Adszorpciós/adhéziós kölcsönhatások jellemzése polarizációs reflektometria interferencia spektroszkópiával  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
116224
típus PD
Vezető kutató Sebők Dániel
magyar cím Adszorpciós/adhéziós kölcsönhatások jellemzése polarizációs reflektometria interferencia spektroszkópiával
Angol cím Characterization of adsorption/adhesion interactions by polarization reflectometric interference spectroscopy
magyar kulcsszavak RIfS, PRIfS, adszorpció, adhézió, kolloidok, fehérjék, bioszenzor, gázszenzor
angol kulcsszavak RIfS, PRIfS, adsorption, adhesion, colloids, proteins, biosensor, gas sensor
megadott besorolás
Kolloidkémia (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)50 %
Fizikai kémia és elméleti kémia (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)30 %
Ortelius tudományág: Felületi rétegek kémiája
Anyagtudomány és Technológia (kémia) (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)20 %
zsűri Kémia 1
Kutatóhely Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék (Szegedi Tudományegyetem)
projekt kezdete 2015-09-01
projekt vége 2019-08-31
aktuális összeg (MFt) 18.573
FTE (kutatóév egyenérték) 3.20
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A kutatás fő célkitűzése egy új, optikai elven nyugvó mérési eljárás kidolgozása és multidiszciplináris alkalmazása. A polarizációs reflektometria interferencia spektroszkópia, mint mérési elv előnyösen ötvözi a hagyományos reflektometria és az interferencia spektroszkópia elvét. Ennek következtében alkalmas egyensúlyi folyamatok gyors, ám alapos kinetikai és termodinamikai jellemzésére, mely adatok fontos információkat hordoznak szilárd/gáz és szilárd/folyadék határfelületen, vagy biológiai rendszerekben végbemenő kölcsönhatásokról. Ennek megfelelően a kutatás három főbb területre terjed ki. Vizsgálunk szilárd/gáz határfelületen végbemenő folyamatokat, főként illékony szerves gőzök és azok elegyeinek adszorpcióját, további cél pedig egy extrém alacsony (ppb) koncentráció-tartományban működő szenzor fejlesztése. A folyadék/szilárd határfelületen végzett kísérletek célja szintén adszorpciós egyensúlyi folyamatok részletes, kinetikai és termodinamikai jellemzése. Ezek kiterjednek egyfelől folyadék elegyek adszorpciójának vékonyrétegek felületén történő vizsgálatára (az adszorpciós réteg törésmutatójának közvetlen mérése által), másrészt a nanokompozitok kialakulásában kulcsfontosságú adhézió vizsgálatára. Az S/G és S/L határfelületek jellemzése után biológiai fontosságú objektumok és azok kölcsönhatásainak vizsgálata a cél. A kutatás kiterjed a nanoszerkezetű mag-héj kompozitok kialakulásának és azok szabályozott hatóanyag-leadásának vizsgálatára PRIfS technikával. A vér-agy gáton való átjutást membrán modellekkel valósítjuk meg, emellett vizsgáljuk a technika bioszenzorikus alkalmazását, nevezetesen neurotranszmitter modell molekulák, mint biomarkerek detektálásával.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A környezet- és egészségvédelemmel, anyagtudománnyal és gyógyászattal kapcsolatos kutatásokban a hagyományos analitikai módszerek mellett egyre nagyobb teret nyernek a refraktometriai elven működő ún. kétdimenziós szenzorikai módszerek (pl. felületi plazmon rezonancia spektroszkópia, optikai hullámvezető szenzorok). A kevés anyagot igénylő, gyors és megbízható eljárásokkal az érzékelő felületükön megkötött anyag és a felette áramló oldatban jelenlévő molekulák kölcsönhatása, megkötődése (immobilizáció) vizsgálható. Számos előnyös tulajdonságuk mellett a hátrányuk, hogy korlátozottan alkalmasak egyensúlyi folyamatok vizsgálatára, mert a mérési jelük a kölcsönhatásban részt vevő molekulák által kiváltott jelváltozás mellett tartalmazza az oldat törésmutatóját is. A kutatás során egy olyan új mérési módszert vizsgálunk (polarizációs reflektometria interferencia spektroszkópia, PRIfS), ami lehetővé teszi egyensúlyi folyamatok vizsgálatát, mert az általa mért kétféle válaszjel közül csak az egyiket befolyásolja a mérendő oldat törésmutatója, míg a másik kizárólag az adszorbeált réteget jellemzi. Ezáltal lehetővé válik adszorpciós folyamatok részletes kinetikai és termodinamikai vizsgálata mind gáz-, mind folyadék-fázisban, valamint biológiai rendszerekben. Ennek eredményeként pontos képet kapunk a végbemenő kölcsönhatások mennyiségi, időbeni és energetikai viszonyairól.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A vékonyréteg technológián és optikai elven alapuló szenzorok egyre nagyobb teret nyernek az anyagtudományi és főként az élettudományi vizsgálatokban. Tekintettel arra, hogy a módszerek elsősorban (nem-egyensúlyi) immobilizációs vizsgálatokra összpontosítanak, korlátozottan alkalmasak adszorpciós egyensúlyi folyamatok tanulmányozására. A természetben előforduló folyamatokra főként ez utóbbi jellemző, így a kölcsönhatásokról pontosabb képet kaphatunk egy olyan módszer alkalmazásával, amely alkalmas a vonzó kölcsönhatásokat egyensúlyban vizsgálni. A kutatásban alkalmazott polarizációs reflektometria interferencia spektroszkópiai módszer a mérési elvéből kifolyólag képes erre, ezért alkalmazása a jelenségek pontosabb tanulmányozását és mélyebb megértését teszi lehetővé. A kutatási tervben ismertetett mérési módszer(ek) alkalmazása a szilárd/gáz és szilárd/folyadék határfelületi jelenségek, valamint a biológiai rendszerekben lezajló folyamatok vizsgálatában pontosabb mennyiségi, kinetikai és termodinamikai adatokat szolgáltathat az anyagtudománnyal és élettudománnyal foglalkozó kutatások számára. Emellett a kis anyagmennyiséggel dolgozó, rapid módszerek alkalmazhatóvá válhatnak pl. olajipari és gyógyszeripari kutatásokban is.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A vékonyréteg technológián és optikai elven alapuló szenzorok egyre nagyobb teret nyernek az anyagtudományi és főként az élettudományi vizsgálatokban, tekintettel arra, hogy kis anyagmennyiségek felhasználásával gyorsan és megbízhatóan szolgáltatnak eredményt. Az (élő és élettelen) természetben előforduló jelenségek főként egyensúlyi folyamatokra vezethetők vissza, így ezekről a kölcsönhatásokról pontos képet kaphatunk egy olyan módszer alkalmazásával, amely alkalmas ezeket a folyamatokat pontosan vizsgálni. A kutatásban alkalmazott polarizációs reflektometria interferencia spektroszkópiai módszer a mérési elvéből kifolyólag képes erre, ezért alkalmazása a természetben előforduló jelenségek pontosabb tanulmányozását és mélyebb megértését teszi lehetővé. A kutatás során fejlesztett módszerek és mérőrendszerek által szolgáltatott eredmények, nevezetesen a gáz szenzorikai vizsgálatok, az elegyadszorpciós folyamatok, a biológiai rendszerekben alkalmazható nanokapszulák tervezése, modellezése nagyban hozzájárulhat a szenzorikában, olajiparban, környezet- és egészségvédelemben, valamint a gyógyászatban alkalmazott módszerek, technológiák fejlődéséhez.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The main objective of the research is to develop a new optical measurement method and its multidisciplinary application. Polarization reflectometric interference spectroscopy successfully combines the benefits of conventional reflectometry and interferometric spectroscopy. Therefore it is suitable for the rapid but reliable kinetic and thermodynamic characterization of equilibrium processes, the obtained data are important in the understanding of solid/gas or solid/liquid interfacial phenomena, and in biologic systems as well. Accordingly, these three main fields are concerned in the research. Solid/gas interfacial processes will be examined, mainly the adsorption of volatile organic compounds, further goal is to develop a sensor operating in the ppb concentration range. Detailed kinetic and thermodynamic characterization is also the aim of the experiments performed on solid/liquid interface. Both the study of binary liquid mixtures adsorption and the investigation of adhesion (nanocomposite formation) on the surface of thin films are promising research topics. Finally, the examination of biologically important objects and the interaction of these molecules is an objective: the formation of core-shell type nanostructures and their controlled release properties are investigated by PRIfS method, the the transfer process through the blood-brain barrier is studied by membrane models, and the further goal is the biosensorial application of PRIfS, namely detecting neurotransmitter model molecules as biomarkers.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

Besides the conventional analytical methods the refractometric two-dimensional (bio)sensorial techniques (e.g. surface plasmon resonance, optical waveguide sensors) gain ground in such research fields as environmental chemistry, health care, material sciences and nanomedicine. Using these methods the interaction between compounds bond on the sensor surface and molecules flowing over it (immobilization) can be investigated. These techniques are rapid and reliable, and require a low amount of material, but besides their several benefits they have limited ability to study equilibrium processes, because their measurement signal includes both the change caused by the interaction and the refractive index of the solution. In this research a novel measurement method (polarization reflectometric interference spectroscopy, PRIfS) will be examined, which allows the investigation of equilibrium state, because only the one of the two types of response is influenced by the solutions refractive index, while the adsorbed layer and amount is characterized by the other signal. This allows a detailed kinetic and thermodynamic characterization of the adsorption processes in gas- or liquid phase, and in biological systems as well. As a result, an exact knowledge can be obtained of the quantitative, temporal and energetic properties of the interactions.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

Optical sensor techniques based on thin film technology are gaining more and more attention in the fields of materials and in life sciences. Regarding that these methods are primarily focusing on (non-equilibrium) immobilisation studies, their applicability for adsorption equilibrium studies are limited. Since most of the processes in nature are like the latter, therefore one can obtain better results by using a method which is suitable for the study of attractive interactions in an equilibrium system. The polarisation reflectometric interference spectroscopy is able to do that owing to its measurement principle therefore it provides more accurate results and deeper understanding of these phenomena. Measurement protocol(s), introduced in the research plan, applied on solid/gas and solid/liquid interfaces and in biological systems offer more accurate quantitative, kinetic and thermodynamic data for researchers working in the area of materials and life sciences.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Optical sensor techniques based on thin film technology are gaining more and more attention in the fields of materials and in life sciences regarding that the result are obtained rapidly and reliably besides a low required amount of materials. Phenomena occurring in nature are mainly equilibrium processes, therefore the interactions can be accurately characterized by a measurement method that is suitable for this purpose while pleasing the above mentioned requirements. The technique applied in the research, namely the polarization reflectometric interference is capable to perform such experiments due to the special measurement principle, thus it allows the accurate study and deeper understanding of the examined processes. Methods and the equipment developed during the research, namely gas sensorial tests, liquid mixture adsorption experiments, modeling nanocapsules for biological systems, developing biosensors and biomarkers etc. can significantly contribute to the progression of technologies used in sensorics, oil industry, environment and healthcare, or medicine.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A kutatási terv megvalósítása során számos nanoszerkezetet szintetizáltam: félvezető nanorészecskéket (ZnO, TiO2), fém nanorészecskéket (Au, Pt), ill. eltérő morfológiájú mezopórusos szilikákat (SiO2). A szintetizált részecskékből főként vékonyrétegeket, bevonatokat készítettem, melyeket szenzorikai és egyéb anyagtudományi alkalmazásokban teszteltem. Ezek közül is kiemelnék kettő, a kutatási tervhez szorosan kapcsolódó eredményt tartalmazó publikációt. Elsőben egy szobahőmérsékleten működő, szub-ppm –es detektálási küszöbbel rendelkező, ZnO és mezopórusos szilika felhasználásával készített optikai elvű etanol szenzort mutattam be, mely a 0.5-12 ppm koncentráció tartományban lineáris válasszal rendelkezik, 0.6 nm/ppm érzékenységgel (Sebők et al, Sensors and Actuators B 243 (2017) p. 1205-1213. IF: 5.667, Q1, D1). Másikban egy eddig nem publikált mérési elvet mutattam be, nevezetesen a polarizált fény alkalmazásával megvalósított reflektometria interferencia spektroszkópiát (PRIfS) és annak alkalmazási lehetőségeit gáz- és folyadék fázisú adszorpciós kölcsönhatások jellemzésére (Sebők et al, Photonics 6 (2019) p. 76, open access, megtekintések: 528, letöltések: 437, az elmúlt 2 hónapban). A kutatáshoz szorosan kapcsolódó harmadik publikáció (nanorészecske adhézió jellemzése optikai szenzorral) beküldés alatt áll. A szintetizált nanorendszerek egyéb, a kutatáshoz részben kapcsolódó alkalmazásait további 7 publikáció tartalmazza. A publikációk összesített impakt faktora 34,893.
kutatási eredmények (angolul)
During the implementation of the research plan several nanostructures were synthesized: semiconductor nanoparticles (ZnO, TiO2), metal nanoparticles (Au, Pt), and mesoporous silica (SiO2) materials with different morphology. The synthesized nanostructures were used mainly for preparing thin films and coatings, which were tested in sensorial and other materials science applications. From these results I would highlight two publications which are closely related to the research plan. Firstly, an optical ethanol sensor operating at room temperature with a sub-ppm detection limit using (ZnO/mesoporous silica) was demonstrated, which has a linear response in the 0.5 to 12 ppm concentration range with a sensitivity of 0.6 nm / ppm (Sebők et al, Sensors and Actuators B 243 (2017) pp. 1205-1213, IF: 5.667, Q1, D1). In another, a previously unpublished measurement principle was presented, namely the polarization reflectometric interference spectroscopy (PRIfS) and its applications for the characterization of adsorption interactions in gas or liquid phase (Sebők et al, Photonics 6 (2019) p. 76, open access, views: 528, downloads: 437, in the last 2 months). A third publication, closely related to the research (characterization of nanoparticle adhesion with an optical sensor) is submitted. Other applications of the synthesized nanostructures that are partially related to the research are presented in another 7 publications. The cumulative impact factor of the publications is 34,893.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=116224
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
László Janovák, Árpád Turcsányi, Éva Bozó, Ágota Deák, László Mérai, Dániel Sebők, Ádám Juhász, Edit Csapó, Mohamed M Abdelghafour, Eszter Farkas, Imre Dékány, Ferenc Bari: Preparation of novel tissue acidosis-responsive chitosan drug nanoparticles: Characterization and in vitro release properties of Ca2+ channel blocker nimodipine drug mole, EUROPEAN JOURNAL OF PHARMACEUTICAL SCIENCES 123: pp. 79-88., 2018
L Janovák, Á Dernovics, L Mérai, Á Deák, D Sebők, E Csapó, A Varga, I Dékány, C Janáky: Microstructuration of poly(3-hexylthiophene) leads to bifunctional superhydrophobic and photoreactive surfaces, CHEMICAL COMMUNICATIONS 54:(6) pp. 650-653., 2018
Péter Veres, Dániel Sebők, Imre Dékány, Pavel Gurikov, Irina Smirnova, István Fábián, József Kalmár: A redox strategy to tailor the release properties of Fe(III)-alginate aerogels for oral drug delivery, CARBOHYDRATE POLYMERS 188: pp. 159-167., 2018
Bogdanov A, Janovák L, Lantos I, Endrész V, Sebők D, Szabó T, Dékány I, Deák J, Rázga Z, Burián K, Virok DP: Non-Activated Titanium-Dioxide Nanoparticles Promote the Growth of Chlamydia trachomatis and Decrease the Antimicrobial Activity of Silver Nanoparticles, JOURNAL OF APPLIED MICROBIOLOGY 123: pp. 1335-1345., 2017
Sebők Dániel, Janovák László, Kovács Dániel, Sápi András, Dobó Dorina G, Kukovecz Ákos, Kónya Zoltán, Dékány Imre: Room temperature ethanol sensor with sub-ppm detection limit: Improving the optical response by using mesoporous silica foam, SENSOR ACTUAT B CHEM 243: 1205-1213, 2017
Sápi András, Dobó Dorina G, Sebok Daniel, Halasi Gyula, Juhász Koppány L, Szamosvölgyi Akos, Pusztai Peter, Varga Erika, Kálomista Ildikó, Galbács Gábor, Kukovecz Akos, Kónya Zoltán: Silica Based Catalyst Supports Are Inert, Aren’t They? – Striking Differences in Ethanol Decomposition Reaction Originated from Meso- & Surface Fine Structure Evidenced by Small Angle X-ray Scattering, J PHYS CHEM C 121: (9) 5130-5136, 2017
Janovák L, Deák Á, Tallósy PS, Sebők D, Csapó E, Bohinc K, Abram A, Palinko I, Dékány I: Hydroxyapatite-enhanced structural, photocatalytic and antibacterial properties of photoreactive TiO2/HAp/polyacrylate hybrid thin films, SURF COAT TECH 326: 316-326, 2017
Noémi Varga, Viktória Hornok, Dániel Sebők, Imre Dékány: Comprehensive study on the structure of the BSA from extended-to aged form in wide (2–12) pH range, International Journal of Biological Macromolecules, 2016
Janovák L, Deák Á, Tallósy PS, Sebők D, Csapó E, Bohinc K, Abram A, Palinko I, Dékány I: Hydroxyapatite-enhanced structural, photocatalytic and antibacterial properties of photoreactive TiO2/HAp/polyacrylate hybrid thin films, SURF COAT TECH 326: 316-326, 2017
Sápi András, Dobó Dorina G, Sebok Daniel, Halasi Gyula, Juhász Koppány L, Szamosvölgyi Akos, Pusztai Peter, Varga Erika, Kálomista Ildikó, Galbács Gábor, Kukovecz Akos, Kónya Zoltán: Silica Based Catalyst Supports Are Inert, Aren’t They? – Striking Differences in Ethanol Decomposition Reaction Originated from Meso- & Surface Fine Structure Evidenced by Small Angle X-ray Scattering, J PHYS CHEM C 121: (9) 5130-5136, 2017
Sebők Dániel, Janovák László, Kovács Dániel, Sápi András, Dobó Dorina G, Kukovecz Ákos, Kónya Zoltán, Dékány Imre: Room temperature ethanol sensor with sub-ppm detection limit: Improving the optical response by using mesoporous silica foam, SENSOR ACTUAT B CHEM 243: 1205-1213, 2017
L Janovák, Á Dernovics, L Mérai, Á Deák, D Sebők, E Csapó, A Varga, I Dékány, C Janáky: Microstructuration of poly(3-hexylthiophene) leads to bifunctional superhydrophobic and photoreactive surfaces, CHEMICAL COMMUNICATIONS 54: (6) pp. 650-653., 2018
Mérai L., Varga N., Deák Á., Sebők D., Szenti I., Kukovecz Á., Kónya Z., Dékány I., Janovák L.: Preparation of photocatalytic thin films with composition dependent wetting properties and self-healing ability, CATALYSIS TODAY 328: pp. 85-90., 2019
Janovák L., Dékány I., Sebők D.: The Theoretical Concept of Polarization Reflectometric Interference Spectroscopy (PRIFS): An Optical Method to Monitor Molecule Adsorption and Nanoparticle Adhesion on the Surface of Thin Films, Photonics, 2019
Csapó Edit, Sebők Dániel, Janovák László, Juhász Ádám, Dékány Imre: Nanoszerkezetű anyagok alkalmazása a szenzor fejlesztés, az olajipar, a gyógyszerkutatás és a heterogén katalízis területén, MAGYAR KÉMIAI FOLYÓIRAT - KÉMIAI KÖZLEMÉNYEK (1997-) 125: (1) pp. 3-10., 2019




vissza »