Diginenä haistaa miljardisosien pitoisuudet

Tutkimustyö etenee usein onnekkain sattumin. Maaliskuussa 2011 juuri väitöstyönsä aloittanut Turun yliopiston tutkija Jaakko Lehtinen osallistui ensimmäiseen tieteelliseen konferenssiinsa. Juttu­kaveriksi sattui amerikkalaistutkija Kathryn Kalasinsky, joka oli vaihtamassa tutkimusaihetta.

– Hänellä oli iso kasa kokaiininkäyttäjien hiusnäytteitä, jotka olivat menossa roskikseen, Lehtinen kertoo.

Lehtinen ehdotti, että roskakorin sijasta Kalasinsky lähettäisi ne Suomeen. Samalla Lehtisen väitöstutkimuksen aiheeksi sinetöityi huumeiden mittaaminen hiuksista aivan uudella teknologialla.

Yhdysvaltain armeijan palveluksessa tuolloin työskennellyt Kalasinsky oli tehnyt merkittävää pioneerityötä huumeidenkäyttäjien seulomiseksi hiusnäytteistä. Hänen analyysimenetelmässään oli vain kaksi ongelmaa: näytteiden valmistelu oli työlästä, ja kokaiinin käyttäjien tunnistustarkkuus olisi saanut olla parempi.

Turun yliopiston optiikan ja spektroskopian laboratoriossa Lehtistä odotti upouusi mittalaite, joka saattaisi ratkaista Kalasinskyn analyysiongelmat.

Haastaja kalliille CSI-teknologialle

Pienten molekyylipitoisuuksien mittaamiselle kudoksista tai ilmasta on läjäkaupalla sovelluksia esimerkiksi terveydenhuollossa, ilmanlaadun mittaamisessa tai rikollisten jahtaamisessa. Huumetestejä on jo pitkään tehty hiuksista. Hiuksissa jäljet kokaiinin, marihuanan tai amfetamiinin käytöstä säilyvät kuukausia, veressä tai virtsassa vain päiviä. Huumetestaajan paras analyysityökalu on televisiosarja CSI:n katsojille tuttu massaspektrometri. Suuri ja kallis laite tosin tarvitsee valkotakkisen ammattilaisen valmistelemaan näytteet.

Kalasinsky kollegoineen oli kehittänyt halvempaa analyysimenetelmää huumetesteihin. Infrapunaspektroskopia tunnistaa huumausaineiden molekyylit niiden infra­punaspektriin jättämistä piikeistä. Tutkijat tunnistivat infrapunaspektrin perusteella kokaiinin käyttäjät, mutta tutkimusnäytteiden valmistaminen hiuksista oli kovin työlästä.

Parempi ratkaisu oli jo tiedossa. Puhelimen keksijänä paremmin tunnettu Alexander Graham Bell oli jo 1800-luvulla havainnut fotoakustisen ilmiön. Kun kaasua valaistaan infrapunavalolla, osa säteilyenergiasta muuttuu lämmöksi.  Lämpölaajeneminen voidaan havaita mikrofonilla, joka on oikeastaan herkkä painemittari. Jo 1970-luvulla oli rakennettu ilmiötä hyödyntäviä fotoakustisia infrapunaspektrometrejä, jotka tunnistivat yksittäisiä kaasuja ilmasta. Menetelmän oli havaittu toimivan myös kiinteillä aineilla, siis esimerkiksi hiusnäytteillä.

– Fotoakustiikan etuna on, että mittaaminen on tosi helppoa. Tavoitteemme oli, ettei hiusnäytteitä tarvitsisi käsitellä mitenkään, Lehtinen kertoo.

Sata kertaa herkempi ilmaisin

Suurin haaste oli kuitenkin se, ettei fotoakustisen menetelmän tarkkuus riittänyt huumeiden tunnistamiseen. Syynä oli ilmaisimen mikrofonitekniikka. Laulajillekin tutun kondensaattorimikrofonin suorituskyky hipoi jo fysiikan rajoja.

– Kondensaattorimikrofoni on kehitetty huippuunsa. Se toimii juuri niin hyvin kuin sen pitäisi teoriassa toimia.

Turkulaistutkijoilla oli kuitenkin vastaus ongelmaan. Yliopiston fysiikan professori Jyrki Kauppinen oli tehnyt vuonna 2001 merkittävän keksinnön. Audiomikrofonin sijasta hän keksi käyttää fotoakustisen spektrometrin mikrofonina taipuisaa piiläppää. Paineaallon taivutellessa läppää sen liike pystyttiin mittaamaan muutamien pikometrien tarkkuudella.

– Piiläpällä saavutamme satakertaisen herkkyyden kondensaattorimikrofoniin verrattuna, Lehtinen sanoo.

Keksinnön kaupallistaneen Gasera Oy:n huipputarkat spektrometrit olivat jo tuotannossa, ja yksi niistä oli tutkija Jaakko Lehtisen uusi työkalu.

Vetoapua tutkimukseensa Lehtinen sai kahdesta EU-hankkeesta. Turun yliopisto oli mukana minikokoista fotoakustista kaasusensoria kehittävässä MINIGAS-hankkeessa. Toinen Lehtistä työllistänyt EU-hanke CUSTOM taas pyrki pysäyttämään huumeet, aseet ja räjähteet EU:n rajoille saman teknologian avulla.  

Kun koejärjestelyt olivat valmiina, seurasi totuuden hetki. Pystyisikö tutkija Lehtinen erottamaan 12 kokaiinin yliannospotilaan hiusnäytteet vertailuryhmän hiuksista fotoakustisen mittauksen perusteella?

– Se oli hieno hetki, kun näin hiusanalyysin tulokset. Hei, tämähän onnistui!

Puolentoista vuoden uurastus ei ollut mennyt hukkaan.

– Siitä se homma aukesi, ja huomasin että tästähän syntyy väitöskirja.

Lehtisen ensimmäinen tutkimuspaperi julkaistiin pian, ja sitä seurasi nopeassa tahdissa viisi muuta julkaisua.

Lehtisen tutkimustyön punaisena lankana oli yhdistellä teknologioita niin, että nykyiset laboratorioissa tehtävät testit voitaisiin siirtää kenttäkäyttöön, pieneen kannettavaan laitteeseen. Hiuksista uudella teknologialla tehtävä huumetesti toimi niin hyvin, että se voi olla nopeasti viranomaisten arkea.  Edes kalju pää ei suojaa huumetestiltä.

– Menetelmä toimii myös syljellä ja kynsillä, Lehtinen kertoo.

Mediahuomio yllätti

Jo ennen väitöstilaisuutta tammikuussa 2014 Lehtinen löysi itsensä kertomassa väitöstutkimuksensa tuloksista MTV3:n Kymmenen uutisissa. Väitöstyöstä uutisoivat kaikki suurimmat mediat.

– Yliopiston tiedottaja oli kyllä varoittanut, että pidä puhelin auki, aihe saattaa kiinnostaa toimittajia. Mutta oli kyllä yllätys, miten paljon aihe herätti huomiota.

Lehtisen oma suosikkitutkimuspaperi käsitteli huumetestejä hiuksista, mutta toimittajia kiinnosti enemmän tutkimuksen sivujuonne, huumeiden tunnistaminen ilmasta.

Fotoakustisen spektroskopian hieno piirre on, että se toimii niin kiinteillä aineilla, nesteillä kuin kaasuillakin. Väitöstyössään Lehtinen kokeili myös, miten kokaiini pystytään tunnistamaan suoraan ilmasta, esimerkiksi rahtikontin sisältä.

– Kokaiinista vapautuu koko ajan metyylibentsoaattia, joka on tavallaan kokaiinin haju, Lehtinen selvittää.

Tutkijat pystyivät erottamaan metyylibentsoaatin, vaikka sen pitoisuus ilmassa oli vain yksi miljardisosa.

MTV3:n uutispätkä visioi jo tullimiehen kädessä pidettävää laitetta, joka saattaa tehdä huumekoirat työttömiksi. Konenenä onkin erotuskyvyltään usein koiraa tarkempi.

Fotoakustinen spektroskopia tunnistaa hiusnäytteen tai kaasumaisen aineen infrapunaspektristä lukuisia eri molekyylejä.