Związki chemiczne należące do grupy alkaloidów wykazują silny wpływ na funkcjonowanie ośrodkowego układu nerwowego, a w wyższych dawkach mogą prowadzić do niewydolności oddechowej. Z jednej strony stanowią cenne substancje lecznicze, stosowane m.in. w terapii choroby Alzheimera (galantamina) czy jako leki przeciwbólowe (morfina), z drugiej – obejmują również niebezpieczne narkotyki i toksyny, takie jak kokaina czy atropina. Ich oznaczanie stanowi istotne wyzwanie analityczne.
Atropina występuje naturalnie w roślinach z rodziny Solanaceae. W tej rodzinie znajdują się m.in. pokrzyk wilcza jagoda (Atropa belladonna) – częste źródło przypadkowych zatruć u dzieci – oraz bieluń dziędzierzawa (Datura stramonium), odpowiedzialny za przypadki ostrych zatruć o działaniu halucynogennym.
Substancje te pełnią w roślinach funkcję ochronną przed roślinożercami, jednak po przedostaniu się do organizmu człowieka działają jako silne neurotoksyny. Dlatego ich precyzyjne oznaczanie ma kluczowe znaczenie w farmacji, toksykologii oraz kryminalistyce.
Granica między działaniem terapeutycznym a toksycznym atropiny jest wyjątkowo wąska. W medycynie ratunkowej stosowana jest jako antidotum, jednak jej niekontrolowana obecność w żywności stanowi poważne zagrożenie. Szacunkowa dawka śmiertelna dla osoby dorosłej wynosi około 100 mg, natomiast dla dziecka około 10 mg.
W celu ochrony konsumentów Unia Europejska wprowadziła restrykcyjne normy – w żywności dla niemowląt i małych dzieci dopuszczalne stężenie atropiny wynosi 1 μg/kg, co odpowiada jednej milionowej części grama na kilogram produktu.
Egzekwowanie tych norm wymaga opracowania metod analitycznych zdolnych do wykrywania śladowych ilości związku w złożonych matrycach próbek.
Techniki chromatograficzne od lat stanowią złoty standard w analizie chemicznej, zapewniając wysoką czułość i selektywność oznaczeń. Współczesne badania koncentrują się jednak na ich uzupełnieniu o rozwiązania umożliwiające miniaturyzację i prowadzenie analiz poza wyspecjalizowanym laboratorium.
Rozwój przenośnych, szybkich i ekonomicznych metod detekcji pozwala na bezpośrednie badanie próbek biologicznych, takich jak krew czy mocz, a także analizę potencjalnie skażonych substancji w miejscu zdarzenia. Tego typu podejście rozwijają naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, w tym dr Olha Dushna, we współpracy z zespołami ze Słowacji i Ukrainy.
Poznasz truciznę po… napięciu
W celu miniaturyzacji układów analitycznych badacze wykorzystują elektrochemiczną technikę pomiarową – woltamperometrię. Metoda ta polega na rejestracji natężenia prądu w funkcji przyłożonego potencjału do elektrody zanurzonej w badanym roztworze. W odpowiednich warunkach obecny w roztworze analit (składnik badanej próbki, który należy wykryć lub oznaczyć) ulega reakcjom utleniania lub redukcji na powierzchni elektrody, czemu towarzyszy przepływ prądu elektrycznego. Natężenie tego prądu jest proporcjonalne do stężenia oznaczanej substancji, co umożliwia jej ilościowe oznaczenie w próbce.
– Mamy substancję, która ulega utlenieniu lub redukcji na elektrodzie. W wyniku tej reakcji powstaje jej forma utleniona lub zredukowana, a rejestrowany sygnał prądowy jest proporcjonalny do stężenia analitu uczestniczącego w procesie – opowiada dr Dushna.
Metoda ta pozwala na precyzyjne oznaczanie nawet bardzo niewielkich ilości substancji w szerokim zakresie stężeń, co jest kluczowe w analizie leków, ich metabolitów, a także toksyn czy narkotyków.
Drogocenne czujniki
Prawdziwym przełomem okazuje się sam materiał użyty do budowy czujnika. Naukowcy wykorzystali elektrody diamentowe, domieszkowane borem (BDDE), które z powodzeniem zastępują toksyczne elektrody rtęciowe. Ich krystaliczna struktura sprawia, że są chemicznie obojętne i wyjątkowo stabilne, dzięki czemu pozwalają uzyskać bardzo czysty i precyzyjny sygnał.
– W praktyce takie elektrody są częścią miniaturowych platform pomiarowych o rozmiarach kilku centymetrów. Dzięki technologii druku 3D można je łatwo zintegrować z przenośnymi urządzeniami mieszczącymi się w dłoni. Pozwala to prowadzić analizy poza laboratorium, na przykład bezpośrednio na miejscu zdarzenia, co jest szczególnie istotne w zastosowaniach kryminalistycznych – mówi badaczka.
Taka kompaktowa konstrukcja ułatwia podpięcie ich do małych urządzeń przesyłających wyniki pomiaru prosto na ekran smartfona, umożliwiając błyskawiczną analizę w terenie – na granicy, w klubie czy na miejscu przestępstwa.
Kolejną istotną zaletą elektrod diamentowych domieszkowanych borem jest ich bardzo szerokie okno potencjałów. W porównaniu z tradycyjnymi elektrodami z węgla szklistego (GCE) umożliwiają one prowadzenie pomiarów w znacznie szerszym zakresie potencjałów, co pozwala na analizę związków wymagających wysokich wartości potencjału do zajścia reakcji utleniania lub redukcji.
Elektrody te charakteryzują się również wysoką czułością. Niższy prąd tła w porównaniu z elektrodami węglowymi starszej generacji umożliwia wykrywanie analizowanych substancji – takich jak leki czy toksyny – przy zachowaniu wysokiego stosunku sygnału do szumu, nawet w przypadku ich śladowych stężeń.
Dodatkowo powierzchnia elektrody diamentowej jest chemicznie obojętna i wykazuje bardzo niską skłonność do adsorpcji cząsteczek organicznych. Oznacza to, że produkty reakcji nie ulegają trwałemu osadzaniu na jej powierzchni, co ogranicza zjawisko foulingu (zanieczyszczania elektrody). W rezultacie elektroda zachowuje stabilność sygnału i nie wymaga częstej aktywacji ani regeneracji między kolejnymi pomiarami.
Wystarczy kropla
Te innowacyjne badania błyskawicznie znajdują zastosowanie w kryminalistyce. Zespół badaczy zainspirował się głośną sprawą Paula Aguttera ze Szkocji. Mężczyzna usiłował zamordować swoją żonę, dodając do jej coli atropinę.
Historia ta stała się inspiracją do przetestowania nowej metody analitycznej. Zespół badaczy postanowił odtworzyć ten kryminalistyczny scenariusz, aby sprawdzić, czy miniaturowy czujnik z elektrodą diamentową domieszkowaną borem sprawdziłby się w realnym śledztwie.
Eksperyment polegał na weryfikacji, czy uda się zidentyfikować truciznę w sytuacji, gdy na dnie szklanki pozostanie zaledwie jedna kropla zatrutego napoju. Badania zakończyły się sukcesem – udowodniono, że tak minimalna ilość coli wystarczy, aby czujnik wykrył atropinę i wskazał jej dokładne stężenie (w tym dawki śmiertelne).
Cały proces odbywał się bez konieczności skomplikowanego przygotowywania i oczyszczania próbki napoju. Dodatkowo wykazano, że kwaśne środowisko roztworu sprzyja uzyskaniu wyraźnego sygnału elektrochemicznego, co zwiększa czułość detekcji.
Elektroda w każdym domu
Czujniki ewoluują w stronę praktycznych urządzeń codziennego użytku. Pojawiają się już doniesienia o miniaturowych sensorach wbudowanych w rękawiczki (wearable sensors).
– Możliwe jest stworzenie rękawiczki wyposażonej w taką platformę pomiarową. Wystarczy dotknąć opuszkiem palca powierzchni, na przykład owocu lub próbki proszku, aby wykryć obecne w niej związki chemiczne. Podobne rozwiązania stosuje się już w sensorach do oznaczania glukozy. Tego typu urządzenia znajdują również zastosowanie w kontroli granicznej, gdzie służą do wykrywania substancji niedozwolonych, takich jak narkotyki – opowiada dr Dushna.
Zminiaturyzowane czujniki mogą posłużyć konsumentom lub rolnikom do sprawdzania, czy np. jabłka zostały dokładnie umyte z pestycydów.
Ponadto za pomocą BDDE z powodzeniem oznacza się skopolaminę – niebezpieczny alkaloid znany jako „oddech diabła”, ponieważ w większych dawkach może wywoływać dezorientację, zaburzenia pamięci i silną podatność na sugestię.
Urządzenie pomoże też wykryć tubokurarynę, związek historycznie stosowany jako trucizna do strzał, który poraża przewodnictwo nerwowo-mięśniowe i może prowadzić do zatrzymania oddechu.
Ciekawe jest również to, że testery na bazie elektrod diamentowych można wykorzystać w codziennym życiu. Bez problemu zmierzymy za ich pomocą zawartość kofeiny w filiżance ulubionej kawy, sprawdzimy poziom chininy w toniku, a nawet wykryjemy solaninę – toksyczny alkaloid znajdujący się tuż pod skórką zielonego ziemniaka.
– W naparach takich jak herbata czy kawa obecne są związki z grupy alkaloidów purynowych, m.in. kofeina, teofilina i teobromina. W zależności od rodzaju surowca oraz sposobu przygotowania naparu ich stężenia mogą się istotnie różnić. Związki te wykazują określone działanie fizjologiczne, wpływając m.in. na układ nerwowy i metabolizm. W praktyce możliwe jest przeprowadzenie prostego pomiaru – na przykład poprzez zanurzenie elektrody bezpośrednio w naparze – w celu oszacowania zawartości kofeiny – wyjaśnia badaczka.
BDDE znajduje również zastosowanie w badaniu próbek wody pod kątem obecności szkodliwego bisfenolu A (BPA) oraz hydrochinonu. Elektrody diamentowe mogą więc wspierać nie tylko analizę leków czy toksyn, lecz także monitoring jakości środowiska i bezpieczeństwa wody.
Zielona chemia
W przeciwieństwie do starszych metod wykorzystywanych do badania składu mieszanin, w których precyzyjna analiza była kosztowna i obciążała środowisko, nowa technologia idealnie wpisuje się w zasady „zielonej chemii”.
Niemal całkowicie eliminuje konieczność stosowania szkodliwych rozpuszczalników organicznych – pomiary zazwyczaj wykonuje się z użyciem wodnych roztworów lub prostych buforów.
Elektrody diamentowe z powodzeniem zastępują dawniej używane w woltamperometrii elektrody kroplowe wykonane z wysoce toksycznej rtęci.
Pozwalają też analizować substancje niemal bezpośrednio, często po zwykłym rozcieńczeniu, omijając długotrwałe i wymagające wielu odczynników procesy ekstrakcji oraz oczyszczania. W praktyce oznacza to mniejsze zużycie energii, mniej chemikaliów i szybszą analizę.
Na gorącym uczynku
Badania nad elektrodami diamentowymi domieszkowanymi borem wskazują, że nowoczesna chemia analityczna zmierza w kierunku rozwiązań mobilnych, ekologicznych i szeroko dostępnych. Możliwość wykrywania substancji czynnych, takich jak galantamina, oraz potencjalnie niebezpiecznych związków przy użyciu prostych, miniaturowych sensorów – przypominających paski testowe stosowane w diagnostyce – może wspierać zarówno monitorowanie terapii, jak i działania z zakresu analizy toksykologicznej i kryminalistycznej.
