Potom sa ale vrátil na pevnú zem, medzi ľudí. Jeho metóda hmotnostnej spektrometrie, technológia slúžiaca na mimoriadne presné meranie látok v plynoch, nachádza už niekoľko rokov uplatnenie v najrôznejších odboroch ľudskej činnosti: vylepšuje výrobu čipov, kontroluje produkciu liekov, stará sa o bezpečnosť prepravy, ale dokáže tiež odhaliť niektoré choroby z nášho dychu.
Na akom princípe pracuje? A môže v budúcnosti slúžiť ako diagnostická metóda v medicíne?
Crohnova choroba je chronické ochorenie tráviaceho traktu, ktorým trpia asi traja ľudia z tisícky. Spôsobuje bolestivé zápaly, horúčky, dlhotrvajúce hnačky, chronickú únavu a úbytok hmotnosti. Jej presné príčiny sú neznáme. Predpokladá sa, že sú genetického pôvodu. Podľa štatistík jej výskyt v populácii už niekoľko desaťročí narastá, ale liek neexistuje. Liečba sa sústredí iba na potláčanie príznakov. Čím skôr je choroba diagnostikovaná, tým lepšie sa darí zmierniť jej prejavy.
Pacientov s podozrením na Crohnovu chorobu čaká množstvo invazívnych vyšetrení: rozbor krvi, kolonoskopia hrubého čreva, endoskopia horného tráviaceho traktu a najskôr aj biopsia, pri ktorej sa odoberá vzorka tkanív. Rýchla a neinvazívna metóda, ktorá by chorobu odhalila ešte pred prepuknutím príznakov, by nielen uľahčila pacientom, ale tiež pomohla včasnej prevencii.
Čítajte aj Vlci, medvede a orly sa vracajú do Európy, ochrana priniesla plody
Zápalové ochorenia tráviaceho traktu
Lekársky výskum už v minulosti naznačil, že zápalové ochorenia tráviaceho traktu, akým je aj Crohnova choroba, sprevádza zvýšené množstvo pentánu v ľudskom dychu. A pentán je jednou z prchavých organických látok, ktorá dokáže s veľkou presnosťou rozpoznať hmotnostné spektrometrie plynov, analytická metóda, na ktorej vývoji sa už desiatky rokov podieľa Patrik Španěl z Ústavu fyzikálnej chémie J. Heyrovského AV ČR.
Metóda je to taká citlivá, že dokáže určiť koncentrácie rádovo 10 na mínus 9. Inými slovami, vo vzduchu či ľudskom dychu určí jednotky molekúl medzi miliardami iných. Hovorí sa, že detekuje náprstok cudzej tekutiny v plaveckom bazéne. „Osobne mám ale radšej poetické prirovnanie, že dokáže presne vymedziť jedinú sekundu z celého trvania ľudského života,“ rozpráva Patrik Španěl.
Ako spektrometria zistí, ktoré látky sa v dychu nachádzajú?
Jednoducho, odváži jednotlivé molekuly. Na meranie používa elektrický náboj. Špecifické molekuly sa nabijú, takzvane ionizujú, a potom sa pomocou elektrických alebo magnetických polí určí ich hmotnosť.
Spektrometer určí, aké druhy látok sú prítomné a v akom množstve. Žiadna iná podobne citlivá technológia neexistuje. Štandardná hmotnostná spektrometria sa v praxi mimo vedy bežne využíva.
„Každému novo narodenému dieťaťu lekári rutinne odoberú kvapôčku krvi z päty, tá sa následne usuší a vzorky sa spektrometricky analyzujú v dvoch nezávislých laboratóriách,“ popisuje bežnú prax v pôrodniciach Patrik Španiel.
Cieľom vyšetrenia je určiť, či dieťa netrpí metabolickou poruchou, napríklad fenylketonúriou. Ide o poruchu trávenia fenylalanínu, aminokyseliny, ktorú nájdeme v mäse, vajciach, mlieku, múke, strukovinách alebo v umelých sladidlách. Pokiaľ nie je odhalená, hrozí, že pri požití aj malého množstva fenylalanínu dôjde k ťažkému poškodeniu mozgu. V týchto prípadoch hmotnostná spektrometria doslova zachraňuje životy.
Čítajte aj Robot vo fast-foode nahradil pri smažení hranolčekov ľudí
Z vesmíru medzi ľudí
Rozvoju hmotnostnej spektrometrie sa v českom prostredí venujú viac ako dve stovky bádateľov. Výskum Patrika Španěla sa sústredí na hľadanie nových možností, kde by sa dala uplatniť. Niektoré cesty, kadiaľ sa pritom uberá, sú neprebádané a nutne exotické.
„Študujeme, ako plynné molekuly reagujú a čo je ich produktom. Keď to zistíme, môžeme ich potom hľadať a presne merať,“ opisuje. Jeho výskum začína od vrcholu: vývojom samotných metód. Potom prichádza na rad návrh nových prístrojov a aplikácií do biomedicíny a iných vied.
Začiatky analýzy plynov siahajú do roku 1990. Prístroje ale vtedy vznikali za iným účelom: mali slúžiť na výskum organických reakcií v medzihviezdnom priestore. V kozmickom vákuu sa molekuly vplyvom žiarenia tiež ionizujú a vznikajú tak zložitejšie organické zlúčeniny. Mechanizmus týchto reakcií mal odhaliť špecifický typ hmotnostnej spektrometrie, ktorý má skratku SIFT-MS.
Patrik Španěl spomína, prečo medzihviezdnu chémiu opustil. „Bol to zaujímavý odbor, ale na môj vkus príliš uzavretý,“ vysvetľuje. Už vtedy ho lákali predstavy, ako by bolo možné nové prístroje využiť inak. Ponúkali sa aplikácie v potravinárstve a pri analýze dychu. Keď sa potom vrátil do Česka a prijal miesto v Ústave fyzikálnej chémie J. Heyrovského, dostal síce bádateľskú slobodu, ale vlastné laboratórium si musel zariadiť úplne sám.
S kolegom Davidom Smithom, ktorý tento rok dostal Čestnú odborovú medailu Jaroslava Heyrovského za zásluhy v chemických vedách, do Česka doviezol zastaranú aparatúru z Anglicka, pozostatok výskumu tamojšieho zosnulého fyzikálneho chemika. Tak založil laboratórium, ktoré vedie dodnes pod názvom oddelenie chémie iónov v plynnej fáze.
Zariadenie má približne 90 cm vysokú a 70 cm širokú aparatúru. Po zapnutí prístroj začne z hubice nasávať okolitý vzduch a jeho obsah analyzuje. Výsledkom je divoká krivka grafu, z ktorého vrcholov je odborník schopný vyčítať zloženie plynnej vzorky.
Čítajte aj Roskosmos chce zotrvať na ISS aj po roku 2024
Vedci prístroje stále zdokonaľujú a rozširujú katalóg látok, ktoré sú schopní v plynoch rozpoznať. Obsahuje stovky organických aj anorganických zlúčenín. „Je dôležité, aby zariadenie meralo len stopové zložky, nie hlavné zložky vzduchu, ako je kyslík, dusík alebo vodná para,“ vysvetľuje vedec. Na presnosť merania nemá teplota v laboratóriu vplyv.
Existuje ale množstvo premenných, ktoré výsledok ovplyvňujú. A nasadenie prístroja v lekárskej diagnostike, kde je nutná vysoká spoľahlivosť, je zatiaľ hudbou budúcnosti.
Látky v dychu totiž síce môžu prezradiť rakovinu hrubého čreva, ale vyskytujú sa aj v dychu zdravých ľudí. Tam, kde nie je klinická presnosť potrebná, sa o nasadení uvažuje už dnes. „Kolegovia na Imperial College v Londýne vyvinuli metódu skríningu rakoviny pažeráka pomocou analýzy dychu, ktorá vytipuje pacientov so zvýšeným rizikom ako kandidátov na gastroskopické vyšetrenie,“ dopĺňa.
Pomocník do každého odvetvia
Foto: Jana Plavec, AV ČR
Okrem zdravotníctva sa metóda používa už niekoľko rokov. V Južnej Kórei napríklad prístroj kontroluje perimeter okolo chemickej továrne, či z nej do okolia neunikajú škodlivé látky. V súčasnosti najvýznamnejšie je využitie SIFT-MS pri výrobe polovodičov.
Tranzistory, základné komponenty, ktoré sú súčasťou procesorov, sa zmenšujú. Vďaka tomu sa ich do čipov zmestí viac a elektronika má vyššiu kapacitu. Ich veľkosť je niekoľko nanometrov. Pri takých malých rozmeroch ale môže akákoľvek nečistota zničiť celú várku čipov. Situáciu zachraňuje hmotnostná spektrometria, ktorá kontroluje kvalitu vzduchu, aby nečistoty v prostredí nenarušili výrobu.
Chránia aj pracovníkov v preprave: pokiaľ colníci pojmú podozrenie, že prepravný kontajner obsahuje nebezpečné látky či výbušniny, prístroj zo vzduchu určí, či sa vo vnútri nejaké nachádzajú. Vo farmaceutickom priemysle sleduje čistotu prípravkov používaných pri výrobe liečiv. V potravinárstve bude možné detekovať zvyšky pesticídov napríklad na sezamových semienkach a orechoch. A zisťuje tiež pôvod a kvalitu olivového oleja.
Vedeli ste, že Taliansko údajne každoročne vyvezie asi štyrikrát viac olivového oleja, než koľko dokážu tamojší poľnohospodári vyprodukovať?
Väčšina pochádza z gréckych a španielskych olív, v Taliansku sa iba stáča do fliaš s nálepkou „made in Italia“.
Výpary talianskeho oleja však majú o trošku iné zloženie ako výpary oleja z iných krajín. Áno, hádate správne, hmotnostná spektrometria dokáže tieto odlišnosti odhaliť. Firmy, ktoré pôvod oleja zaujíma, tak majú istotu, že vyššiu cenu, ktorú pravý a pôvodom taliansky olej má, neplatili zbytočne.
Zdroj: Jan Hanáček, Divízia vonkajších vzťahov SSČ AV ČR Foto: Jana Plavec, Divízia vonkajších vzťahov SSČ AV ČR