Přihlášení
Registrace
Nastavení
Filtrování
Filtrování
Obnova hesla
Obnova hesla
Planeta věda - Hmotnostní spektrometrie
Út, 7.1.2020
| Originální článek z: Česká televize
Tento díl Planety věda se bude věnovat hmotnostní spektrometrii. Podívejte se záznam pořadu a názor prof. Havlíčka z MBÚ v roce 2006. Byly jeho představy o dalším vývoji hmotnostních spektrometrů správné?

Česká televize: Planeta věda - Hmotnostní spektrometrie

Tento díl Planety věda se bude věnovat hmotnostní spektrometrii. Jde o obor, který zásadně pomáhá například v boji proti terorismu. Experti na bezpečnostní rizika si uvědomují, že atentátníci mohou připravit útoky, které nebudou založeny jen na výbušninách, ale také na chemických a biologických zbraních. Proto se hledají a vyvíjejí systémy, které obyvatele včas upozorní. Klíčovou roli v podobných systémech mají právě hmotnostní spektrometry. Hostem pořadu bude Vladimír Havlíček z Mikrobiologického ústavu Akademie věd.

Dobrý den, začíná další díl PLANETY VĚDA.

Dnes se podíváme na hmotnostní spektrometrii, termín, který spíše odrazuje. Na druhou stranu obor, který zásadně pomáhá třeba v boji proti terorismu. Jak? Ptám se Vladimíra Havlíčka z Mikrobiologického ústavu AV.

Hmotnostní spektrometrie je instrumentálně analytická technika, která dokáže ve stopových množstvích určit strukturu organické látky. Ať tato je přítomná ve vodě, ve vzduchu nebo třeba na povrchu předmětů.

Ta metoda je velmi citlivá a velmi rychlá, dokáže pracovat ve velmi složitých směsích, a je tudíž předurčena pro analýzu škodlivých látek. Terorismu straší obyvatele celé planety. Experti na bezpečnostní rizika si uvědomují, že atentátníci můžou připravit útoky, které nebudou založeny jen na výbušninách, ale také na chemických nebo biologických zbraních. Proto se hledají a vyvíjejí systémy, které obyvatele včas upozorní. Klíčovou roli v podobných systémech mají právě hmotnostní spektrometry. Stačí chvilka v bezpečnostním rámu a přístroje si zjistí nejenom to, co máte v tašce, ale také zkontrolují vaše chemické složení. Přístroje dokáží během vteřiny zjistit, jestli cestující nedržel v ruce těsně před odletem chemickou trhavinu nebo jinou nebezpečnou látku. Práci dokonalého detektiva dělá hmotnostní spektrometrie. Můžete si vybavit, že jste třeba byli posláni stranou, kde speciální ostraha sejmula vzorek z vašeho příručního zavazadla nebo udělala stěr třeba z oděvu. Ten stěr se potom dal do malého přístroje a zjistilo se, jestli potenciálně jsou tam nějaké markery výbušniny nebo nejsou. Pokud by se ukázalo, že tam nějaká takováhle látka je, jdete na detailnější kontrolu.

Hmotností spektrometry můžou měřit kdekoliv a cokoliv, v tom je jejich základní přednost. Zatím jsou na nejcitlivějších místech, třeba na amerických letištích. Vědci usilují, aby se spektrometry rozšířily víc. Jde o včasné varování. Musíme monitorovat například prostory metra po 24 hodin 7 dní v týdnu. Tohle monitorování nepotřebuje lidskou obsluhu a je opravdu spolehlivé. Hmotnostní spektrometr by spustil varování, kdyby se objevilo nějaké množství mikroorganizmů nebo nějaký chemický mrak.

Výhodou hmotnostní spektrometrie je, že ten samý systém dělá chemický i biologický monitoring dohromady. Fyzikální chemie posunula tuto metodu tak daleko, že pro vypátrání nějaké konkrétní látky jako stopa postačuje naprosto mizivé množství molekul. Stačí opravdu minimální množství, de facto jsou to stopová množství.

Hmotnostní spektrometrie je velmi citlivá metoda, takže stačí třeba 1000 iontů, což je opravdu málo na to, aby ten patřičný kontrolor nebo ten přístroj byl schopen říct, ano, ta látka tam může být nebo ne.

Příprava nějakého útoku se dá zaznamenat i ve volné přírodě. Specifické bojové chemické látky zanechávají malé stopy a speciální zařízení hmotnostní spektrometrie je zpravidla najde. K výrobě chemických látek jsou potřeba nějaké výchozí látky. Tyto výchozí látky jsou také na seznamu kontrolovaných látek. My se zabýváme právě látkami z tohoto seznamu a jsme schopni prokázat jejich přítomnost třeba ve vzorcích vody. To znamená, pokud se někdo pokouší někde vyrábět bojové chemické látky a využívá těchto výchozích látek, tak se dá očekávat, že část těchto látek se dostane do okolního životního prostředí.

A my vyvíjíme z hmotnostní spektrometrie metody, kterými jsme schopni prokázat přítomnost těchto látek třeba v povrchové vodě, v rybniční vodě, ve vodě z řeky.

Naprosto nekompromisní metoda má ale i své nevýhody. Je to třeba cena přístrojů, které jsou schopny určit, z čeho se skládají věci kolem nás. Od plynu, který vdechujeme, po prach na povrchu listů v parku.

Nejdražší český hmotnostní spektrometr stál desítky milionů Kč. Spektrometrické monitorování je velmi nákladné. Podle našich představ by takové drahé přístroje pro sledování vzduchu měly být na kosmických lodích a také na tak důležitých místech, jako je Washington DC. Zároveň tlačíme na firmy, které tato zařízení vyrábějí, aby zajistily levnější, menší spektrometry.

O tyhle věci se samozřejmě zajímá i armáda. Evropské ozbrojené složky už mají vybavení k monitorování bitevních polí - vzduchu. Dají se tak identifikovat třeba biologické zbraně. Terorismus je pouze jednou z mnoha oblastí, kde se tato metoda využívá. Dobře se ale na tomto příkladu ukazuje, jak může být fyzikální chemie prospěšná celé společnosti.

Jsou podobné spektrometry doménou jenom amerických letišť?

Já bych zde nerad odpovídal na otázku, jestli některá konkrétní letiště jsou vybavena a která nejsou. Důvod je ten, že při neustálém souboji vědy a techniky s potíráním bioterorismu je potřeba, aby věda a technika měla určitý náskok. Neměla by vlastně ukazovat, které trumfy má ještě k dispozici. Obecně lze samozřejmě říci, že stupeň vybavení amerických letišť je daleko lepší než těch evropských. Souvisí to samozřejmě s objemem peněz, které příslušné vlády jsou ochotny do této oblasti investovat.

Proč jsou hmotnostní spektrometry tak nákladné?

Souvisí to s jejich konstrukcí. Doposud veškeré analyzátory, které se konstruují, jsou založeny třeba na supravodivých magnetech, což jsou přístroje nebo součásti velmi drahé na výrobu. Ovšem současný vývoj, tak jak je ukazován v posledních letech, směřuje k tomu, že jsou využívány technologie, které jsou významně levnější. Současně dochází i k miniaturizaci těchto přístrojů.

Už jsme si říkali, že hmotnostní spektrometrie je doménou oboru, který se nazývá fyzikální chemie. Přístroje dokáží zjistit chemické složení na základě jedné fyzikální veličiny, totiž hmotnosti. Je to vlastně taková superjemná váha, která umí vážit molekuly. Kromě toho navíc dává ještě další fyzikální informace.

Hmotnostních spektrometrů, tedy ve vědeckém žargonu hmotníků, je celá řada. Princip je všude stejný, molekuly vzorku se musejí jakoby nabít, musí se z nich stát ionty a pak se v magnetickém nebo elektrostatickém poli změří jejich hmotnost.

Příběh hmotníků začal na konci předminulého století. Je to pozoruhodné, ale přímo za vývoj této metody byly uděleny čtyři Nobelovy ceny, ta první někdy kolem roku 1906, jestli se nemýlím, za věci, které souvisely s konstrukcí prvního hmotnostního spektrometru. Začátkem 20. století výzkum začal s velmi jednoduchými látkami, vzácnými plyny. Hmotnostní spektrometrie se během století rozšířila prakticky do všech oblastí vědy a techniky. S její pomocí se dají poznat těkavé látky, látky organické včetně těch nejsložitějších - bílkovin. Samotné bílkoviny jsou postaveny z 21 základních stavebních kamenů a řetězí se lineárně. To znamená, že těch 21 stavebních kamenů je za sebou, jako když hrajete domino. Vy víte, že máte 21 destiček na domino a teď je můžete řadit v počtu 100 za sebou nebo 1000 za sebou nebo 2000 za sebou v různých obměnách.

Takže si dovedete představit, kolik vznikne možných kombinací, které tyto stavební kameny vytvoří. Hmotnostní spektrometrie má velký význam v oblasti biologie, medicíny a přírodních věd. V minulých deseti letech došlo k obrovskému rozvoji ve využití hmotnostní spektrometrie pro studium bílkovin a také DNA. Na této chemii je závislý život každé buňky, život celého člověka. Pojďme se podívat k největšímu hmotníku v ČR. Základem většiny těchto přístrojů je magnet. V tomto případě je to supravodivý magnet, nepotřebuje žádnou elektřinu, jeho magnetismus mu pomáhá udržet kapalný dusík a helium, a tedy velmi nízká teplota -273 stupňů. Kdyby se z přístroje uvolnily stovky litrů těchto prvků, v místnosti by se ve vteřině opakovalo něco jako scéna z filmu Tajemství ocelového města. Výsledek je ten, že tato místnost se naplní bleskově dusivou atmosférou - plynným dusíkem a plynným heliem. Stačí pouhé dvě vteřiny nebo dva nádechy pro to, aby došlo k selhání plicních funkcí. I proto má místnost dokonalé bezpečnostní mechanizmy. Systém by rozrazil okna, rozjely by se ventilátory.

Opusťme ale oblast vědeckofantastických filmů. Na tomto přístroji se zkoumají mnohé biologické vzorky. Povedou třeba k poznání toho, jakými chemickými změnami se projevují různé nemoci. Čeští vědci vyvíjejí také vlastní jedinečné přístroje. Na tomto se kupříkladu budou zkoumat reakce, které můžou probíhat na povrchu stěn fúzního reaktoru ITER. Jde o jeden z největších evropských projektů, ve kterém se hledá revoluční zdroj energie. Uhlíkové stěny budou podstatnou částí reaktoru. Stěny české laboratoře ale už teď zdobí podpisy velikánů světové hmotnostní spektrometrie včetně zmíněných nositelů Nobelových cen.Nesmíme malovat, ale to rádi uděláme, protože tady máme opravdu vzácné podpisy. Je tady několik nositelů Nobelovy ceny. Je tady spousta kolegů, kteří jsou velmi slavní ve světě.

Pojďme se teď podívat, jak vlastně hmotníky pracují. Pomůže nám virtuální model. Už tady máme náš model. Z čeho se hmotnostní spektrometr skládá?

První součást je terčík, na kterém máme nanesen náš vzorek. Náš vzorek, tedy molekuly, v tomto případě jsou to ty žluté kuličky, jsou rozpuštěny v kapce matrice. Matrice je látka, která musí být třeba při této analýze přítomná. Je tam v desetitisíci násobném nadbytku a má tu funkci, že až následně do tohoto vzorku vystřelíme laserem, tak tato matrice absorbuje energii toho primárního laserového svazku. Můžeme si to potom ukázat. Pak tady máme takové skruže. O co jde? V tomto případě se jedná o znázornění toho analyzátoru jako takového - zařízení, kudy vlastně naše ionty poletí. Mluvil jste o laseru. Teď ten vzorek jaký elektrický náboj? A proč se tím laserem vlastně do toho vzorku musí "střílet". V tomto případě je ta látka zatím elektro neutrální. Proto, aby se převedla do nabitého stavu, do toho iontového stavu, musíme použít laser. Já teď poprosím režii o laser. Co se nám teď děje? Ionty letí analyzátorem, a toto je analyzátor z doby letu. Funguje tak, že my počítáme čas. Ionty, které jsou lehčí, tím analyzátorem proletí rychleji, kdežto ionty těžší v něm stráví daleko delší dobu.

Nakonec ionty dopadnou na detektor, to je ta zelená ploška zde. Ta hmotnost se měří podle toho, jak vysoko se ty ionty dostanou, nebo jak se měří? V principu se dá říct, že dráha těch iontů je stejná. Ale rozhodující je čas, my počítáme čas. Ionty, které jsou pomalejší, jsou těžší. Zařízení, které toto měří, se jmenuje digitizer, a je to vlastně velmi přesné zařízení na měření času.

Dostáváte ještě nějaké další fyzikální veličiny o těch molekulách?

Kromě toho, že měříme vlastně přesné hmotnosti, tak ve speciálních experimentech se dají měřit i energie těch iontů. Ale pro klasickou strukturní analýzu stačí ta informace o molekulární hmotnosti, ta je velmi přesná.

Těch hmotníků existuje celá řada. Tento hmotník je na pevné látky, jestli tomu rozumím dobře. Jaká je historie tohoto typu hmotníku, kdo ho vymyslel?

Konkrétně tady tato ionizační technika, to znamená způsob, jak vyrábíme nabité částice, ionty, se jmenuje technika MALDI. Je to zkratka pro Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, česky tedy: desorpce laserem za přítomnosti matrice. Tohle je zrovna ionizační technika, za kterou dostal Koichi Tanaka v roce 2002 Nobelovu cenu.

Chtěl jsem se ještě zeptat na takový detail, který jsme zmiňovali už v příspěvcích. V hmotnostní spektrometrii dokáží analyzovat také živé tkáně, z prstu udělat nějakou chemickou analýzu. Jak na to vědci vlastně jdou?

Analýza tkání, respektive třeba pokožky pacientů by nešla dělat tímto způsobem, laserem. Ale používá se na to jiná ionizační technika, která se jmenuje desorpční elektrosprej, a to je natolik jemná technika, že nedojde k poškození tkáně živého pacienta. Tu tady bohužel na tom modelu nemáme.

A nebolí to vůbec?

Řekl bych, že to nebolí. Prozatím děkuji. Hmotnostní spektrometrie vtrhla do mnoha vědních oborů. Změnila se díky ní třeba medicína. První změny v lidském těle odhalí hmotnostní spektrometrie dlouho před tím, než propuknou takové nemoci, jako je rakovina, leukémie, Bechtěrevova choroba, cukrovka nebo třeba poruchy ledvin. Lidské tělo začne produkovat látky, které se v něm normálně nenacházejí nebo jen v nepatrném množství. Právě tyto látky můžou sloužit jako tzv. biomarkery, ukazatele, podle kterých odborníci poznají, že organizmus je v ohrožení. Snažíme se najít klíčové molekuly v raných stádiích nemoci.

Mohou to být například proteiny, malé molekuly, které nás upozorní na první útok například leukémie nebo tumoru. Metody hmotnostní spektrometrie se běžně využívají k analýze moči, krve nebo tkání, u kterých existuje podezření třeba na rakovinu. Nejmodernější technologie dokáží odhalit podezřelé biomarkery i na pokožce pacienta. Na povrch těla se vylučují nejenom látky vytvořené v důsledku nejrůznějších onemocnění, ale i takové, které se do člověka dostávají třeba ve formě léků nebo drog.

Na živém člověku lze udělat přímou analýzu látek, které jsou přítomny na jeho pokožce, ať je to třeba jeho ukazovák. Jsme schopni určit velmi rychle, že ten člověk snědl nějaké léčivo nebo nějakou drogu, vlastně jaké cizorodé látky jsou přítomny v tom člověku, protože ony se vylučují. Včasná diagnóza znamená první krok pro úspěšnou léčbu.

Hmotnostní spektrometrie odhalí poruchy i u ještě nenarozených dětí. Diagnóza stanovená příliš pozdě by mohla znamenat, že dítě se narodí postižené nebo se nenarodí vůbec. My jsme schopni prokázat přítomnost některých metabolitů, které by se neměly vyskytovat u novorozence v určité koncentraci. Pokud ta koncentrace je příliš vysoká, znamená to, že jeho organizmus v něčem selhává, že pracuje špatně a že je nutné provést nějaký zásah, tedy léčbu. Právě schopnost rozpoznat nemoc v jejím prvopočátku považují odborníci za největší výhodu hmotnostní spektrometrie.

Některé technologie jsou ale zatím příliš nákladné. Vývoj postupuje rychle kupředu, za několik let tak možná budou jednoduché spektrometrické testy dostupné v laboratořích praktických lékařů. Jeden z amerických kolegů před třemi roky mi říkal, že cílem jejich výzkumu je dosáhnout toho, aby chirurg vyšel z operačního sálu s kouskem tkáně operovaného pacienta a předal ho příslušným lidem. Ti by během krátké doby pomocí hmotnostní spektrometrie našli nebo nenašli určitý protein v této látce.

Dřív než se pacient probudí z narkózy, by chirurgovi řekli, jestli má operovat nebo ne. To by byl ten ideální stav. To bylo před třemi lety a musím říct, že teď, po třech letech, jsme v této věci daleko dále. Chemie člověka je velmi složitá.

Jak se postupuje při odhalování nemocí nebo při určování látek, které ji prokazují?

Můžeme použít pro identifikaci dané choroby skupinu molekul, které se říká markery. To mohou být bílkoviny nebo i nízkomolekulární látky. Mohou to být látky i opravdu velmi malé, třeba formaldehyd, který pokud jsme schopni detekovat v dechu pacienta, jsme schopni tím pádem i určit, že má nějaký patologický stav. Kromě těchto nízkomolekulárních látek ovšem nejdůležitější markerové molekuly jsou pravděpodobně bílkoviny. Jejich identifikace a současně i kvantitativní zhodnocení, to znamená odpověď na otázku, kolik příslušných bílkovin je v dané tkáni nebo v buňce, to jsou všechno otázky, na které hmotnostní spektrometrie dává odpověď. Těch bílkovin jsou statisíce.

Když se ten svět nějak jednoduše představí, tak je to velký zmatek. Existuje něco jako katalogy, kde lidé, kteří pracují s hmotnostními spektrometry, najdou o jakou bílkovinu jde?

Existují specializované databáze. Ten hmotnostní spektrometrista když vyhodnocuje tu analýzu, to své hmotnostní spektrum, tak ten výsledek posílá přes internet právě do takovéto databáze. Tam na základě několikavteřinového hledání získává rychlý výsledek, tedy tu identifikaci konkrétní bílkoviny, pokud samozřejmě ta bílkovina je přítomna v té databázi, v té knihovně spekter. Poslední obor, který hmotnostní spektrometrie zásadně změnila a který dnes zmíníme, je oblast ekologie a životního prostředí. Nebýt spektrometrů, chyběly by lidem zásadní informace o znečištění vod nebo vzduchu.

Zhoršuje se znečištění atmosféry, zvětšuje se ozónová díra? A jaké látky se nacházejí ve zdrojích pitné vody?

Metody hmotnostní spektrometrie při studiu globálního oteplování používá např. nositel Nobelovy ceny z roku 1995 Paul Crutzen. Například skleníkové plyny, které ohřívají atmosféru, jsou měřeny pomocí hmotnostní spektrometrie. Existuje mnoho aktivních plynů v chemickém složení atmosféry, v její dolní části, ale i ve stratosféře. Právě skleníkové plyny jsou příčinou globálního oteplování. Z pravidelných vědeckých měření, která probíhají po celém světě, vyplývá, že od začátku průmyslové revoluce stouply průměrné teploty na Zemi o 0,7°C. Navíc se zdá, že oteplování se zrychluje. Profesor Crutzen nepochybuje o tom, že příčinou nebezpečných klimatických změn je lidská činnost. O tom v podstatě nelze pochybovat. Samozřejmě se vždycky najde někdo, kdo se tento fakt bude snažit zpochybnit, ale ve vědecké komunitě mezi těmi největšími odborníky je naprostá shoda, že příčinou růstu teplot je právě lidské chování. Podobně jako skleníkové plyny pomáhá hmotnostní spektrometrie měřit i množství ozónu v atmosféře nebo různé aerosolové částice. Ty můžou být v některých ohledech prospěšné, často ale lidské zdraví spíš ohrožují. Tyto částečky mohou mít pozitivní efekt, například pomáhají ochlazovat planetu, odrážejí světlo do vesmíru, a tím ji ochlazují. Kdyby neexistovaly, byly by teploty na Zemi pravděpodobně mnohem vyšší. Na druhé straně mohou tyto částice ohrožovat lidské zdraví. V Evropě se např. v zimním období dostává do ovzduší mnoho částic, které pocházejí ze spalování dřeva, a ty jsou opravdu velmi nebezpečné. Částice, které vznikají při spalování dřeva, dokáží ovlivnit např. i takové jevy, jako je vznik oblačnosti a dešťových srážek. Efekt ohně způsobuje problémy v zemích kolem Amazonky. V období sucha tu dochází k rozsáhlému odlesňování a pálení dřeva, což velmi dramaticky ovlivňuje složení částic v ovzduší a zároveň procesy formování oblačnosti. Dnes už bezpečně víme, že v těchto obdobích jsou struktury oblačnosti odlišné než v době, kdy se kouř z páleného dřeva do ovzduší nedostává.

Zkoumání ovzduší pomocí hmotnostní spektrometrie může být ale i mnohem radostnější. Vědci v italských Dolomitech např. objevili v lesním vzduchu látky, které působí blahodárně na dýchací ústrojí. Zkoumáme jeden les v blízkosti Dolomit, kde prakticky není žádná doprava. V této izolované lokalitě zkoumáme látky, které se do ovzduší uvolňují ze stromů. Mezi těmito látkami jsou některé farmakologicky aktivní. Už jsme našli mnoho zajímavých látek, některé z nich jsou velmi účinné např. pro dýchací systém. Hmotnostní spektrometrie dnes bdí nejenom nad tím, co lidé dýchají, ale odhalí i jakoukoliv závadu v potravinách. Přístroje najdou zárodky plísní i příměsi zakázaných barviv. Své zdraví dnes máme v rukou hmotnostních spektrometrů.

Kam se bude hmotnostní spektrometrie vyvíjet, co čekáte?

Já cítím, že jsou takové tři hlavní směry technologického vývoje. Ten první se týká miniaturizace těchto přístrojů. To znamená, že místo velkých monstrózních zařízení budou vyvíjena zařízení, která jsou daleko menší, de facto do ruky. Druhým směrem potom bude vývoj v přípravě vzorků, to znamená, že ty hmotnostně spektrometrické techniky budou schopny pracovat se vzorkem, aniž by tento předtím musel být nějakým způsobem ošetřen. Budeme tedy měřit přímo povrchy, objemy plynů, tekutiny atd. A konečně třetí směr, kam by se hmotnostní spektrometrie měla vyvíjet, tak ten se týká samotného vývoje těch analyzátorů.

Příští analyzátory budou daleko citlivější, daleko přesnější a především by měly být levnější. Říká Vladimír Havlíček z Mikrobiologického ústavu AV.

Česká televize
 

Mohlo by Vás zajímat

e-liquids, e-juices and nicotine liquids - Customized solutions for complete analysis

Brožury a specifikace
| N/A | Shimadzu
Instrumentace
GC/MSD, GC/SQ, HPLC
Výrobce
Shimadzu
Zaměření
Potraviny a zemědělství

Shimadzu Food Safety Management Data Book

Příručky
| N/A | Shimadzu
Instrumentace
GC, GC/MSD, GC/SQ, HPLC, LC/MS, GPC, LC-SQ
Výrobce
Shimadzu
Zaměření
Potraviny a zemědělství

Experience New Benchmarks with Empower Shimadzu’s LC/GC Drivers for Waters™ Empower™

Ostatní
| 2020 | Shimadzu
Instrumentace
Software
Výrobce
Shimadzu, Waters
Zaměření
---
 

Podobné články

Článek | Popularizace

Hmotnostní spektrometrie a velké molekuly

Ionizační metody analýzy biologických makromolekul. Málokdy se stává, aby cenu sdíleli dva vědci, z nichž jeden je bezmála dvakrát tak stár než druhý – Johnu Fennovi je 85 let, K. Tanakovi jen 43.
Článek | Zdraví

Profil přístrojů výjezdové skupiny chemické laboratoře Institutu ochrany obyvatelstva

Významné úniky nebezpečných látek, záhadné otravy, velké nálezy nebezpečného materiálu. I přes profesionální výcvik a univerzální výbavu nemohou jednotky požární ochrany čelit takovýmto hrozbám bez pomoci.
Rozhovor | Zdraví

Jak se vyhnout nepříjemné kolonoskopii? Pomoci by měla nová metoda analýzy dechu

Vědci z Ústavu fyzikální chemie Akademie věd mají zcela novou metodu. Crohnovu nemoc chtějí odhalovat pomocí hmotnostní spektrometrie, tedy měřením dechu pacienta.
Planeta věda - Hmotnostní spektrometrie
Út, 7.1.2020
| Originální článek z: Česká televize
Tento díl Planety věda se bude věnovat hmotnostní spektrometrii. Podívejte se záznam pořadu a názor prof. Havlíčka z MBÚ v roce 2006. Byly jeho představy o dalším vývoji hmotnostních spektrometrů správné?

Česká televize: Planeta věda - Hmotnostní spektrometrie

Tento díl Planety věda se bude věnovat hmotnostní spektrometrii. Jde o obor, který zásadně pomáhá například v boji proti terorismu. Experti na bezpečnostní rizika si uvědomují, že atentátníci mohou připravit útoky, které nebudou založeny jen na výbušninách, ale také na chemických a biologických zbraních. Proto se hledají a vyvíjejí systémy, které obyvatele včas upozorní. Klíčovou roli v podobných systémech mají právě hmotnostní spektrometry. Hostem pořadu bude Vladimír Havlíček z Mikrobiologického ústavu Akademie věd.

Dobrý den, začíná další díl PLANETY VĚDA.

Dnes se podíváme na hmotnostní spektrometrii, termín, který spíše odrazuje. Na druhou stranu obor, který zásadně pomáhá třeba v boji proti terorismu. Jak? Ptám se Vladimíra Havlíčka z Mikrobiologického ústavu AV.

Hmotnostní spektrometrie je instrumentálně analytická technika, která dokáže ve stopových množstvích určit strukturu organické látky. Ať tato je přítomná ve vodě, ve vzduchu nebo třeba na povrchu předmětů.

Ta metoda je velmi citlivá a velmi rychlá, dokáže pracovat ve velmi složitých směsích, a je tudíž předurčena pro analýzu škodlivých látek. Terorismu straší obyvatele celé planety. Experti na bezpečnostní rizika si uvědomují, že atentátníci můžou připravit útoky, které nebudou založeny jen na výbušninách, ale také na chemických nebo biologických zbraních. Proto se hledají a vyvíjejí systémy, které obyvatele včas upozorní. Klíčovou roli v podobných systémech mají právě hmotnostní spektrometry. Stačí chvilka v bezpečnostním rámu a přístroje si zjistí nejenom to, co máte v tašce, ale také zkontrolují vaše chemické složení. Přístroje dokáží během vteřiny zjistit, jestli cestující nedržel v ruce těsně před odletem chemickou trhavinu nebo jinou nebezpečnou látku. Práci dokonalého detektiva dělá hmotnostní spektrometrie. Můžete si vybavit, že jste třeba byli posláni stranou, kde speciální ostraha sejmula vzorek z vašeho příručního zavazadla nebo udělala stěr třeba z oděvu. Ten stěr se potom dal do malého přístroje a zjistilo se, jestli potenciálně jsou tam nějaké markery výbušniny nebo nejsou. Pokud by se ukázalo, že tam nějaká takováhle látka je, jdete na detailnější kontrolu.

Hmotností spektrometry můžou měřit kdekoliv a cokoliv, v tom je jejich základní přednost. Zatím jsou na nejcitlivějších místech, třeba na amerických letištích. Vědci usilují, aby se spektrometry rozšířily víc. Jde o včasné varování. Musíme monitorovat například prostory metra po 24 hodin 7 dní v týdnu. Tohle monitorování nepotřebuje lidskou obsluhu a je opravdu spolehlivé. Hmotnostní spektrometr by spustil varování, kdyby se objevilo nějaké množství mikroorganizmů nebo nějaký chemický mrak.

Výhodou hmotnostní spektrometrie je, že ten samý systém dělá chemický i biologický monitoring dohromady. Fyzikální chemie posunula tuto metodu tak daleko, že pro vypátrání nějaké konkrétní látky jako stopa postačuje naprosto mizivé množství molekul. Stačí opravdu minimální množství, de facto jsou to stopová množství.

Hmotnostní spektrometrie je velmi citlivá metoda, takže stačí třeba 1000 iontů, což je opravdu málo na to, aby ten patřičný kontrolor nebo ten přístroj byl schopen říct, ano, ta látka tam může být nebo ne.

Příprava nějakého útoku se dá zaznamenat i ve volné přírodě. Specifické bojové chemické látky zanechávají malé stopy a speciální zařízení hmotnostní spektrometrie je zpravidla najde. K výrobě chemických látek jsou potřeba nějaké výchozí látky. Tyto výchozí látky jsou také na seznamu kontrolovaných látek. My se zabýváme právě látkami z tohoto seznamu a jsme schopni prokázat jejich přítomnost třeba ve vzorcích vody. To znamená, pokud se někdo pokouší někde vyrábět bojové chemické látky a využívá těchto výchozích látek, tak se dá očekávat, že část těchto látek se dostane do okolního životního prostředí.

A my vyvíjíme z hmotnostní spektrometrie metody, kterými jsme schopni prokázat přítomnost těchto látek třeba v povrchové vodě, v rybniční vodě, ve vodě z řeky.

Naprosto nekompromisní metoda má ale i své nevýhody. Je to třeba cena přístrojů, které jsou schopny určit, z čeho se skládají věci kolem nás. Od plynu, který vdechujeme, po prach na povrchu listů v parku.

Nejdražší český hmotnostní spektrometr stál desítky milionů Kč. Spektrometrické monitorování je velmi nákladné. Podle našich představ by takové drahé přístroje pro sledování vzduchu měly být na kosmických lodích a také na tak důležitých místech, jako je Washington DC. Zároveň tlačíme na firmy, které tato zařízení vyrábějí, aby zajistily levnější, menší spektrometry.

O tyhle věci se samozřejmě zajímá i armáda. Evropské ozbrojené složky už mají vybavení k monitorování bitevních polí - vzduchu. Dají se tak identifikovat třeba biologické zbraně. Terorismus je pouze jednou z mnoha oblastí, kde se tato metoda využívá. Dobře se ale na tomto příkladu ukazuje, jak může být fyzikální chemie prospěšná celé společnosti.

Jsou podobné spektrometry doménou jenom amerických letišť?

Já bych zde nerad odpovídal na otázku, jestli některá konkrétní letiště jsou vybavena a která nejsou. Důvod je ten, že při neustálém souboji vědy a techniky s potíráním bioterorismu je potřeba, aby věda a technika měla určitý náskok. Neměla by vlastně ukazovat, které trumfy má ještě k dispozici. Obecně lze samozřejmě říci, že stupeň vybavení amerických letišť je daleko lepší než těch evropských. Souvisí to samozřejmě s objemem peněz, které příslušné vlády jsou ochotny do této oblasti investovat.

Proč jsou hmotnostní spektrometry tak nákladné?

Souvisí to s jejich konstrukcí. Doposud veškeré analyzátory, které se konstruují, jsou založeny třeba na supravodivých magnetech, což jsou přístroje nebo součásti velmi drahé na výrobu. Ovšem současný vývoj, tak jak je ukazován v posledních letech, směřuje k tomu, že jsou využívány technologie, které jsou významně levnější. Současně dochází i k miniaturizaci těchto přístrojů.

Už jsme si říkali, že hmotnostní spektrometrie je doménou oboru, který se nazývá fyzikální chemie. Přístroje dokáží zjistit chemické složení na základě jedné fyzikální veličiny, totiž hmotnosti. Je to vlastně taková superjemná váha, která umí vážit molekuly. Kromě toho navíc dává ještě další fyzikální informace.

Hmotnostních spektrometrů, tedy ve vědeckém žargonu hmotníků, je celá řada. Princip je všude stejný, molekuly vzorku se musejí jakoby nabít, musí se z nich stát ionty a pak se v magnetickém nebo elektrostatickém poli změří jejich hmotnost.

Příběh hmotníků začal na konci předminulého století. Je to pozoruhodné, ale přímo za vývoj této metody byly uděleny čtyři Nobelovy ceny, ta první někdy kolem roku 1906, jestli se nemýlím, za věci, které souvisely s konstrukcí prvního hmotnostního spektrometru. Začátkem 20. století výzkum začal s velmi jednoduchými látkami, vzácnými plyny. Hmotnostní spektrometrie se během století rozšířila prakticky do všech oblastí vědy a techniky. S její pomocí se dají poznat těkavé látky, látky organické včetně těch nejsložitějších - bílkovin. Samotné bílkoviny jsou postaveny z 21 základních stavebních kamenů a řetězí se lineárně. To znamená, že těch 21 stavebních kamenů je za sebou, jako když hrajete domino. Vy víte, že máte 21 destiček na domino a teď je můžete řadit v počtu 100 za sebou nebo 1000 za sebou nebo 2000 za sebou v různých obměnách.

Takže si dovedete představit, kolik vznikne možných kombinací, které tyto stavební kameny vytvoří. Hmotnostní spektrometrie má velký význam v oblasti biologie, medicíny a přírodních věd. V minulých deseti letech došlo k obrovskému rozvoji ve využití hmotnostní spektrometrie pro studium bílkovin a také DNA. Na této chemii je závislý život každé buňky, život celého člověka. Pojďme se podívat k největšímu hmotníku v ČR. Základem většiny těchto přístrojů je magnet. V tomto případě je to supravodivý magnet, nepotřebuje žádnou elektřinu, jeho magnetismus mu pomáhá udržet kapalný dusík a helium, a tedy velmi nízká teplota -273 stupňů. Kdyby se z přístroje uvolnily stovky litrů těchto prvků, v místnosti by se ve vteřině opakovalo něco jako scéna z filmu Tajemství ocelového města. Výsledek je ten, že tato místnost se naplní bleskově dusivou atmosférou - plynným dusíkem a plynným heliem. Stačí pouhé dvě vteřiny nebo dva nádechy pro to, aby došlo k selhání plicních funkcí. I proto má místnost dokonalé bezpečnostní mechanizmy. Systém by rozrazil okna, rozjely by se ventilátory.

Opusťme ale oblast vědeckofantastických filmů. Na tomto přístroji se zkoumají mnohé biologické vzorky. Povedou třeba k poznání toho, jakými chemickými změnami se projevují různé nemoci. Čeští vědci vyvíjejí také vlastní jedinečné přístroje. Na tomto se kupříkladu budou zkoumat reakce, které můžou probíhat na povrchu stěn fúzního reaktoru ITER. Jde o jeden z největších evropských projektů, ve kterém se hledá revoluční zdroj energie. Uhlíkové stěny budou podstatnou částí reaktoru. Stěny české laboratoře ale už teď zdobí podpisy velikánů světové hmotnostní spektrometrie včetně zmíněných nositelů Nobelových cen.Nesmíme malovat, ale to rádi uděláme, protože tady máme opravdu vzácné podpisy. Je tady několik nositelů Nobelovy ceny. Je tady spousta kolegů, kteří jsou velmi slavní ve světě.

Pojďme se teď podívat, jak vlastně hmotníky pracují. Pomůže nám virtuální model. Už tady máme náš model. Z čeho se hmotnostní spektrometr skládá?

První součást je terčík, na kterém máme nanesen náš vzorek. Náš vzorek, tedy molekuly, v tomto případě jsou to ty žluté kuličky, jsou rozpuštěny v kapce matrice. Matrice je látka, která musí být třeba při této analýze přítomná. Je tam v desetitisíci násobném nadbytku a má tu funkci, že až následně do tohoto vzorku vystřelíme laserem, tak tato matrice absorbuje energii toho primárního laserového svazku. Můžeme si to potom ukázat. Pak tady máme takové skruže. O co jde? V tomto případě se jedná o znázornění toho analyzátoru jako takového - zařízení, kudy vlastně naše ionty poletí. Mluvil jste o laseru. Teď ten vzorek jaký elektrický náboj? A proč se tím laserem vlastně do toho vzorku musí "střílet". V tomto případě je ta látka zatím elektro neutrální. Proto, aby se převedla do nabitého stavu, do toho iontového stavu, musíme použít laser. Já teď poprosím režii o laser. Co se nám teď děje? Ionty letí analyzátorem, a toto je analyzátor z doby letu. Funguje tak, že my počítáme čas. Ionty, které jsou lehčí, tím analyzátorem proletí rychleji, kdežto ionty těžší v něm stráví daleko delší dobu.

Nakonec ionty dopadnou na detektor, to je ta zelená ploška zde. Ta hmotnost se měří podle toho, jak vysoko se ty ionty dostanou, nebo jak se měří? V principu se dá říct, že dráha těch iontů je stejná. Ale rozhodující je čas, my počítáme čas. Ionty, které jsou pomalejší, jsou těžší. Zařízení, které toto měří, se jmenuje digitizer, a je to vlastně velmi přesné zařízení na měření času.

Dostáváte ještě nějaké další fyzikální veličiny o těch molekulách?

Kromě toho, že měříme vlastně přesné hmotnosti, tak ve speciálních experimentech se dají měřit i energie těch iontů. Ale pro klasickou strukturní analýzu stačí ta informace o molekulární hmotnosti, ta je velmi přesná.

Těch hmotníků existuje celá řada. Tento hmotník je na pevné látky, jestli tomu rozumím dobře. Jaká je historie tohoto typu hmotníku, kdo ho vymyslel?

Konkrétně tady tato ionizační technika, to znamená způsob, jak vyrábíme nabité částice, ionty, se jmenuje technika MALDI. Je to zkratka pro Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, česky tedy: desorpce laserem za přítomnosti matrice. Tohle je zrovna ionizační technika, za kterou dostal Koichi Tanaka v roce 2002 Nobelovu cenu.

Chtěl jsem se ještě zeptat na takový detail, který jsme zmiňovali už v příspěvcích. V hmotnostní spektrometrii dokáží analyzovat také živé tkáně, z prstu udělat nějakou chemickou analýzu. Jak na to vědci vlastně jdou?

Analýza tkání, respektive třeba pokožky pacientů by nešla dělat tímto způsobem, laserem. Ale používá se na to jiná ionizační technika, která se jmenuje desorpční elektrosprej, a to je natolik jemná technika, že nedojde k poškození tkáně živého pacienta. Tu tady bohužel na tom modelu nemáme.

A nebolí to vůbec?

Řekl bych, že to nebolí. Prozatím děkuji. Hmotnostní spektrometrie vtrhla do mnoha vědních oborů. Změnila se díky ní třeba medicína. První změny v lidském těle odhalí hmotnostní spektrometrie dlouho před tím, než propuknou takové nemoci, jako je rakovina, leukémie, Bechtěrevova choroba, cukrovka nebo třeba poruchy ledvin. Lidské tělo začne produkovat látky, které se v něm normálně nenacházejí nebo jen v nepatrném množství. Právě tyto látky můžou sloužit jako tzv. biomarkery, ukazatele, podle kterých odborníci poznají, že organizmus je v ohrožení. Snažíme se najít klíčové molekuly v raných stádiích nemoci.

Mohou to být například proteiny, malé molekuly, které nás upozorní na první útok například leukémie nebo tumoru. Metody hmotnostní spektrometrie se běžně využívají k analýze moči, krve nebo tkání, u kterých existuje podezření třeba na rakovinu. Nejmodernější technologie dokáží odhalit podezřelé biomarkery i na pokožce pacienta. Na povrch těla se vylučují nejenom látky vytvořené v důsledku nejrůznějších onemocnění, ale i takové, které se do člověka dostávají třeba ve formě léků nebo drog.

Na živém člověku lze udělat přímou analýzu látek, které jsou přítomny na jeho pokožce, ať je to třeba jeho ukazovák. Jsme schopni určit velmi rychle, že ten člověk snědl nějaké léčivo nebo nějakou drogu, vlastně jaké cizorodé látky jsou přítomny v tom člověku, protože ony se vylučují. Včasná diagnóza znamená první krok pro úspěšnou léčbu.

Hmotnostní spektrometrie odhalí poruchy i u ještě nenarozených dětí. Diagnóza stanovená příliš pozdě by mohla znamenat, že dítě se narodí postižené nebo se nenarodí vůbec. My jsme schopni prokázat přítomnost některých metabolitů, které by se neměly vyskytovat u novorozence v určité koncentraci. Pokud ta koncentrace je příliš vysoká, znamená to, že jeho organizmus v něčem selhává, že pracuje špatně a že je nutné provést nějaký zásah, tedy léčbu. Právě schopnost rozpoznat nemoc v jejím prvopočátku považují odborníci za největší výhodu hmotnostní spektrometrie.

Některé technologie jsou ale zatím příliš nákladné. Vývoj postupuje rychle kupředu, za několik let tak možná budou jednoduché spektrometrické testy dostupné v laboratořích praktických lékařů. Jeden z amerických kolegů před třemi roky mi říkal, že cílem jejich výzkumu je dosáhnout toho, aby chirurg vyšel z operačního sálu s kouskem tkáně operovaného pacienta a předal ho příslušným lidem. Ti by během krátké doby pomocí hmotnostní spektrometrie našli nebo nenašli určitý protein v této látce.

Dřív než se pacient probudí z narkózy, by chirurgovi řekli, jestli má operovat nebo ne. To by byl ten ideální stav. To bylo před třemi lety a musím říct, že teď, po třech letech, jsme v této věci daleko dále. Chemie člověka je velmi složitá.

Jak se postupuje při odhalování nemocí nebo při určování látek, které ji prokazují?

Můžeme použít pro identifikaci dané choroby skupinu molekul, které se říká markery. To mohou být bílkoviny nebo i nízkomolekulární látky. Mohou to být látky i opravdu velmi malé, třeba formaldehyd, který pokud jsme schopni detekovat v dechu pacienta, jsme schopni tím pádem i určit, že má nějaký patologický stav. Kromě těchto nízkomolekulárních látek ovšem nejdůležitější markerové molekuly jsou pravděpodobně bílkoviny. Jejich identifikace a současně i kvantitativní zhodnocení, to znamená odpověď na otázku, kolik příslušných bílkovin je v dané tkáni nebo v buňce, to jsou všechno otázky, na které hmotnostní spektrometrie dává odpověď. Těch bílkovin jsou statisíce.

Když se ten svět nějak jednoduše představí, tak je to velký zmatek. Existuje něco jako katalogy, kde lidé, kteří pracují s hmotnostními spektrometry, najdou o jakou bílkovinu jde?

Existují specializované databáze. Ten hmotnostní spektrometrista když vyhodnocuje tu analýzu, to své hmotnostní spektrum, tak ten výsledek posílá přes internet právě do takovéto databáze. Tam na základě několikavteřinového hledání získává rychlý výsledek, tedy tu identifikaci konkrétní bílkoviny, pokud samozřejmě ta bílkovina je přítomna v té databázi, v té knihovně spekter. Poslední obor, který hmotnostní spektrometrie zásadně změnila a který dnes zmíníme, je oblast ekologie a životního prostředí. Nebýt spektrometrů, chyběly by lidem zásadní informace o znečištění vod nebo vzduchu.

Zhoršuje se znečištění atmosféry, zvětšuje se ozónová díra? A jaké látky se nacházejí ve zdrojích pitné vody?

Metody hmotnostní spektrometrie při studiu globálního oteplování používá např. nositel Nobelovy ceny z roku 1995 Paul Crutzen. Například skleníkové plyny, které ohřívají atmosféru, jsou měřeny pomocí hmotnostní spektrometrie. Existuje mnoho aktivních plynů v chemickém složení atmosféry, v její dolní části, ale i ve stratosféře. Právě skleníkové plyny jsou příčinou globálního oteplování. Z pravidelných vědeckých měření, která probíhají po celém světě, vyplývá, že od začátku průmyslové revoluce stouply průměrné teploty na Zemi o 0,7°C. Navíc se zdá, že oteplování se zrychluje. Profesor Crutzen nepochybuje o tom, že příčinou nebezpečných klimatických změn je lidská činnost. O tom v podstatě nelze pochybovat. Samozřejmě se vždycky najde někdo, kdo se tento fakt bude snažit zpochybnit, ale ve vědecké komunitě mezi těmi největšími odborníky je naprostá shoda, že příčinou růstu teplot je právě lidské chování. Podobně jako skleníkové plyny pomáhá hmotnostní spektrometrie měřit i množství ozónu v atmosféře nebo různé aerosolové částice. Ty můžou být v některých ohledech prospěšné, často ale lidské zdraví spíš ohrožují. Tyto částečky mohou mít pozitivní efekt, například pomáhají ochlazovat planetu, odrážejí světlo do vesmíru, a tím ji ochlazují. Kdyby neexistovaly, byly by teploty na Zemi pravděpodobně mnohem vyšší. Na druhé straně mohou tyto částice ohrožovat lidské zdraví. V Evropě se např. v zimním období dostává do ovzduší mnoho částic, které pocházejí ze spalování dřeva, a ty jsou opravdu velmi nebezpečné. Částice, které vznikají při spalování dřeva, dokáží ovlivnit např. i takové jevy, jako je vznik oblačnosti a dešťových srážek. Efekt ohně způsobuje problémy v zemích kolem Amazonky. V období sucha tu dochází k rozsáhlému odlesňování a pálení dřeva, což velmi dramaticky ovlivňuje složení částic v ovzduší a zároveň procesy formování oblačnosti. Dnes už bezpečně víme, že v těchto obdobích jsou struktury oblačnosti odlišné než v době, kdy se kouř z páleného dřeva do ovzduší nedostává.

Zkoumání ovzduší pomocí hmotnostní spektrometrie může být ale i mnohem radostnější. Vědci v italských Dolomitech např. objevili v lesním vzduchu látky, které působí blahodárně na dýchací ústrojí. Zkoumáme jeden les v blízkosti Dolomit, kde prakticky není žádná doprava. V této izolované lokalitě zkoumáme látky, které se do ovzduší uvolňují ze stromů. Mezi těmito látkami jsou některé farmakologicky aktivní. Už jsme našli mnoho zajímavých látek, některé z nich jsou velmi účinné např. pro dýchací systém. Hmotnostní spektrometrie dnes bdí nejenom nad tím, co lidé dýchají, ale odhalí i jakoukoliv závadu v potravinách. Přístroje najdou zárodky plísní i příměsi zakázaných barviv. Své zdraví dnes máme v rukou hmotnostních spektrometrů.

Kam se bude hmotnostní spektrometrie vyvíjet, co čekáte?

Já cítím, že jsou takové tři hlavní směry technologického vývoje. Ten první se týká miniaturizace těchto přístrojů. To znamená, že místo velkých monstrózních zařízení budou vyvíjena zařízení, která jsou daleko menší, de facto do ruky. Druhým směrem potom bude vývoj v přípravě vzorků, to znamená, že ty hmotnostně spektrometrické techniky budou schopny pracovat se vzorkem, aniž by tento předtím musel být nějakým způsobem ošetřen. Budeme tedy měřit přímo povrchy, objemy plynů, tekutiny atd. A konečně třetí směr, kam by se hmotnostní spektrometrie měla vyvíjet, tak ten se týká samotného vývoje těch analyzátorů.

Příští analyzátory budou daleko citlivější, daleko přesnější a především by měly být levnější. Říká Vladimír Havlíček z Mikrobiologického ústavu AV.

Česká televize
 

Mohlo by Vás zajímat

e-liquids, e-juices and nicotine liquids - Customized solutions for complete analysis

Brožury a specifikace
| N/A | Shimadzu
Instrumentace
GC/MSD, GC/SQ, HPLC
Výrobce
Shimadzu
Zaměření
Potraviny a zemědělství

Shimadzu Food Safety Management Data Book

Příručky
| N/A | Shimadzu
Instrumentace
GC, GC/MSD, GC/SQ, HPLC, LC/MS, GPC, LC-SQ
Výrobce
Shimadzu
Zaměření
Potraviny a zemědělství

Experience New Benchmarks with Empower Shimadzu’s LC/GC Drivers for Waters™ Empower™

Ostatní
| 2020 | Shimadzu
Instrumentace
Software
Výrobce
Shimadzu, Waters
Zaměření
---
 

Podobné články

Článek | Popularizace

Hmotnostní spektrometrie a velké molekuly

Ionizační metody analýzy biologických makromolekul. Málokdy se stává, aby cenu sdíleli dva vědci, z nichž jeden je bezmála dvakrát tak stár než druhý – Johnu Fennovi je 85 let, K. Tanakovi jen 43.
Článek | Zdraví

Profil přístrojů výjezdové skupiny chemické laboratoře Institutu ochrany obyvatelstva

Významné úniky nebezpečných látek, záhadné otravy, velké nálezy nebezpečného materiálu. I přes profesionální výcvik a univerzální výbavu nemohou jednotky požární ochrany čelit takovýmto hrozbám bez pomoci.
Rozhovor | Zdraví

Jak se vyhnout nepříjemné kolonoskopii? Pomoci by měla nová metoda analýzy dechu

Vědci z Ústavu fyzikální chemie Akademie věd mají zcela novou metodu. Crohnovu nemoc chtějí odhalovat pomocí hmotnostní spektrometrie, tedy měřením dechu pacienta.
Planeta věda - Hmotnostní spektrometrie
Út, 7.1.2020
| Originální článek z: Česká televize
Tento díl Planety věda se bude věnovat hmotnostní spektrometrii. Podívejte se záznam pořadu a názor prof. Havlíčka z MBÚ v roce 2006. Byly jeho představy o dalším vývoji hmotnostních spektrometrů správné?

Česká televize: Planeta věda - Hmotnostní spektrometrie

Tento díl Planety věda se bude věnovat hmotnostní spektrometrii. Jde o obor, který zásadně pomáhá například v boji proti terorismu. Experti na bezpečnostní rizika si uvědomují, že atentátníci mohou připravit útoky, které nebudou založeny jen na výbušninách, ale také na chemických a biologických zbraních. Proto se hledají a vyvíjejí systémy, které obyvatele včas upozorní. Klíčovou roli v podobných systémech mají právě hmotnostní spektrometry. Hostem pořadu bude Vladimír Havlíček z Mikrobiologického ústavu Akademie věd.

Dobrý den, začíná další díl PLANETY VĚDA.

Dnes se podíváme na hmotnostní spektrometrii, termín, který spíše odrazuje. Na druhou stranu obor, který zásadně pomáhá třeba v boji proti terorismu. Jak? Ptám se Vladimíra Havlíčka z Mikrobiologického ústavu AV.

Hmotnostní spektrometrie je instrumentálně analytická technika, která dokáže ve stopových množstvích určit strukturu organické látky. Ať tato je přítomná ve vodě, ve vzduchu nebo třeba na povrchu předmětů.

Ta metoda je velmi citlivá a velmi rychlá, dokáže pracovat ve velmi složitých směsích, a je tudíž předurčena pro analýzu škodlivých látek. Terorismu straší obyvatele celé planety. Experti na bezpečnostní rizika si uvědomují, že atentátníci můžou připravit útoky, které nebudou založeny jen na výbušninách, ale také na chemických nebo biologických zbraních. Proto se hledají a vyvíjejí systémy, které obyvatele včas upozorní. Klíčovou roli v podobných systémech mají právě hmotnostní spektrometry. Stačí chvilka v bezpečnostním rámu a přístroje si zjistí nejenom to, co máte v tašce, ale také zkontrolují vaše chemické složení. Přístroje dokáží během vteřiny zjistit, jestli cestující nedržel v ruce těsně před odletem chemickou trhavinu nebo jinou nebezpečnou látku. Práci dokonalého detektiva dělá hmotnostní spektrometrie. Můžete si vybavit, že jste třeba byli posláni stranou, kde speciální ostraha sejmula vzorek z vašeho příručního zavazadla nebo udělala stěr třeba z oděvu. Ten stěr se potom dal do malého přístroje a zjistilo se, jestli potenciálně jsou tam nějaké markery výbušniny nebo nejsou. Pokud by se ukázalo, že tam nějaká takováhle látka je, jdete na detailnější kontrolu.

Hmotností spektrometry můžou měřit kdekoliv a cokoliv, v tom je jejich základní přednost. Zatím jsou na nejcitlivějších místech, třeba na amerických letištích. Vědci usilují, aby se spektrometry rozšířily víc. Jde o včasné varování. Musíme monitorovat například prostory metra po 24 hodin 7 dní v týdnu. Tohle monitorování nepotřebuje lidskou obsluhu a je opravdu spolehlivé. Hmotnostní spektrometr by spustil varování, kdyby se objevilo nějaké množství mikroorganizmů nebo nějaký chemický mrak.

Výhodou hmotnostní spektrometrie je, že ten samý systém dělá chemický i biologický monitoring dohromady. Fyzikální chemie posunula tuto metodu tak daleko, že pro vypátrání nějaké konkrétní látky jako stopa postačuje naprosto mizivé množství molekul. Stačí opravdu minimální množství, de facto jsou to stopová množství.

Hmotnostní spektrometrie je velmi citlivá metoda, takže stačí třeba 1000 iontů, což je opravdu málo na to, aby ten patřičný kontrolor nebo ten přístroj byl schopen říct, ano, ta látka tam může být nebo ne.

Příprava nějakého útoku se dá zaznamenat i ve volné přírodě. Specifické bojové chemické látky zanechávají malé stopy a speciální zařízení hmotnostní spektrometrie je zpravidla najde. K výrobě chemických látek jsou potřeba nějaké výchozí látky. Tyto výchozí látky jsou také na seznamu kontrolovaných látek. My se zabýváme právě látkami z tohoto seznamu a jsme schopni prokázat jejich přítomnost třeba ve vzorcích vody. To znamená, pokud se někdo pokouší někde vyrábět bojové chemické látky a využívá těchto výchozích látek, tak se dá očekávat, že část těchto látek se dostane do okolního životního prostředí.

A my vyvíjíme z hmotnostní spektrometrie metody, kterými jsme schopni prokázat přítomnost těchto látek třeba v povrchové vodě, v rybniční vodě, ve vodě z řeky.

Naprosto nekompromisní metoda má ale i své nevýhody. Je to třeba cena přístrojů, které jsou schopny určit, z čeho se skládají věci kolem nás. Od plynu, který vdechujeme, po prach na povrchu listů v parku.

Nejdražší český hmotnostní spektrometr stál desítky milionů Kč. Spektrometrické monitorování je velmi nákladné. Podle našich představ by takové drahé přístroje pro sledování vzduchu měly být na kosmických lodích a také na tak důležitých místech, jako je Washington DC. Zároveň tlačíme na firmy, které tato zařízení vyrábějí, aby zajistily levnější, menší spektrometry.

O tyhle věci se samozřejmě zajímá i armáda. Evropské ozbrojené složky už mají vybavení k monitorování bitevních polí - vzduchu. Dají se tak identifikovat třeba biologické zbraně. Terorismus je pouze jednou z mnoha oblastí, kde se tato metoda využívá. Dobře se ale na tomto příkladu ukazuje, jak může být fyzikální chemie prospěšná celé společnosti.

Jsou podobné spektrometry doménou jenom amerických letišť?

Já bych zde nerad odpovídal na otázku, jestli některá konkrétní letiště jsou vybavena a která nejsou. Důvod je ten, že při neustálém souboji vědy a techniky s potíráním bioterorismu je potřeba, aby věda a technika měla určitý náskok. Neměla by vlastně ukazovat, které trumfy má ještě k dispozici. Obecně lze samozřejmě říci, že stupeň vybavení amerických letišť je daleko lepší než těch evropských. Souvisí to samozřejmě s objemem peněz, které příslušné vlády jsou ochotny do této oblasti investovat.

Proč jsou hmotnostní spektrometry tak nákladné?

Souvisí to s jejich konstrukcí. Doposud veškeré analyzátory, které se konstruují, jsou založeny třeba na supravodivých magnetech, což jsou přístroje nebo součásti velmi drahé na výrobu. Ovšem současný vývoj, tak jak je ukazován v posledních letech, směřuje k tomu, že jsou využívány technologie, které jsou významně levnější. Současně dochází i k miniaturizaci těchto přístrojů.

Už jsme si říkali, že hmotnostní spektrometrie je doménou oboru, který se nazývá fyzikální chemie. Přístroje dokáží zjistit chemické složení na základě jedné fyzikální veličiny, totiž hmotnosti. Je to vlastně taková superjemná váha, která umí vážit molekuly. Kromě toho navíc dává ještě další fyzikální informace.

Hmotnostních spektrometrů, tedy ve vědeckém žargonu hmotníků, je celá řada. Princip je všude stejný, molekuly vzorku se musejí jakoby nabít, musí se z nich stát ionty a pak se v magnetickém nebo elektrostatickém poli změří jejich hmotnost.

Příběh hmotníků začal na konci předminulého století. Je to pozoruhodné, ale přímo za vývoj této metody byly uděleny čtyři Nobelovy ceny, ta první někdy kolem roku 1906, jestli se nemýlím, za věci, které souvisely s konstrukcí prvního hmotnostního spektrometru. Začátkem 20. století výzkum začal s velmi jednoduchými látkami, vzácnými plyny. Hmotnostní spektrometrie se během století rozšířila prakticky do všech oblastí vědy a techniky. S její pomocí se dají poznat těkavé látky, látky organické včetně těch nejsložitějších - bílkovin. Samotné bílkoviny jsou postaveny z 21 základních stavebních kamenů a řetězí se lineárně. To znamená, že těch 21 stavebních kamenů je za sebou, jako když hrajete domino. Vy víte, že máte 21 destiček na domino a teď je můžete řadit v počtu 100 za sebou nebo 1000 za sebou nebo 2000 za sebou v různých obměnách.

Takže si dovedete představit, kolik vznikne možných kombinací, které tyto stavební kameny vytvoří. Hmotnostní spektrometrie má velký význam v oblasti biologie, medicíny a přírodních věd. V minulých deseti letech došlo k obrovskému rozvoji ve využití hmotnostní spektrometrie pro studium bílkovin a také DNA. Na této chemii je závislý život každé buňky, život celého člověka. Pojďme se podívat k největšímu hmotníku v ČR. Základem většiny těchto přístrojů je magnet. V tomto případě je to supravodivý magnet, nepotřebuje žádnou elektřinu, jeho magnetismus mu pomáhá udržet kapalný dusík a helium, a tedy velmi nízká teplota -273 stupňů. Kdyby se z přístroje uvolnily stovky litrů těchto prvků, v místnosti by se ve vteřině opakovalo něco jako scéna z filmu Tajemství ocelového města. Výsledek je ten, že tato místnost se naplní bleskově dusivou atmosférou - plynným dusíkem a plynným heliem. Stačí pouhé dvě vteřiny nebo dva nádechy pro to, aby došlo k selhání plicních funkcí. I proto má místnost dokonalé bezpečnostní mechanizmy. Systém by rozrazil okna, rozjely by se ventilátory.

Opusťme ale oblast vědeckofantastických filmů. Na tomto přístroji se zkoumají mnohé biologické vzorky. Povedou třeba k poznání toho, jakými chemickými změnami se projevují různé nemoci. Čeští vědci vyvíjejí také vlastní jedinečné přístroje. Na tomto se kupříkladu budou zkoumat reakce, které můžou probíhat na povrchu stěn fúzního reaktoru ITER. Jde o jeden z největších evropských projektů, ve kterém se hledá revoluční zdroj energie. Uhlíkové stěny budou podstatnou částí reaktoru. Stěny české laboratoře ale už teď zdobí podpisy velikánů světové hmotnostní spektrometrie včetně zmíněných nositelů Nobelových cen.Nesmíme malovat, ale to rádi uděláme, protože tady máme opravdu vzácné podpisy. Je tady několik nositelů Nobelovy ceny. Je tady spousta kolegů, kteří jsou velmi slavní ve světě.

Pojďme se teď podívat, jak vlastně hmotníky pracují. Pomůže nám virtuální model. Už tady máme náš model. Z čeho se hmotnostní spektrometr skládá?

První součást je terčík, na kterém máme nanesen náš vzorek. Náš vzorek, tedy molekuly, v tomto případě jsou to ty žluté kuličky, jsou rozpuštěny v kapce matrice. Matrice je látka, která musí být třeba při této analýze přítomná. Je tam v desetitisíci násobném nadbytku a má tu funkci, že až následně do tohoto vzorku vystřelíme laserem, tak tato matrice absorbuje energii toho primárního laserového svazku. Můžeme si to potom ukázat. Pak tady máme takové skruže. O co jde? V tomto případě se jedná o znázornění toho analyzátoru jako takového - zařízení, kudy vlastně naše ionty poletí. Mluvil jste o laseru. Teď ten vzorek jaký elektrický náboj? A proč se tím laserem vlastně do toho vzorku musí "střílet". V tomto případě je ta látka zatím elektro neutrální. Proto, aby se převedla do nabitého stavu, do toho iontového stavu, musíme použít laser. Já teď poprosím režii o laser. Co se nám teď děje? Ionty letí analyzátorem, a toto je analyzátor z doby letu. Funguje tak, že my počítáme čas. Ionty, které jsou lehčí, tím analyzátorem proletí rychleji, kdežto ionty těžší v něm stráví daleko delší dobu.

Nakonec ionty dopadnou na detektor, to je ta zelená ploška zde. Ta hmotnost se měří podle toho, jak vysoko se ty ionty dostanou, nebo jak se měří? V principu se dá říct, že dráha těch iontů je stejná. Ale rozhodující je čas, my počítáme čas. Ionty, které jsou pomalejší, jsou těžší. Zařízení, které toto měří, se jmenuje digitizer, a je to vlastně velmi přesné zařízení na měření času.

Dostáváte ještě nějaké další fyzikální veličiny o těch molekulách?

Kromě toho, že měříme vlastně přesné hmotnosti, tak ve speciálních experimentech se dají měřit i energie těch iontů. Ale pro klasickou strukturní analýzu stačí ta informace o molekulární hmotnosti, ta je velmi přesná.

Těch hmotníků existuje celá řada. Tento hmotník je na pevné látky, jestli tomu rozumím dobře. Jaká je historie tohoto typu hmotníku, kdo ho vymyslel?

Konkrétně tady tato ionizační technika, to znamená způsob, jak vyrábíme nabité částice, ionty, se jmenuje technika MALDI. Je to zkratka pro Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, česky tedy: desorpce laserem za přítomnosti matrice. Tohle je zrovna ionizační technika, za kterou dostal Koichi Tanaka v roce 2002 Nobelovu cenu.

Chtěl jsem se ještě zeptat na takový detail, který jsme zmiňovali už v příspěvcích. V hmotnostní spektrometrii dokáží analyzovat také živé tkáně, z prstu udělat nějakou chemickou analýzu. Jak na to vědci vlastně jdou?

Analýza tkání, respektive třeba pokožky pacientů by nešla dělat tímto způsobem, laserem. Ale používá se na to jiná ionizační technika, která se jmenuje desorpční elektrosprej, a to je natolik jemná technika, že nedojde k poškození tkáně živého pacienta. Tu tady bohužel na tom modelu nemáme.

A nebolí to vůbec?

Řekl bych, že to nebolí. Prozatím děkuji. Hmotnostní spektrometrie vtrhla do mnoha vědních oborů. Změnila se díky ní třeba medicína. První změny v lidském těle odhalí hmotnostní spektrometrie dlouho před tím, než propuknou takové nemoci, jako je rakovina, leukémie, Bechtěrevova choroba, cukrovka nebo třeba poruchy ledvin. Lidské tělo začne produkovat látky, které se v něm normálně nenacházejí nebo jen v nepatrném množství. Právě tyto látky můžou sloužit jako tzv. biomarkery, ukazatele, podle kterých odborníci poznají, že organizmus je v ohrožení. Snažíme se najít klíčové molekuly v raných stádiích nemoci.

Mohou to být například proteiny, malé molekuly, které nás upozorní na první útok například leukémie nebo tumoru. Metody hmotnostní spektrometrie se běžně využívají k analýze moči, krve nebo tkání, u kterých existuje podezření třeba na rakovinu. Nejmodernější technologie dokáží odhalit podezřelé biomarkery i na pokožce pacienta. Na povrch těla se vylučují nejenom látky vytvořené v důsledku nejrůznějších onemocnění, ale i takové, které se do člověka dostávají třeba ve formě léků nebo drog.

Na živém člověku lze udělat přímou analýzu látek, které jsou přítomny na jeho pokožce, ať je to třeba jeho ukazovák. Jsme schopni určit velmi rychle, že ten člověk snědl nějaké léčivo nebo nějakou drogu, vlastně jaké cizorodé látky jsou přítomny v tom člověku, protože ony se vylučují. Včasná diagnóza znamená první krok pro úspěšnou léčbu.

Hmotnostní spektrometrie odhalí poruchy i u ještě nenarozených dětí. Diagnóza stanovená příliš pozdě by mohla znamenat, že dítě se narodí postižené nebo se nenarodí vůbec. My jsme schopni prokázat přítomnost některých metabolitů, které by se neměly vyskytovat u novorozence v určité koncentraci. Pokud ta koncentrace je příliš vysoká, znamená to, že jeho organizmus v něčem selhává, že pracuje špatně a že je nutné provést nějaký zásah, tedy léčbu. Právě schopnost rozpoznat nemoc v jejím prvopočátku považují odborníci za největší výhodu hmotnostní spektrometrie.

Některé technologie jsou ale zatím příliš nákladné. Vývoj postupuje rychle kupředu, za několik let tak možná budou jednoduché spektrometrické testy dostupné v laboratořích praktických lékařů. Jeden z amerických kolegů před třemi roky mi říkal, že cílem jejich výzkumu je dosáhnout toho, aby chirurg vyšel z operačního sálu s kouskem tkáně operovaného pacienta a předal ho příslušným lidem. Ti by během krátké doby pomocí hmotnostní spektrometrie našli nebo nenašli určitý protein v této látce.

Dřív než se pacient probudí z narkózy, by chirurgovi řekli, jestli má operovat nebo ne. To by byl ten ideální stav. To bylo před třemi lety a musím říct, že teď, po třech letech, jsme v této věci daleko dále. Chemie člověka je velmi složitá.

Jak se postupuje při odhalování nemocí nebo při určování látek, které ji prokazují?

Můžeme použít pro identifikaci dané choroby skupinu molekul, které se říká markery. To mohou být bílkoviny nebo i nízkomolekulární látky. Mohou to být látky i opravdu velmi malé, třeba formaldehyd, který pokud jsme schopni detekovat v dechu pacienta, jsme schopni tím pádem i určit, že má nějaký patologický stav. Kromě těchto nízkomolekulárních látek ovšem nejdůležitější markerové molekuly jsou pravděpodobně bílkoviny. Jejich identifikace a současně i kvantitativní zhodnocení, to znamená odpověď na otázku, kolik příslušných bílkovin je v dané tkáni nebo v buňce, to jsou všechno otázky, na které hmotnostní spektrometrie dává odpověď. Těch bílkovin jsou statisíce.

Když se ten svět nějak jednoduše představí, tak je to velký zmatek. Existuje něco jako katalogy, kde lidé, kteří pracují s hmotnostními spektrometry, najdou o jakou bílkovinu jde?

Existují specializované databáze. Ten hmotnostní spektrometrista když vyhodnocuje tu analýzu, to své hmotnostní spektrum, tak ten výsledek posílá přes internet právě do takovéto databáze. Tam na základě několikavteřinového hledání získává rychlý výsledek, tedy tu identifikaci konkrétní bílkoviny, pokud samozřejmě ta bílkovina je přítomna v té databázi, v té knihovně spekter. Poslední obor, který hmotnostní spektrometrie zásadně změnila a který dnes zmíníme, je oblast ekologie a životního prostředí. Nebýt spektrometrů, chyběly by lidem zásadní informace o znečištění vod nebo vzduchu.

Zhoršuje se znečištění atmosféry, zvětšuje se ozónová díra? A jaké látky se nacházejí ve zdrojích pitné vody?

Metody hmotnostní spektrometrie při studiu globálního oteplování používá např. nositel Nobelovy ceny z roku 1995 Paul Crutzen. Například skleníkové plyny, které ohřívají atmosféru, jsou měřeny pomocí hmotnostní spektrometrie. Existuje mnoho aktivních plynů v chemickém složení atmosféry, v její dolní části, ale i ve stratosféře. Právě skleníkové plyny jsou příčinou globálního oteplování. Z pravidelných vědeckých měření, která probíhají po celém světě, vyplývá, že od začátku průmyslové revoluce stouply průměrné teploty na Zemi o 0,7°C. Navíc se zdá, že oteplování se zrychluje. Profesor Crutzen nepochybuje o tom, že příčinou nebezpečných klimatických změn je lidská činnost. O tom v podstatě nelze pochybovat. Samozřejmě se vždycky najde někdo, kdo se tento fakt bude snažit zpochybnit, ale ve vědecké komunitě mezi těmi největšími odborníky je naprostá shoda, že příčinou růstu teplot je právě lidské chování. Podobně jako skleníkové plyny pomáhá hmotnostní spektrometrie měřit i množství ozónu v atmosféře nebo různé aerosolové částice. Ty můžou být v některých ohledech prospěšné, často ale lidské zdraví spíš ohrožují. Tyto částečky mohou mít pozitivní efekt, například pomáhají ochlazovat planetu, odrážejí světlo do vesmíru, a tím ji ochlazují. Kdyby neexistovaly, byly by teploty na Zemi pravděpodobně mnohem vyšší. Na druhé straně mohou tyto částice ohrožovat lidské zdraví. V Evropě se např. v zimním období dostává do ovzduší mnoho částic, které pocházejí ze spalování dřeva, a ty jsou opravdu velmi nebezpečné. Částice, které vznikají při spalování dřeva, dokáží ovlivnit např. i takové jevy, jako je vznik oblačnosti a dešťových srážek. Efekt ohně způsobuje problémy v zemích kolem Amazonky. V období sucha tu dochází k rozsáhlému odlesňování a pálení dřeva, což velmi dramaticky ovlivňuje složení částic v ovzduší a zároveň procesy formování oblačnosti. Dnes už bezpečně víme, že v těchto obdobích jsou struktury oblačnosti odlišné než v době, kdy se kouř z páleného dřeva do ovzduší nedostává.

Zkoumání ovzduší pomocí hmotnostní spektrometrie může být ale i mnohem radostnější. Vědci v italských Dolomitech např. objevili v lesním vzduchu látky, které působí blahodárně na dýchací ústrojí. Zkoumáme jeden les v blízkosti Dolomit, kde prakticky není žádná doprava. V této izolované lokalitě zkoumáme látky, které se do ovzduší uvolňují ze stromů. Mezi těmito látkami jsou některé farmakologicky aktivní. Už jsme našli mnoho zajímavých látek, některé z nich jsou velmi účinné např. pro dýchací systém. Hmotnostní spektrometrie dnes bdí nejenom nad tím, co lidé dýchají, ale odhalí i jakoukoliv závadu v potravinách. Přístroje najdou zárodky plísní i příměsi zakázaných barviv. Své zdraví dnes máme v rukou hmotnostních spektrometrů.

Kam se bude hmotnostní spektrometrie vyvíjet, co čekáte?

Já cítím, že jsou takové tři hlavní směry technologického vývoje. Ten první se týká miniaturizace těchto přístrojů. To znamená, že místo velkých monstrózních zařízení budou vyvíjena zařízení, která jsou daleko menší, de facto do ruky. Druhým směrem potom bude vývoj v přípravě vzorků, to znamená, že ty hmotnostně spektrometrické techniky budou schopny pracovat se vzorkem, aniž by tento předtím musel být nějakým způsobem ošetřen. Budeme tedy měřit přímo povrchy, objemy plynů, tekutiny atd. A konečně třetí směr, kam by se hmotnostní spektrometrie měla vyvíjet, tak ten se týká samotného vývoje těch analyzátorů.

Příští analyzátory budou daleko citlivější, daleko přesnější a především by měly být levnější. Říká Vladimír Havlíček z Mikrobiologického ústavu AV.

Česká televize
 

Mohlo by Vás zajímat

e-liquids, e-juices and nicotine liquids - Customized solutions for complete analysis

Brožury a specifikace
| N/A | Shimadzu
Instrumentace
GC/MSD, GC/SQ, HPLC
Výrobce
Shimadzu
Zaměření
Potraviny a zemědělství

Shimadzu Food Safety Management Data Book

Příručky
| N/A | Shimadzu
Instrumentace
GC, GC/MSD, GC/SQ, HPLC, LC/MS, GPC, LC-SQ
Výrobce
Shimadzu
Zaměření
Potraviny a zemědělství

Experience New Benchmarks with Empower Shimadzu’s LC/GC Drivers for Waters™ Empower™

Ostatní
| 2020 | Shimadzu
Instrumentace
Software
Výrobce
Shimadzu, Waters
Zaměření
---
 

Podobné články

Článek | Popularizace

Hmotnostní spektrometrie a velké molekuly

Ionizační metody analýzy biologických makromolekul. Málokdy se stává, aby cenu sdíleli dva vědci, z nichž jeden je bezmála dvakrát tak stár než druhý – Johnu Fennovi je 85 let, K. Tanakovi jen 43.
Článek | Zdraví

Profil přístrojů výjezdové skupiny chemické laboratoře Institutu ochrany obyvatelstva

Významné úniky nebezpečných látek, záhadné otravy, velké nálezy nebezpečného materiálu. I přes profesionální výcvik a univerzální výbavu nemohou jednotky požární ochrany čelit takovýmto hrozbám bez pomoci.
Rozhovor | Zdraví

Jak se vyhnout nepříjemné kolonoskopii? Pomoci by měla nová metoda analýzy dechu

Vědci z Ústavu fyzikální chemie Akademie věd mají zcela novou metodu. Crohnovu nemoc chtějí odhalovat pomocí hmotnostní spektrometrie, tedy měřením dechu pacienta.
Planeta věda - Hmotnostní spektrometrie
Út, 7.1.2020
| Originální článek z: Česká televize
Tento díl Planety věda se bude věnovat hmotnostní spektrometrii. Podívejte se záznam pořadu a názor prof. Havlíčka z MBÚ v roce 2006. Byly jeho představy o dalším vývoji hmotnostních spektrometrů správné?

Česká televize: Planeta věda - Hmotnostní spektrometrie

Tento díl Planety věda se bude věnovat hmotnostní spektrometrii. Jde o obor, který zásadně pomáhá například v boji proti terorismu. Experti na bezpečnostní rizika si uvědomují, že atentátníci mohou připravit útoky, které nebudou založeny jen na výbušninách, ale také na chemických a biologických zbraních. Proto se hledají a vyvíjejí systémy, které obyvatele včas upozorní. Klíčovou roli v podobných systémech mají právě hmotnostní spektrometry. Hostem pořadu bude Vladimír Havlíček z Mikrobiologického ústavu Akademie věd.

Dobrý den, začíná další díl PLANETY VĚDA.

Dnes se podíváme na hmotnostní spektrometrii, termín, který spíše odrazuje. Na druhou stranu obor, který zásadně pomáhá třeba v boji proti terorismu. Jak? Ptám se Vladimíra Havlíčka z Mikrobiologického ústavu AV.

Hmotnostní spektrometrie je instrumentálně analytická technika, která dokáže ve stopových množstvích určit strukturu organické látky. Ať tato je přítomná ve vodě, ve vzduchu nebo třeba na povrchu předmětů.

Ta metoda je velmi citlivá a velmi rychlá, dokáže pracovat ve velmi složitých směsích, a je tudíž předurčena pro analýzu škodlivých látek. Terorismu straší obyvatele celé planety. Experti na bezpečnostní rizika si uvědomují, že atentátníci můžou připravit útoky, které nebudou založeny jen na výbušninách, ale také na chemických nebo biologických zbraních. Proto se hledají a vyvíjejí systémy, které obyvatele včas upozorní. Klíčovou roli v podobných systémech mají právě hmotnostní spektrometry. Stačí chvilka v bezpečnostním rámu a přístroje si zjistí nejenom to, co máte v tašce, ale také zkontrolují vaše chemické složení. Přístroje dokáží během vteřiny zjistit, jestli cestující nedržel v ruce těsně před odletem chemickou trhavinu nebo jinou nebezpečnou látku. Práci dokonalého detektiva dělá hmotnostní spektrometrie. Můžete si vybavit, že jste třeba byli posláni stranou, kde speciální ostraha sejmula vzorek z vašeho příručního zavazadla nebo udělala stěr třeba z oděvu. Ten stěr se potom dal do malého přístroje a zjistilo se, jestli potenciálně jsou tam nějaké markery výbušniny nebo nejsou. Pokud by se ukázalo, že tam nějaká takováhle látka je, jdete na detailnější kontrolu.

Hmotností spektrometry můžou měřit kdekoliv a cokoliv, v tom je jejich základní přednost. Zatím jsou na nejcitlivějších místech, třeba na amerických letištích. Vědci usilují, aby se spektrometry rozšířily víc. Jde o včasné varování. Musíme monitorovat například prostory metra po 24 hodin 7 dní v týdnu. Tohle monitorování nepotřebuje lidskou obsluhu a je opravdu spolehlivé. Hmotnostní spektrometr by spustil varování, kdyby se objevilo nějaké množství mikroorganizmů nebo nějaký chemický mrak.

Výhodou hmotnostní spektrometrie je, že ten samý systém dělá chemický i biologický monitoring dohromady. Fyzikální chemie posunula tuto metodu tak daleko, že pro vypátrání nějaké konkrétní látky jako stopa postačuje naprosto mizivé množství molekul. Stačí opravdu minimální množství, de facto jsou to stopová množství.

Hmotnostní spektrometrie je velmi citlivá metoda, takže stačí třeba 1000 iontů, což je opravdu málo na to, aby ten patřičný kontrolor nebo ten přístroj byl schopen říct, ano, ta látka tam může být nebo ne.

Příprava nějakého útoku se dá zaznamenat i ve volné přírodě. Specifické bojové chemické látky zanechávají malé stopy a speciální zařízení hmotnostní spektrometrie je zpravidla najde. K výrobě chemických látek jsou potřeba nějaké výchozí látky. Tyto výchozí látky jsou také na seznamu kontrolovaných látek. My se zabýváme právě látkami z tohoto seznamu a jsme schopni prokázat jejich přítomnost třeba ve vzorcích vody. To znamená, pokud se někdo pokouší někde vyrábět bojové chemické látky a využívá těchto výchozích látek, tak se dá očekávat, že část těchto látek se dostane do okolního životního prostředí.

A my vyvíjíme z hmotnostní spektrometrie metody, kterými jsme schopni prokázat přítomnost těchto látek třeba v povrchové vodě, v rybniční vodě, ve vodě z řeky.

Naprosto nekompromisní metoda má ale i své nevýhody. Je to třeba cena přístrojů, které jsou schopny určit, z čeho se skládají věci kolem nás. Od plynu, který vdechujeme, po prach na povrchu listů v parku.

Nejdražší český hmotnostní spektrometr stál desítky milionů Kč. Spektrometrické monitorování je velmi nákladné. Podle našich představ by takové drahé přístroje pro sledování vzduchu měly být na kosmických lodích a také na tak důležitých místech, jako je Washington DC. Zároveň tlačíme na firmy, které tato zařízení vyrábějí, aby zajistily levnější, menší spektrometry.

O tyhle věci se samozřejmě zajímá i armáda. Evropské ozbrojené složky už mají vybavení k monitorování bitevních polí - vzduchu. Dají se tak identifikovat třeba biologické zbraně. Terorismus je pouze jednou z mnoha oblastí, kde se tato metoda využívá. Dobře se ale na tomto příkladu ukazuje, jak může být fyzikální chemie prospěšná celé společnosti.

Jsou podobné spektrometry doménou jenom amerických letišť?

Já bych zde nerad odpovídal na otázku, jestli některá konkrétní letiště jsou vybavena a která nejsou. Důvod je ten, že při neustálém souboji vědy a techniky s potíráním bioterorismu je potřeba, aby věda a technika měla určitý náskok. Neměla by vlastně ukazovat, které trumfy má ještě k dispozici. Obecně lze samozřejmě říci, že stupeň vybavení amerických letišť je daleko lepší než těch evropských. Souvisí to samozřejmě s objemem peněz, které příslušné vlády jsou ochotny do této oblasti investovat.

Proč jsou hmotnostní spektrometry tak nákladné?

Souvisí to s jejich konstrukcí. Doposud veškeré analyzátory, které se konstruují, jsou založeny třeba na supravodivých magnetech, což jsou přístroje nebo součásti velmi drahé na výrobu. Ovšem současný vývoj, tak jak je ukazován v posledních letech, směřuje k tomu, že jsou využívány technologie, které jsou významně levnější. Současně dochází i k miniaturizaci těchto přístrojů.

Už jsme si říkali, že hmotnostní spektrometrie je doménou oboru, který se nazývá fyzikální chemie. Přístroje dokáží zjistit chemické složení na základě jedné fyzikální veličiny, totiž hmotnosti. Je to vlastně taková superjemná váha, která umí vážit molekuly. Kromě toho navíc dává ještě další fyzikální informace.

Hmotnostních spektrometrů, tedy ve vědeckém žargonu hmotníků, je celá řada. Princip je všude stejný, molekuly vzorku se musejí jakoby nabít, musí se z nich stát ionty a pak se v magnetickém nebo elektrostatickém poli změří jejich hmotnost.

Příběh hmotníků začal na konci předminulého století. Je to pozoruhodné, ale přímo za vývoj této metody byly uděleny čtyři Nobelovy ceny, ta první někdy kolem roku 1906, jestli se nemýlím, za věci, které souvisely s konstrukcí prvního hmotnostního spektrometru. Začátkem 20. století výzkum začal s velmi jednoduchými látkami, vzácnými plyny. Hmotnostní spektrometrie se během století rozšířila prakticky do všech oblastí vědy a techniky. S její pomocí se dají poznat těkavé látky, látky organické včetně těch nejsložitějších - bílkovin. Samotné bílkoviny jsou postaveny z 21 základních stavebních kamenů a řetězí se lineárně. To znamená, že těch 21 stavebních kamenů je za sebou, jako když hrajete domino. Vy víte, že máte 21 destiček na domino a teď je můžete řadit v počtu 100 za sebou nebo 1000 za sebou nebo 2000 za sebou v různých obměnách.

Takže si dovedete představit, kolik vznikne možných kombinací, které tyto stavební kameny vytvoří. Hmotnostní spektrometrie má velký význam v oblasti biologie, medicíny a přírodních věd. V minulých deseti letech došlo k obrovskému rozvoji ve využití hmotnostní spektrometrie pro studium bílkovin a také DNA. Na této chemii je závislý život každé buňky, život celého člověka. Pojďme se podívat k největšímu hmotníku v ČR. Základem většiny těchto přístrojů je magnet. V tomto případě je to supravodivý magnet, nepotřebuje žádnou elektřinu, jeho magnetismus mu pomáhá udržet kapalný dusík a helium, a tedy velmi nízká teplota -273 stupňů. Kdyby se z přístroje uvolnily stovky litrů těchto prvků, v místnosti by se ve vteřině opakovalo něco jako scéna z filmu Tajemství ocelového města. Výsledek je ten, že tato místnost se naplní bleskově dusivou atmosférou - plynným dusíkem a plynným heliem. Stačí pouhé dvě vteřiny nebo dva nádechy pro to, aby došlo k selhání plicních funkcí. I proto má místnost dokonalé bezpečnostní mechanizmy. Systém by rozrazil okna, rozjely by se ventilátory.

Opusťme ale oblast vědeckofantastických filmů. Na tomto přístroji se zkoumají mnohé biologické vzorky. Povedou třeba k poznání toho, jakými chemickými změnami se projevují různé nemoci. Čeští vědci vyvíjejí také vlastní jedinečné přístroje. Na tomto se kupříkladu budou zkoumat reakce, které můžou probíhat na povrchu stěn fúzního reaktoru ITER. Jde o jeden z největších evropských projektů, ve kterém se hledá revoluční zdroj energie. Uhlíkové stěny budou podstatnou částí reaktoru. Stěny české laboratoře ale už teď zdobí podpisy velikánů světové hmotnostní spektrometrie včetně zmíněných nositelů Nobelových cen.Nesmíme malovat, ale to rádi uděláme, protože tady máme opravdu vzácné podpisy. Je tady několik nositelů Nobelovy ceny. Je tady spousta kolegů, kteří jsou velmi slavní ve světě.

Pojďme se teď podívat, jak vlastně hmotníky pracují. Pomůže nám virtuální model. Už tady máme náš model. Z čeho se hmotnostní spektrometr skládá?

První součást je terčík, na kterém máme nanesen náš vzorek. Náš vzorek, tedy molekuly, v tomto případě jsou to ty žluté kuličky, jsou rozpuštěny v kapce matrice. Matrice je látka, která musí být třeba při této analýze přítomná. Je tam v desetitisíci násobném nadbytku a má tu funkci, že až následně do tohoto vzorku vystřelíme laserem, tak tato matrice absorbuje energii toho primárního laserového svazku. Můžeme si to potom ukázat. Pak tady máme takové skruže. O co jde? V tomto případě se jedná o znázornění toho analyzátoru jako takového - zařízení, kudy vlastně naše ionty poletí. Mluvil jste o laseru. Teď ten vzorek jaký elektrický náboj? A proč se tím laserem vlastně do toho vzorku musí "střílet". V tomto případě je ta látka zatím elektro neutrální. Proto, aby se převedla do nabitého stavu, do toho iontového stavu, musíme použít laser. Já teď poprosím režii o laser. Co se nám teď děje? Ionty letí analyzátorem, a toto je analyzátor z doby letu. Funguje tak, že my počítáme čas. Ionty, které jsou lehčí, tím analyzátorem proletí rychleji, kdežto ionty těžší v něm stráví daleko delší dobu.

Nakonec ionty dopadnou na detektor, to je ta zelená ploška zde. Ta hmotnost se měří podle toho, jak vysoko se ty ionty dostanou, nebo jak se měří? V principu se dá říct, že dráha těch iontů je stejná. Ale rozhodující je čas, my počítáme čas. Ionty, které jsou pomalejší, jsou těžší. Zařízení, které toto měří, se jmenuje digitizer, a je to vlastně velmi přesné zařízení na měření času.

Dostáváte ještě nějaké další fyzikální veličiny o těch molekulách?

Kromě toho, že měříme vlastně přesné hmotnosti, tak ve speciálních experimentech se dají měřit i energie těch iontů. Ale pro klasickou strukturní analýzu stačí ta informace o molekulární hmotnosti, ta je velmi přesná.

Těch hmotníků existuje celá řada. Tento hmotník je na pevné látky, jestli tomu rozumím dobře. Jaká je historie tohoto typu hmotníku, kdo ho vymyslel?

Konkrétně tady tato ionizační technika, to znamená způsob, jak vyrábíme nabité částice, ionty, se jmenuje technika MALDI. Je to zkratka pro Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, česky tedy: desorpce laserem za přítomnosti matrice. Tohle je zrovna ionizační technika, za kterou dostal Koichi Tanaka v roce 2002 Nobelovu cenu.

Chtěl jsem se ještě zeptat na takový detail, který jsme zmiňovali už v příspěvcích. V hmotnostní spektrometrii dokáží analyzovat také živé tkáně, z prstu udělat nějakou chemickou analýzu. Jak na to vědci vlastně jdou?

Analýza tkání, respektive třeba pokožky pacientů by nešla dělat tímto způsobem, laserem. Ale používá se na to jiná ionizační technika, která se jmenuje desorpční elektrosprej, a to je natolik jemná technika, že nedojde k poškození tkáně živého pacienta. Tu tady bohužel na tom modelu nemáme.

A nebolí to vůbec?

Řekl bych, že to nebolí. Prozatím děkuji. Hmotnostní spektrometrie vtrhla do mnoha vědních oborů. Změnila se díky ní třeba medicína. První změny v lidském těle odhalí hmotnostní spektrometrie dlouho před tím, než propuknou takové nemoci, jako je rakovina, leukémie, Bechtěrevova choroba, cukrovka nebo třeba poruchy ledvin. Lidské tělo začne produkovat látky, které se v něm normálně nenacházejí nebo jen v nepatrném množství. Právě tyto látky můžou sloužit jako tzv. biomarkery, ukazatele, podle kterých odborníci poznají, že organizmus je v ohrožení. Snažíme se najít klíčové molekuly v raných stádiích nemoci.

Mohou to být například proteiny, malé molekuly, které nás upozorní na první útok například leukémie nebo tumoru. Metody hmotnostní spektrometrie se běžně využívají k analýze moči, krve nebo tkání, u kterých existuje podezření třeba na rakovinu. Nejmodernější technologie dokáží odhalit podezřelé biomarkery i na pokožce pacienta. Na povrch těla se vylučují nejenom látky vytvořené v důsledku nejrůznějších onemocnění, ale i takové, které se do člověka dostávají třeba ve formě léků nebo drog.

Na živém člověku lze udělat přímou analýzu látek, které jsou přítomny na jeho pokožce, ať je to třeba jeho ukazovák. Jsme schopni určit velmi rychle, že ten člověk snědl nějaké léčivo nebo nějakou drogu, vlastně jaké cizorodé látky jsou přítomny v tom člověku, protože ony se vylučují. Včasná diagnóza znamená první krok pro úspěšnou léčbu.

Hmotnostní spektrometrie odhalí poruchy i u ještě nenarozených dětí. Diagnóza stanovená příliš pozdě by mohla znamenat, že dítě se narodí postižené nebo se nenarodí vůbec. My jsme schopni prokázat přítomnost některých metabolitů, které by se neměly vyskytovat u novorozence v určité koncentraci. Pokud ta koncentrace je příliš vysoká, znamená to, že jeho organizmus v něčem selhává, že pracuje špatně a že je nutné provést nějaký zásah, tedy léčbu. Právě schopnost rozpoznat nemoc v jejím prvopočátku považují odborníci za největší výhodu hmotnostní spektrometrie.

Některé technologie jsou ale zatím příliš nákladné. Vývoj postupuje rychle kupředu, za několik let tak možná budou jednoduché spektrometrické testy dostupné v laboratořích praktických lékařů. Jeden z amerických kolegů před třemi roky mi říkal, že cílem jejich výzkumu je dosáhnout toho, aby chirurg vyšel z operačního sálu s kouskem tkáně operovaného pacienta a předal ho příslušným lidem. Ti by během krátké doby pomocí hmotnostní spektrometrie našli nebo nenašli určitý protein v této látce.

Dřív než se pacient probudí z narkózy, by chirurgovi řekli, jestli má operovat nebo ne. To by byl ten ideální stav. To bylo před třemi lety a musím říct, že teď, po třech letech, jsme v této věci daleko dále. Chemie člověka je velmi složitá.

Jak se postupuje při odhalování nemocí nebo při určování látek, které ji prokazují?

Můžeme použít pro identifikaci dané choroby skupinu molekul, které se říká markery. To mohou být bílkoviny nebo i nízkomolekulární látky. Mohou to být látky i opravdu velmi malé, třeba formaldehyd, který pokud jsme schopni detekovat v dechu pacienta, jsme schopni tím pádem i určit, že má nějaký patologický stav. Kromě těchto nízkomolekulárních látek ovšem nejdůležitější markerové molekuly jsou pravděpodobně bílkoviny. Jejich identifikace a současně i kvantitativní zhodnocení, to znamená odpověď na otázku, kolik příslušných bílkovin je v dané tkáni nebo v buňce, to jsou všechno otázky, na které hmotnostní spektrometrie dává odpověď. Těch bílkovin jsou statisíce.

Když se ten svět nějak jednoduše představí, tak je to velký zmatek. Existuje něco jako katalogy, kde lidé, kteří pracují s hmotnostními spektrometry, najdou o jakou bílkovinu jde?

Existují specializované databáze. Ten hmotnostní spektrometrista když vyhodnocuje tu analýzu, to své hmotnostní spektrum, tak ten výsledek posílá přes internet právě do takovéto databáze. Tam na základě několikavteřinového hledání získává rychlý výsledek, tedy tu identifikaci konkrétní bílkoviny, pokud samozřejmě ta bílkovina je přítomna v té databázi, v té knihovně spekter. Poslední obor, který hmotnostní spektrometrie zásadně změnila a který dnes zmíníme, je oblast ekologie a životního prostředí. Nebýt spektrometrů, chyběly by lidem zásadní informace o znečištění vod nebo vzduchu.

Zhoršuje se znečištění atmosféry, zvětšuje se ozónová díra? A jaké látky se nacházejí ve zdrojích pitné vody?

Metody hmotnostní spektrometrie při studiu globálního oteplování používá např. nositel Nobelovy ceny z roku 1995 Paul Crutzen. Například skleníkové plyny, které ohřívají atmosféru, jsou měřeny pomocí hmotnostní spektrometrie. Existuje mnoho aktivních plynů v chemickém složení atmosféry, v její dolní části, ale i ve stratosféře. Právě skleníkové plyny jsou příčinou globálního oteplování. Z pravidelných vědeckých měření, která probíhají po celém světě, vyplývá, že od začátku průmyslové revoluce stouply průměrné teploty na Zemi o 0,7°C. Navíc se zdá, že oteplování se zrychluje. Profesor Crutzen nepochybuje o tom, že příčinou nebezpečných klimatických změn je lidská činnost. O tom v podstatě nelze pochybovat. Samozřejmě se vždycky najde někdo, kdo se tento fakt bude snažit zpochybnit, ale ve vědecké komunitě mezi těmi největšími odborníky je naprostá shoda, že příčinou růstu teplot je právě lidské chování. Podobně jako skleníkové plyny pomáhá hmotnostní spektrometrie měřit i množství ozónu v atmosféře nebo různé aerosolové částice. Ty můžou být v některých ohledech prospěšné, často ale lidské zdraví spíš ohrožují. Tyto částečky mohou mít pozitivní efekt, například pomáhají ochlazovat planetu, odrážejí světlo do vesmíru, a tím ji ochlazují. Kdyby neexistovaly, byly by teploty na Zemi pravděpodobně mnohem vyšší. Na druhé straně mohou tyto částice ohrožovat lidské zdraví. V Evropě se např. v zimním období dostává do ovzduší mnoho částic, které pocházejí ze spalování dřeva, a ty jsou opravdu velmi nebezpečné. Částice, které vznikají při spalování dřeva, dokáží ovlivnit např. i takové jevy, jako je vznik oblačnosti a dešťových srážek. Efekt ohně způsobuje problémy v zemích kolem Amazonky. V období sucha tu dochází k rozsáhlému odlesňování a pálení dřeva, což velmi dramaticky ovlivňuje složení částic v ovzduší a zároveň procesy formování oblačnosti. Dnes už bezpečně víme, že v těchto obdobích jsou struktury oblačnosti odlišné než v době, kdy se kouř z páleného dřeva do ovzduší nedostává.

Zkoumání ovzduší pomocí hmotnostní spektrometrie může být ale i mnohem radostnější. Vědci v italských Dolomitech např. objevili v lesním vzduchu látky, které působí blahodárně na dýchací ústrojí. Zkoumáme jeden les v blízkosti Dolomit, kde prakticky není žádná doprava. V této izolované lokalitě zkoumáme látky, které se do ovzduší uvolňují ze stromů. Mezi těmito látkami jsou některé farmakologicky aktivní. Už jsme našli mnoho zajímavých látek, některé z nich jsou velmi účinné např. pro dýchací systém. Hmotnostní spektrometrie dnes bdí nejenom nad tím, co lidé dýchají, ale odhalí i jakoukoliv závadu v potravinách. Přístroje najdou zárodky plísní i příměsi zakázaných barviv. Své zdraví dnes máme v rukou hmotnostních spektrometrů.

Kam se bude hmotnostní spektrometrie vyvíjet, co čekáte?

Já cítím, že jsou takové tři hlavní směry technologického vývoje. Ten první se týká miniaturizace těchto přístrojů. To znamená, že místo velkých monstrózních zařízení budou vyvíjena zařízení, která jsou daleko menší, de facto do ruky. Druhým směrem potom bude vývoj v přípravě vzorků, to znamená, že ty hmotnostně spektrometrické techniky budou schopny pracovat se vzorkem, aniž by tento předtím musel být nějakým způsobem ošetřen. Budeme tedy měřit přímo povrchy, objemy plynů, tekutiny atd. A konečně třetí směr, kam by se hmotnostní spektrometrie měla vyvíjet, tak ten se týká samotného vývoje těch analyzátorů.

Příští analyzátory budou daleko citlivější, daleko přesnější a především by měly být levnější. Říká Vladimír Havlíček z Mikrobiologického ústavu AV.

Česká televize
 

Mohlo by Vás zajímat

e-liquids, e-juices and nicotine liquids - Customized solutions for complete analysis

Brožury a specifikace
| N/A | Shimadzu
Instrumentace
GC/MSD, GC/SQ, HPLC
Výrobce
Shimadzu
Zaměření
Potraviny a zemědělství

Shimadzu Food Safety Management Data Book

Příručky
| N/A | Shimadzu
Instrumentace
GC, GC/MSD, GC/SQ, HPLC, LC/MS, GPC, LC-SQ
Výrobce
Shimadzu
Zaměření
Potraviny a zemědělství

Experience New Benchmarks with Empower Shimadzu’s LC/GC Drivers for Waters™ Empower™

Ostatní
| 2020 | Shimadzu
Instrumentace
Software
Výrobce
Shimadzu, Waters
Zaměření
---
 

Podobné články

Článek | Popularizace

Hmotnostní spektrometrie a velké molekuly

Ionizační metody analýzy biologických makromolekul. Málokdy se stává, aby cenu sdíleli dva vědci, z nichž jeden je bezmála dvakrát tak stár než druhý – Johnu Fennovi je 85 let, K. Tanakovi jen 43.
Článek | Zdraví

Profil přístrojů výjezdové skupiny chemické laboratoře Institutu ochrany obyvatelstva

Významné úniky nebezpečných látek, záhadné otravy, velké nálezy nebezpečného materiálu. I přes profesionální výcvik a univerzální výbavu nemohou jednotky požární ochrany čelit takovýmto hrozbám bez pomoci.
Rozhovor | Zdraví

Jak se vyhnout nepříjemné kolonoskopii? Pomoci by měla nová metoda analýzy dechu

Vědci z Ústavu fyzikální chemie Akademie věd mají zcela novou metodu. Crohnovu nemoc chtějí odhalovat pomocí hmotnostní spektrometrie, tedy měřením dechu pacienta.
Další projekty
Sledujte nás
Další informace
WebinářeO násKontaktujte násPodmínky užití

LabRulez s.r.o. Všechna práva vyhrazena.