Żonie Marysi i Dzieciom, Oliwii i Kacprowi, poświęcam

Projekt okładki i stron tytułowych

Lidia Michalak

Wydawca

Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji

Renata Ziółkowska

Redaktor

Ewa Czarnecka-Żołek

Korekta

Mieczysława Kompanowska

Koordynator produkcji

Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Anna Jakubowska / Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2019

ISBN 978-83-01-20801-1

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2019 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Wykaz skrótów nazw technik analitycznych

1. Wprowadzenie

2. Techniki mikroskopii chemicznej

2.1. Technika MALDI-TOF

2.2. Techniki XPS i Augera

2.3. Technika mikroskopii FTIR

2.4. Technika fNIRS – obrazowanie mózgu

2.5. Techniki mikroskopii skanujących SPM

2.6. Technika LA-ICP-MS

3. Wielowymiarowe techniki chromatograficzne

3.1. Kompleksowa technika GC×GC-MS

3.2. Dwuwymiarowa technika MDGC

3.3. Technika LC×LC-MS

4. Techniki sprzężone

4.1. Obrazowanie i analiza metodami spektroskopii mas i mikroskopii fluorescencyjnej FM-MALDI-MSn ≤10-TOF

4.2. Sprzężone techniki chromatograficzne LC-GC

4.3. Chromatografia 5D

4.4. Sprzężone techniki spektroskopowo-chromatograficzne: LC-ICP-MS i LC-AAS

4.5. Sprzężone techniki oparte na metodzie FTIR: FTIR-EDX, GC-FTIR

5. Podsumowanie

Podziękowania

Literatura

Przypisy

Wykaz skrótów nazw technik analitycznych

AAS – spektroskopia absorpcji atomowej (Atomic Absorption Spectroscopy)

AES – spektroskopia elektronów Augera (Auger Electron Spectroscopy)

AFM – mikroskopia sił atomowych (Atomic Force Microscopy)

CAT – osiowa tomografia komputerowa (Computerised Axial Tomography)

EDX – spektroskopia energii rozproszonej promieniowania rentgenowskiego (Energy Dispersive X-Ray spectroscopy)

EEG – elektroencefalografia (ElectroEncephaloGraphy)

FM – mikroskopia fluorescencyjna (Fluorescence Microscopy)

fMRI – funkcjonalny rezonans magnetyczny (Functional Magnetic Resonance Imaging)

fNIRS – funkcjonalna spektrometria w bliskiej podczerwieni (Functional Near Infrared Spectroscopy)

FTIR – spektroskopia fourierowska w podczerwieni (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)

GC – chromatografia gazowa (Gas Chromatography)

HREM – wysokorozdzielcza mikroskopia elektronowa (High Resolution Electron Microscopy

ICP – indukcyjnie wytworzona plazma jonowa (Inductively Coupled Plasma)

LA – desorpcja laserowa (Laser Desorption)

LC – chromatografia cieczowa (Liquid Chromatography)

MALDI – jonizacja laserowa z dodatkiem matrycy (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization)

MDGC – wielowymiarowa chromatografia gazowa (Multidimensional Gas Chromatography

MEG – magnetoencefalografia (MagnetoEncephaloGraphy)

MS – spektroskopia mas (Mass Spectroscopy)

PET – tomografia pozytronowa (Positron Emission Tomography)

SPM – mikroskopie skanujące (Scanning Probe Microscopy)

STM – skaningowa mikroskopia tunelowania (Scanning Tuneling Microscopy)

TMS – przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (Transcranial Magnetic Stimulation)

TOF – analizator mas czasu przelotu (Time of Flight)

XPS – rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (X-ray Photoelectron Spectroscopy)

FM-MALDI-MSn≤10-TOF – technika mikroskopii fluorescencyjnej, jonizacji typu MALDI i analizatora mas typu TOF

FTIR-EDX – sprzężona technika FTIR i EDX

GC-FTIR – sprzężona technika GC i FTIR

GC×GC-MS – wielowymiarowa (kompleksowa) technika GC z detekcją MS

LA-ICP-MS – sprzężona technika LA z zestawem ICP-MS

LC-AAS – sprzężona technika chromatografii cieczowej ze spektrometrią AAS

LC-GC – sprzężona technika chromatografii LC i GC

LC-GC-MS – sprzężona technika chromatografii LC i GC z detekcją mas

LC×LC-MS – wielowymiarowa technika LC z detekcją mas

LC-MALDI-TOF – sprzężona technika chromatografii LC z jonizacją MALDI i analizatorem mas TOF

ROZDZIAŁ 1

Wprowadzenie

Przełom wieków XIX i XX był okresem burzliwego rozwoju fizyki i chemii prowadzącego do sformułowania wielu teorii będących podstawą nowoczesnych fizykochemicznych metod analitycznych. Dzięki postępowi nauki w pierwszej połowie XX wieku możliwe stało się zaprojektowanie wielu nowych rozwiązań w dziedzinie spektroskopii, chromatografii i mikroskopii. Druga połowa XX wieku to wręcz lawinowy rozwój produkcji aparatury analitycznej umożliwiającej analizę składu chemicznego na niespotykanym dotąd poziomie stężeń, femtomoli (10–15) – spektroskopia mas (MS), czy też attomomoli (10–18) – spektroskopia MALDI-TOF. Krokiem milowym w tym okresie było wprowadzenie spektroskopii fotoelektronów (XPS), techniki umożliwiającej równoczesne określanie jakościowego i ilościowego pierwiastkowego składu chemicznego i rodzaju wiązań pomiędzy pierwiastkami znajdującymi się w próbkach, zarówno na ich powierzchni, jak i w głębi, i to bez konieczności ich rozpuszczania. Ten wielki postęp umożliwił prawie pełną analizę jakościową i również ilościową. Drugi rodzaj analizy, też przeżywającej burzliwy rozwój w drugiej połowie XX wieku, to różnego rodzaju mikroskopie. W tym okresie możliwym stało się obrazowanie pojedynczych atomów (mikroskopia tunelowania STM, sił atomowych AFM i wysokorozdzielcza mikroskopia elektronowa HREM).

Wraz z rozwojem nauki, techniki i technologii, a przede wszystkim zapotrzebowaniem społecznym na informacje o dostępnych produktach i otaczającym nas środowisku, w końcu XX wieku pojawiło się zapotrzebowanie nie tylko na techniki umożliwiające doskonałe badania strukturalne, oznaczania jakościowe i ilościowe, ale również na techniki pozwalające na przestrzenne umiejscowienie w badanej próbce oznaczanych substancji.

Rozwój medycyny, nauki, technologii i możliwości ochrony środowiska w wieku XXI zaczynają coraz bardziej zależeć od fizykochemicznych informacji przestrzennych. Rozwój nowoczesnej medycyny zależny jest m.in. od informacji o miejscu gromadzenia się danego metabolitu w organizmie, rodzaju narządu i miejsca, w którym gromadzi się dana substancja chemiczna. Identyfikacja chemiczna i umiejscowienie przestrzenne białek zmienionych lub obcych organizmowi ludzkiemu może umożliwić opracowanie metody terapii przestrzennie celowanej, jak i przygotowanie dla niej odpowiednich leków. Dalszy rozwój elektroniki, a przede wszystkim koszty produkcji urządzeń elektronicznych, zależą m.in. od identyfikacji miejsc mających wpływ na trwałość z jednoczesnym określeniem rodzaju chemicznych czynników odpowiadających za niezawodne działanie urządzenia. W dziedzinie ochrony środowiska lub jakości żywności coraz bardziej rozszerza się zakres wymagań dotyczących nie tylko oznaczanego poziomu stężeń, ale również identyfikacji nowych związków chemicznych, których wraz z upływem czasu nieustannie przybywa. Nie jest już wystarczającym określenie rodzaju struktury samego związku, ale staje się koniecznie określenie np. rodzaju jego izomeru.

Istniejące i przewidziane zapotrzebowanie na informacje fizykochemiczne spowodowały szybki rozwój dwóch grup metod analitycznych. Pierwsza grupa to metody umożliwiające obrazowanie chemiczne, czyli mikroskopia chemiczna, jak również oznaczenia ilościowe. Metody te to np. techniki obrazowania MALDI-TOF, spektroskopia XPS i Augera, mikroskopia FTIR, różne odmiany mikroskopii sił atomowych, SPM, czy też technika ICP-MS (jonizacja plazmowa z detekcją mas) połączona z techniką ablacji laserowej (LA). Wyniki uzyskane za pomocą technik obrazujących mogą umożliwić identyfikację, opracowanie i wdrożenie nowych biomarkerów chorób cywilizacyjnych u dobrze scharakteryzowanych grup osób (np. z predyspozycją do choroby i we wczesnej fazie choroby), mogą też umożliwić wczesną identyfikację patologicznych zmian strukturalnych w obrębie układów, narządów i komórek w trakcie przebiegu chorób cywilizacyjnych oraz mogą być połączone z dynamiczną oceną czynnościową. W psychologii i psychiatrii stosowane są różne techniki obrazowania aktywności mózgu, m.in. technika fNIRS. Mikroskopia FTIR ma wielkie zastosowanie w kryminalistyce do wykrywania mikrośladów substancji organicznych, co często umożliwia np. wykrycie przyczyn pożarów. W dziedzinie historii sztuki i archeologii techniki obrazowania chemicznego mogą umożliwić identyfikację retuszów lub też autentyczność danego dzieła.