Historie MS v ÚOCHB

První hmotnostní spektrometr v ÚOCHB, sovětský MCH1303, byl vyrobený v závodě Special'noje konstruktorskoje bjuro analitičeskogo priborostrojenija Akaděmii nauk v Leningradě. Přístroj byl nejprve umístěný v Ústavu fyzikální chemie v Máchově ulici a do Dejvic byl přestěhován až v roce 1967. Laboratoř MS se tehdy nacházela v přízemí střední části budovy A, vedle laboratoře a pracovny NMR. Nyní je v těchto místech kancelář (A.1.53), kuchyňka (A.1.54) a chladová místnost (A.1.55). MCH1303 byl magnetický sektorový spektrometr s jednoduchou fokusací a elektronovou ionizací. Vakuový systém tvořila dvoustupňová olejová pumpa VN-461M a dvě difuzní rtuťové pumpy s vymrazovacím lapačem par. Hmotnostní rozsah byl do m/z 600, rozlišovací schopnost kolem 450. Vzorky se zaváděly skleněnou sondou s kovovou přírubou a po každém měření se muselo měnit hliníkové těsnění. Katoda iontového zdroje se po zahřátí často deformovala, čímž se měnil směr emitovaných elektronů a citlivost přístroje dramaticky klesala. Spektra se snímala na papír pomocí zapisovače. Během jednoho dne bylo možné zaznamenat spektra dvou až tří vzorků. Údržbu přístroje a čištění iontového zdroje měla na starosti Ing. Jana Nezbedová.

Druhým spektrometrem v ÚOCHB byl od roku 1969 anglický MS902 (AEI Scientific Apparatus Ltd.), sektorový přístroj s dvojí fokusací v přímé geometrii (EB). Vzorek se zaváděl do zdroje pro elektronovou ionizaci buď přímo, nebo z kolony plynového chromatografu. Spektrometr měl vynikající iontovou optiku, která umožňovala měřit s dobrou citlivostí i při vysokém rozlišení. Maximální rozlišovací schopnost byla 70 000, přesnost měření kolem 3 ppm. V té době to byl pravděpodobně nejlepší komerčně vyráběný spektrometr na světě. Spektra se zaznamenávala na světlocitlivý papír, od vyšších hmotností k nižším. Pro analýzy směsí byl ke spektrometru připojován plynový chromatograf PYE 104 pomocí Watson-Biemannova separátoru. S údržbou spektrometru pomáhal Ing. Jaroslav Jirmus z elektronických dílen ústavu. Pomocí MS902 se v Československu vůbec poprvé identifikovaly feromony a obranné látky hmyzu, například 1-nitropentadecen u termitů nebo pyrido[2,3-b]pyrazin u chvostoskoků. Spektrometr sloužil 17 let, tedy až do roku 1986.

Od konce 60. let do poloviny 80. let sídlila laboratoř hmotové spektrometrie v místnosti č. 5 v prvním suterénu hlavní budovy ÚOCHB. Do laboratoře se vcházelo ze sousední místnosti, kde byla pracovna Dr. Ladislava Dolejše. Dnes jsou v těchto prostorech dámské šatny (A.01.44). Jak je vidět z plánku vytvořeném kolem roku 1980, uprostřed místnosti stál hmotnostní spektrometr MS 902 a jeho ovládací konzole. Vedle spektrometru jsou vidět kolejnice, po kterých vyjížděl magnet. Dlouhá police u zdi na levé straně sloužila pro vyvolávání spekter. Schody u levého okna se používaly k výstupu oknem ven, kde byla Dewarova nádoba s kapalným dusíkem. Ten se mosaznou trubicí s nálevkou přeléval do kontejneru v místnosti. K dispozici byla i bulharská kalkulačka Elka 21, která uměla pouze sčítat, dělit a násobit.

Výrobce spektrometru ZAB EQ, firma VG Analytical, měl přísné požadavky na umístění přístroje, a proto musela být vybudována nová laboratoř v místnostech 31 a 32 v prvním suterénu hlavní budovy (dnes jsou tam pánské šatny, A.01.89). Podlaha pod spektrometrem byla upravena tak, aby se na ni nepřenášely vibrace budovy. Stavební práce trvaly od ledna do července 1987. Mezitím společnost VG Analytical spektrometr vyrobila a půl roku ho tzv. zahořovala. Během několika návštěv v Manchesteru proběhlo uživatelské školení Dr. Karla Ubika. Školení na údržbu přístroje absolvoval Ing. Karel Ženíšek z Vývojových dílen ÚOCHB, který pak po mnoho let pomáhal přístroj udržovat a opravovat. V září 1987 se spektrometr ve firmě rozebral na základní části, naložil na kamión a odvezl do Prahy. Spektrometr v ÚOCHB sestavovali dva firemní technici 14 dnů, další dva měsíce pak trvalo odladění a dosažení specifikací. Ke kompletnímu převzetí došlo až v únoru 1988.

ZAB EQ, hybridní spektrometr s konfigurací BEQQ, byl nejčastěji používaný s elektronovou ionizací (EI) a ionizací ostřelováním urychlenými atomy (FAB), umožňoval však i chemickou ionizaci (CI) a ionizaci ostřelováním urychlenými ionty (LSIMS). Vzorek mohl být zaváděn do iontového zdroje přímo, nebo prostřednictvím plynového chromatografu Hewlett-Packard 5890. Pro spojení s HPLC bylo k dispozici rozhraní s pohyblivým polyimidovým pásem, které se však kvůli nestabilitě nanášení vzorků neosvědčilo. Přístroj umožňoval různé typy MS/MS experimentů i záznam energetických spekter technikou MIKES. Hmotnostní rozsah byl do 10 kDa, maximální rozlišovací schopnost 125 000. Po uvolnění dovozních restrikcí v roce 1989 byl zastaralý řídící počítač vyměněn za AlphaStation s operačním systémem OpenVMS. Pomocí přístroje ZAB EQ byly studovány struktury mnoha syntetických a přírodních látek včetně nukleosidů a jejich derivátů, saponinů, flavonoidů, ekdysteroidů nebo peptidů. Spektrometr byl v provozu 21 let. Začátkem roku 2009 byl demontován a některé součástky byly předány na Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, jiné se později staly základem Muzea hmotnostní spektrometrie v ÚOCHB.

Laboratoř MS vznikla jako jedno ze servisních (tzv. pomocných) pracovišť ÚOCHB. V té době nebylo zvykem oceňovat vědecký přínos odborníků z těchto laboratoří, třebaže podstatný, spoluautorstvím publikací. Statut MS laboratoře se několikrát měnil. Nejprve byla součástí Oddělení organické chemie (do roku 1981), poté Oddělení přírodních látek (do roku 1990) a v následujících jedenácti letech laboratoř fungovala jako samostatné oddělení pod názvem Centrální laboratoř hmotové spektrometrie. V roce 2003 byla začleněna do nově vzniklého oddělení Organická strukturní analýza, ve kterém zůstala až do reorganizace spojené s transformací ústavu na veřejnou výzkumnou instituci (v. v. i.) v roce 2007. Od té doby funguje jako samostatná vědecko-servisní skupina. V letech 1997-2006 byla součástí pracoviště také Analytická laboratoř, která se věnovala elementární, odměrné, gravimetrické a optické analýze organických látek.

Ionizační techniky a technické parametry spektrometru ZAB EQ neumožňovaly studium velkých biologických makromolekul. Proto byl začátkem roku 2002 zakoupen spektrometr s MALDI ionizací a analyzátorem doby letu REFLEX IV (Bruker Daltonics). Pro zpracování proteinových vzorků z polyakrylamidových gelů se současně zakoupila robotická sestava Proteineer. Vyřezávač gelů umožňoval naskenovat gel, vybrat proteiny, vyřezat je a přenést do mikrozkumavek. Ve štěpící stanici se pak provedla enzymatická digesce a nanášení vzorků a matrice na MALDI desku. Po vložení desky do spektrometru se spustil automatický program měření a vyhodnocení dat. Robotický systém se časem ukázal jako naddimenzovaný a používal se spíše výjimečně. Technika MALDI se však stala důležitou součástí portfolia ionizačních technik laboratoře MS. Reflex IV sloužil až do září 2011, kdy byl odprodán na Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy.

Hmotnostní spektrometrie byla od svých počátků v ÚOCHB velmi důležitá pro výzkum přírodních látek. V osmdesátých letech byla dokonce laboratoř MS součástí Oddělení přírodních látek. Rostoucí potřeba analyzovat větší množství vzorků s využitím chromatografie a nabídka jednodušších stolních spektrometrů vedla k nákupu přístrojů pro potřeby Oddělení přírodních látek. Prvním byl v roce 1992 GC/MS s kvadrupólovým analyzátorem MD800 (Fisons). V roce 2000 následoval GC/MS s iontovou pastí Saturn 2000R (Varian), který byl používán hlavně pro určování poloh dvojných vazeb chemickou ionizací acetonitrilem. O několik roků později byl zakoupen dvourozměrný kapilární plynový chromatograf s rychlým analyzátorem doby letu Pegasus 4D (Leco), který umožnil analýzu velmi komplexních směsí a detekci minoritních komponent. Přístroje GC/MS se používaly pro studium těkavých přírodních látek, zejména hmyzích feromonů a obraných látek, kutikulárních uhlovodíků, rostlinných těkavých látek, esenciálních olejů a lipidů. V roce 1999 se zakoupil první stolní LC/MS s iontovou pastí LCQ classic (Finnigan), který sloužil k analýze netěkavých přírodních látek.

Hmotnostní spektrometrie postupně přestávala být výlučnou záležitostí specializované centrální laboratoře. Od prvních let nového století se začaly objevovat menší hmotnostní spektrometry i v laboratořích syntetických chemiků, kteří je využívaly pro kontrolu průběhu organických reakcí. Jeden z prvních LC/MS systémů s elektrosprejovou ionizací byl Micromass ZQ (Waters), který od roku 2002 sloužil v laboratoři Dr. Ivana Votruby. Od roku 2009 fungoval v laboratoři Dr. Ilyi Lyapkala GC/MS s kvadrupólovým analyzátorem 5975B Inert MSD (Agilent).

V roce 2005 se stal vedoucím Skupiny hmotnostní spektrometrie RNDr. Josef Cvačka, Ph.D., který do té doby působil v Oddělení přírodních látek. Portfolio nabízených servisních služeb se rozšířilo o elektrosprejovou ionizaci díky využití spektrometrů LCQ classic (Finnigan) a Qtof micro (Waters). Kromě rychlejších analýz vzorků malých molekul umožnil elektrosprej rozvoj proteomické MS. V roce 2006 se podařilo zakoupit kvadrupólový GC/MS MSD (Agilent), který byl o rok později zpřístupněn pro samoobslužná měření. Od roku 2008 bylo možné využívat GC/MS s analyzátorem doby letu GCT Premiér (Waters). Tento přístroj byl sdílený se skupinou Dr. I. Valterové a sloužil zejména pro určování elementárního složení dostatečně těkavých látek z jejich EI a CI spekter. Skupina se postupně rozrůstala, stále více pozornosti se věnovalo výchově studentů. V roce 2007 se skupina MS osamostatnila, stala se vědecko-servisní skupinou v ÚOCHB transformovaném na veřejnou výzkumnou instituci.

Klesající zájem o FAB ionizaci, složitá údržba stárnoucího sektorového spektrometru ZAB EQ i náročnost měření na tomto přístroji vedly k myšlence zakoupit spolehlivý přístroj s vysokou rozlišovací schopností a elektrosprejovou ionizací. Tím se v roce 2007 stal hybridní spektrometr LTQ Orbitrap XL. Orbitrapová technologie byla tehdy nová, na trhu byla od roku 2005 a v ČR to byl teprve druhý přístroj tohoto typu. Přístroj se vyznačoval mimořádnou stabilitou a spolehlivostí a umožnil podstatně zrychlit analýzy vzorků. V lednu 2008 byl instalován do laboratoře 107 v SV křídle hlavní budovy (nyní A.1.65), která se uvolnila po odchodu pracovníků ÚMG do jejich nově postavené budovy v Praze - Krči. Orbitrap se pak dvakrát stěhoval, nejprve kvůli postupující rekonstrukci budovy do laboratoře 64 v SZ křídle (nyní A.1.33) v roce 2012 a poté, o tři roky později, do současných prostor v JV křídle (A.1.83). LTQ Orbitrap XL sloužil a dosud slouží nejen pro rutinní servisní analýzy malých molekul, využití našel i pro mnoho dalších projektů, např. z oblasti analýzy lipidů.

Hmotnostní spektrometrie dále nabývala na významu v ÚOCHB. Stále více se uplatňovala nejen v chemii, ale i biologicky orientovaných disciplínách. Rychlý vývoj oboru hmotnostní spektrometrie přinášel nové možnosti využití. Identifikace proteinů a charakterizace jejich primární struktury se stala rutinní záležitostí a do popředí zájmu se dostala kvantitativní proteomika, později i strukturní proteomika. Pokročilá práce s daty si vyžádala používání nových programů a bioinformatických přístupů. Užitečným nástrojem pro studium distribuce a účinků látek v tkáních se stalo MALDI hmotnostně-spektrometrické zobrazování, rozvíjela se lipidomika. Vedle strukturní analýzy se hmotnostní spektrometrie začala využívat i pro vysoce citlivé a selektivní kvantitativní analýzy malých a středně velkých molekul. Skupina hmotnostní spektrometrie se postupně rozrůstala, přibyly nové přístroje umožňující podrobnější a přesnější analýzy. Od roku 2015 sídlí v JV křídle nově rekonstruované budovy A. Hmotnostní spektrometrie se rozvíjela také v dalších skupinách ÚOCHB, kde se využívala například pro kontrolu průběhu chemických reakcí, studium farmakokinetiky nebo strukturní analýzu látek přírodního původu.