihdun-nassa.
Näiden metallien tärkein rooli biologisissa prosesseissa liittyy erilaisiin hape-tusreaktioita
katalysoiviin entsyymeihin. Kyseisten metallien yhdisteitä voidaan käyttää katalyytteinä myös
monissa teollisissa prosesseissa.
Kuva 7. Kaksiytiminen molybdeenikompleksi katalysoi alkoholien hapetusta ja alkeenien
epoksidointia.
Yhteistyökumppanit metalliorgaanisen kemian tutkimuksessa löytyvät Jyväskylän yliopistosta
(erityisesti kiderakenteiden määritys) sekä Lundin yliopistosta (Ruotsi) ja Karl Franzen –
yliopistosta (Graz, Itävalta).
Tutkielmien aiheita
Epäorgaanisen materiaalikemian syventäviä harjoitustöitä ja erikoistöitä voi tehdä kaikissa yllä
esitellyissä aihepiireissä. Myös opiskelijan itsensä ehdottamat aiheet ovat tervetulleita.
Pedagoginen tutkimus
Epäorgaanisen materiaalikemian ryhmässä tehdään myös pedagogista tutkimusta. Mielenkiinnon
kohteena ovat kemiaa yliopistossa opiskelevien opiskelu- ja oppimisstrategiat (Kuva 8).
Tutkimuksen tarkoituksena on antaa kemian yliopisto-opetukselle välineitä paremmin suunnattuun
opetukseen ja sitä kautta vaikuttaa oppimistuloksiin. Pedagogista tutkimusta tehdään yhteistyössä
Turun yliopiston Yliopistopedagogiikan yksikön kanssa.
Makro
(silmin havaittava)
Kemia
Submikro
(atomitaso ja teoriat)
Esityksellinen
(kaavat yms.)
Kuva 8. Kemian kolmijakoisuus, jonka osaaluiden hallitsemiseen opiskelu- ja
oppimisstrategioilla on merkittävä vaikutus.
116
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
SIIRTYMÄMETALLI-IONIEN KOMPLEKSEJA
NELIHAMPAISTEN AMINOBISFENOLILIGANDIEN
KANSSA
Ville Eskonen
Epäorgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja
kemiallisen analyysin laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
vijues@utu.fi
Siirtymämetallien kompleksit nelihampaisten aminobisfenoliligandien kanssa muodostavat hyvin
mielenkiintoisen yhdisteryhmän. Ne koostuvat aminobisfenoliligandista (Kuva 1), jolla on
sivuketjunsa päässä jokin donoriatomi sekä siirtymämetallista, joka on useimmiten 4. tai 5. jakson
metalli tai lantanoidi. Yhdessä ne muodostavat kompleksin, jolla voi olla mielenkiintoisia
katalyyttisiä ominaisuuksia.
Aminobisfenoliligandin neljä donoriatomia ympäröivät metalli-ionin muodostaen kuppimaisen
rakenteen. Tämä tarkoittaa, että mahdollisille substraateille jää vielä 1–3 sitoutumispaikkaa.
Tällaiset metallikompleksit katalysoivat mm. syklisten estereiden polymerisaatiota [1], alkeenien
polymerisaatiota [2] ja Tischenkon reaktiota [3].
Metallien aminobisfenolikompleksit ovat usein hyvin yksinkertaisia valmistaa. Tyypillisesti
ligandien synteesi tehdään käyttäen Mannichin reaktiota, jossa stoikiometriset määrät fenolia,
formaldehydia ja primääristä amiinia reagoivat [4]. Saantoa parantaa, jos systeemiä refluksoidaan,
säteilytetään tai lämmitetään [5–7]. Metalli-ionin lähteenä käytetään yleisesti kaupallisesti saatavia
metallisuoloja
niiden
edullisen
hinnan
ja
helpon
saatavuuden
vuoksi.
Itse
kompleksinmuodostusreaktio voidaan suorittaa monissa eri liuottimissa, joihin lähtöaineet
liukenevat ja valmis tuote voidaan eristää saostamalla se liuoksesta.
n
Kuva 1 Kuva 1 Nelihampaisen aminobisfenolin yleinen rakenne. Ryhmät R kuvaavat eri fenolien substituentteja ja D on mikä
tahansa alkyyliketju, joka sisältää donoriatomin.
Viitteet
6.
Amgoune, A., Thomas, C.M., Roisnel, T., Carpentier, J., Chem. Eur. J. 12 2006, 169
Tshuva, E.Y., Goldberg, I., Kol, M., Goldschmidt, Z., Chem. Commun. 2001 2120
Pang, M., Yao, Y., Zhang, Y., Shen, Q., Chin. Sci. Bull. 53 2008 1978
Tshuva, E.Y., Versano, M., Goldberg, I., Kol, M., Weitman, H., Goldschmidt, Z., Inorg. Chem.
Commun 2 1999 371
10. Toupace, T., Dubberley, S.R., Rees, N.H., Tyrell, B.R., Mountforf, P., Organometallics 21 2002 1367
11. Kerton, F.M., Holloway, S., Power, A., Soper, R.G., Sheridan, K., Lynam, J.M., Whitwood, A.C.,
Willians, C.E., Can. J. Chem 86 2008 435
12. Riisiö, A., Wichmann, O., Sillanpää, R., Lett. Org. Chem 7 2010 298
7.
8.
9.
117
Kemian kevät 2015 – LuK-tutkielmat
UPKONVERTOIVAT NANOPARTIKKELIT
BIOLOGISESSA KUVANTAMISESSA
Jaakko Oksa
Epäorgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja
kemiallisen analyysin laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
jasaok@utu.fi
Materiaalikemiaa voidaan soveltaa monilla aloilla. Eräs yleinen sovellus on biologinen
kuvantaminen, jossa halutaan saada informaatiota eloperäisestä aineesta sopivan luminoivan
yhdisteen avulla. Tämä yhdiste viritetään säteilyn avulla korkeammalle energiatasolle, jolloin se
vuorostaan emittoi sähkömagneettista säteilyä (fotonin) paljastaen tietoa materiaalista.
Biologisessa kuvantamisessa on viime aikoina kiinnitetty huomiota erityisesti lantanidia
sisältäviin upkonvertoiviin nanopartikkeleihin. Näillä on erikoinen kyky muuntaa infrapunasäteilyä
näkyväksi valoksi tai ultraviolettisäteilyksi. Näin ollen biologinen aine ei kärsi säteilyvaurioita,
joten upkonvertoivilla nanopartikkeleilla voidaan merkata biomolekyylejä tai lääkeaineita niiden
kuvantamisessa. Lisäksi kokeellisesti ei havaita mainittavaa myrkyllisyyttä soluille, kuvanlaadun
heikkenemistä autofluoresenssista johtuen tai vaikeuksia elävän kudoksen kuvantamisessa.
Osoittautuu, että nämä nanopartikkelit ovat sovelluskelpoisia soluihin käytettävän kaksifotonimikroskopian lisäksi myös elävän kudoksen multimodaalisessa kuvantamisessa, jossa samaa
molekyyliä käytetään eri kuvantamismenetelmissä kuten MRI-, PET- tai CT-kuvantamisessa [1].
Viitteet
1.
Yong Il Park, Kang Taek Lee, Yung Doug Suh ja Taeghwan Hyeon, Chem.Soc.Rev. 2015, 44, 13021317
118
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
RAKENTEEN VAIKUTUS SODALIITIN
TENEBRESENSSIIN JA LUMINESENSSIIN
Isabella Norrbo1*, Jari Sinkkonen2 ja Mika Lastusaari1
1
Epäorgaanisen materiaalikemian tutkimusryhmä, Materiaalikemian ja
kemiallisen analyysin laboratorio, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
2
Laitekeskus, Kemian laitos, 20014 Turun yliopisto
*tijnor@utu.fi
Abstrakti
Erikoistyössä tutkittiin väriä vaihtavien sodaliittien (Na8[AlSiO4]6[Cl,S]2, kuva 1) ominaisuuksien
muutosta rakenteen muuttuessa. Sodaliittien rakennetta muutettiin ja näytteiden ominaisuudet
tutkittiin. Käyttämällä klooria ja rikkiä eri suhteissa sekä muuttamalla pelkistysaikaa
valmistusvaiheessa pystyttiin vaikuttamaan värin vaihtumisen voimakkuuteen sekä loisteen
kestoon, voimakkuuteen ja väriin.
Johdanto
Tenebresenssi on määritelmän mukaan reversiibeli fototransformaatio kahden muodon välillä, joilla
on erilaiset absorptiospektrit. [1] Tenebresenssissä materiaali muuttaa väriä ulkoisen ärsykkeen
vaikutuksesta. Perustilassa oleva materiaali on melko väritön. Värin muutos palautuu normaaleissa
olosuhteissa takaisin muutamassa minuutissa, mutta pimeässä tummempi muoto säilyy. [2]
Tenebresenssi aiheutuu värikeskuksista, jotka syntyvät, kun elektroni siirtyy ioneilta rakenteen
vakansseihin. [2]
Työn tarkoituksena oli parantaa sodaliittien (Na8[AlSiO4]6[Cl,S]2, kuva 1) luminesenssia ja
tenebresenssiä sekä selvittää, mitkä osat rakenteessa vaikuttavat näihin ominaisuuksiin. Tämän
selvittämiseksi valmistettiin sodaliiteja, joiden rakenteet eroavat toisistaan, ja erojen vaikutusta
ominaisuuksiin selvitettiin erilaisten mittausten avulla.
Tähän mennessä tenebresenssiä on hyödynnetty muun muassa aurinkolaseissa, jotka
tummenevat auringon valon vaikutuksesta [2] sekä helposti pyyhittävissä optisissa muisteissa ja
foto-optisissa kytkimissä [1]. Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää, voidaanko tenebresenssin ja
luminesenssin omaavia materiaaleja hyväksikäyttää optisissa sensoreissa.
Kuva 2 Sodaliitin rakenne. SiO4- ja AlO4-kehikot, joiden sisässä Cl ja S. Na on kehikon
ulkopuolella tasoittamassa varausta [2].
Materiaalit ja menetelmät
Näytteet valmistettiin kiinteän olomuodon menetelmällä. Lähtöaineita punnittiin stoikiometrinen
määrä, minkä jälkeen niitä jauhettiin 20 minuutin ajan. Lähtöaineet siirrettiin keraamisessa
hehkutuslaivassa uuniin ja lämmitettiin 850 °C:ssa 48 h:n ajan. Kun näyte oli jäähtynyt, sitä
jauhettiin 10 min. Lopuksi näyte pelkistettiin H2/N2 -kehässä 850 °C:n lämpötilassa useimmiten 2 h
ajan.
119
Kemian kevät 2015 – Erikoistyöt
Valmiiden näytteiden rakennetta tutkittiin jauheröntgendiffraktiolla, röntgenfluoresenssilla,
kiinteän olomuodon NMR:llä ja IR:llä. Näytteen värin vaihtumista tutkittiin reflektiospektrien
avulla ja näytteiden loistetta ja viivästynyttä luminesenssia Varian Cary Eclipse spektrometrillä.
Tulokset ja johtopäätökset
Valmistetut näytteet olivat enimmäkseen puhdasta sodaliittia. Epäpuhtautena joissakin näytteissä
havaittiin NaCl:ia, joka oli valmistusprosessissa jäänyt reagoimatta. IR-mittauksissa tunnistettiin
AlSiO4-kehikosta aiheutuvat symmetrinen ja asymmetrinen T-O-T -värähdys ja kehyksen
taipumisesta aiheutuva heijastus. [3] (T=Si, Al) Röntgenfluoresenssimittauksilla todennettiin
näytteen alkuaineiden osuudet massaprosentteina. Tuloksista nähtiin, että rikin määrää lisättäessä
näytteissä kloorin määrä vähenee, jolloin voidaan todeta, että rikki korvaa kloorin sodaliitin
rakenteen koloissa. Muutettaessa pelkistysaikoja huomattiin myös, että rikin määrä näytteessä
vähenee pidemmillä pelkistysajoilla. Rikki siis haihtuu pois näytteestä, kun pelkistysaika pitenee.
Näytteiden luminesenssia tutkittiin pääasiassa 254 ja 365 nm:lla viritettäessä. 254 nm:n
virityksen jälkeen näytteet emittoivat pääosin sinistä valoa kun taas 365 nm:n virityksen jälkeen
emittoitu valo oli punaista. (kuva 2) Kaikki näytteet eivät emittoineet ollenkaan 365 nm:lla
viritettynä. Viritysspektreistä huomattiin, että 310 nm:n viritys antaa voimakkaimman
luminesenssin, jonka huippu on 460 nm:ssa.
Työn aikana raportoitiin ensimmäistä kertaa sodaliiteissa viivästynyttä luminesenssia.
Viivästyneen luminesenssin voimakkuus ja kesto vaihtelivat huomattavasti rakenteen muuttuessa.
Voimakkain viivästynyt luminesenssi oli Cl1,6S0,1 näytteellä, jota oli pelkistetty 4 h.
Myös näytteiden tenebresenssissä huomattiin eroja. Näytteet, jotka eivät sisällä ollenkaan
rikkiä, eivät myöskään vaihda väriä. Rikki on siis olennaisessa osassa värikeskusten syntymisessä.
Tenebresenssi oli voimakkainta Cl1,6S0,1 näytteellä, jota oli pelkistetty 2 h.
Sodaliittien luminesenssi
3000
Cl(1,6)S(0,1) pelkistys 4 h 310 nm
2500
Intensiteetti (a.u.)
Cl(1,4)S(0,2) 310 nm
2000
Cl(1,6)S(0,1)
50 % Na:sta korvattuCa:lla
240 nm
1500
1000
Cl(0,0)S(0,5) 350 nm
500
0
350
Cl(1,2)S(0,2) 310 nm
400
450
500
550
600
650
700
750
Aallonpituus (nm)
Kuva 3 Sodaliittien luminesenssi eri näytteissä. Viritysaallonpituus on valittu jokaiselle näytteelle
parhaiten sopivaksi.
Viitteet
1.
2.
3.
Irie M., Photochromism: Memories and Switchess – Introduction, Chem. Rev., 100, (2000),
1683–1684.
Armstrong J. A., Weller M.T., Structural observation of photochromism, Chem. Commun.,
2006, 1094–1096.
Buhl J-C., Schuster K., Robben L., Nanocrystalline sodalite grown from superalkaline NaCl
bearing gels at low temperature (333 K) and the influence of TEA on crystallization process,
Micropor. Mesopor. Mat., 142, (2011), 666-671.
120
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
UP-CONVERSION LUMINESCENCE MATERIALS
Tero Laihinen
Inorganic Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry
and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku
telaih@utu.fi
Research Director: Prof. Hölsä
Supervisor(s): Dr. Lastusaari
Funding: Doctoral Programme in Physical and Chemical Sciences, Nordic Energy Research
(AquaFEED project) and Academy of Finland (NOMSEC project).
Estimated time of PhD dissertation: 2016
Main aims of the PhD research
Our work aims in increasing the efficiency of solar energy usage by using up-converting
luminescent materials for energy harvesting and conversion. The first step is to enhance the
efficiency of the materials by optimizing the preparation procedure, host material, doping ions and
their concentrations. The materials could be used e.g. in solar cells to convert otherwise unusable
energy radiation to usable.
Main results so far
The NaYF4:Yb3+,R3+ (R: none, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb or Dy) materials were prepared with selected
dopant concentrations, using co-precipitation synthesis, to study the effect of the dopant and its
concentration on the structure and luminescence of these materials. The structural details affecting
the UPC luminescence intensity in the Na(Y0.76Yb0.20Tb0.04)F4 materials were determined by
combining the Rietveld and Williamson-Hall analyses of X-ray powder diffraction data [1]. The
overall structures of the materials with drastically different UPC luminescence intensity are very
similar, but the material with much higher intensity is somewhat diluted of R3+ in the cation site
occupied alternatively by Na and R (Na2/R site). This may increase the UPC luminescence by
limiting excess energy migration in the Yb sublattice. The local structural details revealed
microstrains in the R sublattice that are relaxed for the material with very high UPC intensity thus
decreasing energy losses. The Rietveld results also suggest cation ordering for the material with
very high UPC intensity.
Highly luminescent up-converting Na(Y0.76Yb0.20Tb0.04)F4 materials were obtained by omitting
washing with water in the co-precipitation synthesis route [2, 3]. The synthesis was optimized by
reducing the loss of Na+ due to washing with water. Thus, the up-conversion luminescence is now
1–2 orders of magnitude stronger than that of a material washed with water (Fig. 1, left). The local
structural details affecting the up-conversion luminescence intensity were successfully determined
from EXAFS results. The overall structure of the materials with different up-conversion
luminescence intensity was very similar, but the material with enhanced intensity had the Na site
partly (ca. 2 % of the total cation amount) occupied by Yb3+ ions resulting in the facilitation of the
Yb3+-Tb3+ energy transfer. This increased the up-conversion luminescence intensity further. The
enhancement of the up-conversion luminescence was concluded to result from adjusting the
Na+/R3+ ratio close to stoichiometric.
The hexagonal up-converting NaYF4:Yb3+,Pr3+,Er3+ materials were prepared with different Pr3+
and Yb3+ concentrations [4]. Upconversion luminescence including several visible emissions of Pr3+
was observed with 976 nm NIR excitation. The high efficiency of the Pr3+ upconversion
luminescence is difficult to achieve due to the trade-off between the Yb3+–Pr3+ energy transfer and
effective de-excitation processes within Pr3+ requiring – at the same time – high and low Pr3+
121
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
concentrations, respectively. Up-conversion luminescence of the Er3+ impurity was observed with
all materials due to the extremely efficient Yb3+–Er3+ energy transfer up-conversion. The presence
of Er3+ may finally offer an alternative pathway to boost the Pr3+ upconversion luminescence. This
possibility requires, however, a lot of further work to materialize. White up-conversion
luminescence was obtained due to a favorable mixture of different emissions.
The structure of the NaYF4:Yb3+,R3+ (R: Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy or none) materials studied was
mainly hexagonal, but trace amounts of the cubic form were present in some materials, as well [5].
The amount of the cubic form, the temperature of the α- to β-NaRF4 transition and the specific
enthalpy of this transition are intertwined (Fig. 1, right). The rise in the temperature of the α- to βNaRF4 transition DSC signal indicates that the cubic-to-hexagonal change becomes more difficult
requiring a higher temperature or more energy. If the DSC signal weakens at the same time (lower
specific enthalpy), even a higher temperature does not help and the structure does not change, at
least not completely, to hexagonal. The specific enthalpy of the transition is the key factor. It
enables to estimate the amount of cubic form in annealed NaYF4:Yb3+,R3+ materials prior to the
annealing, which can save time and work. Finally, up-conversion luminescence was obtained of
Pr3+, Nd3+, Eu3+, Tb3+, Er3+, and Tm3+ with the same Yb3+-doped NaYF4 host.
Figure 1. Up-conversion luminescence spectra of NaYF4:Yb3+,Tb3+ materials with different
washing schemes and Tb3+ concentrations (left) [3]. Correlation between the intensity ratio of the
111 (cubic) and 110 (hexagonal form) reflections of the annealed NaYF4:Yb3+,R3+ (R: Pr, Nd, Sm,
Eu, Tb, Dy or none) materials (from the XPD patterns) and the specific enthalpy of the cubic-tohexagonal phase transition (DSC; right) [5].
The significance of my research for the research group and the whole research field
The results have been good and the whole group has gained something of them. The importance for
the whole research field is still unclear but new results have been discovered which is promising.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
2.
3.
4.
5.
Brito, H.F., Hölsä, J., Laamanen, T., Laihinen, T., Lastusaari, M., Pihlgren, L., Rodrigues,
L.C.V., Soukka, T. Powder Diffr. 2013, 28, S41-S50.
Brito, H.F., Hölsä, J., Laamanen, T., Laihinen, T., Lastusaari, M., Pihlgren, L., Rodrigues,
L.C.V., Soukka, T. J. Rare Earths 2014, 32, 226-229.
Hölsä, J., Laihinen, T., Laamanen, T., Lastusaari, M., Pihlgren, L., Rodrigues, L.C.V.,
Soukka, T. Physica B 2014, 439, 20-23.
Hölsä, J., Laamanen, T., Laihinen, T., Lastusaari, M., Pihlgren, L., Rodrigues, L.C.V. Opt.
Mater. 2014, 36, 1627-1630.
Laihinen, T., Lastusaari, M., Pihlgren, L., Rodrigues, L.C.V., Hölsä, J. J. Thermal Anal.
Calorim. 2015, DOI: 10.1007/s10973-015-4609-x.
122
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
LUMINESCENT NANOMATERIALS FOR ENHANCED
SOLAR ENERGY CONVERSION
Emilia Palo
Inorganic Materials Chemistry Group,, Laboratory of Materials Chemistry
and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku
ekharj@utu.fi
Research Director: Prof. Carita Kvarnström
Supervisor(s): Adj. Prof. Mika Lastusaari
Funding: Nordic Energy Research, AquaFEED project
Estimated time of PhD dissertation: 2018
Main aims of the PhD research
The idea behind the PhD research is to study the up-conversion nanomaterials and their
luminescence properties to see how they can be enhanced and tailored for more suitable solar
energy conversion. The increasing total consumption of energy and the decreasing amount of fossil
fuels to be used gives a significant role to the development of renewable energy sources. Several
issues limit the extent to which terrestrial-based biomass production will be able to contribute
towards fuel production. One major factor is that the overall solar energy conversion efficiency is
low, but also more than 50 % of the solar energy is unusable by photosynthesis. And though solar
cells possess relatively high energy conversion efficiency, even in the best performing solar cells
there is still 30 % of the Sun’s spectrum that cannot be used for production of electricity.
1000
0
Intensity
800
0
Ultraviolet
Solar Irradiance
Visible
Vi
V
i
Infrared
Up-Conversion
600
400
200
Photosynthesis
Solar Cells
0
500
1000
1500
2000
2500
Wavelength / nm
Figure 1. Solar irradiance and up-conversion in solar cells and photosynthesis.
The up-conversion nanomaterials have been at high interest in developing new solar energy
conversion materials because of their possibility to drive photosynthesis and to enhance the
performance of solar cells. In photon up-conversion low-energy radiation (NIR) is converted to
higher-energy light using different combinations of R3+ sensitizer (e.g. Yb, Er and Sm) and
activator (e.g. Er, Ho, Tm, Pr, Tb) in matrices as NaYF4, ZrO2 and Y2O2S. The process involves the
sequential absorption of two or more low energy photons and the subsequent emission at higher
energy, usually in the visible.
123
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
Main results so far
Previously studied and developed up-conversion nanomaterials still have some drawbacks
concerning the possibility that they are to be used in the field of solar energy. Such thing is for
example the narrow absorption energy window of the most commonly used absorber Yb3+. Also the
efficiency of up-conversion is rather poor and usually a very concentrated light source is needed for
successful conversion. Presently we are studying the possibility to use organic antenna molecules in
combination with the inorganic materials to enhance the absorption of the excitation energy. It is
also possible to develop different kinds of core-shell structures and add different R3+ dopants to the
host material to improve the energy transfer for example between Yb3+ and Er3+ ions.
Figure 2. Basic mechanism of UCP-Antenna up-conversion luminescence.
The significance of my research for the research group and the whole research field
This PhD study will lead to a deeper understanding of the phenomena of up-conversion
luminescence finally enabling the detailed tailoring of the materials for specific applications. As our
group has been developing the synthesis method for detailed up-conversion phosphors it is useful to
deepen the knowledge about the up-conversion mechanism and improving its properties. The
potential of these materials in enhancing the energy production in solar cells and photosynthesis
will be shown and thus also great societal impact may be anticipated.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
Palo, E., Pihlgren, L., Arppe, R., Hyppänen, I., Vuojola, J., Kankare, J., Lastusaari, M., Soukka,
T. and Hölsä, J., Structure and Up-Conversion Luminescence of the NaYF4:Yb3+,Er3+
Nanomaterials Prepared with the Solvothermal Synthesis, manuscript
124
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
STUDIES OF SMECTITE FUNCTIONALIZED WITH
LUMINESCENT NANOPARTICLES FOR APPLICATION
IN SOLAR CONVERTERS
Hellen Silva Santos
Inorganic Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry
and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku
hesisa@utu.fi
Research Director: Carita Kvarnström
Supervisor(s): adj. prof. Mika Lastusaari and prof. emeritus Jorma Hölsä
Funding: NOMSEC Project, CNPq, Brazil.
Estimated time of PhD dissertation: 01/2019
Main aims of the PhD research
The project aims to produce low-cost materials with practical applications in energy production in
normal lighting and temperature conditions. This is done by developing new luminescent materials
and studying their and mechanisms of energy conversion. Energy up- and down-conversion
processes will be optimized to allow better utilization of the solar spectrum thus increasing the
efficiency of solar convertors already employed commercially.
The production of new host lattices is proposed from the plurality found at layered silicates
(LS). LS such as hectorite clays have been used as host matrices for optically functional species due
to their tunable structure. Laponite is a synthetic clay that belongs to the hectorite family. It has the
composition Na0.7(Si8Mg5.5Li0.3)O20(OH)4. However, the hydroxyl groups are efficient quenchers of
luminescence and thus the proposition is to produce laponites whose hydroxyl groups are replaced
by halogens. For energy transfer, it is intended to produce gold and silver nanoparticles stabilized
by laponite. In this way, the structure of laponite can prevent heat loss due to its high heat capacity
and electronic flow is guaranteed from the active sites of Au or Ag. From the intentional modeling
of the structure of laponite, it is expected that a material whose interbasal distance is advantageous
for the intercalation with rare earth ions will be achieved. Considering the structural similarity
between laponite and matrices commonly used for production of material showing luminescence
(allowing the up- or down-conversion), this work seeks to obtain matrices that minimize losses by
thermalization. We intend to perform first the synthesis of laponite doped with R3+ and, after the
evaluation of those systems, a second step will be conducted applying the effect of surface plasmon
resonance of gold and silver nanoparticles to improve the luminescence properties. The final goal is
to establish a system that ensures the most energy efficient platform for application in solar
converters.
Main results so far
In the first step of the research, anionic layered nanosilicates have been synthetized resulting in the
formation of new luminescent non-doped laponites with OH- replaced by F- or Cl-. The physical and
chemical properties of these new matrices had been studied through XPD, FTIR, luminescence
spectroscopy, TGA-DSC, surface area, XRF and synchrotron VUV-UV spectroscopy.
The XPD patterns (Fig. A) showed that all LS have the same structure consistent with the
hectorite 16A pattern. All reflections were broad indicating nanoscale crystallites. The FTIR spectra
indicated water outside the layers (3600-3630 and 1610-1650 cm-1) as well as the formation of SiCl bonds (470-550) and [ClSiO1,5]x units (1000-1160 cm-1) in LS(Cl-). No signal was found
125
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
compatible with the formation of Si-F bonds or presence of water in LS(F-). For all samples, the SiO-Si bending vibrations were observed at 1010-1090 cm-1.
The luminescence measurements of non-doped LS show strong wide band emission between
320 and 660 nm (Fig. B). This is the first time that any emission has been reported for laponite.
Figure. A) XPD patterns of the LS materials, B) Luminescence spectra of the LS materials.
The results of the thermogravimetric analysis have been studied to do improvements in the
synthesis procedure, seeking to know if higher temperatures can be applied in the synthesis. As
well, the results of surface area and synchrotron spectroscopy have been investigated aiming: (I) to
know how much of the R3+ ions can be applied to doping the systems and, (II) to use the band gap
energy of the LS to choose the suitable R3+ dopant system to allow the creation of luminescence
persistent [1].
The significance of my research for the research group and the whole research field
Nowadays, solar converters are based on silicon (a-Si:H) representing more than 90 % of the world
production. The most efficient region of response by this solar cell is obtained in the visible region
(between 400 to 700 nm). However, the solar emission spectrum is polychromatic, with about 40 %
of the irradiance in the NIR and IR regions (wavelengths above 700 nm) For this reason, a big
amount of the solar radiation is not used in these solar cells. The efficiency of solar cells can be
enhanced by the modification of the structure of the cells or by the conversion of the solar spectrum
to obtain the maximum response associated with the cell. Minimizing losses for spectral
incompatibility is a more advantageous approach because it enables improvements in solar
converters which are already in commercial use. This work aims in the production of materials that
can be deposited in solar cells to provide an up-conversion or down-conversion of energy,
optimizing the efficiency of these cells. Therefore, a wide impact is expected in the whole research
field.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
Santos, H.S., Lastusaari, M., Laihinen, T., Viinikanoja, A., Mäkilä, E., Brito, H.F., Rodrigues,
L., Hölsä, J. Materials Today: Proceedings, 2015, v, pp-pp (to be submitted)
126
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
LUMINESCENT MATERIALS FOR SOLAR ENERGY
CONVERSION
Minnea Tuomisto
Inorganic Materials Chemistry Group, Laboratory of Materials Chemistry
and Chemical Analysis, Department of Chemistry, University of Turku
mvtuom@utu.fi
Research Director: Prof. Carita Kvarnström
Supervisor(s): adj. prof. Mika Lastusaari
Funding: Academy of Finland, CNBq Brazil project NOMSEC;
Nordic Energy Research, project AquaFEED
Estimated time of PhD dissertation: 2018
Main aims of the PhD research
Solar cells are projected to be one of the most important producers of renewable energy in the
future. However, modern solar cells (e.g. a-Si-H) use only a part of the radiation of the Sun leaving
30 % of the Sun’s spectrum outside the range that can be converted to electricity. This range is
manly in the infrared area. Luminescent materials can be used to exploit the IR area and further to
enhance the solar energy conversion. On this account the main aim of the PhD research is to
increase the efficiency of solar energy usage by using luminescent materials, especially
up-converting and persistent luminescence (down-converting) materials (Fig. 1).
Figure 1. Using up- and down-converting materials to enhance the use of solar energy.
Main results so far
Up-conversion luminescent materials have matrices (e.g. NaYF4, ZrO2 and Y2O2S) and different
combinations of R3+ sensitizer (e.g. Yb, Er, Sm) and activator (e.g. Er, Ho, Tm, Pr, Tb). In the
photon up-conversion process, the sensitizer absorbs low-energy radiation (NIR) and converts the
energy to the activator that releases the energy as higher-energy radiation (usually light) (Fig. 2).
This process involves two or more low energy photon sequential absorption.
Although, up-converting materials have been reported to enhance the solar conversion, some
serious drawbacks still exist. First, the most commonly used absorber Yb3+ absorbs energy only in
narrow area (only a few dozen nm around 980 nm). Next, the up-conversion process is not very
efficient, which is why a very concentrated light source (laser) is required for successful conversion.
127
Kemian kevät 2015 – Väitöskirjatyöntekijät
The first aim of the PhD research has been to solve these problems by using d transition metal ions
in combination with the inorganic luminescent materials.
Persistent luminescence materials show luminescence after the excitation source has been
removed. The best materials to date (e.g. SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ or Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+) can emit for
more than 24 h after the removal of the external excitation. NIR emitting persistent luminescence
materials have been proposed to increase the efficiency of a solar cell. However, using materials
that emit in the visible has not been reported. Though, one serious problem with persistent
luminescence is the lack of efficient red emitting materials. The PhD research has also aimed to
study and develop more efficient red persistent emitters.
Materials have been/will be synthetized using solid state reactions as well as different wet
chemical routes. Characterization methods are X-ray powder diffraction, FT-IR, Thermal analysis,
Raman, EPR, luminescence spectroscopy and synchrotron XANES/EXAFS and VUV-UV
spectroscopies.
First steps of the PhD research have concentrated to the NaYF4-matrix. Up-converting
NaYF4:Yb3+,Er3+-material has been prepared with the co-precipitation method. The up-conversion
luminescence of this material (Fig. 2) is not strong enough to be used for solar conversion. The PhD
research has given encouraging results that it is possible to enhance the efficiency of the
up-conversion luminescence by doping the material with specific d transition metals.
Figure 2. The mechanism of the up-conversion luminescence (left) and the up-conversion
luminescence spectra of NaYF4:Yb3+,Er3+ -material (right).
The significance of my research for the research group and the whole research field
The PhD research has a significant role in the Academy of Finland – CNPq Brazil project
NOMSEC (Novel Optical materials for Solar Energy Conversion) which is one of the main projects
of the Rare Earth Chemistry Group. The PhD research has also role in the Nordic Energy Reasearch
project AquaFEED (Conversion of solar energy to infrastructure-ready transport fuels using aquatic
photobiological organisms as the hydrocarbon feedstock producer). Luminescent materials have
been projected to be capable in enhancing of solar conversion but not many results have been
published yet. Thus, the PhD research will give important information to the whole research field.
Papers to be included in the PhD thesis
1.
Arppe, R., Hölsä, J., Kankare, J., Laamanen, T., Lahtinen, S., Lastusaari, M., Palo, E.,
Pihlgren, L., Schäferling, M., Soukka, T., Tuomisto, M. Effect of Nanocrystallite Morphology
on Up-Conversion Assay Performance of NaYF4:Yb3+,Er3+, manuscript
128
Turun
Tu
T
uru
run Ke
K
Kemistikerho
mis
i tike
is
k rh
rho ryy
Turun Kemistikerho ry on vuonna 1945 perustettu
vanhin
Suomalaisten
Kemistien
Seuran
(SKS)
paikallisseura. Sen pyrkimys on edistää kemiaa alana ja
vahvistaa jäsenten identiteettiä kemisteinä. Se tarjoaa
mahdollisuuden tutustua kollegoihin ja solmia uusia
suhteita sekä akateemiseen maailmaan että teollisuuteen.
Kemistikerhoon kuuluu noin 300 jäsentä.
Runsaasti toimintaa
Kerhon järjestämiä jokavuotisia tapahtumia ovat syys- ja kevätkokoukset,
joiden ohjelmaan kuuluu kokousasioiden lisäksi usein kemiaan liittyvä esitelmä
tai yrityskierros, Gadolininpäivän kaikille avoimet luennot ja jäsenistön iltajuhla
sekä kulttuuri- ja kevätretket.
Liity jäseneksi!
Turun Kemistikerhon jäsenyyttä voi anoa henkilö, joka kuuluu SKS:aan tai joka
samalla anoo SKS:n jäsenyyttä. Henkilöjäseniltä ei kerätä erillistä jäsenmaksua
SKS:n maksun lisäksi. Varsinaiseksi jäseneksi voidaan hyväksyä henkilö, joka on
osoittanut olevansa pätevä kemisti. Nuoreksi jäseneksi voidaan hyväksyä
yliopistossa pääaineenaan kemiaa opiskeleva.
www.turunkemistikerho.fi
t
k i tik h fi