Kémiai Intézet
Kutatás
Kutatási Kompetenciák
Az intézeti alapkutatási témák egyik legfontosabb jellemzője, hogy rendelkeznek az ipari partnereihez kapcsolható együttműködési potenciállal. A különböző kutatási témák koherenciája különösen fontos ebben rendszerben, mert közös ismeretanyagot, infrastruktúrát és nem utolsósorban közös személyi állományt feltételeznek.
Szén-dioxid Kutatócsoport
Kutatócsoport vezetője: Prof. Dr. Mizsey Péter, Professor Emeritus
Kutatócsoport leírása:
Korunk környezetvédelmi kérdéseiben kiemelt helyen áll az antropogén eredetű szén-dioxid emissziójának csökkentése, hiszen ez a legnagyobb mértékben, az atmoszférában jelen lévő üvegházhatású gáz.
Koncentrációja a földi levegőben folyamatosan nő, és jelenleg már a 410 ppm koncentráció felé tart.
A Miskolci Egyetem ezért 2018 januárjában megalapította „Környezetvédelmi Szén-dioxid Partnerség” nevű szakmai hálózatot, melynek célja, hogy a hazai nagyvállalatokkal karöltve, hatékonyan tudjanak a szén-dioxid emisszió csökkentésében fellépni és cselekedni úgy, hogy szem előtt tartják a megújuló energia és nyersanyag témaköröket is. A partnerségi hálózatban, melyet kutatócsoportunk vezetője koordinál, lehetőség nyílik az információk és szakmai hírek gyors cseréjére, hatékony partnerkapcsolat kiépítésére és az innovációs megoldások egyeztetésére.
Kutatócsoportunk kutatási témái szervesen illeszkednek a partnerségi hálózat célkitűzéseibe és viszont. A Kutatócsoport a Partnerséggel közösen vizsgálja:
- az antropogén eredetű szén-dioxid emissziójának csökkentési lehetőségeit,
- a megújuló alapú energia hatékony tárolásának megoldásait,
- az energiatárolással párhuzamosan elvégezhető megújuló alapú nyersanyag gyártását.
Ez a három kihívás egyidejűleg is megoldható, ha a szén-dioxidot tekintjük a körforgásos gazdaság platform molekulájának. A szakmai munka azonban két szinten zajlik:
- technológiai szint
- makrogazdasági szint
A technológiai szinten kidolgozzuk és egymáshoz illesztjük a szén-dioxid alapú körforgásos energiagazdaság hatékony elemeit, úgymint:
- CCU, Carbon Capture and Utilization;
- tiszta szén technológiák bevonása;
- alga szén-dioxid hasznosítási képességének vizsgálata;
- a hidrogén előállítása megújuló alapon előállított elektromos árammal történő vízelektrolízis segítségével;
- a szén-dioxid átalakítása hidrogénnel metánná (földgáz) vagy metanollá;
- az energiatermelési céllal előállított metán és/vagy metanol képezik a megújuló nyersanyagellátás alapját, lsd. Oláh György, Metanolgazdaság;
- energiatermelés az előállított metánból vagy metanolból.
Szuperszámítógépes Modellezés Kutatócsoport
Kutatócsoport vezetője: Prof. Dr. Szőri Milán, egyetemi tanár
Kutatócsoport leírása:
Számszerűen mérhető kémiai sajátságok matematikai modellek segítségével számíthatók is, adódik a kézenfekvő kérdés, miért számítsunk mérhető mennyiségeket?
A jelen kísérleti technológiákkal sok esetben limitált a mérési kapacitás vagy csak nehezen, drágán szerezhető mennyiségi információ.
A számítások eredményének ismeretében a kísérlettervezés racionalizálható, a drága mérések száma optimálható és a kísérleti kockázatok csökkenthetők.
Prediktív modellszámításokkal egyúttal a vizsgált kémiai folyamatokhoz szerkezeti információt vagy szerkezetváltozást kapcsolhatunk, amik sok esetben a kísérlet során rögzített jelekből nem ismerhetők meg.
A Számításos Kémia Kutatócsoportban három doktorandusz munkatárssal együtt ilyen modellszámításokat végzünk.
A számítások általános műszere a számítógép és az általános mérési eszközök programokban kódolt kvantumkémiai és molekulaszimulációs modellek.
Az alábbi fő területre fókuszáljuk kutatásainkat:
- Mechanizmuskutatás
Az egyik kutatási irányunk a molekulák nagy pontosságú termokémiai leírása kvantumkémiai modellek segítségével. A molekulák gázfázisú képződéshőjét, égéshőjét, hőkapacitását tudjuk a kémiai pontossággal (≤ 1 kcal/mol) becsülni, ezáltal pótoljuk a vegyipar eljárások tervezéséhez és üzemeltetéséhez használt termokémiai csoportadditivitási-értékeket. Másrészt a belsőégésű motorok már használt, illetve jövőbeli potenciális bioüzemanyag-komponenseinek pontos termokémiai előrejelzését végezzük. Ezen molekulák pirolízis és oxidációs elemi lépéseinek számításos kémiai modellezésével, a kinetikai modellek alkalmazásával a termékarányt és a hozzájuk tartozó abszolút sebességi állandókat meghatározzuk különböző hőmérsékleteken és nyomás-értékeken. Sok esetben a kísérletekben képződött intermedierekről nincs közvetlen kísérleti információ, viszont ezek fogják eldönteni a reakció elfolyását. Az általunk is használt kvantumkémiai modellek alkalmasak ezen részecskék meghatározására, és a tovább alakulásuk feltérképezésére. - Molekuláris adatbázis-építés
Kidolgoztunk egy olyan számítási protokollt is, amely alkalmas nagyszámú – akár több százezer – különböző molekula termokémiai adatainak számítására, adataik összegyűjtésére és adatbázisba rendezésére. - Határfelületi jelenségek molekuláris vizsgálata
A határfelületi jelenségek közül kismolekulák adszorpciós tulajdonságait vizsgáljuk gőz/jég határfelületén. A Monte Carlo szimulációk alkalmasak az adszorpciós izotermák számítására különböző hőmérsékleteken. Az izoterma különböző relatív nyomás-értékeinél képesek vagyunk információt kapni az adszorpciós réteg szerkezeti, molekulaorientációs és energetikai viszonyairól, az adszorpciót befolyásoló tényezőkről. Folyadékelegyek klasszikus molekuladinamikai szimulációja során elsősorban a folyadék/gőz határréteg szerkezetére és a molekulák közötti kölcsönhatásokra fókuszálunk, de végeztünk számításokat oldatszerkezetre vonatkozóan is. A klasszikus molekuladinamika szimuláció általánosan használható nem reaktív rendszerek esetében; például vizsgálunk karcinogén molekulák és a membrán kettősréteg közötti kölcsönhatásokat is.
Tématerületeink széles spektruma jól mutatja, hogy a kémia számos területén szolgál értékes információval a számításos kémia.
Analitikai Kutatócsoport
Kutatócsoport vezetője: Dr. Muránszky Gábor, egyetemi docens
Kutatócsoport leírása:
A Kémiai Intézet analitikai tevékenységi körébe természetesen beletartoznak a klasszikus és kis műszeres analitikai módszerek szerves és szervetlen komponensek meghatározására.
A teljesség igénye nélkül említhetők a különböző természetes- és szenny-vízminták elemzések, folyadékok fajlagos elektromos vezetőképességének, pH-jának, összes sótartalmának,
szervetlen és szerves komponenseinek azonosítása és meghatározása potenciometriás és pH-metriás eljárásokkal.
Spektrofotometriás vizsgálatok egészítik ki az analitikai eljárásainkat szervetlen és szerves anyagok foszfát-, nitrát-, ammónia-, fenoltartalmának meghatározására.
Különféle szilárd anyagok nedvességtartalma, izzítási vesztesége, hamutartalma, nem-illóanyag tartalma jelentősen meghatározza az energetikai felhasználhatóságot.
Elemanalitikai vizsgálatok:
- Derivatográf, termograviméter
Általános célú készülék. Segítségével tanulmányozhatók a különféle anyagok hevítése során lejátszódó folyamatok (tömegvesztés, exoterm, endoterm folyamatok, fázisátalakulások, allotróp átalakulások stb.) a szobahőfoktól 1000 °C-ig terjedő tartományban. - C, H, N, S elem analizátor – Vario Macro (Elementar GmbH)
Különféle (elsősorban zömmel szerves anyagból álló) minták C, H, N, S-tartalmának meghatározására szolgál. - Atomabszorpciós spektrometria
Különféle minták – szerves és szervetlen – elemanalitikai vizsgálatára szolgál, kb. 65 elem határozható meg a segítségével. Legfőbb előnye a rendkívül jó kimutatási képesség. Alkalmazása csak akkor indokolt, ha a feladat nagyon jó kimutatási képességű módszert igényel, és az adott esetben az ICP sem rendelkezik ezzel. - Induktív-csatolt plazma (ICP) spektrometria
Gyakorlatilag bármilyen minta elemanalitikai vizsgálatára szolgál. Előnyei között meg kell említeni, hogy kb. 75 elem akár egyidejű meghatározására alkalmas, a legtöbb esetben kiváló kimutatási képességgel, viszonylag kevés kémiai zavaró hatással. A mérendő elemek által kibocsátott fény intenzitása és az elem mintabeli koncentrációja között több nagyságrendben lineáris kapcsolat figyelhető meg.
Szerves vegyületek analitikai vizsgálatai:
- Termogravimetria és infravörös spektroszkópia
A két eljárás kombinálva és külön-külön is felhasználható szén nanocsövek vizsgálatára, szerves vegyületek azonosítására (pl. ragasztóminták azonosságának vizsgálata, katalízis vizsgálatok). Különösen fontos a poliuretánokhoz kapcsolódó analitikai eljárások fejlesztése. Az FTIR készülék gáz, folyadék és szilárd minták vizsgálatára egyaránt alkalmas. Termograviméterrel kapcsolva a vizsgált anyag bomlása során keletkező gőz halmazállapotú komponensek vizsgálatára is alkalmas. - Kromatográfiás eljárások
Termikusan stabil, elpárologtatható szerves vegyületek elválasztása minőségi (tömegszelektív detektor) és mennyiségi meghatározása ppm és ez alatti koncentrációkban jelenlévő komponensekre. Az egyik GC-MS készülék termál deszorberrel és kriofókuszáló egységgel is rendelkezik, VOC-kamrával kiegészítve nagyobb méretű alkatrészek illékonyanyag-tartalmának meghatározására is alkalmas.
Nehezen elpárologtatható, hőre érzékeny, nagyobb molekulatömegű szerves vegyületek és szervetlen anionok meghatározására (ionkromatográfia) is alkalmazható. Környezeti és biológiai minták vizsgálatára egyaránt alkalmas. Jelenleg az intézetben egy HPLC- (UV-VIS, fluoreszcens, elektrokémiai és törésmutató detektorral) és egy UPLC-MS készülék található. Felhasználás: koffein meghatározás, gyógyszerek és gyógyszermaradványok kimutatása vizekből. Ez utóbbi berendezés a Molekuláris Diagnosztikai Kutatócsoport tevékenységénél is szerepet kap.
Nanoszerkezetű Anyagok Kutatócsoport
Kutatócsoport vezetője: Dr. Vanyorek László, egyetemi docens
Kutatócsoport leírása:
A kutatócsoport fő profilja: nanoszerkezetű anyagok szintézise, tulajdonságaiknak feltérképezése, és azok ipari területen történő felhasználásukat célzó alapkutatások folytatása.
Az alábbi területre fókuszáljuk kutatásainkat:
- Katalizátorfejlesztés
A kutatómunka során olyan új katalizátorok fejlesztése történik, amelyek jól alkalmazhatók a régió vegyipari érdekeltségeinek profiljához köthető termékfejlesztési és termelési feladatok során. Eredményes fejlesztések folynak olyan katalizátor gyártási eljárások kidolgozására, amelyek sikeresen alkalmazhatók anilinszintézis, szén-dioxid hidrogénezés, valamint halogenát mentesítés során. - Kompozit anyagok előállítása
A kompozitanyagok előállításának célja, hogy olyan különleges tulajdonságokkal ruházzunk fel polimereket, amelyek a makroszkópikus mérettartományba sorolandó adalékanyagokkal nem kivitelezhetők. A nanoszerkezetű anyagok méretük és szerkezetük miatt számos olyan fizikai, valamint kémiai tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek gyökeresen különböznek ugyanazon anyagcsalád makroszkópikus méretű tagjainak jellemzőitől. A szén különböző nanoszerkezetű módosulatainak felhasználásával vezetőképes kenőanyagok fejlesztését végzi a kutatócsoport. Polimer nanokompozitok előállítása további részét képezi a csoport kutatási tevékenységének. Nanorészecskék adalékolásával olyan műanyagokat fejlesztünk, amelyek jól használhatók elektromágneses zavarcsökkentés (EMI) céljából. Szén nanocső tartalmú műanyagaink kimagasló mechanikai szilárdsággal rendelkeznek. Folyamatos fejlesztések történnek olyan receptúrák kidolgozása céljából, amelyek a nanotechnológia alkalmazásával olyan adalékanyagokat eredményeznek, amelyek felhasználásával antimikrobiális felületet biztosíthatunk különböző műanyagok esetében. - Biológiailag aktív nanoszerkezetek szintézise
Jelen kutatási terület célja, olyan biológiailag aktív nanoszerkezetek kialakítása, amelyek jól alkalmazhatók a nanomedicina területén. Kombinálva azokat a megfelelő fehérjékkel, hozzájárulnak az oxidatív stressz csökkentéséhez. Az Alzheimer-kórt kiváltó egyik jelenség, az említett oxidatív stressz visszaszorítható szelén nanorészecskék alkalmazásával. Munkánk során szelén nanorészecskék előállításával foglalkozunk biokompatibilis diszperziós közegben, az így előállított készítmény alkalmas biológiai tesztekre.
Szerves Kémiai Kutatócsoport
Kutatócsoport vezetője: Dr. Fejes Zsolt, egyetemi docens
Kutatócsoport leírása:
A szerves kémiai kutatócsoport fő kutatási területe különböző funkciós csoportok katalitikus transzfer hidrogénezéssel történő redukciója,
amely során a reakciók hozamát, regio- és sztereoszelektivitását vizsgáljuk az alkalmazott katalizátoroktól és egyéb reakciókörülményektől függően.
A kutatás szerves részét képezi a katalizátorok előállítása, valamint a reakciók kimenetelének vizsgálata révén a szerves analitika is,
amely szorosan kapcsolódik a kutatócsoport tevékenységéhez.
Integrált Poliuretán- és Modellező Egység Integrated Polyurethane and Modeling Unit INPUT)
Vezető: Dr. Fiser Béla – tudományos munkatárs
A kémia, biológia és fizika hármasának határán dolgoznak a Számítógépes Molekulatervezés Kutatócsoport (SzMK) tagjai. Az SzMK célja az, hogy összekösse az elméleti és kísérleti kutatásokat, és számítógépes kémiai modellek segítségével vizsgáljon és magyarázzon természeti jelenségeket és ipari folyamatokat.
A csoport tagjai széles kutatási palettával rendelkeznek. Különböző projektek keretében, többek között új típusú anyagok tervezésével és szintézisével (különös tekintettel a környezetkímélő poliuretánokra, GINOP-2.3.4-15-2016-00004), űrkémiai folyamatokkal (NTP-NFTÖ-17-B-0352), katalitikus reakciókkal és kéntartalmú biomolekulák tulajdonságainak vizsgálatával (ÚNKP-17-4-I-ME/17) is foglalkoznak.
A kutatócsoport a Kémiai Intézet (ME, MAK) keretein belül 2017 nyarán alakult Guljas Andrea (vendéghallgató, University of Toronto), Dr. Rágyanszki Anita, Prof. Dr. Csizmadia G. Imre és Dr. Fiser Béla összefogásának gyümölcseként. Még a nyár folyamán csatlakozott Min-Yen Lu MSc hallgató, aki bekapcsolódott a környezetbarát poliuretánok tervezésével kapcsolatos munkába. Min-Yen Lu ebben a témakörben írta TDK dolgozatát, amellyel első helyezést ért el a Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Karának Tudományos Diákköri Konferenciáján, és a szekciójának legjobb előadásáért járó díját is megkapta a “Molecular Design of Sugar-Based Polyurethanes” című munkájáért.
Nemrég csatlakozott az SzMK-hoz Hudi Enikő MSc hallgató, aki nagy lelkesedéssel kezdett neki a munkának, és jelenleg kéntartalmú biomolekulák tulajdonságait és esetleges alkalmazhatóságukat vizsgálja poliuretánok szintézisében.
Molekuláris Bioanalitika Kutatócsoport
Kutatócsoport vezetője: Dr. Váradi Csaba, egyetemi docens
Kutatócsoport leírása:
A glikoziláció a szintetizált fehérjék egy poszt-transzlációs módosítása, mely során monoszaharid egységekből álló cukorláncok enzimatikusan kapcsolódnak a meghatározott glikozilációs pontokhoz.
A glikánok struktúrális heterogenitása változhat az egyes betegségekben.
Ezen változások indikátorai lehetnek a sejtekben zajló biokémiai folyamatoknak, ezáltal a glikozilációs analízis komoly potenciállal bír a biomarker kutatás területén.
A glikánok komplexitása azonban megköveteli olyan legfejlettebb műszeres analitikai technikák alkalmazását, mint a kapilláris elektroforézis (CE), illetve a magas nyomású folyadékkromatográfia (HPLC), mely technológiák alkalmazásával napjainkban már könnyedén elválaszthatók egymástól a fehérjékről leemésztett cukorstruktúrák. Az elválasztáson túl azonban egyre fontosabb a detektálás, mely esetében egyre inkább a tömegszelektív (MS) detektorok használata kerül előtérbe.
A Kémia Intézetben működő biológiai kutatócsoport egyik profilját a glikoziláció műszeres analitikai analízise jelenti. A rendelkezésre álló Waters Acquity-SQD UPLC-MS rendkívül fejlett analitikai platform, mellyel könnyedén vizsgálható bármilyen komplex oligoszacharid. A magas szintű reprodukálhatóságnak köszönhetően akár több száz mintát vizsgálva is precíz, megbízható adatokat generálhatunk, lehetővé téve ezzel akár nagyobb betegpopulációk vérmintáinak analízisét.
Számos daganat esetében jelenleg csak képalkotó diagnosztikai módszerekkel, valamint biopsziával lehet megbizonyosodni a tumoros elváltozásról, ezért sürgető szükség van olyan vérből is kimutatható markerekre, melyek segítségével még időben felismerhető a kóros elváltozás. Erre alapozva terveink között szerepel a vérben található glikoproteinek glikozilációs vizsgálata különböző daganatos betegségekben, különös tekintettel az egyes stádiumok közötti különbségekre, illetve ezek biomarkerként való hasznosítására.
Molekuláris és Mikrobiológiai csoport
Kutatócsoport vezetője: Dr. Szőri-Dorogházi Emma, egyetemi docens
Kutatócsoport leírása
Összefoglaló:
- Anyagok antimikrobiális hatásának és ökotoxicitásának tesztelése,
- mágneses nanorészecskék molekuláris biológiai alkalmazhatóságának vizsgálata,
- mesterséges polimerek biodegradációjának tanulmányozása,
- anyagfejlesztéssel kapcsolatos mikrobiológiai feladatok ellátása.
Kutatás
Kutatócsoportunk fókuszában különböző összetételű mágneses nanorészecskék fejlesztése áll, melyek molekuláris és sejtbiológiai technikákban alkalmazhatók. A tesztelt nanorészecskéket a nukleinsavak reverzibilis felületi megkötődési hatékonysága alapján jellemezzük. A legnagyobb hatékonyságot mutató rendszerekhez új nukleinsav-izolálási protokollokat dolgozunk ki, és a kinyert nukleinsavak minőségét különböző PCR (polimeráz láncreakció) tesztekkel ellenőrizzük.
Különböző sejttípusokból történő izoláláshoz manuális protokollokat fejlesztünk, amelyek diagnosztikai célú, automatizálható nukleinsav-izolációs eljárások alapjául szolgálnak. A minőségellenőrzéshez kapcsolódóan qPCR-ben alkalmazható új típusú fluoreszcens festékek használhatóságát és hatékonyságát is vizsgáljuk.
Toxicitási és mikrobiológiai vizsgálatok
A modern, új tulajdonságokkal rendelkező anyagok fejlesztéséhez kapcsolódóan különféle toxicitási és mikrobiológiai vizsgálatokat végzünk. Gyakran szükséges új teszteljárások kidolgozása, vagy meglévő protokollok adaptálása az adott anyagtípusokra. A csoport anyag-specifikus teszteljárásokat fejleszt és validál. Eddigi vizsgálataink kiterjedtek többek között adalékolt nanorészecskékre, kompozit poliuretánhabokra, valamint növényi extraktumot tartalmazó szigetelőanyagok toxicitására.
Számos fejlesztendő alapanyag esetén az antimikrobiális tulajdonság jelenti az újdonságot, melynek megvalósulását rutinszerűen vizsgáljuk (pl. szennyvízszűrésre fejlesztett különböző összetételű membránok, implantátum-alapanyagnak szánt fémötvözetek, antimikrobiális hatású poliuretán habok).
Környezeti mikrobiológia
Tevékenységünk része különböző forrásból származó vizek (pl. ipari/vegyipari tevékenységből származó szürke vizek, természetes vizek) mikrobiológiai paraméterezése, valamint ipari víztisztító berendezések hatékonyságának meghatározása.
Polimerek biodegradációja és bioinformatika
Intenzív kutatásaink irányulnak különböző összetételű poliuretán kompozitok biodegradációjára, a hagyományos mikrobiológiai módszerek bioinformatikai eszközökkel, molekuláris klónozási és PCR technikákkal történő ötvözésével. Célunk a szerves hulladékok biológiai lebontásában részt vevő mikroorganizmusok metagenomikai hátterének feltárása, a résztvevő szervezetek azonosítása és a lebontási körülmények hatékonyabbá tétele. Eredményeink hozzájárulnak a fenntartható gazdaság és a hulladékkezelés területén jelentkező kihívások megoldásához.
Integrált Poliuretán- és Modellező Egység
Integrated Polyurethane and Modeling Unit
Kutatócsoport vezetője: Dr. Fiser Béla, egyetemi docens
Kutatócsoport leírása:
Jövőképünk az, hogy egy nemzetközileg még inkább elismert kutatási egységet hozzunk létre fejlett funkcionális anyagok (pl. poliuretánok)
molekuláris tervezésének területén, amely a korszerű kísérleti lehetőségeket ötvözi a számítógépes modellezéssel.
Ennek elérése érdekében hat stratégiai célkitűzésre összpontosítunk:
- Anyaginnováció
- Fenntarthatóság
- Kísérleti–számítógépes integráció
- Célzott alkalmazási területek
- Átfogó oktatás és képzés
- Nemzetközi kapcsolatok fejlesztése és erősítése
A kutatócsoport intelligens anyagok tervezésére és fejlesztésére fókuszál, amelyek egyedi optikai, elektronikai és felületi tulajdonságokkal rendelkeznek.
Alkalmazási területek:
- Energiatárolás
- Katalízis
- Szenzorok
- Biokompatibilis rendszerek
Ezen területek nemcsak tudományos szempontból relevánsak, hanem kézzelfogható megoldásokat kínálnak sürgető társadalmi kihívásokra és ipari problémákra is.