Strukturní analýza
Nukleární Magnetická Rezonance (NMR) je jednou z nejdůležitějších spektroskopických metod používaných pro popis struktury a dynamiky molekul a makromolekul v chemickém, biologickém, farmaceutickém či materiálovém výzkumu. Význam této metody dokumentuje fakt, že za vývoj NMR spektroskopie bylo uděleno již šest Nobelových cen (O. Stern (1943), I.I. Rabi (1944), F. Bloch a E.M. Purcell (1952), R.R.Ernst (1991), K. Wüthrich (2002), P.C. Lauterbur a P. Mansfield (2003)). Moderní techniky NMR spektroskopie umožňují zkoumat vlastnosti molekul jak v roztoku, tak i v pevné fázi. Díky rozlišení a selektivitě NMR experimentů tak dnes běžně popisujeme 3D molekulární uspořádání i u takových látek, které neposkytují krystaly vhodné k rentgenové difrakci. Proto můžeme NMR spektroskopii směle považovat za metodu komplementární k rentgenové difrakci.
Rozvoj NMR krystalografie pro farmaceuticky aktivní látky a materiály tak dnes patří mezi naše klíčové výzkumné směry. S tím velmi úzce souvisí výzkum struktury a fázových přechodů syntetických termoresponzivních polymerů pro biomedicinální aplikace či výzkum komplexních interakcí a chování přírodních polymerů, například polysacharidů jako jsou alginátové gely pro buněčné transplantace. Dnes lze ale nalézt významné aplikace NMR spektroskopie také při vývoji nových katalyzátorů na bázi mřížkových materiálů, což je základní oblast výzkumu Společné laboratoře NMR spektroskopie pevného stavu, kterou provozujeme s partnerským Ústavem fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR. S činností této laboratoře pak úzce souvisí výzkum iontově či elektricky vodivých materiálů pro energetické aplikace či pokročilých funkčních materiálů a polymerních (nano)kompozitů. Celková šíře výzkumu oddělení tak pokrývá jak současné trendy materiálové vědy, tak i potřeby výzkumných center ústavu. Navíc také přímo reflektuje nový přístup k výzkumu v Akademii věd České republiky formulovaný do Strategie AV21, který je založen na mezioborové a meziinstitucionální spolupráci. Společná laboratoř NMR spektroskopie pevného stavu pak představují jádro výzkumného programu Molekuly a materiály pro život, který byl realizován v letech 2016-2021. Aktivity tohoto programu, z nich řada je trvalého charakteru, jsou stále průběžně zveřejňovány na webových stránkách MOL&MAT. Pro efektivní naplňování vědeckých záměrů a cílů došlo na konci roku 2020 k rozšíření oddělení o laboratoř Rentgenové a neutronové difrakce, která disponuje celou řadou experimentálních postupů a metod strukturní analýzy. Od července roku 2023 bylo oddělení rozšířeno o laboratoř Vibrační spektroskopie.
Rentgenová prášková difrakce (XRD) je nedestruktivní analytická technika používaná pro fázovou identifikaci krystalických nebo polykrystalických materiálů. Může poskytnout informace o krystalové struktuře, vzdálenostech atomů a rozměrech základních buněk. V případě polymerních materiálů se běžně používá k určení stupně krystalinity a zastoupení jednotlivých fází. Maloúhlový rozptyl rentgenového záření (SAXS) je široce používanou technikou pro zkoumání 3D struktur v širokém rozsahu velikostí od přibližně 1 nm do 100 nm. S nejnovějším vývojem pokročilých zdrojů rentgenového záření a detektorů, se tato technika stala hlavním nástrojem pro komplexní charakterizaci makromolekul a nanostrukturovaných materiálů. Z vyhodnocení profilu rozptylu lze získat informace o tvaru částic, jejich velikosti či distribuci velikostí. V tomto výčtu nelze opomenout GISAXS (Grazing-Incidence Small Angle X-ray Scattering), což je unikátní a velmi pokročilá metoda výzkumu zabývající se detekcí a charakterizací laterálně organizovaných struktur v tenkých vrstvách.
Metody vibrační spektroskopie jsou poskytují detailní informace o složení směsí, molekulární struktuře, konformacích a intra- a intermolekulárních interakcích molekul. Infračervená spektroskopie (IR) citlivě detekuje polárním skupiny ve struktuře molekul a je tak ideální metodou analýzy zcela neznámých vzorků a systémů s interakcemi na polárních skupinách, např. s vodíkovými vazbami. Ramanova spektroskopie je citlivější k nepolárním a symetrickým strukturám, lépe tedy zobrazuje uhlíkovou kostru molekul. Ramanův rozptyl je sám o sobě slabým jevem, existují ale metody selektivního zesílení, které umožňují detekovat určité složky systému i ve velmi malých množstvích: Resonanční Ramanova spektroskopie (RRS) je založena na rezonanci budícího záření s elektronovými přechody molekuly a zesiluje vibrační signál chromoforů; Povrchem zesílená Ramanova spektroskopie (SERS) je citlivá k molekulám v těsné blízkosti kovových nanočástic. Všechny zmíněné metody můžeme kombinovat s mikroskopií a získat tím informace o molekulární struktuře materiálu s prostorovým rozlišením (Mikrospektroskopie). Metody vibrační spektroskopie lze kombinovat s elektrochemickým experimentem, což umožňuje sledování elektrochemických dějů in-situ (Spektroelektrochemie).
NMR krystalografie pro farmaceuticky aktivní látky a materiály
Vývoj nové generace lékových přípravků se při sofistikované syntéze aktivních substancí neobejde bez detailního pohledu do jejich struktury. Nukleární magnetická rezonance (NMR) schopná detailně zkoumat stav pevných látek se ukazuje být takřka univerzální metodou. Právě ve Společné laboratoři NMR spektroskopie pevného stavu ve spolupráci s vysokými školami a farmaceutickými společnostmi se zdokonalují nové postupy analytických technik NMR krystalografie, umožňující efektivní a spolehlivé monitorování výroby farmakoproduktů, snadnou a bezpečnou identifikaci příměsí a detailní popis krystalové struktury farmaceuticky aktivních látek.
|
|
|
|
Peptidové deriváty kyseliny boronové a jejich unikátní struktura. Organické sloučeniny obsahující bor jsou již dlouho známé jako účinné léčivé látky. Nedávné výzkumy vedly k objevení mnoha slibných vysoce účinných farmaceutických prostředků vykazujících protirakovinnou a antibakteriální aktivitu. Pro plné využití těchto systémů jsme formulovali efektivní experimentální procedury, které umožňují rychle a spolehlivě popsat vznik unikátních struktur těchto látek v pevném stavu. Díky schopnosti přesně popsat všechny procesy, ke kterým dochází při výrobě a formulaci léčiv, se tak otevřela další cesta k optimalizaci nových vysoce aktivních kancerostatik.
|
|
|
|
Hybridní materiály a nanomateriály ve službách medicíny. V oblasti nanomedicíny nedávné úsilí o optimalizaci terapeutické účinnosti nově objevených léčiv vedlo k formulaci originálních nanostrukturních systémů, které umožňují nejen cílené doručení léčiva, jeho řízené uvolňování, ale také kombinují výhody pevných a kapalných lékových forem. Ve spolupráci s farmaceutickými společnostmi soustavně rozvíjíme experimentálně-výpočetní strategie, které poskytují jasný pohled na strukturu těchto komplexních systémů polymerních mikročástic pro podávání léků, často exotických fází léčiv (organogelů), které reprezentují netradiční formu hmoty, nacházející se na rozhraní kapalné a pevné fáze.
|
|
|
Struktura polysacharidů a fázové přeměny alginátových gelů
V souvislosti s vývojem nových biomateriálů se zabýváme přírodními polysacharidy, jako je celulóza, škroby, algináty, chitosány či glukány.
Algináty, přirozeně se vyskytující biopolymery získané z hnědých mořských řas, v současné době nacházejí rostoucí uplatnění v mnoha oblastech lidského života. Jsou široce používány jako nosiče bioaktivních látek, v tkáňovém inženýrství pro transplantaci buněk, v regenerativní medicíně jako ochranná vrstva mezi poškozenou tkání a obvazem či ve spojení s živými buňkami, kdy slouží jako inkoust do 3D tiskáren pro tisk matrice lidských orgánů, např. ucha, a v dalších oblastech moderní medicíny.
|
|
|
Po chemické stránce jsou algináty polysacharidy tvořené manurátem (M) a guluronátem (G). Gel vzniká v přítomnosti dostatečného množství vícemocných iontů, které jsou především vázány sekvencemi G úseků obsahujících alespoň čtyři jednotky guluronové kyseliny. Sekvence bohaté na M bloky naopak hrají klíčovou roli mediátorů při samouspořádávání alginátových gelů. Překvapivě je však jen velmi málo známo o interakcích alginátů a jejich strukturních transformacích ve fyziologickém prostředí, tedy v prostředí podobném živým organismům.
Pokročilé polymerní kompozity a iontově a elektricky vodivé materiály pro energetické aplikace
Čistá energie, globální oteplování, snižování emisí – termíny často skloňované v nejrůznějších významech a souvislostech. Ať už jsou tyto souvislosti vnímané pozitivně či negativně, jedno je jisté: zdroje energie alternativní ke spalování fosilních paliv se postupně začínají prosazovat a to v nejrůznějších oblastech života společnosti. Jednou z těchto oblastí je vývoj hybridních a plně elektrických dopravních prostředků či vývoj účinných solárních článků. V této souvislosti se vědecký zájem soustřeďuje na hledání, syntézu, testování a optimalizaci nových anorganických či hybridních anorganicko-organických funkčních materiálů vykazujících elektrickou či iontovou vodivost.
|
|
|
|
|
|
|
|
Nedávno navázaná spolupráce odd. NMR spektroskopie Ústavu makromolekulární chemie AVČR s prof. Feng Gao (Division of Biomolecular and Organic Electronics, Linköping University) vyústila v nesmírně zajímavé objevy na poli pokročilých materiálů pro elektronické aplikace, o kterých referuje vědecký server ScienceDaily.
|
|
|
|
Polymerní materiály či metal-organické mřížky díky své obrovské strukturní variabilitě a komplexnosti představují třídu materiálů, které nabízejí jak potřebné fyzikálně-chemické vlastnosti, tak i možnosti tyto vlastností dále modifikovat, optimalizovat a kontrolovat směrem k lepšímu výkonu v Li-iontových bateriích. Výzkum struktury vodivých polymerů a probíhajících jevů je však pro nás a NMR spektroskopii značnou výzvou.
|
|
|
|
Anorganické mřížkové materiály a NMR spektroskopie širokých signálů
Lidstvo se neobejde bez chemické výroby. Drtivá většina chemických výrobních postupů používaných v průmyslu využívá různých katalytických procesů. K dosažení chemické výroby co nejšetrnější k životnímu prostředí je proto zapotřebí vyvíjet co nejselektivnější (tj. nejméně odpady produkující), energeticky nejméně náročné procesy využívající surovin vhodných z hlediska trvalé udržitelnosti.
|
|
|
|
V současnosti představují nejširší a nejvýznamnější skupinu průmyslově využívaných katalyzátorů zeolity. To jsou složité hlinitoktřemičitany, krystalické materiály tvořené převážně tetraedry SiO4 spojenými přes své vrcholy. Výzkumu struktury těchto potenciálně katalytických systémů věnujeme ve spolupráci s Ústavem fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR v rámci programu Molekuly a materiály pro život značnou pozornost.
|
|
|
|
Struktura a chování responzivních polymerů pro biomedicinální využití
Struktura, interakce a dynamické procesy probíhající při rozsáhlých fázových transformacích syntetických polymerů v roztocích patří neodmyslitelně k jednomu z klíčových témat našeho výzkumu. Dnes se soustřeďujeme na multiresponzivní polymery, které vedle očekávané odezvy na změnu teploty, vykazují i odezvu na změnu pH, iontové sily roztoku či silně interagují s elektromagnetickým zářením.
|
|
|
|
Rentgenová a neutronová strukturní analýza makromolekulárních systémů
Naše moderní zařízení a technologie (GISAXS, XRR, XRPD, SAXS/WAXS) se zaměřují hlavně na strukturní výzkum nových polymerů a polymerních kompozitů s použitím rozptylu rentgenových paprsků v malých a velkých úhlech. S využitím rentgenové difrakce a rozptylu v našich laboratořích jsme schopni nedestruktivně analyzovat materiály, abychom zjistili jejich vnitřní strukturu.
|
|
|
|
|
|
|
|
Vibrační spektroskopie
Oblasti výzkumu Oddělení vibrační spektroskopie v současnosti zahrnují samoorganizované systémy založené na blokových polymerech, vodivé polymery a související materiály, elektrolyty pro lithiové baterie, nátěrové hmoty a polymerní směsi.
|
|
|
|
