Ústav analytické chemie AV ČR, v. v. i.

Uzavřené dílčí dohody o spolupráci s VŠ při uskutečňování DSP

Výchova studentů

Výchova pregraduálních studentů

Vědecké a vědecko-pedagogické hodnosti pracovníků ústavu

Pedagogická činnost pracovníků ústavu

Vzdělávání středoškolské mládeže

Spolupráce ústavu s VŠ ve výzkumu

Společná pracoviště ústavu s účastí VŠ

Poznámka:

Předmětem hlavní činnosti pracoviště je výzkum a vývoj nových principů, metod a instrumentace v oblasti analytických metod použitelných pro rozvoj dalších vědeckých oblastí, především biologických a medicínských věd, ochrany zdraví člověka a životního prostředí. Základní výzkum je zaměřen zejména na separační a spektrální metody, systémovou miniaturizaci a nanotechnologie a řeší problémy v oblasti proteomiky, genomiky, analýzy léčiv, tělních tekutin a monitorování životního prostředí. Křemenné kapiláry s vnitřním povrchem upraveným účinkem superkritické vody byly využity k separaci izolátů z fylogeneticky odlišných skupin Cutibacterium acnes. Dalším využitím byla identifikace alergenních mléčných proteinů pomocí on-line kombinace přechodné isotachoforézy/micelární elektrokinetické chromatografie a kapilární isoelektrické fokusace. Rozvoj isoelektrické fokusace pokračoval vývojem čipu pro frakcionaci bakterií před jejich identifikací hmotnostní spektrometrií. Byla také vyvinuta instrumentace pro purifikaci biologických vzorků pomocí preparativní elektroforézy v kontinuálním divergentním toku. V oblasti monolitických kapilárních kolon pro kapalinovou chromatografii byla studována příprava, morfologie, složení a selektivita kolon s naroubovanou vrstvou chloridu trioktyl(3/4-vinylbenzyl)fosfonia. Extrakce stlačenou vodou byla využita k izolaci bioaktivních proteinů z vybraných rostlinných materiálů. V oblasti mikroextrakcí v kapalné fázi (LPME) bylo navrženo přímé spojení LPME přes dutá vlákna s přístrojem pro kapilární elektroforézu (CE) s hmotnostně spektrometrickou (MS) detekcí. Toto spojení umožnilo plně automatizovanou analýzu kyselých léčiv v biologických a environmentálních vzorcích. V oblasti elektromembránových extrakcí (EME) byla jako fázová rozhraní použita těkavá rozpouštědla ve formě volných kapalných membrán a významně tak rozšířila portfolio fázových rozhraní použitelných pro EME. Výzkum v oblasti suchých krevních skvrn (DBS) se věnoval novému konceptu pro plně automatizovanou přípravu a analýzu DBS pomocí komerčního CE přístroje. Tento koncept navrhuje také sadu pro domácí samo-odběr DBS přímo do CE vialky s následným převozem DBS do laboratoře poštou. Výzkum koncentračních technik pro CE vyústil v návrh prvního kationtového systému pro fokusaci na inverzním elektromigračně-disperzním gradientu. Nová technika byla úspěšně kombinována s MS detekcí a použita pro citlivou analýzu triazinových herbicidů ve vodách s limitem detekce nižším než 1 nM. Výzkum v oblasti teorie elektroforézy se zabýval obecným řešením diferenciální rovnice pohyblivého rozhraní. Získaná explicitní rovnice umožňuje výpočet systémových eigenmobilit v libovolném systému s acidobazickými rovnováhami a je společným základem různých zjednodušených forem odvozených pro konkrétní systémy. Nová technika nevyžadující předúpravu vzorku byla úspěšně použita pro citlivou analýzu beta-blokátorů v DBS, s limitem stanovitelnosti pro sotalol nižším než 1 nM. V rámci společného výzkumu s firmou Roche Inc., USA byla dále vyvíjena nová epitachoforetická metoda extrakce DNA z mililitrových objemů biologických tekutin včetně miniaturizované verze vytištěné na 3D tiskárně. Byly vyvíjeny nové protokoly přípravy upkonverzních nanočástic a jejich využití v mikrofluidických analýzách.V rámci spolupráce s Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR byl zahájen vývoj metody pro kontinuální on-line stanovení HNO3 ve vzduchu a dusičnanů v atmosférickém aerosolu. Samice myší byly exponovány nanočásticím CdO kontinuálně po dobu 6 týdnů, následně byly myši ponechány 5 týdnů v čistém vzduchu a byl sledován pokles Cd ve vybraných orgánech a krvi myší. Byl zahájen výzkum změny obsahu vybraných lipidů v játrech myší po expozici nanočásticemi. Pozornost byla soustředěna zejména na analýzu cholesterolu a cholesterol esterů. Rostliny ječmene jarního byly ve spolupráci s Ústavem pro výzkum globální změny AV ČR paralelně exponovány nanočásticím ZnO a vlivu sucha po dobu 3 týdnů. Po skončení expozice byly rostliny analyzovány na obsah Zn. Městský aerosol v Brně a aerosoly ze Sloupské jeskyně byly ve spolupráci s Mendelovou univerzitou v Brně analyzovány na obsah anorganických aniontů a nontuberkulózních mycobakterií. Částice aerosolů v emisích ze spalování tvrdého a měkkého dřeva v moderních a starších typech kotlů používaných pro vytápění domácností byly analyzovány na obsah polyaromatických uhlovodíků a organických markerů spalování biomasy. Byly vyvíjeny analytické metody založené na chemickém a fotochemickém generování těkavých specií (VSG) a jejich spektrometrické detekci metodami atomové absorpční (AAS) či fluorescenční spektrometrie (AFS) nebo pomocí hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP-MS). VSG je elegantní metodou derivatizace analytu umožňující jeho zavedení do spektrometrického detektoru s vysokou účinností a oddělení od rušivých složek matrice vzorku. Nejčastěji se používá pro (ultra)stopová stanovení tzv. hydridotvorných prvků. Soustředili jsme se na možnosti použití techniky VSG i na další analyty tvořící jiné těkavé sloučeniny než binární hydridy, zejména ze skupiny tzv. technologicky kritických prvků. Konkrétně se jednalo o fotochemické generování Ni, Co, W, Os, Ru a Re s ICP-MS detekcí a chemické generování Cd ve spojení s AFS. Kromě podrobné optimalizace podmínek generování a spektrometrické detekce uvedených prvků byly určeny analytické charakteristiky vyvinutých metod a studovány mechanismy probíhajících dějů včetně identifikace vznikajících těkavých forem. Jediným studovaným zástupcem hydridotvorných prvků byl Te, pro nějž bylo optimalizováno fotochemické generování ve spojení s ICP-MS/MS detekcí. V novém typu plazmového atomizátoru těkavých specií na bázi výboje s dielektrickou bariérou (DBD) byly optimalizovány podmínky atomizace 5 hydridotvorných prvků (Pb, Se, Te, Bi a Ge). Byl studován vliv konstrukce elektrod i napájecího zdroje střídavého napětí a následně určeny analytické charakteristiky pro jednotlivá uspořádání. S optimální konstrukcí zdroje a atomizátoru byla studována odolnost vůči interferencním dalších hydridotvorných prvků a výsledky porovnány s konvenčním vyhřívaným křemenným atomizátorem. S využitím As jako modelového analytu bylo ověřeno, že v DBD atomizátoru lze kromě hydridů atomizovat i další těkavé a toxikologicky významné specie, např. methyl-substituované hydridy, s účinností srovnatelnou pro binární hydridy. To je důležité pro speciační analýzu. Mechanismus chemického generování specií arsenu byl studován technikou hmotnostní spektrometrie s ambientní ionizací DART-MS. Byla vyvinuta metoda speciační analýzy Te (Te4+ a Te6+) založená na chemickém a fotochemickém VSG a ICP-MS/MS detekci s unikátními mezemi detekce dostačujícími pro analýzy Te v přírodních vodách využívající předredukce Te6+ chloridem titanitým či horkou kyselinou chlorovodíkovou. Metoda speciační analýzy Ge založená na generování substituovaných hydridů s jejich následnou kryogenní separací a ICP-MS/MS detekcí vyvinutá dříve na našem pracovišti byla adaptována pro simultanní speciační analýzy Ge a As a použita k monitorování ročního cyklu Ge a As v hloubkových profilech vodního ekosystému Ženevského jezera. Ve spolupráci s dalšími akademickými pracovišti byly řešeny multidisciplinární projekty: 1) Expertní stanovení certifikovaných/informačních hodnot koncentrace anorganického arsenu i dalších specií arsenu v nových certifikovaných referenčních materiálech. 2) Studie změn v genomu bakterií černého kašle (Bordetella pertusis) vedoucích k lepší adaptaci mikroorganismu na prostředí hostitele zaměřená na hospodaření patogenu s mikrobiogenním prvkem manganem. 3) Stanovení vybraných kovů (Ca, Mg, V, Fe, Cu a Zn) v plazmě pacientů léčených s bipolární poruchou. 4) Speciační analýza arsenu v různých druzích mořských řas odebraných podél čínského pobřeží a odvození možného toxikologického rizika spojeného s jejich konzumací. 5) Speciační analýzy As pro geochemickou studii vzniku sulfidů As v mokřinách.

The core activities of the Institute of Analytical Chemistry are research and development of new principles, methods, and instrumentation in the field of analytical methods applicable for the development of other scientific areas, especially biological and medical science, human health, and environmental protection. Fundamental research is focused on separation and spectroscopic methods, systematic miniaturization, and nanotechnology, dealing with topics in proteomics, genomics, drug analysis, body fluids analysis, and environmental monitoring. Supercritical water-treated fused silica capillaries were employed to separate isolates from phylogenetically distinct groups of Cutibacterium acnes. Another application involved the identification of milk protein allergens using an on-line combination of transient isotachophoresis/micellar electrokinetic chromatography and capillary isoelectric focusing. The work on isoelectric focusing continued with the development of chip-based isoelectric focusing device for fractionation of bacteria prior to their identification by mass spectrometry. Further, preparative continuous flow electrophoretic instrumentation for purification of biological samples was also developed. The activity in the field of monolithic silica-based capillary columns for liquid chromatography focused on preparation, morphology, composition, and selectivity of the columns with grafted layer of trioctyl(3/4-vinylbenzyl)phosphonium chloride. Pressurized water extraction was employed for the isolation of bioactive proteins from selected plant materials. Hollow-fibre liquid-phase microextraction was at-line coupled to capillary electrophoresis with mass spectrometric detection (CE-MS) for fully automated analyses of acidic drugs in biological and environmental samples. Volatile free liquid membranes were applied as new phase interfaces for electromembrane extraction (EME) and have considerably broadened the portfolio of phase interfaces suitable for EME. Fundamental research of dried blood spot (DBS) analysis resulted in the development of a novel concept for a fully automated DBS processing and analysis by a commercial CE instrument. This concept also presented a kit for DBS self-sampling directly into a CE vial with subsequent transport of DBS samples to the laboratory by mail. Research of concentrating techniques for CE resulted in the design of a first cationic system for focusing on inverse electromigration dispersion gradient. The new technique was successfully combined with MS detection and used for sensitive analysis of triazine herbicides in waters with detection limits on the sub-nM level. Theoretical research of electrophoresis resulted in a general solution of the differential moving-boundary equation. The explicitly derived equation allows calculation of system eigenmobilities in any system with acid-base equilibria and is the common basis of various simplified forms derived for particular systems. The new epitachophoretic method for the extraction of DNA from milliliter volumes of biological fluids was further developed during the continued joined research with Roche, Inc., USA, including a miniaturized version printed on a 3D printer. New protocols for the preparation of photon upconverting nanoparticles have been under development, including their use in microfluidic applications. In the frame of cooperation with J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry CAS, we began the development of the method for continuous on-line determination of HNO3 in air and nitrates in atmospheric aerosol. Female mice were continuously exposed to the CdO nanoparticles for six weeks, then the mice were left five weeks in pure air, and a decrease in the Cd content in selected organs and blood was monitored. Investigation of change in the content of selected lipids in the liver of mice after exposure to nanoparticles has been started. Attention was mainly focused on the analysis of cholesterol and cholesterol esters. In cooperation with the Global Change Research Institute CAS, plants of Spring Barley were exposed in parallel to the ZnO nanoparticles and the influence of drought for three weeks. After exposure, the plants were analyzed for Zn content. Urban aerosol in Brno and aerosols from the Sloupská cave were analyzed in cooperation with Mendel University in Brno on the content of inorganic anions and Nontuberculous Mycobacteria. The particulate emissions from the combustion of hard and softwood in modern and older types of boilers used for household heating were analyzed for the content of polyaromatic hydrocarbons and organic markers of biomass combustion.Various analytical methods based on chemical (CVG) and photochemical (PVG) generation of volatile species and their subsequent spectrometric detection by atomic fluorescence (AFS), atomic absorption spectrometry (AAS) or inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), were developed. Volatile species generation is an elegant derivatization technique enabling analyte introduction into the detector with high efficiency and its separation from the sample matrix. It is most often used for the (ultra)trace determination of hydride forming elements. However, we focused on the possibility of applying VSG to other than hydride forming elements, such as the technologically critical elements. Specifically, we worked with PVG of Ni, Co, W, Os, Ru, and Re with ICP-MS detection and CVG of Cd coupled with AFS. Apart from a detailed optimization of the conditions of generation and spectrometric detection, the analytical charactersitics were also determined, and the mechanisms of the aforementioned processes were studied, including the identification of the volatile species. The sole hydride forming element we studied was Te, for which PVG with ICP-MS/MS detection was optimized. Atomization conditions of 5 hydride forming elements (Pb, Se, Te, Bi, and Ge) were optimized using a novel plasma atomizer of volatiles species based on dielectric barrier discharge (DBD). The influence of the electrode design and the alternating current power supply construction was studied, and subsequently, the analytical characteristics were determined for each setting. When the optimum apparatus set-up was selected, the interference study of other hydride forming elements was carried out, and the results were compared to those obtained with a conventional heated quartz atomizer. With As used as a model analyte, it was verified that DBD could be used for the atomization of other than hydride species, e.g., methyl-substituted hydrides and other toxicologically important species, with the same efficiency as for the binary hydrides. That is vital for speciation analysis. The mechanism of CVG of As species was studied with the help of mass spectrometry coupled with the DART ionization (DART-MS). A Te speciation analysis method based on CVG and PVG and ICP-MS/MS detection was developed and remarkably low detection limits were reached – sufficient for Te determination in natural waters with the use of Te6+ prereduction by titanium chloride or hot hydrochloric acid. A method for Ge and As speciation analysis, developed at our department earlier, based on the generation of substituted hydrides and their subsequent cryogenic separation and ICP-MS/MS detection, was adapted for simultaneous speciation analysis Ge and As. This methodology was applied to monitor the annual cycle of Ge and As in depth profiles of a water ecosystem of Geneva lake. Several interdisciplinary projects were dealt with in cooperation with other research institutions: 1) Expert determination of certified/informative values of inorganic As concentration and other As species in new certified reference materials. 2) Study of the change in a genome of pertussis causing bacteria (Bordetella pertussis) leading to a better adaptation of microorganisms to the host environment focused on the pathogen management of microbiogenic manganese. 3) Determination of selected metals (Ca, Mg, V, Fe, Cu, and Zn) in plasma of bipolar patients. 4) As speciation analysis in several types of seaweed harvested alongside Chinese shore and its potentially harmful influence when ingested. 5) As speciation analysis for a geochemical study dealing with the formation of As sulfides in fens.