13.4.2022

Erikoismusteet ja pigmenttipäällysteet analytiikka-alustoissa

Risto Koivunen tutki väitöskirjassaan mustesuihkutulostuksen ja erityisesti tarkoitusta varten kehitettyjen erikoismusteiden ja pigmenttipäällysteiden käyttöä analytiikka-alustojen valmistamiseen.

Tutkimuksen tavoitteena oli muodostaa mikrofluidisia rakenteita, joissa pienten nestemäisten näytteiden kapillaarista virtausta huokoisessa rakenteessa voidaan ohjata tulostetuilla hydrofobisilla (vettä hylkivillä) musteilla. Samalla nesteeseen liuenneita varattuja molekyylejä voidaan erotella muokkaamalla päällysteen pintavarauksia polyelektrolyyttimusteita tulostamalla.

Työssä esitettyjä uusia teknologioita on mahdollista käyttää kehitettäessä painettua mikrofluidista diagnostiikkaa erilaisiin sovelluksiin, kuten ympäristön tilan seurantaan tai terveydenhuollon alalle. Aikaisempi tutkimus tällaisessa painetussa diagnostiikassa on keskittynyt yksinkertaisten selluloosakuiduista valmistettujen papereiden käyttöön.

Väitöskirjassa osoitetaan, että tarkoitukseen suunniteltuja sekä vettä tehokkaasti imeviä ja siirtäviä pigmenttipäällysteitä voidaan muokata hydrofobisoivilla musteilla nesteen virtauksen ohjaamiseksi, siinä missä selluloosapohjaisia papereitakin. Tosin päällysteiden suuren huokospinta-alan takia hydrofobisoivaa materiaalia tarvitaan suuria määriä, joten liuotinpohjaisten hydrofobisoivien musteiden käyttö ei ole tuotannon kannalta ihanteellinen menetelmä. Muotoaan nestemäisestä kiinteäksi muuttavat musteet, kuten kuumasulatteet tai polymerisoituvat musteet, saattaisivat tarjota tehokkaamman menetelmän nestevirtauksen ohjailemiseksi.

Pintavarausta muokkaavat polyelektrolyyttimusteilla on mahdollista erotella liuenneita ainesosia. Näitä voidaan joko konsentroida niiden analysoinnin helpottamiseksi, tai estää päätymästä alueille, joissa ne voisivat haitata reaktioita tai muiden ainesosien analyysia. Erotteluvaikutuksen teho riippuu tulostetun polyelektrolyytin varauksesta ja määrästä, pigmenttipäällysteen pintakemiasta sekä eroteltavan ainesosan varauksesta ja konsentraatiosta. Lähtökohtaisesti polyelektrolyytit vähentävät samanlaisen varauksen (anioninen tai kationinen) omaavien ainesosien erottumista, ja lisäävät vastakkaisesti varattujen ainesosien erottumista. Tulostetun polyelektrolyytin määrälle vaikuttaisi olevan saturaatiotaso, jonka ylittämisen jälkeen erotteluvaikutus ei enää muutu.

Kokonaisuutena työssä osoitetaan, että pigmenttipäällysteistä voidaan muokata erilaisia toiminnallisuuksia omaavia analytiikka-alustoja. Tutkitut musteet ja päällysteet olivat kuitenkin vasta tutkimusversioita, eivätkä ne sovellu massatuotantoon. Mahdollista jatkotyötä vaadittaisiin ainakin tehokkaampien musteiden ja mekaanisesti kestävämpien pigmenttipäällysteiden kehittämiseen.

Väitöskirja on luettavissa Aalto-yliopiston sivuilla.

 

Media-alan tutkimussäätiö rahoitti Risto Koivusen väitöskirjatyötä vuonna 2020. Tutkimuksesta on julkaistu säätiön sivuilla teksti vuonna 2020.