Optické biosenzory s povrchovými plasmony umožňují rychlou a citlivou detekci biologických látek s uplatněním v medicíně, monitorování životního prostředí, kontrole potravin nebo bezpečnosti. S rozmachem nanověd a nanotechnologií se miniaturizace plasmonických senzorů (až na úroveň jedné nanočástice) stala atraktivním cílem. Vědci Ústavu fotoniky a elektroniky se ve výzkumu proto zaměřili na studium různých typů plasmonických nanostruktur a jejich potenciálu pro vývoj vysoce citlivých plasmonických biosenzorů. Ve spolupráci s Karl-Franzens University v Grazu studovali detekční schopnosti senzorů založených na dvou typech struktur - uspořádaném poli zlatých nanotyček a na souvislé velmi tenké vrstvě zlata. Ukázalo se, že přestože senzor založený na nanotyčkách je schopen generovat odezvu při podstatně nižším počtu zachycených molekul, výsledná analytická citlivost těchto senzorů je srovnatelná. Dále vědci analyzovali a popsali vliv transportních jevů a vlastností molekulárních interakcí na detekční vlastnosti plasmonických nanosenzorů. Plasmonické nanostruktury byly využity pro konstrukci nových biosenzorů. Byl vyvinut, například, plasmonický biosenzor pro detekci karcinoembryonálního antigenu (carcinoembryonic antigen, CEA; zvýšené hladiny indikují rakovinu trávicího traktu, prsu či plic) a receptoru pro vaskulární endotelový růstový faktor (vascular endothelial growth factor receptor, VEGFR; uplatňuje se u myelodysplastického syndromu a akutní myeloidní leukémie). S použitím funkcionalizovaných zlatých nanočástic, které zesilují odezvu plasmonického senzoru byl senzor schopen měřit extrémně nízké koncentrace CEA. Dosažený detekční limit (100 pg/mL) byl o řád nižší, než jsou typické fyziologické hodnoty u zdravých jedinců.

Piliarik, M. - Šípová, H. - Kvasnička, P. - Galler, N. - Krenn, J. R. - Homola, J: High-resolution biosensor based on localized surface plasmons, Optics Express, 20, 672-680 (2012).

Kvasnička P. - Chadt, K. - Vala, M. - Bocková, M. - Homola, J.: Towards single-molecule detection with sensors based on propagating surface plasmons, Optics Letters, Sv. 37 (2012), s. 163-165.

Šípová, H. - Vrba, D. – Homola, J.: Analytical value of detecting an individual molecular binding event: the case of the SPR biosensor, Analytical Chemistry, Sv. 84, (2012), s. 30-33.

Špringer, T. - Homola, J.: Bio-functionalized gold nanoparticles for SPR biosensor-based detection of CEA in blood plasma, Analytical and Bioanalytical Chemistry, Sv. 404 (2012), s. 2869-2875.

Pimková, K. - Bocková, M. - Hegnerová, K. - Suttnar, J. - Čermák, J. - Homola, J. - Dyr, J. E.: Surface plasmon resonance biosensor for the detection of VEGFR-1 – a protein marker of myelodysplastic syndromes, Analytical and Bioanalytical Chemistry, Sv. 402 (2012), s. 381-387.

 

Detekční formát použitý pro detekci karcinoembryonálního antigenu (CEA)

 

Kalibrační křivka pro detekci CEA v 50% lidské krevní plazmě

 

Spolupracující subjekt: Karl-Franzens University of Graz, Rakousko, Ústav hematologie a krevní transfuze, Praha

Kontaktní osoba: Jiří Homola, tel. 266 773 404, homola@ufe.cz

 

 

Materiály vhodné pro použití za vysokých teplot jsou většinou na bázi keramik. Zásadní obtíží aplikace těchto materiálů je jejich křehkost. Již několik desetiletí je věnováno značné úsilí jejich zhouževnatění. Jako nejúčinnější se ukazuje použití výztuže v podobě dlouhých keramických vláken. Tento zdánlivý paradox, tj. vyztužení křehkého materiálu stejně křehkým materiálem, využívá synergismu několika účinků zhouževnatění, a proto vláknové kompozity dosahují nejvyšší odolnosti proti porušení. Příprava keramických vláknových kompozitů určených pro dlouhodobé použití za teplot vyšších než 1000°C patří k velmi nákladným, a to zejména z důvodu vysoké ceny vstupů a nákladné výroby. Vývoj dlouho vláknových kompozitů za použití ekonomicky výhodnějších vstupních materiálů a výrobních procesů při zachování dostatečné mechanické odolnosti byl hlavním cílem dlouhodobé spolupráce mezi Ústavem fyziky materiálů, Ústavem struktury a mechaniky hornin a Ústavem makromolekulární chemie AV ČR. Na základě zjištěné mechanické odezvy jednotlivých složek kompozitu a následně i kompozitu samotného byla optimalizována jeho příprava tak, aby se mohly vynechat nákladné procesy, jakým je například úprava povrchu vlákna. Jedinečné vysokoteplotní vlastnosti jsou poskytnuty matricí tvořenou SiOC skly připravenými pyrolýzou z polymerních prekurzorů na bázi polysiloxanových pryskyřic. Výhodou je nejen vysokoteplotní stabilita takové matrice, testovaná do teplot 1550°C, ale i možnost přizpůsobení jejich fyzikálních vlastností modifikováním složení pryskyřice. Cíleným řízením vlastností matrice, získaných na základě instrumentované indentační zkoušky a dalších metod, bylo dosaženo optimalizace funkce celého kompozitu, kde základním mechanismem pro zhouževnatění je vytahování vláken, tzv. pull-out, který je dobře viditelný na obrázku. Díky takto provedenému naladění vlastností rozhraní vlákna a matrice se podařilo dosáhnout vysokých hodnot naměřené lomové houževnatosti, přesahujících 20 MPa.m^1/2. Tyto hodnoty houževnatosti jsou srovnatelné se špičkovými materiály vyrobenými nákladnějšími postupy.

 

Lom kompozitu

Lomová plocha kompozitu ukazující vytahování vláken z matrice, tzv. pull-out.

 

Spolupracující subjekt: Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR v. v. i. a Ústav makromolekulární chemie AV ČR, v. v. i.

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Ing. Zdeněk Chlup, Ph.D., 532290335, chlup@ipm.cz

 

 

V budoucím termojaderném reaktoru typu tokamak je třeba plazma dostatečně ohřát na teplotu potřebnou k uskutečnění termojaderné (fúzní) reakce. Jednou z možností je ohřev dolně hybridní (LH) vlnou, která se ale musí spolehlivě šířit v okrajovém (SOL) plazmatu a pak dále do vnitřku reaktoru. Spolehlivé šíření LH vlny ve směru od antény (Obr. a) v plazmatu tokamaku JET je zajištěno systémem vstřiku plynu, který je umístěn poblíž vnější stěny. Vstřiknutý plyn je ionizován pohlcením energie LH vlny v SOL plazmatu. Na JETu byl proveden experiment spolu s modelováním SOL plazmatu poblíž antény s cílem studovat, zda vstřik plynu shora, tak jak je předpokládán v tokamaku ITER, může též zajistit dobré šíření LH vln. Výsledky ukazují, že vstřik shora není dostatečně účinný pro zajištění přenosu LH výkonu do plazmatu. Proto vědci z Ústavu fyziky plazmatu doporučují dodatečný systém vstřiku plynu ve středové rovině (Obr. b), aby se zajistil dostatečný růst hustoty poblíž antény (Obr. c) a spolehlivá vazba pro LH anténu v tokamaku ITER.

 

Ohřev plazmatu dolně hybridní vlnou v tokamaku JET

a) Pohled na anténu – „LHCD launcher“ uvnitř tokamaku JET; b) Poloha LH antény a místa vstřiku plynu („Gas pipe GIM6“); c) Vypočtený profil hustoty plazmatu v okrajové vrstvě (SOL). Při námi doporučeném vstřiku plynu ve vnější středové rovině (čárkovaná zelená křivka) dochází k nárůstu hustoty plazmatu potřebnému pro dobré šíření LH vlny.

 

Spolupracující subjekt: Culham laboratory, JET (Joint European Torus) tokamak, Velká Británie

Kontaktní osoba: Ing. DrSc. V. Petržílka, 2 6605 2520, vap@ipp.cas.cz

 

 

Konvenční úprava vody pomocí koagulace (mechanismus odstranění látek při úpravě vody jejich srážením) je značně citlivá na přítomnost organických látek produkovaných fytoplanktonem, které se vyskytují v eutrofizovaných zdrojích vody. Tyto látky je nejen obtížné při úpravě vody účinně odstranit, ovlivňují ale také odstranitelnost ostatních znečišťujících příměsí (jílovité částice, huminové látky atd.)

V rámci výzkumu vlivu organických látek produkovaných sinicí Microcystis aeruginosa na koagulaci bylo prokázáno, že její účinnost je silně závislá na hodnotě pH, která určuje náboj na povrchu organických látek i náboj koagulačního činidla (používají se k odstraňování znečišťujících příměsí při úpravě vody) a tedy i převládající mechanismy interakcí mezi nimi. Účinné koagulace a nejvyššího odstranění organických látek je dosaženo v rozmezí pH 4-6 v důsledku nábojové neutralizace jejich záporně nabitého povrchu kladně nabitými částicemi koagulačního činidla. Bylo prokázáno, že při nízkém koncentračním poměru organických látek a částic koagulačního činidla dochází také k jejich koagulaci v rozsahu pH 6-8 mechanismem adsorpce. Dále bylo prokázáno, že ve slabě kyselé oblasti pH dochází k narušení koagulačního procesu v důsledku tvorby rozpustných organo-železitých/hlinitých komplexních látek (hliník a železo jsou součástí koagulačních činidel). Maximální schopnost tvořit tyto rozpustné komplexní látky byla pozorována při pH 6 až 7. Bylo též prokázáno, že vysokomolekulární organické látky produkované sinicí Microcystis aeruginosa jsou odstraňovány s vyšší účinností než látky nízkomolekulární. Tyto neodstraněné nízkomolekulární organické látky byly identifikovány jako komplexotvorné a na základě tohoto zjištění byla vyslovena domněnka, že tvorba rozpustných organo-železitých/hlinitých komplexů je hlavním mechanismem inhibice koagulace v neutrální oblasti pH.

 

Mechanismus stérické stabilizace

Mechanismus stérické stabilizace při vysokém koncentračním poměru mezi celulárními organickými látkami (COM - Cellular Organic Matter) produkovanými sinicí Microcystis aeruginosa a částicemi koagulačního činidla - adsorpce COM polymerů (peptidy a proteiny) na hydratovaných oxidech železa vedoucí k inhibici koagulace.

 

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): M.Pivokonský, tel.: 233109068, pivo@ih.cas.cz

 

 

Vědci z Ústavu přístrojové techniky navrhli a experimentálně ověřili koncept interferometru pro měření délky, který téměř zcela potlačí vliv měnícího se indexu lomu vzduchu. Laserová interferometrie je nejpřesnější metodou měření délek (a všech ostatních geometrických veličin). Přímo souvisí s definicí délky, v níž vystupuje rychlost šíření světla ve vakuu. Praktická měření ale mají smysl jen za přítomnosti vzduchu. Ten ovšem ovlivňuje rychlost světla, což se vyjadřuje tzv. indexem lomu. Při nejpřesnějších měřeních je právě tento vliv největším zdrojem chyb měření, především proto, že vzduch je nehomogenní a vznikají v něm miktoturbulence. Tradiční pojetí interferometrie předpokládá použití laseru s velmi přesnou vakuovou vlnovou délkou, jehož jednotlivé vlnové délky slouží k odměření neznámé délky. Korekce na vzduchovou vlnovou délku se děje nepřímým měřením indexu lomu vzduchu z hodnot tlaku, teploty, vlhkosti a někdy i obsahu oxidu uhličitého. Tím nelze rychlé změny postihnout, nehledě na fakt, že neměříme přímo v dráze laserového svazku. Řešení Ústavu přístrojové techniky naproti tomu předpokládá stabilizaci vzduchové vlnové délky v celém měřicím rozsahu. Řízením (laděním) laseru pak lze v reálném čase změny indexu lomu v dráze svazku kompenzovat. Stabilizace vlnové délky je odvozena od délky např. tyče z materiálu s velmi malou teplotní roztažností. Vlastní interferometr je pak optickou soustavou měřicí polohu pohyblivého vozíku ze dvou směrů a současně sledující délku celkového měřicího rozsahu, což se využívá ke stabilizaci. Tento princip je krytý patentem ústavu a bude využit v rámci evropského projektu „Metrology for movement and positioning in six degrees of freedom“, jehož se pracovníci Ústavu přístrojové techniky stali účastníky.

 

Interferometer s kompenzací vlivu fluktuace indexu lomu vzduchu

Interfreometrická sestava se stabilizací vlnové délky

 

Kontaktní osoba: doc. Ing. Josef Lazar, Dr., 541514253, joe@isibrno.cz

 

Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR dosud jako jediný provedl skutečně korektní výzkum a objektivní měření zpevňovacího efektu vápenné vody na zkarbonatovanou vápennou maltu. Na základě laboratorních experimentů prováděných v Ústavu teoretické a aplikované mechaniky bylo zjištěno, že vápenná voda (nasycený vodný roztok hydroxidu vápenatého) zpevňuje vápennou omítku významněji až po nanesení vysokého počtu aplikačních cyklů (161 cyklů). Vedle vápenné vody byly testovány i jiné prostředky užívané v památkové péči pro obnovení soudržnosti a zpevnění přírodních kamenů a omítek, především prostředky na bázi esteru kyseliny křemičité a dále dnes velmi moderní a nadějné suspenze nanočástic hydroxidu vápenatého v etanolu nebo izopropylalkoholu. „Nanovápna“ mají za sebou ve vyspělých evropských zemích již řadu významných aplikací při záchraně značně narušených památek. Forma suspenze vápenných částic v alkoholech umožňuje aplikovat do poškozených omítek mnohem vyšší koncentraci aktivní látky než je možné v případě vodného roztoku, navíc v mnoha případech je výhodná i bezvodá forma suspenze. Zvláštní pozornost zasluhují konsolidační technologie, které berou u historických materiálů v úvahu komplexnost celého systému a nesnaží se řešit problém jediným konsolidačním přípravkem. Z hlediska času a výše zpevnění se v experimentu ukázala jako velmi efektivní varianta kombinovaného napuštění malty zředěným esterem kyseliny křemičité s následnou několikanásobnou aplikací suspenze nanovápna v etanolu.

 

Zkoušení pevnosti v tahu za ohybu konsolidovaného plátku kamene

Testování mechanických vlastností historických stavebních materiálů před a po jejich ošetření zpevňujícími prostředky je základní metodou umožňující experimentálně zjistit konsolidační efekt zpevňujících látek napouštěných do věkem poškozených povrchů stavebních památek.

 

Kontaktní osoba: Zuzana Slížková, 222363074, slizkova@itam.cas.cz

 

 

Tento výsledek má dvě roviny, vzájemně se doplňující. První rovina je popularizace vědy a demonstrace toho, že experimentální mechanika tekutin a termodynamika není uzavřena do složitých a drahých laboratoří, ale její projevy možno vnímat v každodenním životě. Konkrétně, „kuchyňský" experiment spočívá v poklepání lžičkou na šálek horkou vodou zalité kávy. Přitom je jasně slyšitelné, jak tón při poklepání stoupá. Tón je generován stojatým vlněním vody, obdobně jako vlnění vzduchu generuje tón hudebních nástrojů, ať už flétny nebo varhan. Tón stoupá, neboť rychlost zvuku v kapalině se mění (roste) s tím, jak bublinky unikají pryč (tón hudebního nástroje se měnit nemůže, neboť rychlost šíření zvuku ve vzduchu je pro danou teplotu konstantní). Jiný „kuchyňský" experiment spočívá v poklepání na sklenici právě natočené horké vody, kdy zvuk nejprve slyšitelně klesá, následně pak zase stoupá. Fyzikální zdůvodnění je stejné: rychlost zvuku v kapalině se snižuje výskytem bublin.

Druhá rovina práce je odborná. Ukazuje, jak možno uvážlivě provedený jednoduchý experiment interpretovat, kvantifikovat a nalézt v něm pozoruhodné nové poznatky. Zvukový záznam byl podroben časové a frekvenční analýze. Teoretická analýza pak umožnila popsat dynamiku procesu a jeho příčiny, konkrétně nelineární závislost rychlosti zvuku ve dvoufázové směsi kapaliny a plynu vzhledem ke složení v průběhu času.

Zkoumané zvukové projevy mohou mít mnoho aplikačních využití, např. bezkontaktní měření složení dvoufázových směsí v laboratořích i průmyslu. Vzhledem k tomu byl proveden třetí experiment v laboratorních podmínkách, při uspořádání běžném v chemickém a procesním inženýrství při odvzdušňování kapaliny vakuem. Zvukový efekt poklesu tónu byl prokázán v rozsahu až 6,3 oktáv jak ukazuje přiložený spektrogram.

 

Zvuk kávy a jeho vizualizace

Časová závislost poklesu frekvence zvuku (spektrogram) při odvzdušňování kapaliny vakuem.

 

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Ing. Zdeněk Trávníček CSc., 26605 3302, tr@it.cas.cz