Sto let polarografie: metoda Jaroslava Heyrovského slaví jubileum

Od objevu polarografie, která představuje jeden z nejvýznamnějších českých přínosů světové vědě, uplynulo celé jedno století. Metodu elektrochemické analýzy objevil Jaroslav Heyrovský a byl za ni oceněn Nobelovou cenou za chemii. Dovolovala zjistit i velmi malé koncentrace látek v roztoku a své široké uplatnění našla nejen ve výzkumu, ale i v průmyslu. Vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR dnes v odkazu slavného vědce pokračují.

Bylo 10. prosince 1959 a za přítomnosti nejvýznamnějších vědců té doby zazněla ve Stockholmu tato slova: „Pane profesore Heyrovský, Vy jste původcem jedné z nejdůležitějších metod současné chemické analýzy. Váš přístroj je mimořádně jednoduchý, jen něco padajících rtuťových kapiček, ale Vy a Vaši spolupracovníci jste ukázali, že ho lze užít k nejrozmanitějším účelům,“ pronesl lámanou češtinou švédský chemik Arne Ölander a pokračoval: „Jménem Královské švédské akademie věd dovoluji si Vám vyslovit naše nejvřelejší blahopřání. Prosím Vás, abyste předstoupil a přijal letošní Nobelovu cenu chemickou z rukou našeho krále.“

Těmto slovy ocenila Nobelova komise vědecké úsilí Jaroslava Heyrovského, prvního a dodnes jediného českého nositele nejvýznamnějšího vědeckého ocenění v oblasti přírodních věd. Od objevu polarografické metody v tu chvíli uplynula téměř čtyři desetiletí. Na cenu byl český fyzikální chemik navržen celkem osmnáctkrát, a nejenom za chemii, ale hned ve třech oborech.

Polarografie, metoda analýzy obsahu látek v elektrolytickém roztoku rtuťovou elektrodou, prošla dlouhým vývojem a svého československého objevitele proslavila ve vědeckých kruzích po celém světě. Velkým dílem také díky širokému působení Polarografického ústavu, který Jaroslav Heyrovský založil, a ve kterém působila řada později významných tuzemských i zahraničních badatelů. V tradici tohoto ústavu pokračují vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR dodnes.

Jaroslav Heyrovský přebírající Nobelovu cenu za chemii

Geniální objev
Přelomovým se pro objev polarografie stalo setkání Jaroslava Heyrovského s fyzikem Bohumilem Kučerou v roce 1918. Kučerovo bádání se soustředilo na takzvanou elektrokapilaritu, proměny povrchového napětí kovu, v tomto případě rtuti, při změnách vkládaného elektrického napětí. Právě v jeho laboratoři Heyrovský po sérii experimentů vylepšil měřicí metodu a 10. února 1922 pak popsal jev, který se stal základem polarografie.

Jaroslav Heyrovský si povšiml, že pokud do roztoku s rozpuštěnou látkou vloží elektrody (katodu tvořenou odkapávající rtutí a anodu ze rtuti ležící na dně nádobky) a následně mezi nimi mění stejnosměrné napětí, v určitý moment začne roztokem procházet proud. Tento moment je na křivce výsledného polarogramu zaznamenaný jako prudká výchylka, schod, odborně polarografická vlna. Podle ní je možné určit koncentraci i druh látky v roztoku. Koncentrace látky byla přímo úměrná výšce polarografické vlny, druh látky pak určovala její pozice na potenciálové ose. Výsledkem byla analýza nejen kvalitativní, ale i kvantitativní.

Historická fotografie polarografu z roku 1924

Elektroda z odkapávající rtuti
První polarograf spatřil světlo světa v roce 1924, další modely pak vznikaly ke konci 30. let. Po druhé světové válce se polarografie začala uplatňovat i mimo chemický výzkum v komerčním sektoru a do vývoje investovaly velké firmy. Největšího ohlasu se technika dočkala během 50. a 60. let minulého století. Na výstavě Expo 58 v Bruselu, kde Československo tématu polarografie věnovalo jednu ze dvou svých expozic, sklidila uznání celosvětové veřejnosti.

Technika se vyznačovala nejen svou jednoduchostí, ale i vysokou citlivostí. Přesností ve své době předstihla ostatní techniky. Elektroda ze rtuťové kapičky, která pravidelně odkapávala ze rtuťového rezervoáru přes kapiláru do roztoku, byla vždy čistá a její povrch atomárně hladký, takže výsledky měření nebyly ovlivněné nečistotami ani předchozími měřeními.

Analýza byla úspěšná i v případě velmi nízkých koncentrací látek v roztoku jen v řádu 10^-5 mol/l. „Stačilo mnohem menší množství vzorku než u klasických metod vážkové nebo odměrné analýzy. Provedení polarografického měření i vyhodnocení křivek bylo rychlé a zaznamenaný polarogram byl trvalým objektivním dokladem provedené analýzy a jejího výsledku,“ shrnuje výzkumné benefity Tomáš Navrátil z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR a dodává, že šlo o první zcela automatickou analytickou metodu.

Polarografie nevyžadovala drahé přístroje ani nákladné operativní vybavení. Velmi nízká byla spotřeba chemikálií. Zařízení nebyla náročná na prostor. Polarograf se vešel do malé laboratoře a s některými mobilnějšími verzemi přístroje badatelé dokonce vyráželi do terénu.

Záznam analýzy v podobě polarogramu. Dobře patrné jsou schody na grafu, takzvané polarografické vlny, které odpovídají jednotlivým látkám v roztoku.

Technika v srdci vědy
Přístroj Jaroslava Heyrovského bylo možné najít v téměř každé vědecké instituci. Technika se neuplatňovala jen v základním výzkumu, širokého využití nacházela také v průmyslu - metalurgií počínaje, textilním a papírenským sektorem konče. Schopnost rychle a přesně analyzovat složení byla oceňována v potravinářství, určoval se pomocí ní obsah vitamínů nebo nežádoucích pesticidů a těžkých kovů. V medicíně pomáhala zachraňovat životy analýzou tělních tekutin.

Dnes se již polarografie mimo vědeckou oblast nepoužívá. Vystřídaly ji metody chemické analýzy, které z ní vycházejí. „Pokud od polarografie přejdeme k voltametrii (tedy pevným elektrodám), otevírá se nepřeberné spektrum aplikací. Využívá se k výzkumu vztahů mezi strukturou a vlastnostmi látek, ke studiu přenosu látek přes buněčné membrány a jejich interakce s DNA, k výzkumu bílkovin nebo k měření fyzikálně chemických parametrů studovaných systémů,“ doplňuje Tomáš Navrátil.

Bez vynálezu polarografie by mnohé současné metody neexistovaly. „Množství moderních způsobů analýzy můžeme považovat za metody odvozené od polarografie. Princip je velmi podobný, vkládá se stejnosměrné či střídavé napětí a měří se proud (či obráceně) a používají se nejrůznější typy elektrod. To vše dokládá historický význam Heyrovského objevu,“ shrnuje Tomáš Navrátil a připomíná, že díky skupině vědců z polarografické školy vznikly další obory fyzikální chemie a nové objevy, které pomáhají v běžném životě. Ve zdravotnictví, při ochraně životního prostředí či ukládání energie. V oblasti základního chemického výzkumu si podle Tomáše Navrátila polarografie drží výsadní postavení dodnes.

3/2017 (verze k listování)
3/2017 (verze ke stažení)

Text: Jan Hanáček, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Pavlína Jáchimová, AV ČR; archiv Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR; Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR

 Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Nový vodíkový elektrolyzér ukládá energii z obnovitelných zdrojů
• Chemičkou jsem se chtěla stát už od čtrnácti let, říká Adéla Šimková
• Vědci vyvinuli novou kontrastní látku, která pomůže včas odhalit skryté nemoci
• Rostliny v sobě mají neuvěřitelné chemické bohatství, říká Tomáš Pluskal
• Krotitelé molekul: vědci objevili, jak zvýšit kapacitu molekulárních čipů
• Od vynálezu k praxi. Firma vyzkouší metodu jednodušší výroby metanolu
• Badatelé představili 3D materiály pro rekonstrukční a plastickou chirurgii
• Proč se Země a Venuše vyvinuly odlišně? Napoví mise, jíž se účastní i Češi
• Nová zobrazovací metoda pomůže rychleji identifikovat například rakovinné tkáně
• AMULET se zaměří na vývoj multiškálových materiálů, získal téměř půl miliardy