Image
Sverre Løyland med koffeinfri og koffeinholdig kaffe i hendene.

Sverre Løyland skal finne ut om det er koffein i kaffen ved hjelp av et massespektrometer. Foto: Elina Melteig/UiO

Hvordan kan du vite at det er koffein i kaffen?

Når effekten av den første koppen uteblir, er det lov å lure: Er det koffein i kaffen? For en kjemiker er det faktisk mulig å sjekke.

I håp om at kaffe skal få fart på maskineriet etter en lang ferie, skjenkes koppen til randen. Men effekten av koffeinet ser ut til å utebli. Etter tre kopper kommer en snikende mistanke:

Har noen tullet med kaffen? Skal dette være en morsom spøk for dem som har kommet tilbake på kontoret? Er hodet fremdeles i feriemodus eller er det faktisk koffeinfri kaffe i kaffeboksen?

Heldigvis finnes det metoder for å finne ut av slikt. 

Verdens mest nøyaktige vekt

Ved Kjemisk institutt på Universitetet i Oslo har de et ekstremt nøyaktig måleinstrument. Det kalles et massespektrometer.

– Med dette massespektrometriapparatet kan vi måle en vektforskjell ned til 1,7 • 10-27 kg, og så en 10 000-del av det igjen. Det vil si at vi kan måle en tusendel av vekten til det letteste grunnstoffet, forklarer Sverre Løyland, som tar doktorgrad ved Kjemisk institutt.

– Vi måler masse delt på ladning, og det gjør at dette er en av verdens mest nøyaktige vekter, sier han Titan.uio.no. 

For å undersøke om morgenkaffen inneholder koffein tas det noen prøver. Løyland tar 1 milliliter av kaffen og tynner den ut i 100 milliliter helt rent vann. Deretter tar han 1 milliliter av den løsningen over i et prøveglass. Fra prøveglasset tar maskinen bare en liten del av det igjen.

– Instrumentet er ekstremt nøyaktig, og vi trenger ikke store mengder, forklarer han. Hvis jeg har et pulver som skal testes og jeg kan se prøven, har jeg tatt for mye. 

LES OGSÅ: Smaker ulike typer salt forskjellig?

Koffein er et rent, hvitt pulver

I tillegg til prøven fra kontorlandskapets kaffeboks lager Løyland en kontroll med både koffeinfri og koffeinholdig kaffe. I tillegg har han fått helt rent koffein fra det analytiske laboratoriet. Det ser ut som et rent, hvitt pulver og har lite til felles med det man forbinder med kaffe. 

Prøvene settes inn i en kromatograf. Foto: Elina Melteig/UiO

2321 ting kan veie det samme som koffein

Løyland forklarer at de av og til får prøver de ikke vet nøyaktig hva er. Det kan være Kripos som ville ha noe analysert, men ved Kjemisk institutt er det stort sett prøver av farmasøytisk eller analytisk karakter.

Ofte får de inn prøver av helt nye molekyler som ingen har laget før. Det kan for eksempel være en ny medisin eller testing av nye metoder. 

Det største problemet med ukjente prøver er det som kalles isomerer. Det er molekyler som består av de samme grunnstoffene, men som er satt sammen på ulike måter.

I koffein er det for eksempel åtte karbonatomer, ti hydrogenatomer, fire nitrogenatomer og to oksygenatomer. Disse kan settes sammen på måter som blir noe annet enn koffein. På nettsiden Chemspider finnes det 2321 ulike stoffer som består av nøyaktig de samme grunnstoffene, men der atomene har byttet plass.

I teorien kan kaffekoppen derfor inneholde noe helt annet enn kaffe og likevel gi det samme vektresultatet i massespektrometeret.

– I tillegg er det 137 andre formler av karbon, hydrogen, nitrogen og oksygen som gir nesten den samme vekten, forklarer Løyland.

Selv om du kan måle den eksakte vekten av et molekyl, er det med andre ord vanskelig å vite hva du har. Heldigvis finnes det metoder for å sjekke også det. 

Stoffer kan siles etter egenskaper

Når forskerne er usikre på hva som finnes i prøven kan de velge å ta den gjennom en kromatograf først. Det er et apparat som kan sile ulike stoffer etter gitte egenskaper. 

De stoffene som er av interesse, blir deretter ført inn i et kammer hvor de varmes opp til de fordamper. Så får de en elektrisk ladning, før de føres inn i selve massespektrometeret. 

Hvis det er flere stoffer i prøven, blir molekylene som skal veies valgt ut ved hjelp av en karusell ved navn kvadrupol-masseanalysator. I den karusellen kan stoffene siles etter masse. Det skjer ved at molekylet havner i midten av karusellen. Farten den går rundt med gjør at molekylene med en viss masse faller av, de andre kan sendes videre. 

Sverre Løyland med en kaffekopp i hånden på Hylleraas-senterets pauserom. Foto: Elina Melteig/UiO

Å skyte møbler med kanonkuler

De utvalgte molekylene kan enten veies direkte i en slags oppskytningsenhet eller deles opp i mindre biter. Hvis det finnes mange mulige molekyler som har samme vekt, slik som for kaffe, er den sikreste metoden å dele dem opp.

For å være på den sikre siden vil Løyland dele opp prøven. Han bombarderer prøven med en gass som heter argon. Det er litt som å sende kanonkuler mot møbler – de blir delt i mindre biter.

De bitene som blir igjen, veies. Møbler kan knuse på tusen ulike måter, men molekyler deler seg gjerne på bestemte steder der bindingene er svake. Derfor vil koffeinmolekyler som knuses ofte bestå av de samme bitene. Det gjør at de aller fleste av de 2321 andre molekylene med samme vekt kan utelukkes. 

Fra karusellen og kanonkuleskytingen blir bitene sendt inn i et elektrisk felt som skyter dem opp i et rør, litt som attraksjonen SpaceShot på Tusenfryd. Alle molekylene i prøven får den samme dytten mot toppen av røret, men vekten avgjør hvor lang tid de bruker.

De lette molekylene bruker kortere tid enn de tunge. Dette er en ekstremt nøyaktig måte å finne vekten av noe på. Jo lengre røret er, dess mer energi kan du dytte med og dermed få høyere nøyaktighet fordi forskjellene i vekt vil få større betydning. 

Hadde noen tullet med morgenkaffen?

Da prøven omsider er klar, viser det seg at morgenkaffen inneholder koffein. 

– Med denne metoden er det også mulig å finne konsentrasjonen av stoffet, sier Løyland.

Koffeininnholdet i prøven ligger på rundt 51 milligram per desiliter. En vanlig kaffekopp inneholder om lag 40 milligram per desiliter, så kaffen på kontoret måtte ha vært litt sterkere enn normalt. 

Til sammenlikning var det 1,7 milligram koffein per desiliter i den koffeinfrie kaffen.

Toppen viser at koffeinmolekylet veier 194,0804 g/mol. Det er omtrent 10 ganger så tungt som et vannmolekyl. Foto: Elina Melteig/UiO

Med andre ord har kontorets pulverkaffe fått stå i fred. Da er det nok bare hodet som bruker litt tid på å komme tilbake til hverdagen. 

I påvente av at hjernen skal våkne tar Løyland og jeg en tur innom kaffemaskinen. 

– Dette er faktisk det viktigste instrumentet vi har, smiler Løyland og fyller opp koppen.

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt