Puolustusministeriön maanpuolustuksen tieteellisen neuvottelukunnan rahoittama, äskettäin päättynyt tutkimushanke WeSAFE (Rapid and Portable Field Detection for Chemical and Biological Threats) erottuu innovaation ja tieteidenvälisen yhteistyön malliesimerkkinä aikana, jolloin kemiallisiin ja biologisiin uhkiin reagoiminen on entistä tärkeämpää. Professori Pedro Camargon luotsaamassa hankkeessa kehitettiin vaarallisten aineiden tunnistusteknologiaa Helsingin yliopiston kemian osaston tutkimusyhteistyönä.
Kannettavien testialustojen kehitystyötä
WeSAFE-hanke pyrki vastaamaan tarpeeseen kehittää kannettava, nopea ja erittäin herkkä järjestelmä vaarallisten aineiden tunnistamiseen kenttäoloissa. Kaasukromatografia-massaspektrometriaa, korkean erotuskyvyn nestekromatografiaa ja muita sinällään erittäin herkkiä perinteisiä menetelmiä rajoittaa usein laitteiston suuri koko ja valvottujen laboratorio-olosuhteiden tarve. Tutkimusryhmä kehitti luotettavasti laboratorioiden ulkopuolella käytettävää, pienikokoista tunnistusjärjestelmää hyödyntämällä pinta-avusteiseen Raman-sirontaan eli valon sirontaan perustuvan SERS-ilmiön tarjoamia mahdollisuuksia.
WeSAFE-hankkeen keskiössä olivat tarkoitukseen varta vasten kehitetyt plasmoniset nanorakenteet. Plasmonisten nanohiukkasten tuottamat voimakkaat sähkömagneettiset kuumat pisteet vahvistavat Raman-sirontaa merkittävästi, mahdollistaen vaarallisten yhdisteiden havaitsemisen hyvin pienissä pitoisuuksissa. Esimerkiksi pernaruttoitiöiden biomerkkiaineen – dipikoliinihapon – pitoisuus pystyttiin havaitsemaan pikomolaarisella eli biljoonasosan tarkkuudella. Alusta kykeneekin tunnistamaan biologiset uhat jo varhaisessa vaiheessa.
Yhteistyön voima
WeSAFE-hankkeen menestyksen takana on poikkeuksellinen yhteistyö. Pedro Camargon tietämys nanomateriaalien valmistamisesta yhdistyi saumattomasti professori Markku Vainion vahvaan asiantuntemukseen molekyylispektroskopiassa. Johtaja Hanna Hakulinen ja kemisti Matti Kuula Verifinistä, Kemiallisen aseen kieltosopimuksen instituutista, puolestaan toivat hankkeeseen kemiallisten taisteluaineiden ja niiden analytiikkaan sekä kannettaviin havaintolaitteisiin liittyvän erikoisosaamisensa.
Nelikon yhteistyö ulottui vahvaan teoriaosaamiseen perustuvasta suunnittelutyöstä käytännön toteutukseen, jossa yhdistettiin uusia SERS-materiaaleja kannettaviin Raman-spektrometreihin. Hanke onkin innostava esimerkki siitä, miten eri alojen asiantuntijat voivat yhdessä ratkaista monimutkaisia maailmanlaajuisia haasteita.
Parannuksia SERS-ilmiöön perustuvaan havaitsemiseen
WeSAFE onnistui ratkomaan SERS-pohjaisten vaarallisten aineiden tunnistustekniikoiden pitkäaikaisia haasteita. Tutkimusryhmän työ plasmonisten nanorakenteiden optimoimiseksi paransi mittavan signaalin voimakkuutta ja toistettavuutta eri heräteaallonpituuksilla, mikä on luotettavien kenttäsovellusten kannalta ratkaisevan tärkeää. Lisäksi järjestelmän kyky havaita tiodiglykolia – kemiallisen taisteluaine sinappikaasun hydrolyysituotetta – jo nanomolaarisilla pitoisuuksilla osoittaa sen soveltuvuuden kemiallisten uhkien seurantaan. Hermomyrkkyjen simulanttina toimivan dimetyylimetyylifosfonaatin tunnistamiseen liittyviä haasteita ei onnistuttu ratkaisemaan, mutta hankkeen aikana tehdyt oivallukset loivat pohjaa SERS-menetelmän optimoinnille jatkossa.
Vaikutukset ja tulevaisuudennäkymät
WeSAFE-hankkeen vaikutus ulottuu laboratorion ulkopuolelle. Kannettavan ja erittäin herkän SERS-tunnistusalustan ansiosta voidaan kehittää innovatiivisia ratkaisuja ympäristön tilan seurantaan, yleisen turvallisuuden ylläpitämiseen ja sotilaallisiin sovelluksiin. Hankkeen tulokset osoittavat mahdollisuuden hyödyntää edistyneitä nanomateriaaleja tositilanteissa niin, että uhat havaitaan nopeasti ja luotettavasti myös monimutkaisissa ja muuttuvissa ympäristöissä.
Tutkimusryhmä odottaa pääsevänsä jalostamaan teknistä ratkaisua. Tulevan tutkimuksen tavoitteena on laajentaa havaittavien aineiden kirjoa, parantaa järjestelmän tehoa erinäisissä tilanteissa ja yhdistää siihen uusia signaalinvahvistusmenetelmiä. Näin pyritään paitsi tehostamaan nykyisen järjestelmän suorituskykyä, myös laajentamaan sen soveltuvuutta entistä useampaan kriittiseen turvallisuushaasteeseen.
Mahtava yhteishenki
WeSAFE-hanke osoittaa, mitä eri alojen asiantuntijat voivat saavuttaa yhteen hiileen puhaltamalla. Camargon, Vainion, Hakulisen ja Kuulan yhteistyö on esimerkki onnistuneesta tieteidenvälisestä yhteistyöstä kemian osastolla.
Kemiauutiset-lehden jokavuotisessa tutkimuskatselmuksessa WeSAFE nousee yhdeksi vuoden innoittavimmista menestystarinoista, joka on osoitus paitsi huippututkimuksen edistysaskeleista myös yhteistyön pysyvästä voimasta kemian alan tutkimuksessa.
Teksti: Pedro Camargo, Markku Vainio, Hanna Hakulinen, Matti Kuula
Tämä artikkeli on julkaistu aiemmin englanniksi Helsingin yliopiston kemian osaston julkaisemassa Kemiauutiset/Chemistrynews2025 -lehdessä
Rapid and portable field detection for chemical weapons: Pedro HC Camargo, Flavia Gontijo da Silva, Parisa Talebi, Elisabeth Lemetti, Hanna Hakulinen, Matti Kuula, and Markku Vainio, Publications of the Scientific Advisory Board for Defence 2025:8
This publication is part of the implementation of research funding of the Scientific Advisory Board for Defence (MATINE).