Polarografie – významný příspěvek Jaroslava Heyrovského pro intenzivní péči

Souhrn

Polarografie je jednou z elektrochemických metod, umožňující analýzu a kvantitativní měření malých množství řady látek, mj. i kyslíku. Metodu vypracoval český fyzikální chemik Jaroslav Heyrovský. Zavedl rtuťovou kapající elektrodu pro měření proudu a po zařazení citlivého galvanometru začal kontinuálně měřit a zaznamenávat i nepatrná množství různých látek, mj. také kyslíku v kapalinách, tedy i v krvi. Metodu nazval polarografií, dopracoval ji k praktickému využití v laboratořích a celosvětové obhájil. Za tento objev mu byla v roce 1959 udělena Nobelova cena za chemii.

Klíčová slova:
polarografie – rtuťová kapající elektroda – intenzivní medicína

V současnosti je intenzivní léčení nemocných v kritickém stavu a během anestezie nemyslitelné bez monitorování obsahu krevních plynů – kyslíku a oxidu uhličitého v krvi, bez měření pH krve a parametrů acidobazické rovnováhy. Mnohým anesteziologům však není známo, že objev polarografie jako varianty elektroanalýzy k měření obsahu kyslíku v krvi učinil v Praze v letech 1922–1925 tehdy mladý fyzikální chemik Jaroslav Heyrovský. Žil v letech 1890–1967. Význam polarografické analýzy pro obor anesteziologie a resuscitace je značný. Tímto sdělením připomínáme anesteziologům a intenzivistům jejího vynálezce.

Jaroslav Heyrovský studoval od r. 1909 na filozofické fakultě Karlovy univerzity v Praze matematiku, fyziku a chemii.V roce 1910 se imatrikuloval na University College v Londýně, kde se pod vlivem profesora Donnana zaměřil na elektrochemii. Heyrovského experimentální práce byla zásadně ovlivněna výzkumem, který mu Donnan navrhl pro dosažení doktorské hodnosti – stanovit elektrodový potenciál hliníku. Protože tento kov vykazuje pasivitu, bylo nutno jeho povrch amalgamovat, avšak i poté stálé uvolňování vodíku na povrchu způsobovalo fluktuace potenciálu elektrody. Donnan poradil Heyrovskému, aby pro elektrodu použil rozředěný amalgamovaný hliník vytékající ze skleněné kapiláry, protože se bude zvolna z kapiláry uvolňovat a rychle obnovovat povrch. Toto vedlo Heyrovského ke studiu elektrochemického chování zředěného amalgamu a kapilárních elektrod a mělo velký vliv na jeho další výzkumy. Za první světové války byl zařazen v rakouské armádě do vojenské nemocnice k výdeji léků a na radiografii a tehdy zpracoval svou doktorskou práci „Elektro-afinita hliníku“. Dne 29. 9. 1918 byl promován PhDr. na Karlově univerzitě v Praze. Jeho učitel, experimentální fyzik profesor Kučera, ho navedl na problematiku elektrokapilarity rtuti a pozval ho ke spolupráci na výzkumu. Druhý den ukázal Heyrovskému, jak sestrojit pomalu kapající rtuťovou elektrodu, u níž docházelo k porušení průběhu normální elektrokapilární paraboly sekundárním maximem. Přidal mu separátky prací pojednávajících o sekundárním maximu. Uložil Heyrovskému spolupracovat v nudném a únavném vážení kapek s asistentem experimentální fyziky R. Šimůnkem. V roce 1919 byl Heyrovský jmenován asistentem oddělení anorganické a analytické chemie v Chemickém ústavu přírodovědecké fakulty Karlovy univerzity v Praze vedeném prof. Braunerem. Obnovil své kontakty s Londýnem a uveřejnil tři práce, které se staly podkladem pro dosažení hodnosti doktora věd v roce 1921.

Heyrovský dále studoval problémy kolem Kučerovy anomálie a vážil kapky amalgamů dalších kovů (Zn, Cd, Mg, Ba). Zprávu o výsledcích podal na sjezdu České společnosti matematiků a fyziků v záři 1921. Heyrovský začal vedle vážení kapek měřit současně i proud, který procházel kapkovou elektrodou. K tomu získal citlivý zrcátkový galvanometr od profesora Závišky, který mu pomohl vybavit aparaturu potenciometrem, odpory a stojanem. To Heyrovskému umožnilo pokračovat v práci v laboratoři chemického ústavu. Již podle prvních křivek proud-napětí, získaných na rtuťové kapkové elektrodě, bylo možno očekávat velké výhody této elektrody pro elektrochemiky. Křivky roztoků připravených na vzduchu zaznamenávaly elektroredukci rozpuštěného vzdušného kyslíku. První zprávy o této inovaci publikoval Heyrovský v Chemických listech v roce 1922 [1]a v následujícím roce obšírněji ve Philosophical Magazine [2]. První vědeckou diskusi podstoupil v Londýně v roce 1923 jako člen Faradayovy společnosti, kterým byl od 1919. Jinou práci na témže shromáždění přednesl mladý spolupracovník Heyrovského, Japonec Masuzo Shikata, o elektroredukci nitrobenzenu na kapkové rtuťové katodě. Heyrovský s ním následně zkonstruoval přístroj zapisující automaticky dobře reprodukovatelné křivky proud-napětí získané se rtuťovou kapkovou elektrodou, který nazval polarograf (1925). Slouží k registraci polarografických křivek závislosti proudu na napětí vkládaném na elektrody při elektrolýze. Tento přístroj zkrátil získání křivky z několika hodin na několik minut a postupně došel rozšíření. Brzo následovalo množství prací publikovaných v řadě časopisů. Díky profesorovi Braunerovi byl Heyrovský v roce 1922 jmenován docentem. V témže roce se stal vedoucím nového oddělení fyzikální chemie Chemického ústavu přírodovědecké fakulty Karlovy univerzity v Praze.

Od roku 1926 byl profesorem fyzikální chemie na Karlově univerzitě v Praze. Když byl založen Polarografický ústav Československé akademie věd v Praze, stal se v letech 1950–1963 jeho prvním ředitelem. Ústav nese nyní jeho jméno. Od roku 1952 byl členem Československé akademie věd a postupně mnoha dalších akademií, byl jmenován čestným doktorem mnoha vysokých škol. Je zakladatelem české elektrochemické školy. V roce 1929 založil spolu s E. Votočkem časopis Collection of Czechoslovak Chemical Communications [3].

V roce 1959 mu byla za vynález polarografické metody a její využití v analytické a fyzikální chemii udělena Nobelova cena za chemii. J. Severinghaus o něm píše v knize o historii krevních plynů a acidobazické rovnováhy [4], kde na s. 280 cituje promotora profesora Ölandera, který hovořil o práci J. Heyrovského takto: „Tato studie nepravidelností kapilarity rtuti byla jedním z nespočetných malých problémů, které utvářejí vědu. Heyrovský nechal proudit rtuť skleněnou kapilárou a vážil kapky. Byla to pomalá a nudná metoda. Místo toho se rozhodl měřit elektrický proud, získaný po zařazení napětí mezi rtuť v kapiláře a rtuť shromažďovanou na dně. Skleněná kapilára nekončila ve vzduchu, ale v roztoku, kterým procházel proud.

Heyrovský zjistil, že jeho zařízení může být využitelné k něčemu mnohem důležitějšímu, než je původní problém. Může být používáno ke stanovování velice malých množství nejrůznějších látek rozpuštěných ve vodě a nadto ke změření jejich podílu v procentech.

Nové významné objevy bývají nalezeny, když nejsou očekávány. Objevy učiní některý vědec, když si všimne něčeho zvláštního, možná si téhož všimnou nezávisle i dva vědci v jiných zemích. Proto je důležité, aby příští vedoucí týmů a autority poskytující granty netrvali striktně na zadaném úkolu, ale dali badatelům příležitost objevit nečekané nové věci, i když naděje nalézt je bývá nepatrná.“

Heyrovského objev polarografie a využití rtuťové kapkové elektrody k měření malých kvant kyslíku v krvi se stal východiskem pro další intenzivní výzkumnou práci. Jeho kapková rtuťová elektroda pro tento účel je dnes minulostí. Na výzkumu elektrod pro polarografické měření obsahu kyslíku v krvi pracoval již od 50. let anesteziolog John Severinghaus. Vyřešení problému snadného měření pO₂ v kapalinách připisuje v knize o historii krevních plynů a acidobazické rovnováhy [4] Lelandu C. Clarkovi, biochemikovi, fyziologovi a vynálezci, který sestrojil polarografickou platinovou kyslíkovou elektrodu potaženou polyetylenovou membránou. Do používání byla uvedena v roce 1956. Dodnes je součástí přístrojů pro monitorování krevních plynů na lůžkových částech oddělení pro anesteziologii a intenzivní medicínu. Soudobé provedení umožňuje používat je u lůžka nemocných, takže není nutné přenášení vzorků krve do biochemické laboratoře. Plynulá kontrola tenze krevních plynů je dnes předpokladem bezpečného vedení intenzivního léčení, zejména u nemocných se závažným postižením plic (ARDS) a krevního oběhu. Polarografie jako varianta elektroanalýzy se ukázala mimořádně významnou i pro lékařství – nejen pro obory, které pečují o nemocné v kritickém stavu, ale též pro onkologii, pro výzkum DNA, bílkovin a dalších biologicky významných molekul. Vypracování polarografie a celosvětový význam objevu Jaroslava Heyrovského byly mezinárodně oceněny v roce 1959 udělením Nobelovy ceny za chemii.

Jaroslav Heyrovský je prozatím jediným Čechem, který získal Nobelovu cenu za vědu.

Poděkování: Za cenné připomínky a upřesnění fyzikálně-chemické části textu děkuji panu RNDr. Michaelu Heyrovskému, Ph.D., pracovníkovi Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd České republiky.

Adresa pro korespondenci.

Prof. MUDr. Jiří Pokorný, DrSc.

Pod Krocínkou 9

190 00 Praha 9

e-mail: jiri.krocinka@volny.cz