4. Sekce chemických věd
Seznam anotací:
- Mechanické a elektrochemické vlastnosti grafenu a jeho využití pro fotoelektrochemickou konverzi solární energie (Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského)
- Tvorba povrchové fibrinové sítě (Ústav makromolekulární chemie)
- DNA ozdobená aldehydy pro připojení dalších molekul (Ústav organické chemie a biochemie)
- Ochrana stříbrných povrchů proti korozi na bázi monomolekulárních vrstev karboranových klastrů (Ústav anorganické chemie)
- Superkritická extrakce biologicky aktivních látek (Ústav chemických procesů)
- Modifikované insuliny pomáhají lépe pochopit mechanismus účinku hormonu (Ústav organické chemie a biochemie)
- Iontově selektivní membrány pro palivové články (Ústav makromolekulární chemie)
- Nanostruktury vytvářené vodivými polymery (Ústav makromolekulární chemie)
- Způsob recyklace odpadních polyurethanových pěn (Ústav makromolekulární chemie)
- Elektromembránová extrakce těžkých kovů a jejich následná analýza pomocí kapilární elektroforézy s bezkontaktní vodivostní detekcí (Ústav analytické chemie)
- Fotokatalýza na bezelektrodových výbojkách potažených oxidem titaničitým (Ústav chemických procesů)
- Elektromigrační techniky – rychlý a ekonomický nástroj pro rozlišení podobných mikroorganismů (Ústav analytické chemie)
- Vliv teploty přípravy na vlastnosti křemenných monolitických kapilárních kolon (Ústav analytické chemie)
- Selektivní elektrokatalytické vylučování kyslíku (Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského)
- Strukturní motivy Gag polyproteinů důležité pro skládání retrovirových částic (Ústav organické chemie a biochemie)
(Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského)
Byly provedeny průkopnické studie mechanických a elektrochemických vlastností grafenu. Ve spolupráci s nositeli Nobelovy ceny 2010 za fyziku byly poprvé popsány mechanické vlastnosti grafenu při jednoosé kompresi. Bylo prokázáno, že grafen je možno popsat v rámci Eulerova lineárního režimu vzpěru. Doposud byly tyto znalosti podloženy pouze teoretickými výpočty na vrstvách o rozměrech desítek až stovek nanometrů. Byly popsány změny elektronové struktury grafenu v tahu při různých budících energiích. Poprvé byla experimentálně i výpočetně doložena přítomnost dosud odmítaných vnitřních rezonančních procesů. Dopováním grafenu se posouvá Fermiho hladina, což lze využít pro ovlivňování transportních a optických vlastností. Ramanova spektra grafenu byla studována při elektrochemickém dopování za různých excitačních energií]. Při vysokých kladných hodnotách elektrodových potenciálů se nečekaně zesiluje intensita grafenového G modu, což též závisí na excitační energii. Tyto závěry jsou důležité jak pro metrologii grafenu tak i pro pochopení jeho vlastností v relaci k chování uhlíkových nanotub. Bylo prokázáno, že grafen je slibný materiál pro fotoelektrochemickou konverzi energie v barvivem sensibilizovaném solárním článku. Zde může nahradit jak platinu tak průsvitný vodivý oxid, zejména u článků využívajících iontových kapalin jako elektrolytu. Poloprůsvitné (>85%) filmy grafenových nanodestiček neomezovaly odběr fotoproudu při ozáření plným sluncem za potenciálů mezi 0 a 0,3 V, avšak ke zlepšení charakteristiky článku při otevřeném obvodu je nutné snížit odpor přenosu náboje asi o řád. Tato veličina je úměrná absorbanci grafenového filmu, což dokazuje závislost mezi koncentrací aktivních míst (okrajových defektů a oxidických skupin) a elektrokatalytickou aktivitou grafenu pro katodu solárního článku
Frank, O. – Tsoukleri, G. – Parthenios, J. – Papagelis, K. – Riaz, I. – Jalil, R. – Novoselov, K.S. – Galiotis, C.: Compression behavior of single-layer graphenes. ACS Nano. Roč. 4 (2010), s. 3131-3138.
Frank, O. – Mohr, M. – Maultzsch, J. – Thomsen, C. – Riaz, I. – Jalil, R. – Novoselov, K.S. – Tsoukleri, G. – Parthenios, J. – Papagelis, K. – Kavan, L. – Galiotis, C.: Raman 2D-band splitting in graphene: theory and experiment. ACS Nano, accepted.
Kalbáč, M. – Reina-Cecco, A. – Farhat, H. – Kong, J. – Kavan, L. – Dresselhaus, M. S., The influence of strong electron and hole doping on the Raman intensity of chemical vapor-deposition graphene: ACS Nano, Roč. 4 (2010), s. 6055-6063.
Kavan, L. - Dunsch, L.: Spectroelectrochemistry of carbon nanotubes, ChemPhysChem. Roč. 12 (2011), s. 47-55.
Kavan, L. – Yum, J.H. – Graetzel, M.: Optically transparent cathode for dye-sensitized solar cells based on graphene nanoplatelets ACS Nano. DOI: Roč. 4 (2010), 10.1021/nn102353h.
Spolupracující subjekt: University of Manchester, U.K.; Institute of Chemical Engineering and High Temperature Chemical Processes, Foundation of Research and Technology-Hellas (FORTH/ICE-HT), Patras, Greece; Technische Universität Berlin, Germany; Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, U.S.A.; Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, Germany; École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland.
Závislost polohy Ramanského 2D modu na aplikované kompresi. Míra nelinearity a pozice maxima na fitovaných křivkách, které odpovídají kritickému vzpěru, jsou funkcí velikosti namáhané monovrstvy a poměru délek jejích stran.
Kontaktní osoba: Otakar Frank, 266053446, frank@jh-inst.cas.cz, Martin Kalbáč, 266053804, kalbac@jh-inst.cas.cz, Ladislav Kavan 266053975 kavan@jh-inst.cas.cz
(Ústav makromolekulární chemie)
Ihned po poranění cévy dochází k aktivaci koagulace krve zahrnující kaskádu enzymatických reakcí, jejímž výsledkem je tvorba trombinu, který odštěpením čtyř fibrinopeptidů z molekul fibrinogenu cirkulujícího v krevním oběhu tvoří fibrin samovolně asociující do vláken a fibrinové sítě. Fibrinový gel spolu s krevními destičkami zastavuje krvácení a později slouží jako podpůrná struktura pro buňky opravující poraněnou tkáň. Využili jsme proteiny a mechanismy uplatňující se při koagulaci krve k řízené tvorbě povrchových fibrinových sítí na polymerních skeletech používaných tkáňovým inženýrstvím. Tento postup například umožnil vypěstovat vrstvu buněk přirozeného cévního endotelu na vnitřním povrchu umělých protéz používaných pro chirurgickou náhradu nefunkčních cév. Umělá fibrinová síť roste u povrchu z okolního roztoku fibrinogenu díky katalytickému působení trombinu navázaného na adsorbovanou vrstvu fibrinogenu. Při studiu počátečního stadia vzniku fibrinové sítě na modelovém povrchu jsme ve spolupráci s pracovníky Ústavu hematologie a krevní transfúze v Praze zjistili, že průběh odštěpování fibrinopeptidů z adsorbovaného fibrinogenu závisí na koncentraci fibrinogenu v adsorpčním roztoku a značně se liší od stávajících představ o koagulaci krve založených na modelových experimentech s tvorbou fibrinové sítě v roztocích fibrinogenu a trombinu. Porozumění těmto procesům by mohlo pomoci vyvinout léčebné postupy ovlivňující tvorbu nebezpečných trombů přímo v místě jejich vzniku u povrchu poškozených nebo nemocných cév.
Riedel, T. – Suttnar, J. – Brynda, E. – Houska, M. – Medved, L. – Dyr, J. E.: Fibrinopeptides A and B release in the process of surface fibrin formation. Blood. V tisku, DOI 10.1182/blood-2010-08-300301.
Filová, E. – Brynda, E. – Riedel, T. – Bačáková, L. – Chlupáč, J. – Lisá, V. – Houska, M. – Dyr, J. E.: Vascular endothelial cells on two- and three-dimensional fibrin assemblies for biomaterial coatings. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. Roč. 90, č. 1 (2009), s. 55-69.
Spolupracující subjekt: Ústav hematologie a krevní transfúze v Praze
Umělá fibrinová síť rostoucí u povrchu z okolního roztoku fibrinogenu díky katalytickému působení trombinu navázaného na adsorbovanou vrstvu fibrinogenu (Atomic force microscopy)
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): RNDr. Eduard Brynda, CSc., 296809266, brynda@imc.cas.cz
(Ústav organické chemie a biochemie)
Byla vyvinuta nová velmi snadná metodika připojování různých molekul k DNA (tzv. biokonjugace). Tato metoda spočívá v syntéze DNA nesoucí velmi reaktivní aldehydové skupiny, na které lze snadno v jednom kroku připojit jiné molekuly např. pro studium molekulárního mechanismu důležitých biologických procesů nebo pro značení DNA barevnými nebo elektroaktivními značkami. Tato metodika je mnohem rychlejší, jednodušší a snadnější než dosud známé postupy přípravy DNA konjugátů a má tak předpoklady k širokému uplatnění v oborech na pomezí chemie a biologie.
Klíčovým meziproduktem je DNA nesoucí velmi reaktivní aldehydové skupiny jako molekulární "věšáčky". Metoda její přípravy je velmi rychlá a skládá se z pouhých dvou stupňů. Prvním krokem je příprava modifikovaného nukleosid trifosfátu a druhým enzymatická výstavba DNA z těchto stavebních bloků katalyzovaná DNA polymerasou. Tímto způsobem lze připravit jak krátké sekvence DNA obsahující jen jednu nebo několik málo „věšáčků“, tak i dlouhé DNA o tisících nukleotidů obsahující stovky těchto reaktivních skupin. Aldehydové skupiny ochotně reagují s celou řadou látek a lze na ně tedy navázat prakticky jakoukoli další molekulu. Tento princip byl prokázán např. tvorbou barevných sloučenin (hydrazonů), pomocí kterých byla DNA obarvena na žlutou nebo růžovou barvu (viz obrázek). Nyní jsou studovány další reakce takto modifikované DNA pro připojování důležitých biomolekul (peptidů, proteinů apod.). Vyvinutá metoda může najít široké uplatnění nejen při přípravě nejrůznějších typů biokonjugátů DNA, ale i např. v materiálovém výzkumu a nanotechnologiích, kde DNA může sloužit jako snadno programovatelné a obnovitelné "lešení" pro připojení užitečných chemických molekul a funkčních skupin.
Raindlová, V. – Pohl, R. – Šanda, M. – Hocek, M.: Direct polymerase synthesis of reactive aldehyde-functionalized DNA and its conjugation and staining with hydrazines. Angewandte Chemie. International Edition. Roč. 49, č. 6 (2010), s. 1064-1066.
a) Konstrukce DNA modifikované aldehydy pomocí polymerasy a její další modifikace tvorbou hydrazonů.
b) Barevné změny modifikované DNA.
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Doc. Ing. Michal Hocek, CSc. DSc., tel: 220183324, hocek@uochb.cas.cz
(Ústav anorganické chemie)
Thiolované karboranové klastry se snadno vážou ke stříbrnému povrchu a vytvářejí samouspořádané monomolekulární vrstvy. Takto modifikované stříbrné povrchy vykazují pozoruhodnou odolnost vůči korozi. Byly studovány zejména dva deriváty (1,2-(HS)2-1,2-C2B10H10 a 9,12-(HS)2-1,2-C2B10H10) s rozdílným způsobem vazby k povrchu (C-S-Ag a B-S-Ag). Protikorozní vlastnosti monovrstev byly testovány vystavením modifikovaných povrchů korozivnímu prostředí se zvýšeným obsahem sirovodíku. Byla použita řada technik, které se vzájemně doplňují. Rychlost koroze byla sledována pomocí reflexní UV-Vis spektrometrie, chemické změny na povrchu byly analyzovány pomocí X-ray fotoelektronové spektroskopie, změny topografie stříbrného povrchu byly sledovány mikroskopem atomárních sil a hloubka zasažení stříbrného filmu sulfidovými ionty byla měřena pomocí Rutherfordova zpětného rozptylu. Monomolekulární vrstvy výrazně zpomalovaly rychlost koroze. Účinnost karboranových thiolů byla porovnána s organickými analogy, které byly v minulosti pro ochranu stříbrného povrchu testovány. Výsledky ukázaly, že monovrstvy složené z karboranových thiolů jsou mnohem odolnější než srovnatelné vrstvy jejich organických analogů. Provedené analýzy nepřímo ukazují na několik faktorů ovlivňujících schopnost monomolekulárních vrstev chránit povrchy stříbra. Zajímavým zjištěním je, že vazba B-S-Ag v případě derivátu 9,12-(HS)2-1,2-C2B10H10) je silnější než vazba organických derivátů vázaných k povrchu přes atomy uhlíku. V dalším kroku jsme se zaměřili na potvrzení větší stability derivátu vázaného ke kovovému povrchu vazbou B-S-Ag, a to s pomocí kvantově chemických výpočtů. První výsledky jsou v souladu s experimentálním pozorováním, přičemž stabilitu výše zmíněných dithiolů k povrchu kovu spojují s jejich geometrií. Jednou z výhod těchto monomolekulárních vrstev je jejich snadná příprava. Chemickou reakci lze provádět například z roztoku nebo z plynné fáze. V současné době se zaměřujeme na lepší porozumění struktury rovného modifikovaného povrchu a testování tohoto molekulárního systému v reálných procesech.
Lübben, J. F. – Baše, T. – Rupper, P. – Künniger, T. – Macháček, J. – Guimond, S.: Tuning the surface potential of Ag surfaces by chemisorption of oppositely-oriented thiolated carborane dipoles. Journal of Colloid and Interface Sciences. (2010), v tisku (doi:10.1016/j.jcis.2010.10.052).
Baše, T. – Bastl, Z. – Havránek, V. – Lang, K. – Bould, J. – Londesborough, M. G. S. – Macháček, J. – Plešek, J.: Carborane-thiol-silver interactions. A comparative study of the molecular protection of silver surfaces. Surface and Coatings Technology. Roč. 204, č. 16-17 (2010), s. 2639-2646.
Macháček, J.: A computational study of dicarbadodecaborane dithiols bound to gold surface. Book of Abstracts, 5th European Meeting on Boron Chemistry (EUROBORON 5), Heriot-Watt Univ., Edinburgh, UK, August 29th-September 2nd 2010, P47, s. 126.
Spolupracující subjekt: ÚFCH J.H. AV ČR, v. v. i. a ÚJV, a.s.
Thiolované karboranové klastry se snadno vážou ke stříbrnému povrchu a vytvářejí samouspořádané monomolekulární vrstvy. Takto modifikované stříbrné povrchy vykazují pozoruhodnou odolnost vůči korozi způsobované molekulami sirovodíku přítomnými v atmosféře. Na obrázku je znázorněn schematický model molekuly 9,12-(HS)2-1,2-C2B10H10 na rovném stříbrném povrchu (vlevo) a ukázka zkorodovaného nechráněného Ag filmu a filmu modifikovaného zmíněným derivátem.
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Mgr. Tomáš Baše, PhD; 266173105; tbase@iic.cas.cz
(Ústav chemických procesů)
Superkritická extrakce oxidem uhličitým je moderní a šetrný způsob získávání léčivých a jiných cenných přírodních látek, nacházejících využití ve farmaceutických, potravinářských a kosmetických výrobcích. Tyto látky se rozpouštějí v oxidu uhličitém pod tlakem až několika stovek atmosfér a při teplotách blízkých pokojové teplotě (to je zvlášť důležité u látek, které se při vyšších teplotách rozkládají); po snížení tlaku se pak z roztoku snadno oddělují neporušené a neznečištěné organickými rozpouštědly.
Autoři se zaměřili na výzkum superkritické extrakce rostlinných biologicky aktivních látek, například botanických insekticidů, které si rostliny vytvářejí, aby se bránily hmyzím škůdcům. Na základě měření na laboratorní aparatuře pak formulovali matematické modely s cílem jednak prohloubit poznání studovaného procesu, jednak umožnit přípravu extraktů, které by na trhu mohly díky své kvalitě přes vyšší výrobní náklady konkurovat běžným produktům extrakce organickými rozpouštědly (poptávka po ryze přírodních produktech roste). Se záměrem zvýšit koncentraci biologicky aktivních látek v extraktu postupně uzavřeli vývoj jednodušších modelů extrakce, které nerozlišují rozdílné chování složek extrahované směsi, a v roce 2010 navrhli a ověřili model pro výpočet složení extraktu v závislosti na extrakčních podmínkách (tlaku, teplotě, průtoku rozpouštědla, i na přípravě rostlinného materiálu k extrakci). Tento model, vycházející z fázových rovnováh a ojedinělý v odborné literatuře o superkritické extrakci z rostlin, popisuje dobře experimentální data a bude tak využitelný pro další optimalizaci extrakčních podmínek a pro návrh velkokapacitní (průmyslové) superkritické extrakce.
Sovová, H. – Galushko, A.A. – Stateva, R.P. – Rochová, K. – Sajfrtová, M. – Bártlová, M.: Supercritical Fluid Extraction of Minor Components of Vegetable Oils: β-Sitosterol. J. Food Eng. 101(2) (2010), s. 201-209.
Pavela, R. – Sajfrtová, M. – Sovová, H. – Bárnet, M. – Karban, J.: The Insecticidal Activity of Tanacetum parthenium (L.) Schultz Bip. Extracts Obtained by Supercritical Fluid Extraction and Hydrodistillation. Ind. Crop. Prod. 31(3) (2010), s. 449-454.
Sovová, H.: Mathematical Modelling of Supercritical Fluid Extraction. In: Current Trends of the Supercritical Fluid Technology in the Pharmaceutical, Nutraceutical and Food Processing Industries. (Duarte, A.R.C. – Duarte, C.M.M., Ed.). Bentham eBooks 2009. 15 s.
Sajfrtová, M. – Ličková, I. – Wimmerová, M. – Sovová, H. – Wimmer, Z.: β-Sitosterol: Supercritical Carbon Dioxide Extraction from Sea Buckthorn (Hippophae rhamnoides L.) Seeds. Int. J. Mol. Sci. 11(4) (2010), s. 1842-1850.
Spolupracující subjekt: Výzk. ústav rostl. výroby, Agra Group, ÚEB AV ČR, VŠCHT Praha, Ústav chem. inženýrství Bulh. akademie věd
Schéma superkritické extrakce a její aplikace
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Helena Sovová, 220390234, sovova@icpf.cas.cz
(Ústav organické chemie a biochemie)
Insulin je jedním z nejdůležitějších hormonů organismu. Ztráta schopnosti produkce insulinu či neschopnost organismu insulin využít vede k onemocnění zvanému diabetes mellitus. Odhaduje se, že v roce 2009 dosáhl ve světě počet diabetiků již 245 miliónů. Působení insulinu je zprostředkováno jeho vazbou na specifický membránový receptor. Přes desítky let intenzivního výzkumu stále nebyla vyřešena struktura komplexu insulinu s receptorem. Je nicméně zřejmé, že známé 3-D struktury insulinu představují pouze zásobní a neaktivní formy hormonu. Předpokládá se, že molekula insulinu musí při interakci s receptorem podléhat rozsáhlým strukturním změnám vedoucím k vytvoření tzv. aktivní formy insulinu. Naší skupině se podařilo připravit sérii vysoce aktivních analogů insulinu modifikovaných v pozici B26. Strukturní analýza pomocí rentgenové krystalografie vyjevila, že tyto analogy mají unikátní struktury u insulinu doposud nepozorované. Hlavním znakem těchto struktur je -ohyb C-konce B-řetězce („B26 turn“ na obrázku vlevo) doprovázený trans-cis izomerií peptidové vazby B25-B26 (detail na obrázku vpravo). Tento ohyb má za důsledek odkrytí jiné části insulinu nezbytné pro vazbu na receptor. Oprávněně se domníváme, že struktury těchto analogů mohou být velmi podobné aktivní formě insulinu. Naše výsledky představují průlom ve studiu interakce insulinu s receptorem. Modifikované insuliny napodobující aktivní formu hormonu mohou být výchozím bodem pro přípravu dalších analogů insulinu či jeho mimetik, které by mohly najít uplatnění při nasální, pulmonální či orální aplikaci při léčení diabetu.
Jiráček, J. - Žáková, L. - Antolíková, E. - Watson, C. J. - Turkenburg, J. P. - Dodson, G. G. - Brzozowski, A. M.: Implications for the active form of human insulin based on the structural convergence of highly active hormone analogues. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Roč. 107, č. 5 (2010), s. 1966-1970.
Spolupracující subjekt: York Structural Biology Laboratory, Department of Chemistry, The University of York, York, United Kingdom
6-(2-thienyl)-7-fluor-7-deazapurin ribonukleosid postoupil do preklinických in vivo testů, kde předběžné výsledky toxikologie a in vivo aktivity na myších modelech vypadají velmi nadějně pro další pokračování vývoje těchto nových cytostatik
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Dr. Jiří Jiráček, +420-220183441, jiracek@uochb.cas.cz
(Ústav makromolekulární chemie)
Palivový článek je zařízení, v kterém se chemická energie (nejčastěji energie reakce vodíku s kyslíkem) přímo přeměňuje na elektrický proud. Membránové palivové články, v nichž je elektrolytem polymerní membrána nesoucí sulfoskupiny, se v současnosti komerčně používají. Tyto membránové palivové články mohou ale pracovat jen v přítomnosti kapalné vody, kdy jsou sulfoskupiny disociované a vodivé pro protony. Automobilový průmysl však vyžaduje články pracující při teplotách nad 150 oC, které by umožnily použití vodíku vzniklého reformováním alkoholů.
Protonově vodivou složkou v našich membránách jsou iontové kapaliny, o nichž je známo, že jsou vodivé pro ionty i při teplotách nad 100 oC. Membrány byly připraveny zapracováním iontové kapaliny do polymerní směsi, z které se odlévá a polymerní film a odpařením rozpouštědla. Vodivost výsledných membrán závisela na typu iontové kapaliny a typu polymeru a především na vzájemné afinitě těchto dvou složek. Vhodné vlastnosti měly pouze membrány připravené z dobře mísitelných složek.
Membrány s vysokou vodivostí byly zkoušeny v palivovém článku při teplotě 160 oC. Palivové články produkovaly elektrický proud. I když výkon palivového článku zatím nevyhověl požadavkům praxe, použití iontové kapaliny jako vodivé složky představuje nový princip přípravy iontově selektivních membrán.
Schauer, J. - Sikora, A. - Plíšková, M. - Mališ, J. - Mazúr,P. - Paidar,M. - Bouzek, K.: Ion-conductive polymer membranes containing 1 butyl-3 methylimidazolium trifluoromethane-sulfonate and 1 ethylimidazolium trifluoromethanesulfonate. Journal of Membrane Science. Roč. 367, č. 1-2 (2011), s. 332-339.
Jansen, J. C. - Friess, K. - Clarizia, G. - Schauer, J. - Izák, P.: High ionic liquid content polymeric gel membranes: preparation and performance. Macromolecules. Roč. 44, č. 1 (2011), s. 39-45.
Spolupracující subjekt: VŠCHT Praha
Snímky membrán (složení 30 hmotn. % polymer a 70 hmotn. % iontová kapalina). Vlevo částečně mísitelný systém, vpravo dokonale mísitelný systém.
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): RNDr. Zbyněk Pientka, CSc., 296809280, pientka@imc.cas.cz
(Ústav makromolekulární chemie)
Popis výsledku česky: Na základě několikaletých studií přípravy a charakterizace vodivých polymerů, zejména polyanilinu, se podařilo zformulovat principy tvorby nanostruktur, které tyto polymery vyvářejí. Nanostruktury vznikají přímo při přípravě, tj. při oxidaci anilinu, a zahrnují nanotrubky, nanovlákna, mikrokuličky, tenké filmy, koloidní částice a vyšší hierarchické struktury. Všechny mají stejný základ: anilinové oligomery se organizují do různých objektů a z nich pak vyrůstají polyanilinové řetězce a vytvářejí nadmolekulární nanostrukturu. Výzkumný materiál publikovaný v literatuře i vlastní výsledky byly shrnuty a analyzovány v roce 2010 v rozsáhlém přehledném článku (62 stran, 590 referencí) publikovaném v renomovaném časopisu Progress in Polymer Science (impaktní faktor 23.75). Nanostruktury vodivých polymerů jsou stále více využívány při povrchové modifikaci materiálů, při přípravě nosičů katalyzátorů založených na platinových kovech, i jako katalyzátorů bez kovové komponenty. Nacházejí postupně uplatnění v elektrorheologii, sensorech, antikorozní ochraně kovů, v energetických aplikacích (palivové články, baterie, superkapacitory) a v poslední době i v biotechnologiích a lékařství. Poznání a pochopení nanostruktur vytvářených vodivými polymery tak má zásadní význam při vývoji nových materiálů.
Stejskal J., Sapurina I., Trchová M.: Polyaniline Nanostructures and the Role of Aniline Oligomers in their Formation, Prog. Polym. Sci. 35, 1420–1481 (2010). [IF=23]
Fotografie ve skenovacím elektronovém mikroskopu polyanilinových nanotrubek připravených v přítomnosti kyseliny jantarové
Schéma polyanilinové nanotrubky
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Jaroslav Stejskal, 296-809-351, stejskal@imc.cas.cz
(Ústav makromolekulární chemie)
Popis výsledku česky: Vyvinutý proces recyklace je založen na chemolýze (chemické recyklaci) odpadních polyurethanových (PUR) pěn využívající kombinace vhodných výševroucích alkoholů (glykolů) a mikrovlnného ohřevu. Rozkladem odpadního PUR se získá kapalný produkt, recyklát s funkčními hydroxylovými skupinami, který lze použít jako vstupní surovinu pro přípravu nových PUR materiálů. Proces je výhodný zejména pro recyklaci odpadní měkké PUR pěny z vyřazených sedadel dopravních prostředků (osobních a nákladních automobilů, letadel, apod.), které jsou shromažďovány v autorizovaných střediscích. Doposud známé procesy chemické recyklace PUR odpadu nejsou ekonomicky výhodné vzhledem k vysokým energetickým nárokům a dlouhým reakčním časům (dlouhý produkční cyklus). Zjistili jsme, že aplikací mikrovlnného záření dochází k efektivnímu ohřevu reakční směsi, což umožňuje zkrátit produkční cyklus cca 4x a energetické nároky procesu jsou přibližně 6x nižší než u konvenčních recyklačních postupů. Vzniklý produkt lze především použít pro výrobu tepelně-izolačních materiálů na bázi tvrdých PUR pěn ve stavebním sektoru.
Kruliš, Z. - Horák, Z. - Beneš, H. - Hájek, M.: Způsob recyklace odpadních polyurethanových pěn. Patent č. 301 686 (2010).
Schéma nízkoenergetického způsobu recyklace odpadní polyurethanové pěny podle patentu CZ301686
Spolupracující subjekt: ÚCHP AV ČR, v.v.i.
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Ing. Hynek Beneš, PhD, 222512555, benesh@imc.cas.cz
(Ústav analytické chemie)
Elektromembránová extrakce (EME) byla použita jako metoda pro off-line úpravu reálných vzorků, která vedla k selektivnímu přečištění a zakoncentrování těžkých kovů. Pro extrakci byl použit krátký segment porézního polypropylenového dutého vlákna, jehož stěny byly napuštěny organickým rozpouštědlem (SLM), a které představovalo lacinou extrakční jednotku pro jednorázové použití. Po spuštění elektrického napětí v EME systému byly těžké kovy v donoru selektivně přeneseny přes SLM a zakoncentrovány v dutině vlákna naplněné akceptorem, zatímco matrice reálných vzorků byla účinně zadržena na stěnách dutého vlákna. Vyvinutý systém byl použit pro analýzu těžkých kovů v pitné vodě a v práškovém mléce. Tato metoda úpravy vzorků může být použita také pro podstatně složitější vzorky (např. biologické vzorky a tělní tekutiny), jelikož je také účinně zamezeno přenosu makromolekulárních látek jako proteinů a buněčného materiálu přes SLM a tyto látky poté nezpůsobují komplikace při následných analytických meřeních.
Kubáň, P. - Strieglerová, L. - Gebauer, P. - Boček, P.: Electromembrane extraction of heavy metal cations followed by capillary electrophoresis with capacitively coupled contactless conductivity detection. Electrophoresis. - v tisku
Popis česky: Schematické znázornění EME zařízení pro úpravu reálných vzorků.
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Prof. RNDr. Petr Boček, DrSc., +420 532 290 239, bocek@iach.cz
(Ústav chemických procesů)
Tato kniha ukazuje výrazné zlepšení fotokatalytické degradační výkonnosti spojením mikrovlnného (MW) záření s bezelektrodovými výbojkami (EDLs) potaženými oxidem titaničitým. Tenký film oxidu titaničitého je používán jako fotokatalyzátor při rozkladu mono-chloroctové kyseliny (MCAA) na HCl, CO2 a H2O. EDL jako nový světelný zdroj generuje efektivně UV/Vis záření, když je umístěna do MW pole. Tenké nanoporézní filmy oxidu titaničitého jsou připravovány ponořením a pokrytím EDL pomocí sol-gel metody při použití isopropoxidu titaničitého, n-butoxidu titaničitého, acetylacetonu a acetylacetonátu přechodného kovu. Filmy byly charakterizovány pomocí metod XRD, Ramanovy spektroskopie, XPS, SEM, AFM a UV/Vis. Fotokatalytická aktivita připravovaných tenkých filmů oxidu titaničitého byla zkoušena na degradační reakci Rhodaminu B ve vodě.
V této knize jsme diskutovali jak se koncept MW-podporované fotokatalýzy na tenkých filmech oxidu titaničitého stal důležitým nástrojem v chemii. Detailní analýza posledních a současných vědeckých článků jednoznačně potvrzuje prospěšnost této metody chemické aktivace. Aplikace EDL potažených oxidem titaničitým usnadňuje technický postup, především na poli organické fotochemické a fotokatalytické syntézy, environmentální chemie či analýzy.
Církva, V. - Žabová, H.: Photocatalysis on Titania-coated Electrode-less Discharge Lamps. New York: Nova Science Publisher, 2010, 76 s.
Modifikovaná MW trouba pro MW-podporované fotokatalytické experimenty s EDL potaženou oxidem titaničitým
Popis: (A) reakční směs s EDL a magnetickým míchadlem; (B) hliníkový plech; (C) magnetická míchačka; (D) vláknová optická spektrální sonda; (E) pohlcovač MW energie uvnitř kavity. Foto Hg-EDL potažené oxidem titaničitým
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Dr. Ing. Vladimír Církva, 220 390 343, cirkva@icpf.cas.cz
(Ústav analytické chemie)
Nové mikrobiologické analytické techniky, mezi které dnes patří např. PCR a hmotnostně spektroskopické techniky, jako např. MALDI-MS, jsou nákladné na přístrojové vybavení, analytické postupy jsou často časově náročné a vyžadují obsáhlou datovou základnu. Proto se do oblasti zájmu separace a detekce mikroorganizmů dostávají rychlé a levné kapilární elektromigrační techniky. Vyvinuli jsme kombinaci elektroforetických metod založenou na kapilární izoelektrické fokusaci, kapilární zónové elektroforéze, gelové izoelektrické fokusaci a MALDI-MS pro rychlé rozlišení mikroorganizmů. Metoda byla ověřena na modelu sedmi patovarů Pseudomonas syringae získaných z 37 zdrojů. Výsledky metody byly ověřeny rutinními testy a hmotovou spektrometrií.
Horká, M. - Horký, J. - Kubesová, A. - Mazanec, K. - Matoušková, H. - Šlais, K.: Electromigration techniques – a fast and economical tool for differentiation of similar strains of microorganisms. Analyst. Roč. 135, č. 7 (2010), s. 1636 – 1644.
Spolupracující subjekt: Státní rostlinolékařská správa, odbor diagnostiky Olomouc
Popis česky: Separace patovarů P. corrugata a P. syringe kapilární isoelektrickou fokusací
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Ing. Marie Horká, CSc., +420 532 290 221, horka@iach.cz
(Ústav analytické chemie)
V analytických separačních metodách se stále více využívá kontinuálních monolitických porézních struktur, zejména jako flexibilních a spolehlivých nosičů stacionárních fází pro kapalinovou chromatografii. Většinou jsou využívány monolitické struktury na bázi organických kopolymerů, ale intenzivně se rozvíjejí i monolity na bázi oxidu křemičitého. Předmětem této práce je studium vlivu pracovní teploty během sol–gel procesu a zrání křemenného monolitu na strukturu a separační účinnost kapilárních kolon (vnitřní průměr 100 um, délka 150 um) pro separace kapalinovou chromatografií. Testované kolony byly syntetizovány v kyselém prostředí ze směsi tetramethoxysilanu, polyethylenglykolu a močoviny. Na základě předběžných zkušeností byla pracovní teplota volena v intervalu od 40 °C do 44 °C s cílem sledovat tvorbu obtokových kanálů mezi křemenným monolitem a vnitřní stěnou křemenné kapiláry. Teplota 43 °C se ukázala jako optimální pro přípravu účinných křemenných kapilárních kolon, které byly následně modifikovány oktadecyldimethyl-N,N-diethylaminosilanem nebo smočeny polyoktadecylmethakrylátem a testovány pomocí standardní směsi alkylbenzenů za isokratických podmínek.
Planeta, J. - Moravcová, D. - Roth, M. - Karásek, P. - Kahle, V.: Silica–based monolithic capillary columns – effect of preparation temperature on separation efficiency. Journal of Chromatography A. Roč. 1217, č. 36 (2010), s. 5737–5740.
Mikrofotografie křemenných monolitických kapilárních kolon (vnitřní průměr 100 um, vnější průměr 360 um) připravených za teploty 40 °C (vlevo) a 43 °C (vpravo). Šipky u kolony připravené při 40 °C označují místa s porušeným kontaktem mezi monolitem a vnitřní stěnou kapiláry. V těchto místech se tvoří obtokové kanály, které významně zhoršují účinnost kolony.
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Ing. Josef Planeta, Ph.D., +420 532 290 176, planeta@iach.cz
(Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského)
Dosažení vysoké selektivity elektrokatalytického vylučování kyslíku za přítomnosti chloridů řízenou modifikací lokální struktury oxidové elektrody. V případě vylučování kyslíku je elektrokatalytická aktivita připisována peroxidovým můstkům, které se tvoří během elektrochemické polarizace mezi atomy přechodového kovu řazenými s charakteristickou vzdáleností cca. 0.3 nm. Řízená substituce Ru zinkem (který je sám elektrokatalyticky inaktivní) ruší uspořádání kationtů a brání vzniku aktivních míst pro paralelní elektrokatalytické procesy.
Petrykin, V.- Macounová, K.- Shlyakhtin, O.- Krtil, P.: Tailoring selectivity for electrocatalytic oxygen evolution on ruthenium oxides by Zn substitution, Angewandte Chemie International Edition. Roč. 49 (2010), s. 4813-4316.
Petrykin, V. - Macounova, K. - Franc, J. - Shlyakhtin, O.- Klementova, M. - Mukerjee, S. - Krtil, P. : Zn doped RuO2 electrocatalyts for selective oxygen evolution – the relationship between local structure and electrocatalytic behavior in chloride containing media. Chemistry of Materials, Roč: 22 (2010) DOI:10.1021/cm1028782.
Lokální struktura nedopovaného oxidu rutheničitého (vlevo) a oxidu rutheničitého dopovaného zinkem (vpravo) a odpovídající selektivita elektrokatalytického vylučování plynů v prostředí kyseliny chloristé (1 M) obsahující 0.3 M chloridu sodného.
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Petr Krtil , 266053826, Petr.Krtil@jh-inst.cas.cz
(Ústav organické chemie a biochemie)
Skládání nové virové částice v hostitelských buňkách představuje důležitý krok v životním cyklu retrovirů. Nově syntetizované prekursory virových proteinů (tzv. Gag polyproteinů) jsou v buňce transportovány k místu skládání, kde společně s virovou RNA začínají tvořit nezralou virovou částici. Detailní znalost strukturních motivů Gag polyproteinů, které hrají klíčovou roli v procesu skládání, je důležitá jak pro pochopení tohoto komplexního procesu, tak pro vývoj specifických inhibitorů, které blokují buď vzájemné interakce virových strukturních proteinů, nebo interakce proteinů s virovou RNA. Při studiu skládání částic opičího Mason Pfizerova viru (Mason-Pfizer monkey virus, M-PMV) a viru myšího tumoru prsní žlázy (Mouse mammary tumor virus, MMTV) se nám podařilo pomocí in vitro i in vivo experimentů a analýz divokého typu virů a série jejich mutantů identifikovat strukturní motivy Gag polyproteinů, které jsou kritické pro tvorbu nezralých retrovirových částic. Tyto domény nebyly doposud popsány a přinášejí důležité poznatky pro pochopení procesu skládání. Pro testování inhibitorů skládání jsme vyvinuli unikátní metodu, založenou na měření inhibice interakce virového strukturního proteinu se značeným oligonukleotidem, která je použitelná pro testování ve velkém měřítku. Metoda byla patentována.
Böhmová, K. – Hadravová, R. - Štokrová. J. - Tůma, R. - Ruml, T. - Pichová, I. - Rumlová, M.: The effect of dimerizing domains and basic residues on in vitro and in vivo assembly of Mason-Pfizer monkey virus and Human immunodeficiency virus. Journal of Virology Roč. 84, č.4, (2010),s. 1977-1988.
Zábranský, A. - Hoboth, P. - Hadravová, R. - Štokrová, J. - Sakalian, M. - Pichová, I.:The noncanonical Gag domains p8 and n are critical for assembly and release of mouse mammary tumor virus. Journal of Virology Roč. 84, č. 24, (2010) s. 11555-9.
Patent: Rumlová, M., Ruml, T., Hadravová, R., Pichová, I. Method of testing of inhibitors of assembly using labeled oligonucleotides or nucleic acids. PV 2010-718
Spolupracující subjekt: VŠCHT, FPBT, Ústav biochemie a mikrobiologie; University of Leeds, Leeds, UK
Strukturní motivy Gag polyproteinů důležité pro skládání retrovirových částic.
In vitro sbalené retrovirové částite
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Ing. Iva Pichová,CSc., 220183251, iva.pichova@uochb.cas.cz
