Nanoparticles are used in many different applications because of their small size and unique properties. The usage is increasing rapidly, which will increase the nanoparticle exposure to the environment. Up till now, environmental behavior and ecotoxicology of nanoparticles have only been studied to a certain extent and because of the increasing usage, research should focus more on nanoparticle behavior and ecotoxicology. An effective way of studying nanoparticles in aqueous environments is to use mathematical models. In this study, the In vitro Sedimentation, Diffusion, and Dosimetry (ISDD) model was investigated and applied to copper, manganese, and zinc oxide nanoparticles to determine their sedimentation velocity in 1 mM NaClO4(aq).   The results show that the simulated sedimentation of nanoparticles in solution, i.e. the output from the ISDD model, can vary a lot depending on some of the input parameters in the model. The fact that some of these parameters have to be estimated increases the uncertainty of the ISDD model, although it is possible to yield results in great agreement with experimentally determined sedimentation velocities for the studied systems. The simulation results could always be explained by the theory behind it, which increases the reliability of the ISDD model.   The possibility of measuring the effective density of nanoparticle agglomerates using the volumetric centrifugation method was also investigated. This method makes it possible to avoid estimating the fractal dimension, an input parameter with great uncertainty in the ISDD model. The results look promising, although further investigation is needed.    The ISDD model seems to be a promising model for future simulation work. The model should be investigated further in order to minimize the uncertainties due to estimations. The possibility to predict nanoparticle sedimentation using a mathematical model will save a lot of time and money, and it can be a helpful tool in the extensive work of identifying the behavior of nanoparticles in aqueous environments.

Detta projekt var ett samarbete mellan Aplex Bio AB och Scilifelab. Projektets mål var att utveckla en molekylär diagnostisk panel med förmågan att detektera och diskriminera mellan 14 olika typer av patogener. Projektet innehåller 4 kapitel med fokus på olika mål. I första kapitlet utvecklades en metod för att karakterisera emissioner av fluorescerande nanopartikel kluster. Den första utvärderade metoden utnyttjade klick-kemi för att binda nanopartiklarna till makrostrukturer uppbyggda av amplifierat DNA. Den andra utvärderade metoden skapade aggregerade komplex av nanopartiklar med amplifierat DNA för att utvärdera partiklarnas emissioner. I kapitel 2 av projektet användes azid-funktionaliserade nanopartiklar levererade av Aplex Bio AB för att tvärbinda DBCO modifierade oligonukleotider. Sedan utvecklades en hybridiserings baserad metod för att kvantifiera relativa mängden oligonukleotider på partiklarna. Denna metod användes för att reproducerbart funktionalisera partiklar och utveckla nanopartikel-sonder som kan binda till DNA genom hybridisering. I kapitel 2 utvärderades även hur effektivt och specifikt de utvecklade nanopartikel-sonderna hybridiserar till DNA. I kapitel 3 utvärderades amplifiering av syntetiska ssDNA sekvenser valda från genetiska markörer av 14 patogener, DNA amplifierades med metoden RCA. Målet var att utvärdera specificiteten av amplifieringen. Specifik amplifiering av varje DNA sekvens i panelen var en förutsättning för att möjliggöra detektion och diskriminering av alla patogener i panelen. I kapitel 4 var målet att utveckla en kostnadseffektiv metod för att funktionalisera nanopartiklar med oligonukleotid sekvenser. För att göra detta användes DBCO-NHS-ester reagens och amin-modifierade oligonukleotider. Förverkligande av detta projekt skulle skapa en diagnostisk panel med potentialen att påverka det diagnostiska fältet på en global skala. När detta projekt är fullt utvecklat kan panelen modifieras för detektion av önskade DNA/RNA sekvenser vilket möjliggör ett mångfalt av applikationer, detta skulle göra panelen konkurrerande med dagens diagnostiska metoder då den kan användas i existerande mikroskopiuppsättningar. / This work was a collaboration between Aplex Bio AB and Scilifelab with the aim of developing a molecular assay capable of detecting and discriminating between 14 different pathogenic targets. There are 4 chapters with focus on different goals. In chapter one a method of evaluating emissions of fluorescent nanoparticle clusters was developed. The first approach of evaluating nanoparticle emissions was to utilize click chemistry to bind nanoparticles to macroscale structures of amplified DNA targets. The second evaluated approach was the formation of aggregated complexes of nanoparticles and amplified DNA targets. The second chapter of the thesis used azide functionalized nanoparticles supplied by Aplex Bio AB to utilize azide groups as crosslinkers and use them to functionalize the nanoparticles with DBCO oligos. A hybridization-based method was then developed to quantify relative oligo densities on the nanoparticles, enabling reproducible oligo functionalization of nanoparticles, producing nanoparticle probes that can bind to DNA. The final task of chapter 2 was evaluating the binding efficiency and specificity of the developed nanoparticle probes. The third chapter of the thesis evaluated amplification of synthetic ssDNA sequences corresponding to genetic markers of 14 pathogenic targets using RCA. The goal was to confirm specificity of chosen padlock probes and corresponding synthetic targets for each pathogen. Specific amplification of each target was a prerequisite to enable detecting and discriminating between the 14 pathogenic targets. In chapter 4 the goal was to develop a cost-effective method of oligo functionalization for nanoparticles. This chapter evaluated two main approaches of using DBCO-NHS-ester reagents to perform DBCO modification of amine-oligos. The realization of this work would develop an assay that has the potential to impact the field of diagnostics on a global scale. When fully developed, the molecular assay can be modified to detect any RNA/DNA targets which enables numerous applications, making the assay a competitive diagnostic tool which can be implemented in existing microscopy systems.

Den ökande trenden med att använda tillverkade nanopartiklar (NPs) i olika tillämpningar i samhället har väckt oro när det gäller deras växelverkan med naturliga ekosystem. Syftet med denna studie är att ta fram data under förhållanden som simulerar realistiska scenarios och syftar till att förstå växelverkan mellan koboltbaserade NPs (Co, Co3O4 och Co SCS) och nickelbaserade NPs (Ni, NiO och Ni SCS) med naturliga nedbrytningsprodukter (biomolekyler, ekokorona) som utsöndras från Daphnia magna. Adsorption, metallfrisättning och stabilitet i närvaro av dessa biomolekyler (EC) i syntetiskt sötvatten (FW) är huvudfokus för denna multianalytiska studie. Förändringar av ytans sammansättning på grund av växelverkan mellan NPs och EC studerades parallellt. Resultaten jämfördes med resultat för NPs i närvaro av naturligt organiskt material (NOM) som tidigare tagits fram av medlemmar i professor Inger Odnevalls grupp vid avdelningen för Yt- och korrosionsvetenskap på KTH. ATR-IR-studierna visade på en tydlig och stark adsorption av EC till samtliga undersökta NPs där NPs av metall- och metalloxider vilka uppvisade den snabbaste adsorptionen. Uppmätta zeta-potentialer bekräftade en större adsorption av EC till NPs av metalloxider jämfört med övriga NPs. NTA-studier visade på en tydlig minskningen av partikelstorleken hos de undersökta NPs vid exponering i FW med EC jämfört med endast FW i vilken NPs av metalloxider uppvisade den mest signifikanta förändringen. Växelverkan mellan EC och NPs resulterade i en ökad metallfrisättning för flertalet av den undersökta NPs, med undantag av Ni SCS NPs. De nickelbaserade NPs uppvisade en lägre frisättningsnivå jämfört med de koboltbaserade NPs. Slutligen visade jämförelsen mellan närvaron av NOM och EC i syntetiskt sötvatten en signifikant skillnad i både zeta-potential och partikelstorlek under korta tider. Resultaten tyder på att adsorption av EC till NPs ger sämre skydd mot partikel-agglomerering än motsvarande adsorption av NOM. / The increasing trend of implementing engineered nanoparticles (NPs) in different societal applications has escalated the concerns on the risk of their interaction with natural ecosystems. With the lack of knowledge on NP interactions with biomolecules in ecosystems, this study provides a rather realistic scenario that aims to understand the interaction of cobalt-based NPs (Co, Co3O4, and Co SCS NPs) and nickel-based NPs (Ni, NiO and Ni SCS  NPs) with natural degradation products (eco-corona biomolecules) excreted from Daphnia magna. As the main focus of this study, the adsorption, dissolution, and stability of NPs in presence of the eco-corona biomolecules (EC) in synthetic freshwater (FW) were investigated by a multi-analytical approach. The effect of surface composition on the interaction of NPs was evaluated in parallel. The results were compared with NPs interacting with natural organic matters (NOM), research results previously performed by members of Prof. Odnevall’s group at the Division of Surface and Corrosion Science, KTH. ATR-IR studies showed a clear and strong adsorption of EC to all the investigated NPs with metallic and metal oxide NPs exhibiting the fastest adsorption. Zeta potential values corroborated the intensive adsorption of EC to metal oxides compared to the other NPs. NTA studies showed the decrease in particle size of the investigated NPs upon the exposure to EC compared to FW only with metal oxide NPs exhibiting the most significant change. The presence of EC enhanced the dissolution of most investigated NPs with Ni SCS NPs as an exception. Furthermore, nickel-based NPs showed lower dissolution than cobalt-based NPs. Finally, the comparison between effects in the presence of NOM and EC in freshwater showed significant differences in zeta potential as well as particle size over short-term exposures suggesting that the adsorption of EC to NPs provides less protection against agglomeration than adsorption of NOM.

Polyethylene composites which contain low concentrations of metal-oxide nanoparticles e.g. ZnO and MgO are emerging materials for the use in insulations of extruded high-voltage direct-current (HVDC) cables. The challenge in the development of the composites with ultra-low electrical conductivity is to synthesize uniform and high-purity metal-oxide nanoparticles, which are functionalized with hydrophobic groups in order to make them compatible with polyethylene. The thesis reports different approaches to prepare this new generation of insulation materials. Different reaction parameters/conditions – zinc salt precursor, precursor concentrations and reaction temperature – were varied in order to tailor the size and morphology of the ZnO nanoparticles. It was shown that different particle sizes and particle morphologies could be obtained by using different zinc salt precursors (acetate, nitrate, chloride or sulphate). It was shown that 60 °C was a suitable reaction temperature in order to yield particles with different morphologies ranging from nano-prisms to flower-shaped superstructures. For removal of reaction residuals from the particles surfaces, a novel cleaning method based on ultrasonication was developed, which was more efficient than traditional water-replacement cleaning. After cleaning, the presence of one atomic layer of zinc-hydroxy-salt complex (ZHS) on the nanoparticle surfaces was suggested by thermogravimetry and infrared spectroscopy. A method involving three steps – silane coating, heat treatment and silica layer etching – was used to remove the last trace of the ZHS species from the nanoparticle surface while preserving its clean and active hydroxylated surface. The surface chemistry of these nanoparticles was further tailored from hydroxyl groups to hydrophobic alkyl groups with different lengths by reactions involving methyltrimethoxysilane (C1), octyltriethoxysilane (C8) and octadecyltrimethoxysilane (C18). MgO nanoparticles were prepared by aqueous precipitation of Mg(OH)2 followed by a partial transformation to MgO nanoparticles via heat treatment at 400 °C. The surface regions of the MgO nanoparticles convert into a hydroxide phase in humid media. A novel method to obtain large surface area MgO nanoparticles with a remarkable inertness to humidity was also presented. The method involved three steps:  (a) thermal decomposition of Mg(OH)2 at 400 °C; (b) silicone oxide coating of the nanoparticles to prevent inter-particle sintering and (c) a high temperature heat treatment at 1000 °C. These MgO nanoparticles showed essentially no sign of formed hydroxide phase even after extended exposure to humid air. The functionalized metal-oxide nanoparticles showed only a minor adsorption of phenolic antioxidant, which is important in order to obtain nanocomposites with an adequate long-term stability. Tensile testing and scanning electron microscopy revealed that the surface-modified metal-oxide nanoparticles showed improved dispersion and interfacial adhesion in the polyethylene matrix with reference to that of unmodified metal-oxide nanoparticles. The highly “efficient” interfacial surface area induced by these modified nanoparticles created the traps for charge carriers at the polymer/particle interface thus reducing the DC conductivity by more than 1 order of magnitude than that of the pristine polyethylene. / Polyetenkompositer med mycket låga halter av ZnO och MgO metalloxid nanopartiklar är en växande kategori material för användning som isolering av extruderade kablar avsedda för likriktad högspänning. En utmaning i utvecklingen av dessa material kan relateras till den praktiska kompositframställningen, vilken innefattar framställning av högrena metalloxid nanopartiklar som ytmodifieras med hydrofoba molekylstrukturer för att möjliggöra blandning med den hydrofoba polyetenplasten. Denna avhandling behandlar olika metoder för att framställa denna generation av isoleringsmaterial. Vid syntesen av de rena nanopartiklarna krävdes optimering av ett antal olika reaktionsparametrar för att uppnå tillfredställande slutresultat i form av partikelstorlekar och partikelmorfologier. Dessa inkluderade val av zinksalt, zinksaltkoncentration vid utfällning, samt reaktionstemperatur vid framställningen. Experimenten avslöjade att olika partikelstorlekar och partikelmorfologier kunde framställas som endast korrelerat mot källan av zinkjonerna, och berodde av vilka motjoner som zinkatomerna haft i zinksaltet (acetat, nitrat, klorid eller sulfat). Optimering av reaktionstemperaturen visade att ca 60 °C utgjorde en lämplig start för utvärdering av synteserna, som resulterade i olika partikelmorfologier i form av pyramidformade nanopartiklar till blomformationer. Utöver de specifika reaktionsparametrarna utvecklades även en ny ultrasonikeringsmetod för att rena ytorna hos partiklarna från motjoner relaterade till de valda specifika salterna. Metodiken som visade sig avsevärt mer effektiv än sedvanlig rening att utfällda nanopartiklar via repetitivt vattenutbyte, och skapade förutsättningar etablering av kolloidal stabilitet och fragmentering av aggregat i vattensuspensionerna. Efter ultrasonikeringsreningen beräknades de kvarvarande zinkhydroxidsalterna (ZHS) utgöra endast ett atomlager ZHS utifrån termogravimetriska data kompletterade med infraröd spektroskopi. En metod att eliminera de kvarvarande ZHS-komplexen från ytan av partiklarna tillämpades/utvecklades, inkluderade ytbeläggning av partiklarna med silan, följt av värmebehandling samt etsning av den resulterande kiseloxidytan, för att uppnå en ren hydroxylyta på partiklarna. Ytkemin hos dessa partiklar modifierades från att bestå av hydroxylgrupper till att utgöras av hydrofoba alkylgrupper med olika längder relaterade metyltrimetoxysilan (C1), oktyltrietoxysilan (C8), eller oktadekyltrimetoxysilan (C18). Även MgO nanopartiklar framställdes via vattenutfällning av Mg(OH)2 partiklar, vilka omvandlades till MgO nanopartiklar via en lågtemperatur värmebehandling vid 400°C. Ytan av dessa partiklar omvandlades dock till hydroxid i fuktig miljö. En ny metod att bibehålla den stora ytarean av MgO nanopartiklarna med anmärkningsvärd motståndskraft mot att omvandlas till hydroxid utvecklades således. Metoden består av (a) en låg temperatur omvandling av Mg(OH)2, (b) en kiseloxidytbehandling av nanopartiklarna för att undvika partikelsintring vid högre temperaturer och (c) en hög temperaturbehandling vid 1000 °C. De framställda partiklarna uppvisade ingen anmärkningsvärd känslighet mot luftfuktighet och bibehöll MgO sammansättningen efter exponering mot fukt. De modifierade metalloxid nanopartiklarna visade mycket liten adsorption av fenoliska antioxidanter, vilket medförde en långtidsstabilitet hos polyeten nanokompositerna. De ytmodifierade metalloxidpartiklarna visade även förbättrade möjligheter för dispergering och yt-kompatibilitet med/i polyetenmatrisen i jämförelse med omodifierade metalloxidpartiklar, utifrån mätningar baserade på dragprovning och svepelektronmikroskopi. Slutligen, de utvecklade ytorna på de modifierade nanopartiklarna skapade ett polymer/nanopartikel gränssnitt som kunder fungera som laddningsansamlingsområden i nanokompositerna, vilket resulterade i en storleksordning minskad ledningsförmåga hos kompositerna jämfört med den rena polyetenen. / <p>QC 20160829</p>

Composite coatings have great potential due to the possibility to combine properties of two different materials in one coating. This way, new surface properties can be tailored and applied to any material's surface. Among different manufacturing routes, electrodeposition has the biggest potential in creating composite metal matrix coatings, especially nanocomposites. Nevertheless, there is a knowledge gap between the deposition of composite coatings in laboratory conditions, described in the literature, and those that are now in place on an industrial level. While micro-composites have been industrialised for about ten years, the production of Ni/SiC nanocomposite coatings by electroplating is still far from an industrial manufacturing floor. This is due to the lack of understanding of the mechanisms of nanoparticles codeposition leading to scattering results. The production of nanocomposite coatings is much more sensitive to the process parameters compared to microcomposite. The correlation between parameters and their influence on the codeposition are still not fully identified and understood. The codeposition models proposed in the literature are only valid in specific conditions, but composite depositions behave differently, or even opposite if some of the variables are modified. The main objective of this work is to identify the particle-current-electrocrystallization interactions in the production of Ni/SiC nanocomposites. A series of experiments are designed to isolate single variables and identify the controlling parameters of these interactions and their impact on the final properties. In this thesis, the effect of current density, type of current and particles size are identified as primary variables controlling the metal crystallisation and coatings properties. Among many parameters, a specific current waveform in pulse reverse mode proved to increase the codeposition rate effectively, doubling the content of nanoparticles compared to other techniques. Ultrasound assistance is also considered as stirring method when particles are suspended in the deposition bath to increase their stability and dispersion. The effect of Ultrasound on the particles codeposition and metal crystallisation is studied and compared to silent condition. Moreover, a surface treatment for the particle has been proven successful in making any particle to behave similarly in the Ni deposition bath. Furthermore, the codeposition rate doubled or tripled compared to untreated ones thanks to this treatment. Both ultrasonic agitation and surface treatment reduce the formation of aggregates, improving the particle dispersion and metal microstructure thus increasing the final hardness. The work proved the synergistic effect between particle and metal microstructure which affected the final properties of the coating. Therefore, when tailoring the composite coating to improve hardness, it is not only the amount of the particles that should be considered but also their influence on the electrocrystallisation process. / Kompositbeläggning har stort potential tack vare möjligheten att kombinera två material i samma ytskikt. På detta sätt kan nya ytegenskaper skräddarsys och appliceras på ett materials yta. Elektrodeposition är den tillverkningsmetod som har störst potential att uppnå kompositbeläggningar, i synnerhet nanokompositer. Ett kunskapsgap existerar mellan elektrodeposition under laboratorieförhållanden, som beskrivet i vetenskaplig litteratur, och hur processen går till i industriell miljö. Medan industriell tillämpning av mikrokompositer pågått ungefär tio år, så har produktion av Ni/SiC nanokompositbeläggningar fortfarande inte nått fabriksgolvet. Detta är en konsekvens av bristande förståelse kring mekanismer för samdeposition av nanopartiklar som leder till varierande resultat. Produktion av nanokompositbeläggningar är mycket mer känslig för processparametrar jämfört med mikrokompositer. Korrelationer mellan parametrar och dess inverkan på samdeposition är fortfarande inte fullt identifierade och förstådda. Modeller för samdeposition som föreslås i vetenskaplig litteratur är endast giltiga under särskilda förhållanden. Kompositdeposition kan uppvisa avvikande eller till och med motsatt beteende om variabler förändras. Huvudmålet med detta arbete är att identifiera interaktioner mellan partikel, ström och elektrokristallisering under tillverkning av Ni/SiC nanokompositer. En serie av experiment är utvecklade för att isolera variabler och identifiera de parametrarna som kontrollerar dessa interaktioner och dess inverkan på ytans egenskaper. I denna avhandling identifieras strömtäthet, typ av ström, och partiklars storlek som primära variabler som kontrollerar metallkristallisering och beläggningens egenskaper. Bland många parametrar, visades en specifik vågform på strömmen i omvänd pulsläge öka samdepositionen effektivt, ledande till en fördubbling av andelen nanopartiklar jämfört med andra tekniker. Ultraljud tillämpades som metod för omrörning av depositionsbadet för förbättrad stabilitet och fördelning. Effekten av ultraljud på samdepositionen av metallkristallisering studeras och jämfört med tyst tillstånd. Dessutom har en ytbehandling för partiklarna visats framgångsrik för att få godtyckliga partiklar att bete sig likt Ni i depositionsbadet. Detta ledde till att samdepositionens takt ökade med en faktor av två till tre jämfört med obehandlade partiklar. Både ultraljud och ytbehandling av partiklarna ledde till minskad aggregation vilket förbättrade fördelningen av partiklar och metallstruktur och därigenom ökad hårdhet. Arbetet bevisar synergieffekten mellan partiklar och metallstruktur vilket påverkar beläggningens slutliga egenskaper. Vid utveckling av nya ytbeläggningar ska därför inte bara mängden partiklar beaktas utan även dess interaktion med elektrokristalliseringsprocessen.

Lignin, en av huvudkomponenterna i lignocellulosabiomassa, utgör en stor mängd av sidoströmen från massaindustrin. Lignin är aromatiska makromolekyler som förekommer i rikliga mängder i naturen och uppvisar unika antioxidant-, uv-skyddande, anti-ultravioletta, antikorrosiva och antimikrobiella egenskaper, etc. Ligninbaserade produkter är ännu inte kommersialiserade eftersom de är begränsade av den kemiska heterogeniteten hos lignin som separerats från olika råvaror och producerats i olika industriella processer. Istället förbränns lignin vanligtvis för värme- och elproduktion efter extraktion. Tillvägagångssätt för att bevara värdefulla egenskaper hos lignin och samtidigt övervinna begränsningar har blivit heta ämnen. I detta projekt genomfördes kemiska modifieringar av kraftlignin från olika naturliga råvaror, gran och eukalyptus, där fenolgrupperna ersattes av alkylgrupper med olika kedjelängder (kolnummer 1, 6 och 12). De kemiska strukturerna och de termiska egenskaperna hos kraftlignin studerades med en kombination av analytiska metoder. Egenskaperna hos två typer av tekniska kraftligniner och dess derivat undersöktes även för jämförelse. Resultaten visade att kemiskt modifierat lignin kan vara ett lovande råmaterial för förädlade produkter som till exempel ligninbaserade nanopartiklar. / Lignin, one of the major components in lignocellulose biomass, makes up a large amount of sidestream from the pulp industry. As an abundant feedstock of bio- originated aromatic macromolecules, lignin shows unique antioxidant, UV-protective, anticorrosive, and antimicrobial properties, etc. However, limited by the chemical heterogeneity of lignin separated from different bioresources and industrial procedures as well as its recalcitrance as macromolecules, lignin-based products are not yet commercialized, while lignin is commonly burnt for heat or power generation after extraction. Approaches of preserving valuable properties of lignin meanwhile overcoming limitations have become heated topics. In this project, chemical modifications of kraft lignin from different natural bio-origins, spruce and eucalyptus, were conducted, with alkyl groups of various chain lengths (carbon numbers 1, 6 and 12) substituting the phenolic groups. A combination of analytical methods for characterizing the chemical structures and thermal properties of kraft lignin and chemically modified kraft lignin were studied. Meanwhile, the characteristics of two kinds of technical kraft lignin and their derivatives were investigated for comparison. Results highlighted that chemically modified lignin could be a promising material to serve as a feedstock for value-added products such as lignin-based nanoparticles.

With the introduction of nanoparticles in health care and daily products, the interaction between cells and nanoparticles is of great interest. There are many ways to examine these interactions, one of them being soft X-ray microscopy. It is a technique utilizing the water window to image biological samples, its greatest benefit being the non-invasive sample preparation, keeping the cell in a near-native state. The Stockholm Laboratory Soft X-ray Microscopy is a compact soft X-ray microscope that is currently being used to examine cell interactions. However, the sample preparations have been inconsistent and have yielded few useful and reproducible results. The purpose of this project is to optimize the cell preparation for better imaging using the Stockholm Laboratory Soft X-ray Microscope.  To reach the project goal to enable imaging of the nucleus and organelles in macrophages, this thesis will present a sample preparation protocol for macrophages where the concentration, blotting and cryo-fixation of the samples have been improved. The macrophage preparation was also tried on two other types of cells, amoeba and HEK 293 cells, to see if this preparation is universal for all cell lines. The results indicated that the most difficult and crucial step is the blotting, as too dry samples destroy the cells and too wet samples will yield almost no transmission in the microscope, making it impossible to image. / Med introduktionen av nanopartiklar i vården och dagliga produkter är samspelet mellan celler och nanopartiklar av stort intresse. Det finns många sätt att undersöka dessa interaktioner, ett av dem är mjuk röntgenmikroskopi. Det är en teknik som använder vattenfönstret för att avbilda biologiska prover, vars största fördel är den icke-invasiva provberedningen, som håller cellen i ett nästan naturligt tillstånd. Stockholm laborativa mjukröntgenmikroskop är ett kompakt mjuktröntgenmikroskop som för närvarande används för att undersöka cellinteraktioner. Provberedningarna har dock varit inkonsekventa och har gett få användbara och reproducerbara resultat. Syftet med detta projekt är att optimera cellförberedelsen för bättre avbildning med hjälp av Stockholm laborativa mjukröntgenmikroskop. För att uppnå projektmålet att möjliggöra avbildning av cellkärnor och organeller i makrofager, så kommer denna avhandling att presentera ett provberedningsprotokoll för makrofager där koncentrationen, blotting och kryofixering av proverna har förbättrats. Makrofag-preparatet testades även på två andra typer av celler, amobea- och HEK 293-celler, för att se om detta preparat är universellt för alla cellinjer. Resultaten visade att det svåraste och mest avgörande steget är blotting, eftersom för torra prover förstör cellerna och för våta prover kommer att ge nästan ingen överföring i mikroskopet, vilket gör det omöjligt att avbilda.

Nanomaterial produceras och används alltmer i tekniska lösningar för att förbättra t.ex. materialegenskaper. Eftersom ett materials egenskaper förändras när det är i nanoskala så påverkas även dess toxikologiska egenskaper. För närvarande finns det ett flertal rapporter om oavsiktligt bildande av metalliska nanopartiklar, Me NPs, vid byggarbetsplatser, vilket riskerar att byggarbetarna exponeras för att andas in dessa partiklar.  På grund av nanomaterialens storleksberoende egenskaper så är inte dagens toxikologiska utvärderingsmetoder sällan anpassade för dessa typer av material. Att undersöka växelverkan mellan Me NPs och pulmonella biomolekyler och utveckla metoder för analys därför av hög prioritet.  I detta examensarbete har en metod för upplösning av det pulmonellt ytaktiva ämnet fosfolipid 1,2-dipalmitoylfosfatidylkolin, DPPC, baserat på sonikering i vattenbad testats och utvärderats. Den simulerade lungvätskan Gambles lösning har testats och utvärderats som en möjlig lösning för att studera växelverkan mellan DPPC och Co NPs. Växelverkan mellan dess komponenter och Co NPs har studerats med hjälp av PCCS, NTA samt ATR-FTIR. Då examensarbetet genomfördes under den pågående Covid-19 pandemin har anpassningar i det experimentella arbetet gjorts med hänsyn till det rådande läget. PCCS visade att vid upplösning av DPPC i lösningen så minskade sonikering omfattningen av sedimentationen och den resulterande storleken på liposomerna låg inom intervallet mellan 50 och 70 nm i ultrarent vatten och mellan 30 och 40 nm i Gamble’s lösning. Skillnaden i liposomstorlek tros bero av växelverkan mellan komponenterna i Gamble’s lösning och DPPC, vilket även observerades med FTIR och överensstämmande med litteraturen. Den relativa skillnaden i liposomstorlek i de olika lösningarna observerades också med NTA, men experimentella problem kan ha påverkat resultaten. Gamble’s lösning hade en inverkan på Co NPs i lösningen, bland annat genom att uppmätta partikelkoncentrationer bestämde med hjälp av PCCS och NTA var mindre än hälften av motsvarande koncentration initialt i ultrarent vatten (vid 0 h). En trolig förklaring är att den högre jonstyrkan hos Gamble’s lösning orsakar snabb sedimentation och/eller snabb upplösning av Co NPs. Tillsättning av DPPC till en lösning av Co NPs i Gamble’s lösning släckte ut effekten, vilket indikerar en växelverkan mellan Co NPs och komponenter i Gamble’s lösning. Jämförelse av normaliserade integraler från ATR-FTIR med DPPC i Gamble’s lösning utan Co NPs och när lösningen exponerades för en Co NP film visade en signifikant skillnad efter 90 min och vid sköljning. Baserat på projektets resultat så föreslås Gamble’s lösning att bytas ut på grund av dess växelverkan med de olika komponenterna samt att liposomstorleken studeras mer i detalj. Framtida studier uppmuntras omfatta en upprepning av ATR-FTIR- mätningarna samt en frisättningsstudie av Co NPs i olika lösningar. / Nanomaterials, NMs, are increasingly produced and applied in technical applications to enhance, e.g. material properties. Since material properties change when in nanoscale, they influence their toxicological properties. There are also numerous reports of incidental formation of metallic nanoparticles, Me NPs, at construction sites, which may place workers at risk of occupational exposure by inhaling these materials. However, because of NMs size-dependent properties, current standard toxicological evaluation methods are not always well suited to these types of materials. Investigations into interactions between Me NPs and pulmonary biomolecules and method development for analysis of these interactions are therefore of high priority. In this master thesis, a description on how to dissolve the pulmonary surface active phospholipid 1,2-dipalmitoylphosphatidylcholine, DPPC, via water bath sonification has been elaborated and evaluated. The simulated lung fluid, Gamble’s solution, has been tested and evaluated as a possible medium to study interactions between DPPC and cobalt (Co) NPs under more realistic laboratory conditions. Interactions between the sample components have been studied using Photon cross-correlation spectroscopy, PCCS, Nanoparticle Tracking Analysis, NTA, and Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectroscopy, ATR-FTIR. Since the master thesis study was conducted during the onset of the Covid-19 pandemic, adjustments related to experimental work had to be made. PCCS showed that sonication of the DPPC solution reduced the extent of sedimentation, and the resulting size range of liposomes in solution was in the range between 50 and 70 nm in ultrapure water and between 30 and 40 nm in Gamble’s solution. Observed differences in liposome size are believed to be due to the interaction between the components of Gamble’s solution and the DPPC. This was also observed in the IR- spectra and comparable with literature findings. NTA measurements similarly visualize the relative difference in the size of the liposomes in the different media, but difficulties with the experiments may have affected the results. Gamble’s solution affected the Co NPs, such that measured particle concentrations of the NPs by means of PCCS and NTA were approximately less than half of the initial observations in ultrapure water (at 0 h). A likely explanation is that the high ionic strength of Gamble’s solution induces either fast sedimentation and/or rapid dissolution of the Co NPs. The addition of DPPC to Co NPs in Gamble’s solution cancelled this effect and suggest interactions between Co NPs and Gamble’s solution. Comparison of the normalized integrals of the ATR-FTIR- spectra of DPPC in Gamble’s solution with and without exposure to a Co NP film showed a significant difference after 90 min and upon rinsing the flow cell. Based on these results, an alternative to Gamble’s solution is suggested due to its interaction with other experimental components and that DPPC is used at a lower concentration investigation on liposome sizes are made in more detail. In addition, the ATR-FTIR measurements should be repeated, and dissolution studies of Co NPs in different synthetic media are encouraged in future studies.

Artificial photosynthesis is used to harvest solar energy and store it in the form of chemical bonds. The system of interest in this study does this by splitting water into hydrogen and oxygen gas through a plasmon assisted process, collective oscillations from free electron gas. This is a renewable way to store energy that could be used as an alternative to fossil based fuel. In this study, a small part of this photo catalytic system is studied, namely the interaction between plasmonically active silver nanoparticles (Ag NPs) transferring photo-excited electrons via a linker molecule, 4-aminobenzoic acid (pABA). The pABA linker molecule transfers charge from the Ag surface to a semiconductor and a catalyst performing the water splitting. The pABA can bind in different ways onto the Ag-surface and the aim of this study is to examine which bond is strongest and which best enables charge transfer. To this purpose three systems where simulated quantum mechanically using a supercomputer. The total free energy of the systems was computed and compared. Out of the three studied binding sites, the hollow-site bond (pABA binding to three silver atoms) was found to have the lowest energy, meaningit's the strongest of the possible bonds. Additionally it was found that the band gap (the energy needed to transfer charge) for the pABA decreased when bound to the Ag-surface. The hollow-site bound pABA also had the smallest band gap, meaning it requires the least energy to transfer a charge and should therefore be the best bond fitted for the photo catalytic system. / Artificiell fotosyntes används för att absorbera solenergi och förvara den i formen av kemiska bindningar. Systemet som används i denna studie gör detta genom att splittra vatten till vätgas och syrgas genom en plasmon assisterad process. Detta är ett förnyelsebart sätt att förvara energi och kan användas som ett alternativ till fossila bränslen. I denna studie studeras en liten del utav detta fotokatalytiska system nämligen interaktionen där plasmonaktiva silvernanopartiklar (Ag NPs) överför foto-exciterade elektroner genom molekyllänken 4-aminobensoesyra (pABA). Molekyllänken pABA överför laddning från silverytan till en halvledare och en katalys som utför splittringen av vattnet. pABA kan binda på olika sätt tillen silveryta och denna studie syftar till att undersöka vilken utav bindningarna som är starkast och vilken som effektivast överför laddning. För att göra detta simulerades tre system kvantmekaniskt med hjälp av en superdator, ett system för varje sorts bindning. Den totala fria energin av systemen beräknades och jämfördes. Av de tre undersökta bindningarna hadehollow-site bindningen (pABA som binder till tre silveratomer) längst energi, vilket betyder att det är den starkaste av bindningarna. Utöver detta så visade det sig att bandgapet (energin som krävs för att överföra laddning) minskade för pABA när den var bunden till Ag-ytan. Hollow-site bundet pABA hade även minst bandgap, vilket betyder att den kräver minst energi för att överföra laddning och är därmed den mest effektiva bindningen för det fotokatalytiska systemet.

In this master work, we investigated the feasibility of a magnetic resonance measurement technique using magnetic nanoparticle dispersions in both liquid and solid form. The implementation is realised as a coplanar waveguide operating in the frequency range of 0.5 - 20 GHz and an electromagnet producing a static magnetic field of strength up to 1.2 T. The Gilbert magnetic damping factor is determined for polymer composites of magnetic nanoparticles and the gyromagnetic ratio is determined for both nanoparticle dispersions in liquid form and polymer composites.