Tibor Jakubík: História hmotnostnej spektrometrie na Fakulte chemickej a potravinárskej technológie STU v Bratislave

Ing. Tibor Jakubík, CSc. sa narodil vo Veľkých Uherciach v r. 1944. Po absolvovaní Strednej priemyselnej školy chemickej v Bratislave r. 1962 pracoval vo Výskumnom ústave pre ropu a uhľovodíkové plyny (VÚRUP). V rokoch 1963-1968 absolvoval Chemickotechnologickú fakultu SVŠT v Bratislave na Katedre chémie a technológie ropy. Od r.1969 do r. 1973 bol interným ašpirantom Prof. Ing. Václava Veselého, DrSc. V r. 1973 nastúpil na Fakultné pracovisko hmotnostnej spektrometrie na Chemicko-technologickej fakulte SVŠT, kde pod vedením Doc. Ing. Jána Leška, CSc. ukončil vedeckú ašpirantúru na tému „Problematika delenia a hmotnostnospektrometrickej analýzy hydrogenovaných olejov“. Od r. 2002 je poverený vedením Laboratória hmotnostnej spektrometrie na Oddelení NMR a hmotnostnej spektrometrie na Ústave analytickej chémie FCHPT. Je spoluautorom a autorom cca. 100 odborných publikácii, prednášok a posterov.

Prvopočiatky hmotnostnej spektrometrie na Chemickej fakulte SVŠT iniciovali v roku 1971 pri Katedre chémie a technológie ropy (KCHTP) Prof. Ing. Václav Veselý, DrSc. a Ing. Ján Leško, CSc.

Prvým prístrojom na KCHTP bola kombinácia plynového chromatografu s hmotnostnospektrometrickým detektorom GC-MS MAT 111 od firmy VARIAN, inštalovaného v júni roku 1971. Prístroj vzhľadom na pomerne nízku citlivosť hmotnostného spektrometra bol vybavený plynovým chromatografom s kovovými náplňovými kolónami čo malo výhodu (ekonomickú), že sme si pripravovali kolóny sami. Niekoľko pokusov s použitím nerezových kapilárnych kolón „vďaka“ nedostatočnej citlivosti hmotnostnospektrometrického detektora nebolo úspešných. Napriek tomu bolo na tomto prístroji odmeraných a čiastočne vyhodnotených takmer 3000 vzoriek zmesí organických látok. Spektrá sa zapisovali na fotografický papier citlivý na ultrafialové svetlo. V rokoch 1972 až 1992 sa na našom pracovisku sledovali zdroje pitných vôd celého Žitného ostrova, ako aj ďalších zdrojov pitnej vody na území Slovenska – čo predstavovalo 50 – 70 vzoriek pitných vôd ročne, ktoré sú dodnes zásobárňou kvalitnej pitnej vody pre celý Západoslovenský kraj. Prístroj bol už pre nedostupnosť náhradných dielov ako aj z dôvodov nízkej citlivosti vyradený z prevádzky v r. 1994.

V r. 1972 bol nainštalovaný vysokorozlišovací hmotnostný spektrometer MS902S od firmy AEI, Manchester. Inštalácia za účasti 2 servismanov fy. AEI začala v máji toho roku. Pretože firma pre tento prístroj garantovala rozlišovaciu schopnosť RP = 100 000 a doc. Leško to striktne vyžadoval a chcel to na prístroji vidieť a až potom podpísať preberací protokol. Servismani AEI prichádzali a odchádzali. A pretože okolo fakulty premávali električky a trolejbusy, hádzali vinu za problémy s dosiahnutím garantovaných parametrov na túto skutočnosť a navrhovali nainštalovať do laboratória Faradayovu klietku na odtienenie blúdivých prúdov, ktoré mohli ovplyvňovať parametre prístroja. Tomuto návrhu sme z ekonomických, ale tiež v tom čase z technických dôvodov odolali. Nakoniec garantované parametre boli dosiahnuté v utorok 5. decembra 1972 o 3-tej hod. ráno, keď premávka mestskej elektrickej dopravy (trolejbusy, električky) v okolí našej fakulty bola nulová. Preberací protokol prístroja bol podpísaný 6.12.1972, vo vtedy známej a populárnej bratislavskej „inštitúcii“ - vieche „Vysoká 44“.

Prvými operatérmi tohoto, v tom čase špičkového prístroja, boli Ing. Ján Leško, CSc. a Ing. Štefan Holotík, CSc. – obaja členovia Katedry ropy a uhľovodíkových plynov. V r. 1973 rozšírili rady tejto dvojčlennej „gruppy“ elektrotechnik Ing. Walter Weis, ktorý prišiel zo Slovenskej požičovne filmu (v r. 1968 člen čsl. výpravy na Svetovej výstave v Montreáli) a Ing. Tibor Jakubík - ašpirant Prof. V. Veselého, DrSc. na Katedre ropy a uhľovodíkových plynov.

Laboratórium hmotnostnej spektrometrie postupne prekročilo rámec Katedry ropy a uhľovodíkových plynov a v roku 1974 bolo z nej vyčlenené a ustanovené ako pracovisko s celofakultnou pôsobnosťou s názvom Fakultné pracovisko hmotnostnej spektrometrie (FPHS).

Pri tejto príležitosti nedá mi nespomenúť, že v tom čase už v Prahe na Akademii věd (Ústav organické chemie u Dr. Dolejša – ak si dobre pamätám) bol nainštalovaný vysokorozlišovací hmotnostný spektrometer MS902, čo nám v začiatkoch veľmi pomohlo pri riešení počiatočných problémov s prevádzkou nášho prístroja. Za nezištné rady a konzultácie patrí vďaka práve Dr. Dolejšovi. Nezanedbateľnou oporou pre nás boli tiež možnosti konzultácií s Dr. Vladimírom Hanušom, CSc., Dr. Miroslavom Ryskom, CSc. a naším v tom čase vysokoškolským partnerom Dr. Ľáďom Kubelkom, CSc.

ČSHS: Obrázek 1: Základná zostava Laboratória hmotnostnej spektrometrie (z r. 1988) pri prístroji GC-MS MS25RFA (zľava – T. Jakubík, Š. Holotík, W. Weis a sediaci J. Leško)

V laborantských pozíciách sa postupne striedali Gizka Szalayová, Jana Kovárová a Soňa Ernstová.

V období tzv. normalizácie na priamy príkaz vedenia fakulty, „vysokú ideologickú úroveň“ prevádzky oboch prístrojov, ako aj merania a interpretácie hmotnostných spektier zabezpečoval Ing. Ctibor Hudák.

Laboratórium hmotnostnej spektrometrie spolupracovalo vo vedeckovýskumnej činnosti s Katedrou organickej chémie pri dôkaze štruktúr najmä novosyntetizovaných heterocyklických organických zlúčenín, Katedrou technológie ropy a petrochémie pri analytickom hodnotení ropných produktov, Katedrou analytickej chémie GC/MS analýzami najmä so zameraním na stopové analýzy a s Katedrou sacharidov a konzervácie potravín pri identifikácii látok v zložitých zmesiach extraktov použitím GC/MS. V oblasti aplikovaného výskumu Laboratórium spolupracovalo s poprednými priemyselnými podnikmi a inštitúciami, kde sa zameriavalo najmä na stopové GC/MS analýzy organických látok v rôznych matriciach. Externými užívateľmi prístroja MS902S boli pracovníci z Chemického ústavu SAV (Dr. Vladimír Kováčik, DrSc.) a Výskumného ústavu liečiv v Modre (Ing. Ondřej Gattnar, CSc.).

Záznam spektier sa robil rovnako ako na GC-MS MAT 111, na fotografický papier citlivý na ultrafialové svetlo. Po vyvolaní hmotnostnospektrometrického záznamu bolo potrebné správne (manuálne) odpočítať na osi x v tom čase používané hodnoty m/e , (dnešné m/z) a to z dôvodu, že stupnica na zázname bola nelineárna. Kontrolou na osciloskope bolo treba tiež nastaviť iónový tok analyzovanej zlúčeniny v iónovom zdroji tak, aby na najmenej citlivej stope (stopy boli 3), bolo jasne vidieť vrchol tzv. basepeaku.*

*Poznámka autora - toto uvádzam pre čitateľov, ktorých rodný list bol datovaný po r. 1980.

Na prístroji MS902S bolo do jeho „administratívneho“ vyradenia v r. 2004 odmeraných viac ako 10.000 spektier organických zlúčenín, okolo 200 metastabilných prechodov a takmer 100 meraní presných hmotností novosyntetizovaných organických zlúčenín ako aj zlúčenín izolovaných z prírodných materiálov pri RP od 10000 do 40000. Napriek našej snahe nie každé z uvedených meraní pri vysokej rozlišovačke viedlo k zostaveniu jednoznačnej štruktúry analyzovanej vzorky. Vzhľadom k rozmanitosti u nás analyzovaných vzoriek, pred meraním presných hmotností bolo nevyhnutné celý systém dokonale termicky vyčistiť, čo vyžadovalo neraz aj trojdňové (spravidla cez víkend) čistenie.

Za obdobie takmer 32 rokov sme striedavo používali 2 iónové zdroje a použili 2 dynódové násobiče. Druhý násobič sme boli nútení použiť (koncom r. 1996) po zvláštnej havárii, keď chladiaca voda (používali sme chlórovanú vodu z mestskej siete – v tom čase ešte lacnú) v analyzátorovej difúznej pumpe prederavila vnútornú stenu pumpy za vzniku tzv. „hrachovej kaše“, ako to Walter nazval, v olejovej časti difúzky a celý systém bol „nasýtený“ vodnou parou a parami difúzkového oleja. Našťastie sme mali rezervnú difúznu pumpu a tak po dôkladnom vyčistení celého systému, ktorý trval asi 14 dní, výmene násobiča a iónového zdroja sme aspoň mohli merať rutinné nízkorozlišovacie (RP = 1000) hmotnostné spektrá v slušnej kvalite. V r. 1988 bol v Centrálnych laboratóriách naištalovaný prístroj GC-MS MS25RFA od firmy KRATOS, Manchester (bývalé AEI, Manchester) s chromatografom Carlo Erba zaopatreným viacerými nástrikovými zariadeniami (split/splitless, oncolumn). Krátko po nás boli rovnaké prístroje nainštalované v Prahe na Vodních zdrojoch (Dr. Víťo Valenta) a v Pardubiciach (Ing. Ivan Kolb) a znovu bola vynikajúca spolupráca a výmena skúseností medzi našimi tromi pracoviskami. Prístroj umožňoval už na túto dobu rýchle skeny (0,3s/dekádu – občas aj použiteľné) v GC/MS móde – čo v dnešnej dobe napr. TOF-ov by sme to mohli nazvať aj ako – „zdržovanie hry“, ďalej meranie metastabilných prechodov a maximálnu rozlišovaciu schopnosť do RP ≤ 8000 – čo bolo už vtedy o ničom, ani ryba ani rak, aj keď treba priznať, že síru to od dvoch kyslíkov v štruktúre organickej zlúčeniny odlíšilo. Tento prístroj už bol riadený počítačom DG-DG30 a zaopatrený databázou hmotnostných spektier NIST, čo pri rutinných analýzach uľahčilo robotu, i keď v nejednom prípade z ponuky databázy nám bolo „dopopuku“ napriek 95% pravdepodobnosti „zhody“ spektier, nehovoriac o lenivosti-pomalosti samotného počítača. Prvé roky sme data ukladali na magnetické pásky, čo umožňoval „streamer“ počítača, ale časom sa objavil software na konverziu našich nameraných dát do PC-čka a australský soft „WSEARCH“ Franka Antolasica nám veľmi zrýchlil interpretáciu nameraných analýz. Mimochodom tento software vie prečítať data z mnohých GC/MS prístrojov a je skutočne „userfriendly“ a dokonca základná verzia bola zadarmo. Po 20-tich rokoch intenzívneho využívania MS25RFA (v r. 2008) však definitívne „kľakol“ počítač DG30 a tak napriek výbornému stavu hmotnostnospektrometrickej časti systému šiel na zaslúžený odpočinok.

O rok neskôr (1989) v našom laboratóriu pribudla kombinácia plynového chromatografu s hmotnostnospektrometrickou detekciou iónovou pascou ITD-800 od firmy Finnigan MAT. Naše nadšenie z viac ako 10-násobne vyššej citlivosti oproti MS25RFA bolo namieste do času, keď sme narazili na zmesi s kyslíkatými organickými zlúčeninami – dobrovoľne a bez mučenia musím priznať, že dodnes nie som si istý, či to bolo nastavením parametrov stroja (ktoré sme exploatovali), alebo to bola „prirodzená“ vlastnosť tejto mašiny, ale že som častokrát nedokázal vidieť molekulový ión takýchto zlúčenín – tak to ma sr..o. „Naprieč“ vyššie uvedenému, využitie vynikajúcej citlivosti tohto stroja bolo veľmi užitočné v našich aplikáciách hlavne pri stopových analýzach. Na odľahčenie mojej čiastočne osobnej averzie, musím sa priznať k mojej neresti ako občasného fajčiara (mimochodom, tejto neresti som podľahol aj „vďaka“ bývalému tabačkárovi – Leškovi, ktorý včas prestal, ale ja som ešte chvíľu vydržal), keď som občas vstúpil do laboratória s „aktivovanou“ cigaretou, kde som nastrekoval do ITD800 vzorku, neraz na chromatograme sa objavil malý, ale jasne identifikovateľný pík nikotínu – to len na ilustráciu citlivosti vyššiemenovaného inštrumentu. Čas dozrel a iónová pasca vypovedala poslušnosť – a tak v r. 2010, keďže už nebolo možné v blízkom okolí získať „spareparts“ na iónový zdroj – odpálené kontakty držiaka katódy – prístroj bol vyradený.

Toľko o prístrojovej, personálnej a pracovnej histórii nášho hmotnostnospektrometrického laboratória.

Záverom ešte krátko o nedávnej minulosti siahajúcej do súčasnosti.

Reštrukturalizácia fakulty v r. 2006 „spáchala“ fúziu Centrálnych laboratórií NMR a HS s Katedrou analytickej chémie za vzniku Ústavu analytickej chémie. Malo to určitú logiku, ale to je všetko čo sa k tomu dá povedať. Prekonať dlhoročnú autonómiu a do určitej mieri aj priestorovú kompaktnosť Centrálnych laboratórií (HS a NMR) chvíľu trvalo. Riadením osudu a za podpory Min. školstva SR do nášho laboratória pribudol v januári r. 2009 nový prístroj GCxGC-MSTOF zvaný Pegasus 4D od fy. LECO, vybavený MultiPurpose-Samplerom MPS 2XL (GERSTEL).

Donedávna, (do r. 2008) široký záber analyzovaných substancií sa v súčasnej dobe zúžil na oblasť potravinárskych produktov (syry, medy, alkoholické nápoje a pod.) s cieľom ich autentifikácie a identifikácie ich zložiek.

Dramatické zmeny v personálnom obsadení započali náhlym odchodom Doc. Ing. Jána Leška, CSc. v r. 2002 na pravdu Božiu. Ing. Štefan Holotík, CSc. odišiel do dôchodku v r. 2004 a Ing. Walter Weis v júni r. 2010. A tak ako „kôl v plote“, z dlhoročného týmu Laboratória hmotnostnej spektrometrie zostal do dnešného dňa len autor tohto stručného pohľadu do histórie hmotnostnej spektrometrie na Fakulte chemickej a potravinárskej technológie STU v Bratislave.