Vlákenné inovativní sorbenty zlepší chemickou analýzu roztoků

Na vývoji nových vlákenných kompozitů z mikro- a nanovláken pracuje Ing. Jakub Erben z Katedry netkaných textilií Fakulty textilní Technické univerzity v Liberci zhruba pět let. Intenzivně se tomuto problému začal věnovat z podnětu dr. Martiny Hálkové z Katedry analytické chemie Farmaceutické fakulty Univerzity v Hradci Králové, která za vývoj využití nanovláken v extrakčních metodách získala Cenu Doctorandus za technické vědy v národní soutěži Česká hlava 2021.
Po pěti letech spolupráce má hradecko-liberecký tým výsledný produkt: inovativní mikro-nanovlákenné sorbenty, které šetří čas, peníze i přírodu. Velkou přidanou hodnotou nového materiálu je také to, že může významně zvyšovat citlivost i výtěžnost celého procesu chemické analýzy za pomoci extrakce následované kapalinovou chromatografií. Pohovořit jsme si o tom zajeli s doktorandem Jakubem Erbenem na libereckou textilní fakultu.

Ing. Jakub Erben Je studentem doktorského studia Katedry netkaných textilií Fakulty textilní Technické univerzity v Liberci. Tématem jeho disertační práce je Tvorba polykaprolaktonových vlákenných struktur technologií meltblown a studium jejich následných aplikací. Je autorem patentované technologie tvorby kompozitu složeného z nano a mikrovláken, který nachází uplatnění v tkáňovém inženýrství i analytické chemii. V roce 2019 obdržel mezinárodní cenu Prix International Théophile Legrand de l’Innovation Textile pod záštitou Francouzské akademie věd a za mimořádné výsledky ve vědecké činnosti v prosinci 2022 obdržel Cenu ministerstva školství.

Jak jste začínali? Šlo o poptávku z praxe, nebo jste chtěli vyvinout nové sorbenty, protože ty stávající nevyhovují současným požadavkům?
Prvopočátek našeho snažení se datuje do roku 2017, kdy nás oslovili kolegové z Farmaceutické fakulty Univerzity Karlovy z Hradce z týmu prof. Šatínského, kteří se věnují analytické chemii, konkrétně technologii kapalinové chromatografie. Ta se používá nejčastěji pro analýzu tekutých vzorků, ať už se jedná o říční vody, analýzu potravin (jako je mléko, pivo či víno, kde se analyzuje přítomnost různých toxinů), nebo lidských tekutin (moč, krev, lidské sérum, kde se analyzují například zbytky léků či toxinů po otravách).
Jedním z trendů v tomto výzkumném směru je takzvaná předúprava vzorků, která využívá specializované struktury, což jsou právě takzvané sorbenty. A je spousta aspektů, které nás přesvědčily, že se vyplatí v tomto výzkumu společně pokračovat a že je co zlepšovat.

Sorbenty jsou látky, které na sebe něco konkrétního vážou, nebo odpuzují. Z čeho se vyrábějí?
Nejběžněji používané sorbenty jsou silikáty a vždy to jsou vysoce porézní struktury. Ukazuje se ale, že některé složité kapalinové matrice, jako je například lidské sérum nebo i říční vody, je obtížné analyzovat, protože jsou znečištěné větším počtem různých analytů a dalších nečistot rozličného původu. A někdy je koncentrace látek, například kontaminantů, které je třeba analyzovat, tak nízká, že by se ani jejich přítomnost neprokázala. Proto je v dnešní době žádaná takzvaná metoda předúpravy vzorků na tuhé fázi. Laicky řečeno: přes sorbent se „prožene“ zkoumaný vzorek, přičemž sorbent pracuje jako čistič a zároveň je navržen tak, aby na sebe vázal konkrétní analyt, jehož přítomnost chceme prokázat.
Tuto funkci plní v dnešní době i v praxi standardně využívané sorbenty používající různé porézní silikáty v podobě částic nebo porézních monolitů. Ty jsou běžně potažené například různými řetězci uhlíků (třeba C18) nebo se používají jiné modifikanty.

Když tu funkci plní, proč vývoj nových sorbentů?
Standardně používané materiály vykazují při předúpravách vzorků několik nevýhod. Zaprvé to je cena, která se v některých případech pohybuje až do desítek tisíc korun.
Druhou slabinou je náchylnost k mechanickému poškození při neopatrné manipulaci, pokud není striktně dodržen protokol. To může být problém, pokud je nutné provézt analýzu ve velmi krátkém čase, nebo když není k dispozici dostatečně zaškolený personál.
Za třetí, a zní to trochu zvláštně, jsou standardní sorbenty až moc účinné. Laboratoře totiž často nepotřebuji něco tak vysoce selektivního a účinného pro daný typ analýzy, navíc vhodného jen pro konkrétní typ analýzy. Když pak potřebují analyzovat něco jiného, musíme použít i jiný sorbent. To stojí čas na výměnu celého systému i další peníze.

Vaše vlákenné inovativní sorbenty jsou lepší?
Řekl bych, že ano, a hned v několika směrech.
Vlákenné sorbenty vyhovují poptávce na trhu po něčem univerzálnějším, co je schopné na sebe vázat širší spektrum analytů a odolat nešetrné manipulaci. Navíc máme určitou materiálovou základnu vlákenných sorbentů, na kterých můžeme stavět dál, modifikovat je například různými selektivními povlaky a rozšiřovat nabídku. Můžeme vyhovět konkrétní poptávce, aniž bychom museli vyvíjet zcela nový sorbent.

Použití nanovláken pro tyto účely je vaše zásluha?
To určitě ne. Ale před námi se začala nanovlákna v předúpravě vzorků pro analytickou chemii pro kapalnou chromatografii využívat v základním tvaru, kterým je plošná vrstva nanovláken na určitém podkladu, vyrobená elektromagnetickým zvlákňováním, například technologií Nanospider.
Postupně se ukázalo, že forma, kdy materiál není dostatečně porézní a objemný, není úplně vhodná pro tuto aplikaci. Nanospider neumí vyrobit tlusté nadýchané vrstvy. Proto jsme hledali materiál, který bude mít požadované vlastnosti: bude vlákenného charakteru s dostatečně vysokým měrným povrchem a zároveň bude mít vysokou porozitu a vysokou mechanickou pevnost.
Dalším naším cílem bylo, aby technologický postup výroby vykazoval vyšší produktivitu než současná finančně náročná výroba nanovláken. Nechtěli jsme, aby naše technologie byla příliš drahá.

Dost požadavků na jeden materiál. Podařilo se? Nabízíte originální aplikaci nanovláken?
Máme patentovaný postup, který v podstatě kombinuje dvě technologie: známou a prověřenou technologii elektrického zvlákňování polymerů stejnosměrným proudem, a technologii meltblown, při které se rozfukuje jemnými tryskami (o průměru v desetinách milimetru) extrudovaná tavenina speciálních velmi tekutých polymerů. Silný proud přehřátého vzduchu polymerní taveninu prodlužuje a ztenčuje do podoby vláken o průměru několika mikrometrů.
My jsme ta mikrovlákna unášená vzduchem kombinovali ještě s nanovlákny a podařilo se nám vytvořit výslednou polymerní vlákennou strukturu, která je směsí mikro- a nanovláken. Díky jejich unikátnímu spojení jsou tyto materiály schopné kombinovat požadované vlastnosti: vysoký měrný povrch nanovláken, poréznost a produktivitu technologie meltblown a mechanickou odolnost mikrovláken.
V podstatě jsme vytvořili mikro-nanovlákenný polymerní kompozit, který má synergické vlastnosti. Takto vyrobené sorbenty na sebe vážou požadovanou látku rychleji. Navázanou látku navíc i rychleji uvolňují, což je potřeba při následném průchodu vzorku kolonou do detektoru při metodě kapalinové chromatografie. Tím se šetří laborantům čas při analýze vzorků.

Jaké to jsou polymery? Říkal jste, že jsou šetrnější k životnímu prostředí?
Používají se termoplastické polymery. My jsme úspěšně testovali biodegradabilní a kompostovatelný polykaprolakton, který je schopný se v přírodě, ale i v těle rozložit na neškodné deriváty, a tudíž je možné ho využívat v tkáňovém inženýrství pro medicínu. A když za námi přišla dr. Martina Háková z Katedry analytické chemie Farmaceutické fakulty Univerzity Karlovy v Hradci Králové s nápadem na využití nanovláken v extrakčních metodách, zdálo se nám logické otestovat, zda naše mikro-nanovlákenné kompozity teoreticky splňují to, co oni očekávají od nové generace sorbentů.
Zároveň se nám s kolegy z hradecké univerzity podařilo docílit takových technik a jejich využití, že při předúpravě vzorků minimalizujeme spotřebu organických rozpouštědel využívaných k úpravě před kapalinovou chromatografií. Takže tím skutečně šetříme přírodu.

Mluvil jste také o produktivitě a ekonomické výhodnosti.
Pokud šetříte čas při analýze, šetříte samozřejmě i peníze. Naše sorbenty jsou 2× až 3× levnější než konvenčně prodávané sorbenty a nejsou tak náchylné na nešetrné zacházení. Proto je s nimi práce v laboratoři jednodušší a přístupnější.
Polykaprolakton je po uplynutí několika let biodegradabilní, takže s ním můžeme pracovat jen několik let, ale má i tu výhodou, že je jeho likvidace po použití jednodušší a ekologičtější.

Ve vývoji ale pokračujete; co ještě chcete zlepšit?
Testování těchto vlákenných sorbentů označujeme za první generaci a využíváme je pro další vývojové postupy. Tento vlákenný kompozit jsme schopni funkcionalizovat různými tenkými vrstvami, které ještě zefektivní sorpci analytů.
Testujeme povrchy různých polyfenolických látek. Tedy přírodních látek, které jsou jako sekundární metabolity zastoupeny v každé vyšší rostlině a v každém jejím orgánu.
Experimentujeme také s různými přídavky uhlíkatých nanočástic do samotných vláken. Jsme si ovšem vědomi toho, že tento polymer není všespasitelný. Má své limity, například co se týče stability a chemické odolnosti vůči některým organickým rozpouštědlům.
Ve vývoji tedy pokračujeme a jedním z cílů je vytvořit stejné typy sorbentů, ale z jiných polymerů, které budou mít jiné a lepší vlastnosti. Usilujeme například o jinou polar itu povrchu, protože tím můžeme vázat jiné analyty. Dalšími požadavky je vyšší a chemická odolnost vůči organickým rozpouštědlům a vyšší tepelná odolnost.
Zkoušíme například polyamidy, technické polyestery v podobě polyethylentereftalátu. To je termoplast ze skupiny polyesterů, známý pod zkratkou PET.

A jak to vypadá s využitím v praxi?
Řekli jsme si, že už máme tolik zajímavých výsledků s první generací sorbentů, že je čas je posunout směrem ke komercionalizaci. A vypadá to, že o ně bude zájem. Proto jsme se s kolegy z Hradce Králové shodli na tom, že se pokusíme sehnat partnerskou firmu, která by o tyto materiály měla zájem a byla by schopná je uvést na trh.
Spolupracujeme s českou firmou Chromservis, která prodává přípravky pro analytickou chemii, a společně s ní jsme získali projekt Technologické agentury České republiky v programu Technologičtí lídři. Cílem je dostat první generaci sorbentů na trh.
Čtyřletý projekt odstartoval letos a věřím, že se nová generace vlákenných sorbentů v jeho průběhu na trh dostane.