Hledači skrytých stop
4. 11. 2009
Vědecký výzkum je běh na dlouhou trať a úspěchu ze dne na den tu opravdu nikdo nedosáhne. Veřejnosti často nesrozumitelné základní výzkumy přinášejí praktické aplikace až po dlouhých desítkách let. Stále tady platí myšlenka Bernarda z Chartres: Dospěl-li jsem tak daleko, tedy jen dík tomu, že jsem stál na ramennou obrů. Například hmotnostní spektrometrie – analytická chemická metoda, které dokáže velmi přesně stanovit chemické složení látek i z nepatrných vzorků a koncentrací, se rozvíjí už téměř sto let. V České republice byl první hmotnostní spektrometr sestaven v 50. letech na Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského a za rozvoj této metody obdržel v roce 2003 profesor Zdeněk Herman cenu Česká hlava. Jeho pokračovatelé nyní vyvíjejí postupy, které mají konkrétní přínos. Například tým Patrika Španěla vytvořil přístroj, který dokáže bezbolestně z dechu pacientů zjistit koncentrace stopových látek, jež mohou svědčit o tom, jakými nemocemi pacient trpí. Nebo třeba výzkum Michala Fárníka, který zase vytvořil zařízení, které umožňuje studovat částice, které hrají důležitou roli v chemii atmosféry – například při vzniku ozónové díry.
„Jsme jen trpaslíci, kteří stojí na ramenou obrů.“ Prohlásil o středověkých učencích ve dvanáctém století Bernard z Chartres. Chtěl tím říct, že veškeré poznání, kterého dosáhli, bylo možné jen díky usilovné práci předchozích generací. A to samé platí i o moderních vědcích. Všechny přístroje, léky a technologie, které nám dnes usnadňují život, se rodily dlouho a pomalu. Od objevů prvních přírodních zákonitostí k praktickému využití uběhly často desítky let. Kdyby se tito badatelé nechali na počátku odradit nechápavými pohledy svého okolí, náš dnešní svět by pravděpodobně vypadal úplně jinak.
Prof. Zdeněk Herman, Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR: Tak například mnoho diagnostických metod v medicíně má svůj počátek v laboratořích fyziků. To je příběh X paprsků například, které Wilhelm Roentgen objevil někdy koncem 19. století.
Na počátku všeho je to, čemu dnes říkáme základní výzkum. Vědce vede hlavně zvědavost a touha pochopit další a další záhady přírody. Mnoho badatelů v této fázi vlastně ani zcela netuší, co jejich práce přinese. Právě ze základního výzkumu vzešly zásadní poznatky například o radioaktivitě, struktuře atomů a molekul nebo o funkci genů.
Poznatky a metody, které vzejdou z výzkumu základního, pak převezme výzkum aplikovaný. Ten je pro běžné smrtelníky už mnohem srozumitelnější. Řeší se tu totiž konkrétní problémy – vyvíjejí se léky nebo vakcíny, konstruují stroje, navrhují řešení. To vše se ale neobejde bez kroku prvního a tím je právě základní výzkum.
Pojďme si teď příběh vědeckého pokroku ukázat na jednom konkrétním příkladu. A nelekněte se záhadného názvu – půjde o hmotnostní spektrometrii. To je analytická fyzikálně chemická metoda, která se dnes běžně využívá v průmyslu, ve zdravotnictví, při studiu atmosféry nebo při bezpečnostních kontrolách na letištích. Je to metoda, která umí velmi přesně určit chemické složení látek a ve vzorcích odhalí i příměsi v nepatrném množství. Její historie sahá na počátek 20. století a v minulosti za ní získalo Nobelovu cenu celkem pět vědců.
V České republice je její historie nejvíc spjatá s Ústavem fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského. První přístroj – hmotnostní spektrometr – v České republice, byl v roce 1954 sestaven právě tady.
Prof. Zdeněk Herman, Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR: Příběh hmotnostní spektrometrie u nás začíná v padesátých letech a je spojen se jmény doktora Vladimíra Čermáka a doktora Vladimíra Hanuše. To dva byli žáci profesora Heyrovského a profesora Brdičky, oba výborní elektrochemici, ale jejich učitelé je měli k tomu, aby se zabývali něčím jiným, nějakou novou vznikající oblastí vědy.
Hmotnostní spektrometrie vychází z poznání, že atomy různých prvků mají rozdílnou, ale přitom přesně danou hmotnost. Podle ní se pak určí, o jakou látku se jedná. Z elektricky neutrálních molekul, které obsahuje vzorek, se nejdříve připraví elektricky nabité ionty. To se děje například pomocí laseru nebo takzvaného elektrospreje. Urychlené ionty pak letí v trubici, ve které je stomilionkrát nižší tlak než v atmosféře. Vakuum je důležité proto, aby se ionty po cestě nesrazily s žádnými částicemi, které by změnily jejich dráhu. V magnetickém poli se dráha částic zakřiví podle jejich hmotnosti a do cíle k detektoru doletí pouze částice s určitou hmotností. Síla magnetického pole se proto musí v průběhu měření měnit, aby se na detektoru postupně zachytily všechny ionty přítomné v původním vzorku.
Metoda, kterou vědci dostatečně zdokonalí, je pak připravena přinášet konkrétní výsledky. Pomocí hmotností spektrometrie tu vědci zjišťují látky obsažené ve stopovém množství ve vzduchu, nebo třeba v lidském dechu.
Dr. Patrik Španěl, Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR: To je vlastně založeno na takové nové metodě, kterou jsme tady vyvinuli, která se jmenuje hmotnostní spektrometrie v proudové trubici s vybranými ionty a slouží to k měření stopových látek přítomných ve vzduchu nebo v lidském dechu. Když říkám stopových, tak myslím látky, které jsou přítomné v koncentraci jedna molekula na milion molekul vzduchu nebo jedna molekula na miliardu molekul vzduchu.
Tato metoda představuje velký příslib hlavně pro lékařskou diagnostiku. Některé látky v lidském dechu totiž bývají příznakem nemocí. Například aceton se nachází v dechu cukrovkářů. Amoniak signalizuje poruchu funkce ledvin. Stopové množství kyanovodíku u dětí s cystickou fibrózou ukazuje na komplikaci v podobě bakteriální infekce. Různé indikátory je možné najít i u lidí s onemocněním zažívacího ústrojí nebo s rakovinou plic. Tým z Heyrovského ústavu spolupracuje s lékaři z Nemocnice Na Homolce i ze Státního zdravotního ústavu.
Dr. Patrik Španěl, Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR: Začínali jsme v roce 1997, kdy jsme vlastně pracovali na velkém přístroji, který zabíral celou laboratoř, a postupně jsme zkoumali právě reaktivitu různých iontů a procesy ztráty iontů difuzí, až se nám podařilo zformulovat matematiku a fyziku tak, že jsme mohli navrhnout přístroj v menší velikosti.
I tato složitá a rozměrná aparatura v další laboratoři využívá hmotnostní spektrometrii. Vědci tady studují takzvané klastry – shluky dvou a více molekul. Právě z nich se fyzikové dozvědí nejvíc o vlastnostech různých chemických látek. Mohou tady ale i napodobovat procesy, ke kterým dochází v prostředí přirozeně. Klastry zmrzlé vody se například v atmosféře podílejí na ničení ozónu. Ve výšce asi třiceti kilometrů nad zemským povrchem se ve stratosféře vyskytuje ozón. Ten chrání Zemi před nebezpečnými ultrafialovými paprsky ze Slunce. V 80. letech vědci zpozorovali, že nad Antarktidou vzniká v této ozónové vrstvě obrovská díra. Časem se prokázalo, že za ničení ozónu mohou freony, které se od třicátých let používaly k plnění kompresorů chladniček nebo jako hnací plyn ve sprejích.
RNDr. Michal Farník, Ph.D., Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR: Teď si můžeme položit otázku, proč ozónová díra, když souvisí se znečištěním ovzduší freony, proč vzniká nad Antarktidou. Protože freony se vyráběly v průmyslových oblastech – Evropa, severní Amerika. Proč tedy není ozónová díra právě třeba nad severní Amerikou.
Ničení ozónu probíhá ve stovkách chemických reakcí. Některé z nich mohou probíhat pouze na krystalcích ledu. Ten se ale ve stratosféře vyskytuje velice málo. Stratosféra je totiž velmi suchá a voda do ledu kondenzuje jen v nejchladnějších oblastech u pólu. Tady vznikají polární stratosférické mraky. Na ledových krystalcích v nich dochází k reakcím, které vedou k rozpadu ozónu. A přesně to vědci napodobují i v laboratoři.
RNDr. Michal Farník, Ph.D., Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR: My si vytvoříme paprsek velkých vodních klastrů, ledových nanočástiček o stovkách molekul vody a ty nám potom letí v této aparatuře ve vakuu. Na takovouto ledovou nanočástičku si posadíme nějakou molekulu, například HCl, čili chlorovodík, a potom ta nanočástečka vodní, ledová, s tou molekulou HCl se nám dostane do oblasti, kde na to posvítíme ultrafialovým zářením z laseru, čili přesně proces, který se děje, když na ty ledové nanočástice ve stratosféře svítí UV záření ze Slunce a sledujeme opravdu na detailní molekulární úrovni, k jakým procesům tam dochází.
Detailní poznatky o procesech, které ve stratosféře probíhají, pak pomáhají klimatologům lépe odhadnout vývoj ozónové díry v příštích desetiletích – a to je pro život na Zemi velmi důležité. Za bezmála sto let své existence se hmotnostní spektrometrie rozšířila prakticky do všech oborů lidské činnost.
Své nezastupitelné místo si vydobyla jako diagnostická metoda ve zdravotnictví, ale pomáhá i astronomům. Právě údaje z hmotnostních spektrometrů totiž přinesly cenné informace o složení atmosféry Saturnova měsíce Titanu, nebo samotného Marsu.
Autor: Tereza Pultarová