Luminescence in Bacterial Cellulose: Effects of Lanthanides and pH

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-09-17

Department

Major/Subject

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Mcode

ELEC3016

Degree programme

Bioinformaatioteknologia BIO

Language

en

Pages

57

Series

Abstract

This bachelor’s thesis is done as a literature review that focuses on the effects lanthanides and pH variations on the luminescent properties of bacterial cellulose. The material consists mainly of research articles, scientific journals and scientific books. This thesis introduces fundamental knowledge about bacterial cellulose and its applications as a luminescent material, as well as the current state of nanocellulose and lanthanide-based luminescent systems. Additionally, it covers the basics of luminescence and how it varies in bacterial cellulose and other nanocelluloses with respect to the chosen lanthanide and the potential effects of pH. The goal of this thesis is to identify and assess the impacts that lanthanides and pH variations have on the luminescent properties of bacterial cellulose and other nanocelluloses.

Asiakirjojen ja muiden tärkeiden papereiden autenttisuuden varmistaminen on erittäin tärkeää ja siksi bakteeriselluloosasta voidaan valmistaa fluoresenssista paperia, kun siihen sisällytetään valoa emittoivia materiaaleja, kuten esim. lantanoideja. Autenttisuuden varmistaminen perustuu paperin luminesoiviin ominaisuuksiin, joten on tärkeää selvittää niihin vaikuttavat tekijät. Näitä vaikuttavia tekijöitä on kuitenkin useita, kuten mm. luminesenssin heikentyminen tai sammuminen ja emittoituvan valon aallonpituuden muuttuminen. Näiden lisäksi vaikuttavia tekijöitä ovat mm. lämpötilan vaihtelu, kompleksien ligandien reaktiot, jotka saattavat muuttaa sen rakennetta ja luonnetta, ja systeemin olomuoto eli onko se liuennut liuokseen vai kiinteänä aineena. Tämä kandidaatintyö suoritettiin kirjallisuuskatsauksena ja sen tavoitteena oli selvittää luminesenssin mahdollinen alkuperä nanoselluloosassa, erityisesti bakteeriselluloosassa, ja sitä miten valitut lantanoidit ja ympäristön happamuus vaikuttavat sen luminesoiviin ominaisuuksiin. Tässä työssä käsitellään luminesenssin, erityisesti fotoluminesenssin perusteita, sen mittaamista ja luminesenssisia materiaaleja, bakteeriselluloosan synteesiä ja teollista tuottamista sekä sen käyttötarkoituksia että luminesenssisia ominaisuuksia. Lisäksi käsitellään lantanoidien rakennetta, koordinaatiokompleksia sekä niiden luminesenssia ominaisuuksia ja käyttökohteita. Happamuuden vaikutuksissa keskityttiin lantanoidien luminesenssin intensiteettiin, kvanttisaannin ja emittoituvan valon mahdollisiin värimuutoksiin. Aineisto koostuu tieteellisistä artikkeleista, tutkimuksista ja kirjoista. Fotoluminesenssi jakautuu kahteen alaluokkaan: fluoresenssiin ja fosforesenssiin, joilla on omanlaiset viritystilat. Bakteeriselluloosaa voidaan teollisesti tuottaa kolmella eri menetelmällä fermentointiprosessissa, jotka tuottavat bakteeriselluloosaa kahdessa eri muodossa, joko hyytelömäisenä kalvona tai pallomaisina nanopartikkeleina. Bakteeriselluloosa on koostumukseltaan melkein kokonaan selluloosaa ja se ei sisällä ligniineitä eikä hemiselluloosa, mutta pieniä määriä kromofooreja. Ilmeisesti täysin puhtaassa selluloosa filmissä ei ilmene fotoluminesenssisia ominaisuuksia, ja selluloosa emittoi valoa pääosin fluoresenssin avulla. Lantanoidit emittoivat valoa erilaisten orbitaalisiirtymien avulla, jotka syntyvät sähköisistä ja magneettisista dipoleista. Nämä siirtymät myös vaikuttavat mitattuun emissiospektriin. Tuottaen joko kapean ja terävän tai laajan ja intensiivisen emissiospektrin. Lantanoidien emission spektrit ovat yksilöllisiä, ja kattavat kokonaisuudessaan emissiospektrin ultravioletti alueelta infrapuna alueelle. Muutokset happamuudessa vaikuttavat fluoresenssin intensiteettiin ja kvanttisaantiin, ja samalla voi myös ilmetä joko puna- tai sinisiirtymää emissiospektrissä johtuen rajaorbitaalien välisen etäisyyden muuttumisesta. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että luminesenssin alkuperä sekä bakteeriselluloosassa että muissa nanoselluloosissa on avoin kysymys, ja että se vaati vielä lisää tieteellisiä tutkimuksia. Lantanoidien emissiospektrit ovat yksilöllisiä, teräviä ja kapeita, ja siksi soveltuvat hyvin fluoresoivien papereiden valmistukseen. Happamuuden vaikutuksien yksiselitteinen selvittäminen on monimutkaista, sillä ne ovat riippuvaisia monista tekijöistä, kuten kompleksien sisäisistä ja ulkoisista sidoksista, mahdollisista rakennemuutoksista.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Soldano, Caterina

Keywords

bacterial cellulose, luminescence, lanthanides, pH, nanocellulose-lanthanide system

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202410016561

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC