Diginenä haistaa miljardisosien pitoisuudet
Fyysikko Jaakko Lehtinen tunnisti väitöstyössään kokaiinin käyttäjät – vain yhdestä hiuksesta. Nyt samaa teknologiaa pakataan kämmenkokoiseksi analysaattoriksi, joka haistaa huumeet ja räjähdysaineet ilmasta.
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.
Yhdistelmä eri teknologioita |
Jaakko Lehtinen yhdisteli väitöstyössään eri teknologioita, joiden avulla hius- tai kaasunäytteistä voidaan tunnistaa eri molekyylejä hyvin pieninä pitoisuuksina. Fotoakustiseen spektroskopiaan perustuva laite voidaan tulevaisuudessa paketoida kämmenkokoon. |
InfrapunaspektroskopiaKemian laboratorioiden analyysitekniikka, joka soveltuu hyvin orgaanisten yhdisteiden tunnistamiseen. Jokaisella yhdisteellä on sille ominainen infrapunaspektrinsä. |
Fotoakustinen ilmiöFotoakustisen ilmiön havaitsi ensimmäisenä Alexander Bell vuonna 1880. Infrapunasäteilyn absorboituessa kaasuun kaasun lämpötila kohoaa, ja lämpölaajeneminen voidaan havaita herkällä mikrofonilla. |
Optinen läppämikrofoniProfessori Jyrki Kauppisen vuonna 2001 kehittämä mikrofoni korvaa infrapunaspektroskopiassa ilmaisimena käytetyn kondensaattorimikrofonin ja parantaa ilmaisimen herkkyyttä 100-kertaiseksi. |
KvanttikaskadilaserUudenlainen puolijohdelaser soveltuu hyvin mittalaitteen infrapunavalonlähteeksi pienen kokonsa ja laajan spektrinsä ansiosta. |
Viranomaisten työkaluksi |
Vuoden alusta alkaen Jaakko Lehtisen käyntikortin titteli on ollut Client Partner, Gasera Oy, ja työnä fotoakustisen mittalaitteen kaupallistaminen. Lehtisen väitöskirjan loppukaneetti toteaa, että seuraava askel olisi yhdistää tutkimuksessa kokeillut teknologiat yhteen kädessä pidettävään protolaitteeseen. – Se on Gaseran seuraavan viiden vuoden tavoite. Käytämme väitöskirjassa esitettyjä teknologioita, kuten laajasti skannaavia kvanttikaskadilasereita ja miniatyrisoimme mittalaitteen kannettavaksi, Lehtinen kertoo. Pieniä molekyylipitoisuuksia ilmasta skannaavan laitteen käyttöalue on lähes rajaton. – Sen voi kalibroida mittaamaan mitä tahansa, ihmiselle vaarallisia kaasuja, huumeita tai räjähteitä. Sama mittalaite toimii, vain spektrikirjastot vaihdetaan kutakin mittausta varten. Taskukokoinen kaasu- ja ilmanlaatuanalysaattori voi tulevaisuudessa olla rajavartioiden, tullin tai kiinteistöjen ilmanlaatutarkastajan perustyökalu. Laite aiotaan saada globaaleille markkinoille 4–5 vuoden kuluessa. Uusin tekninen edistysaskel on Lehtisen väitöstyössäänkin testaama laajaspektrinen kvanttikaskadilaser. Uudenlainen infrapunavalonlähde mahdollistaa mittalaitteiden puristamisen kämmenkokoon. – Meillä on muutama tekninen kysymysmerkki, mutta ei mitään ylitsepääsemätöntä. Kaikki teknologiat ovat olemassa, ne pitää vain koota yhteen pieneen pakettiin, Jaakko Lehtinen toteaa. Gasera on 2004 perustettu yliopistotutkimuksen spinoff-yritys. Nyt väkeä on 20, ja työntekijämäärä on kasvussa. Tutkimusosaaminen on yrityksessä arvossaan. Emeritusprofessori, Gaseran perustaja Jyrki Kauppinen on hänkin jokapäiväinen näky toimistolla. – Tutkimuksesta on tulossa liiketoimintaa. Piiläppämikrofonien tutkimusosaaminen on siirtynyt yliopistolta Gaseralle, Lehtinen kertoo. |