NMR aerosolomika

Aerosol je heterogenní směs jemných pevných nebo kapalných částic rozptýlených v plynu. Pokud mluvíme o atmosférickém aerosolu, je oním plynem vzduch. Velikost částic atmosférického aerosolu se pohybuje v širokém rozmezí, od nuly do 100 μm. Mezi typické aerosoly patří například oblaka, mlha, dým nebo třeba polétavý prach. Aerosoly v atmosféře se účastní řady chemických procesů a zásadně ovlivňují i teplotní bilanci Země. Nejčastěji jsou ovšem aerosoly spojovány s životním prostředím a diskutuje se jejich vliv na lidské zdraví. Znečištěný vzduch vyvolává řadu onemocnění, zejména nemoci dýchací a oběhové soustavy. V závislosti na původu se aerosolové částice liší svým chemickým složením. Vysoký podíl tvoří organické látky, v některých studiích se uvádí až 70 % celkové hmoty aerosolu. Řádově se jedná o stovky různých chemických individuí. Největší část těchto látek pak tvoří skupina polárních, zoxidovaných organických látek (v literatuře označovaných jako WSOC, z anglického „water soluble organic compounds“, protože tyto látky jsou ze své podstaty rozpustné ve vodě). Paradoxně – z hlediska poznání – se jedná o nejméně prozkoumanou část atmosférických aerosolů.

Aerosolové částice zachycené na křemenném filtru, zobrazené pomocí skenovacího elektronového mikroskopu.

Pro účely analýzy organických látek v aerosolech se na ÚCHP AV ČR v současné době testuje metoda tzv. NMR aerosolomiky, která si klade za cíl organické látky v reálných atmosférických aerosolech identifikovat a současně stanovit i jejich koncentrace. Spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR) je původně metoda strukturní analýzy. Její princip spočívá v interakci atomových jader s magnetickým polem. Spektroskopie NMR je nejdůležitějším analytickým nástrojem organického chemika, v ostatních vědních disciplínách se však prosazuje jen velmi zvolna. Ve svých počátcích byla metoda přehlížena kvůli své relativně nízké citlivosti, na druhou stranu ale jde o metodu plně kvantitativní. Díky překotnému rozvoji elektroniky v posledních letech vzrostla i citlivost NMR spektrometrů a NMR se začala prosazovat i v takových oblastech, jako je analýza potravin (foodomika), analýza malých molekul v tělních tekutinách (metabolomika) nebo právě analýza aerosolových částic (aerosolomika). Ve všech těchto tzv. „omických“ vědách je podstatou spektroskopická analýza složité matrice, následovaná zpracováním získaných dat pomocí vícerozměrných statistických metod.

Sacharidová oblast vodíkového NMR spektra s přiřazenými signály jednotlivých látek.

Hlavní výhodou testované metody je snadná příprava vzorku k analýze. Filtr se zachycenými aerosolovými částicemi se v podstatě pouze extrahuje do vody. Následně se změří vodíkové NMR spektrum, které obsahuje signály všech vodíkových atomů ve vzorku obsažených.

Řada signálů jednotlivých organických látek se sice překrývá, nicméně každá chemická látka má svůj unikátní a nezaměnitelný otisk a k identifikaci látky i ve složité směsi pak stačí pouze jediný izolovaný signál. Je-li k dispozici databáze spekter jednotlivých organických látek, které se v aerosolech vyskytují, je možné i z takto komplexních spekter identifikovat a kvantifikovat desítky chemických individuí. K tomuto účelu byla v NMR laboratoři ÚCHP AV ČR taková databáze vybudována, v současné době obsahuje kolem 150 látek. Nyní jsme schopni v reálných atmosférických vzorcích, představovaných jednotkami miligramů aerosolů zachycených na filtru, určit a kvantifikovat kolem sedmi desítek látek. Detekční limity celé metody se pohybují v řádu desetin mikrogramu dané látky ve vzorku, což odpovídá přibližně stovkám pikogramů v kubickém metru filtrovaného vzduchu.

Výsledky jednorozměrné statistické analýzy ukazující rozdílné zastoupení vybraných látek v letním a zimním aerosolu.

NMR aerosolomika společně s dalšími metodami analýzy atmosférických aerosolů významně pomáhá utvořit komplexní obraz o celkovém chemickém složení aerosolů. Metodu je v důsledku možné využít i pro rozpoznávání zdrojů aerosolů. Atmosférický aerosol může být různého původu a to se projeví i v jeho chemickém složení. S databází průměrného složení zdrojových aerosolů budeme schopni stanovit, jak se který zdroj podílel na vzniku aerosolu odebraném v dané lokalitě. Právě identifikace zdrojů aerosolů je předmětem probíhajícího projektu podpořeného Technologickou agenturou ČR.