Oddělení analytické chemie

Relativně novým tématem je NMR-omika. Tímto přístupem jsou v metabolomice pomocí ¹H NMR stanovovány metabolity v tělních tekutinách. Koncentrační profily identifikovaných látek jsou následně analyzovány pomocí vícerozměrných statistických metod, které pro dané onemocnění umožňují oddělit vzorky pacientů od vzorků zdravých jedinců. Obdobný postup využíváme i pro analýzu aerosolů v tzv. aerosolomice, kde je hlavním cílem identifikovat konkrétní zdroje znečištění ovzduší.

V rámci tohoto tématu jsou pro selektivní komplexaci aniontů nebo chirální rozpoznání navrhovány a následně i syntetizovány nové receptory. Vlastnosti připravených receptorů jsou poté testovány s ohledem na efektivitu a selektivitu komplexace. Získané poznatky zpětně slouží jako vodítko pro další optimalizaci designu struktury receptorů. Ukotvením finálních receptorů na nosné molekuly či povrchy lze připravit funkční materiály pro detekci nebo separaci daných molekul.

NMR laboratoř má dlouhou historii ve vývoji nových NMR experimentů pro měření spin-spin interakčních konstant. Tyto interakce přímo odráží rozložení elektronové hustoty mezi danými jádry a přináší tak informace o délce a charakteru vazby nebo vazebném úhlu. Původní orientace na interakce ¹³C - ²⁹Si se přesunula k interakcím  ¹³C - ¹³C, kde se největší výzvou jeví měření interakcí v symetrických molekulách mezi ekvivalentními atomy.

Dlouhodobě se zabýváme novým přístupem k analýze polárních organických látek z aerosolů. Naše identifikace látek pomocí NMR je založena na porovnání chemických posunů signálů v ¹H NMR spektru aerosolu se signály ze spektra dané látky v knihovně. K tomuto účelu jsme použili software Chenomx, který je určen k identifikaci látek ve spektrech složitých matricí, jako jsou například vzorky tělních tekutin, a který využívá vlastní knihovnu spekter. Pro analýzu aerosolů jsme knihovnu účelně rozšířili o látky běžně obsažené v aerosolech, a tak jsme mohli operovat s knihovnou čítající okolo 150 spekter látek. Tímto způsobem se nám podařilo identifkovat až 60 látek v každém ze vzorků. Vzorky pocházely z Prahy – Suchdola, kde byly sbírány v průběhu letní a zimní kampaně. Díky našemu přístupu byly identifikovány tři nové látky a u čtyř dalších látek byla poprvé potvrzena jejich přítomnost v aerosolových částicích. Koncentrační profily identifikovaných látek posloužily jako podklady pro pokročilou statistickou analýzu. Letní a zimní vzorky vykázaly velkou míru separace ve vícerozměrné statistické analýze a dále jsme pozorovali zajímavé trendy ve složení jednotlivých velikostních frakcí při pokusu o separaci na základě velikosti aerosolových částic. Pomocí jednorozměrné statistické analýzy byly určeny látky odpovědné za separaci skupin a u těchto látek byly identifikovány jejich potenciální zdroje. Látky se zvýšenými hladinami v zimě pochází hlavně z antropogenních zdrojů, zatímco látky zvýšené v létě jsou produktem biogenních i antropogenních zdrojů. Právě na určování zdrojů se zaměříme v našem dalším výzkumu.

ACS Omega 2020, 5, 36, 22750-22758. DOI: 10.1021/acsomega.0c01634

 

V této práci byly pomocí ¹H NMR spektroskopie zkoumány metabolické změny v krevní plazmě vyvolané rakovinou slinivky. Ve vzorcích plazmy pacientů a zdravých kontrolních jedinců byly stanovovány koncentrační profily asi 60 metabolitů. Získaná data posloužila jako vstup pro vícerozměrnou statistickou analýzu, která následně ukázala jasné oddělení obou skupin. Největší změny byly nalezeny v koncentracích 3-hydroxybutyrátu a laktátu. Získané výsledky ukazují, jaký potenciál může mít ¹H NMR spektroskopie pro diagnózu rakoviny slinivky. Metabolomika založená na NMR spektroskopii může v budoucnu přispět k rané diagnóze, prevenci či včasné terapii tohoto fatálního onemocnění. Nicméně je třeba zdůraznit, že se jednalo o pilotní studii na velice omezeném souboru vzorků. Tento soubor bude třeba výrazně rozšířit a na solidním statistickém modelu předložené výsledky potvrdit.

Analyst, 2018, 143, 5974. DOI: 10.1039/c8an01310a

Pro interakci s kyslíkatými sloučeninami, jako jsou alkoholy, aldehydy, ketony či karboxylové kyseliny, byly navrženy a syntetizovány receptory využívající axiálně chirální strukturu binaftyldiaminu. V rámci pilotní studie byl potom určen způsob interakce připravených receptorů a chirálních alkoholů. Struktura vznikajícího komplexu byla navržena na základě experimentálních NMR dat a potvrzena DFT výpočty. Následovala studie vlivu jednotlivých substituentů na komplexační vlastnosti připravovaných receptorů. Jako substráty byly použity různé arylpropanové kyseliny známé z medicinální chemie jako profeny. V rámci této studie se mimo jiné stanovovaly detekční limity obou enantiomerů daného substrátu. Připravené močovinové receptory založené na struktuře binafityldiaminu byly úspěšně využity pro určení enantiomeru ethyl 4-chloro-3-hydroxybutyrátu vznikajícího při reakci v mikrofluidním reaktoru. V tuto chvíli se pracuje na kotvení funkčních receptorů na různé struktury nosičů.

Interakce receptorů s alkoholy, Chirality 2018, 30, 798–806. DOI:10.1002/chir.22855
Komplexace profenů, Chirality 2019, 31, 410– 417. DOI:10.1002/chir.23067
4-chloro-3-hydroxybutyrát, J Flow Chem 2019. DOI:10.1007/s41981-019-00043-y

V rámci řešení projektu Nové nanomateriály pro separaci aniontů, podpořeného GAČR, se prováděla studie popisující vlastnosti námi připravených receptorových skupin vhodných pro komplexaci fosfátu. Detailním zkoumáním vlivů substituentů nesených základním skeletem receptoru na kyselost protonů v jednotlivých částech molekuly se podařilo porozumět principům chování těchto látek v přítomnosti fosfátového aniontu. Pro zvýšení efektivity receptoru se jako akceptor elektronů ze systému konjugovaného s močovinovým komplexačním místem používala sulfonamidová skupina. Ukázalo se, že vhodnou chemickou modifikací elektronového okolí této skupiny lze odstranit náchylnost receptoru k nechtěné deprotonaci. Kyselost vodíku sulfonamidové skupiny lze naopak využít k zavěšení celé receptorové skupiny na vhodný nosič.

ChemPlusChem 2020. DOI:10.1002/cplu.202000326

V nedávné době se nám podařilo vyvinout dvě nové pulzní sekvence pro měření interakčních konstant mezi ekvivalentními atomy. Obě metody využívají jednovazebné interakce uhlík-vodík pro vytvoření efektivního rozdílu chemických posunů. První metoda, SYMONA (SYmmetrical MOlecules Natural Abundance double-quantum experiment), pak využívá vodíkové detekce a vyznačuje se dobrou citlivostí. Je vhodná zejména pro měření velkých jednovazebných interakcí uhlík-uhlík v symetrických molekulách. Druhou metodou je STRONG INADEQUATE experiment, který využívá uhlíkovou detekci a je určen především pro detekci malých interakcí mezi ekvivalentními uhlíkovými atomy přes více vazeb. STRONG INADEQUATE funguje nejlépe pro ⁿJ_CC, kde n ≥ 3. Potom je patern v F1 dimenzi redukován na jednoduchý antifázový dublet s ⁿJ_CC separací. Tento patern zůstává zachován, i když je symetrický HC···C’H’ systém kuplován i k dalším vodíkovým atomům. To je hlavní výhoda STRONG INADEQUATE experimentu oproti jiným experimentům pro měření interakčních konstant mezi ekvivalentními uhlíkovými atomy.

SYMONA, Journal of Magnetic Resonance 2019, 298, 107. DOI:10.1016/j.jmr.2018.12.002
STRONG INADEQUATE, Magn Reson Chem. 2019, 57(12), 1107.DOI:10.1002/mrc.4897