Elektroanalytické metódy umožňujú rýchlu analýzu aj z jednej kvapky vzorky. Uplatňujú sa v medicíne, farmácii aj environmentálnom monitorovaní.
Článok je súčasťou rubriky Veda, výskum – naša šanca.
Analytická chémia ako základ moderného sveta
Každý deň sa stretávame s výsledkami analytickej chémie, často bez toho, aby sme si to uvedomovali. Od kontroly kvality liekov cez vyšetrenia krvi a moču v nemocniciach až po monitorovanie pitnej vody či analýzu potravín — za všetkými týmito procesmi stoja analytické metódy, ktoré dokážu odhaliť prítomnosť aj veľmi malých množstiev rôznych látok, vrátane liečiv, biomarkerov ochorení, pesticídov alebo toxických ťažkých kovov. Vďaka nim je možné zabezpečiť kvalitu liekov, sledovať zdravotný stav pacientov, kontrolovať bezpečnosť potravín a monitorovať stav životného prostredia.
Analytická chémia tak dnes predstavuje neoddeliteľnú súčasť modernej medicíny, farmácie, potravinárstva aj environmentálnej analýzy. Jednou z oblastí, ktorá v posledných desaťročiach zaznamenala výrazný rozvoj, sú elektroanalytické metódy.
Elektrina ako zdroj analytickej informácie
Mnohé chemické látky dokážu pri kontakte s elektródou prijímať alebo odovzdávať elektróny. Tento dej sa prejaví vznikom elektrického signálu, ktorý nesie informáciu o prítomnosti aj množstve analyzovanej látky (analytu). Čím vyššia je koncentrácia analytu, tým intenzívnejší býva zaznamenaný signál.
Elektroanalytické metódy tak umožňujú získať chemickú informáciu prostredníctvom merania elektrického prúdu, potenciálu, náboja, odporu či vodivosti. Práve elektrický signál patrí medzi hlavné výhody elektroanalýzy, pretože vzniká okamžite, dá sa veľmi citlivo merať a nevyžaduje zložité ani drahé prístrojové vybavenie. V porovnaní s mnohými inými analytickými technikami ide o citlivý a prakticky využiteľný analytický prístup.
Od laboratória k reálnym aplikáciám
Základy elektroanalýzy siahajú do 19. storočia, keď Michael Faraday (1791-1867) formuloval zákony elektrolýzy a položil základy modernej elektrochémie. Významným míľnikom bol aj objav polarografie, ktorú zaviedol Jaroslav Heyrovský (1890-1967) a za ktorú neskôr získal Nobelovu cenu. Práve polarografia otvorila cestu k citlivému stanovovaniu veľmi malých množstiev chemických látok.
S rozvojom materiálového výskumu, nanotechnológií a mikroelektroniky sa elektroanalytické metódy postupne zmenili na moderné senzorové technológie. Objavili sa mikroelektródy, nanoelektródy, sieťotlačené či 3D-tlačené elektródy a prenosné zariadenia. Elektroanalýza sa tak postupne zmenila z čisto laboratórnej techniky na moderný analytický nástroj využiteľný aj mimo laboratória. Významnou výhodou elektrochemických senzorov je možnosť realizovať analýzu priamo v mieste potreby.
Rýchlosť, jednoduchosť a minimálna spotreba
Jednou z najvýznamnejších vlastností elektroanalytických metód je ich schopnosť pracovať bez potreby zložitej prípravy vzorky. Mnohé elektroaktívne látky možno stanoviť priamo, bez oddelenia zložiek v zmesi, čo výrazne skracuje čas analýzy a zjednodušuje metodiku.
Významnou výhodou je aj práca s malými objemami vzoriek. Analýza sa často realizuje v objemoch rádovo mikrolitrov, čo je dôležité najmä v klinickej diagnostike alebo pri terénnych meraniach. V praxi to znamená, že na analýzu často postačuje jediná kvapka vzorky. Takéto systémy nachádzajú čoraz väčšie uplatnenie napríklad v modernej medicíne, kde sa presadzujú rýchle „point-of-care“ diagnostické zariadenia využiteľné priamo pri pacientovi.
Elektrochemické senzory dnes tvoria základ viacerých bežne používaných zariadení. Asi najznámejším príkladom sú glukomery na monitorovanie hladiny glukózy u pacientov s diabetom. Práve jednoduchosť obsluhy, rýchlosť merania a možnosť okamžitého vyhodnotenia výsledku ukazujú, aký význam môže mať elektroanalýza v každodennej praxi.
Podobné princípy sa dnes využívajú aj pri vývoji senzorov na stanovenie cholesterolu, laktátu, hormónov či rôznych biomarkerov ochorení. Elektroanalytické metódy tak predstavujú dostupný, rýchly a efektívny nástroj modernej analytickej praxe.
Automatizácia a nové technologické možnosti
Elektroanalytické metódy sú prirodzene vhodné na automatizáciu. Môžu byť súčasťou analytických systémov, ktoré zabezpečujú automatické dávkovanie vzoriek, kontrolu podmienok merania aj spracovanie získaných údajov. Takýto prístup znižuje vplyv ľudského faktora a zvyšuje spoľahlivosť meraní, čo je dôležité najmä pri rutinných analýzach alebo dlhodobom monitorovaní procesov.
Významný pokrok nastal aj v oblasti miniaturizácie zariadení. Moderné prenosné potenciostaty a kompaktné senzorové systémy dnes umožňujú realizovať analýzy priamo v teréne, napríklad pri monitorovaní kvality vody, potravín alebo životného prostredia. Výhodou moderných elektrochemických zariadení je aj ich prepojenie s digitálnymi technológiami. Niektoré senzory dokážu komunikovať s mobilnými telefónmi alebo online databázami, takže výsledky merania môžu byť dostupné prakticky okamžite.
Veľkú pozornosť dnes priťahujú aj tzv. nositeľné (wearable) senzory. Ide o zariadenia, ktoré možno integrovať napríklad do náramkov, náplastí alebo textilu a ktoré dokážu analyzovať pot či sliny počas bežného života človeka. Takéto technológie by v budúcnosti mohli pomôcť pri jednoduchšom sledovaní zdravotného stavu pacientov alebo pri kontrole priebehu liečby (personalizovaná medicína). Vývoj zároveň smeruje k využívaniu flexibilných a biokompatibilných (nezávadných pre ľudské telo) materiálov, ktoré umožnia pohodlné a dlhodobé nosenie senzorov.
Elektroanalýza a ďalšie analytické metódy
Elektroanalytické metódy dnes nefungujú izolovane, ale často dopĺňajú ďalšie analytické techniky, napríklad chromatografiu alebo spektrometriu. Každá z nich poskytuje trochu iný pohľad na skúmanú vzorku a práve ich kombinácia umožňuje získať spoľahlivejšie výsledky. V modernej analytickej chémii je preto bežné prepájať viacero analytických prístupov do jedného systému. Elektroanalýza pritom často slúži ako rýchla skríningová metóda, ktorá dokáže v krátkom čase poskytnúť základnú informáciu o zložení vzorky ešte pred použitím náročnejších laboratórnych techník.
Výhodou elektrochemických senzorov je aj ich vysoká citlivosť voči elektroaktívnym látkam, vďaka čomu možno niektoré látky stanovovať už vo veľmi nízkych koncentráciách. Práve spojenie rýchlosti, citlivosti a relatívnej jednoduchosti robí z elektroanalytických metód dôležitú súčasť modernej analytickej praxe.
Keď nestačí byť „zelený“: prichádza biela analytická chémia
V súčasnosti sa čoraz väčší dôraz kladie aj na environmentálny rozmer analytických metód. Moderná analytická chémia dnes už nehľadí iba na spoľahlivosť merania. Dôležité je aj to, koľko chemikálií sa pri analýze spotrebuje, aké množstvo odpadu vzniká, aká je energetická náročnosť merania a či je daná metóda prakticky využiteľná v bežnej praxi. Práve tieto požiadavky spája koncept tzv. bielej analytickej chémie (White Analytical Chemistry), ktorý sa snaží hľadať rovnováhu medzi analytickou výkonnosťou, praktickou využiteľnosťou a environmentálnou prijateľnosťou.
Elektroanalytické metódy do tejto „filozofie“ veľmi dobre zapadajú. Vyznačujú sa nízkou spotrebou chemikálií, malou produkciou odpadu a relatívne nízkou energetickou náročnosťou, pričom si zároveň zachovávajú vysokú citlivosť a presnosť. Aj preto patria medzi perspektívne analytické prístupy, ktoré zodpovedajú požiadavkám modernej a udržateľnej analytickej chémie.
Perspektívy ďalšieho vývoja
Vývoj elektroanalytických metód dnes smeruje najmä k ďalšej miniaturizácii, automatizácii a prepojeniu s prenosnými či nositeľnými zariadeniami. Očakáva sa ich čoraz širšie využitie v rýchlej diagnostike, monitorovaní životného prostredia alebo pri kontrole kvality v priemysle.
Moderné elektrochemické senzory sa postupne stávajú menšími, lacnejšími a jednoduchšími na používanie, vďaka čomu sa dostávajú aj mimo špecializovaných laboratórií. Významnú úlohu pritom zohrávajú nové elektródové materiály, napríklad grafén a jeho oxid, uhlíkové nanomateriály, MXény (nová trieda dvojrozmerných materiálov) či 3D-tlačené elektródy. Práve 3D tlač dnes umožňuje pomerne jednoduchú a cenovo dostupnú výrobu senzorov navrhnutých pre konkrétne analytické úlohy.
Objavujú sa aj inteligentné senzorové systémy schopné rýchlo analyzovať vzorky a okamžite vyhodnocovať získané údaje. Elektroanalytické metódy sa tak postupne stávajú dostupnejšími pre širšie spektrum aplikácií aj používateľov.
Záver
Elektrochemické senzory dnes postupne prestávajú byť výlučne laboratórnym nástrojom. Čoraz častejšie sa stávajú súčasťou reálnych aplikácií — od nemocníc a priemyslu až po terénne a prenosné zariadenia. Práve spojenie citlivosti, jednoduchosti a dostupnosti robí z elektroanalytických metód jednu z perspektívnych technológií modernej analytickej chémie. Aj vďaka rýchlemu technologickému vývoju možno očakávať, že ich význam bude v najbližších rokoch ďalej narastať. Elektrochemické senzory tak majú potenciál výrazne ovplyvniť budúcnosť diagnostiky, monitorovania životného prostredia aj každodennej analytickej praxe.
Elektrochemickým senzorom sa venujeme aj na Ústave analytickej chémie Fakulty chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity v Bratislave, kde sa zameriavame najmä na vývoj, validáciu a aplikáciu moderných elektroanalytických metód na stanovenie rozličných biologicky aktívnych látok, liečiv a kontaminantov. Práve prepojenie základného výskumu s praktickými aplikáciami ukazuje, aký veľký potenciál majú elektroanalytické metódy v modernej analytickej chémii.
prof. Ing. Ľubomír Švorc, DrSc.
- analytický chemik
- Ústav analytickej chémie Fakulty chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity v Bratislave
- venuje sa vývoju, validácii a využitiu progresívnych analytických metód v oblasti farmaceutickej, klinickej, potravinárskej a environmentálnej analýzy
- predseda Slovenskej chemickej spoločnosti