Brno se sice nemůže svou velikostí srovnávat s jinými evropskými metropolemi, ale kdybyste ho umístili na mapu světové mikroskopie, zjistíte, že snese srovnání s přitažlivostí Mekky. Brno je totiž velmocí elektronové mikroskopie a významnou roli v tomto oboru hraje také vědecké centrum CEITEC. Brno se za posledních sto let stalo centrem elektronové mikroskopie. Dnes je v regionu soustředěna přibližně jedna třetina světové produkce elektronových mikroskopů a zdejší vědci a inženýři patří k absolutní špičce v oboru.
CEITEC poskytuje jedinečné zázemí pro pokročilý výzkum v oblasti elektronové mikroskopie. Ve svých laboratořích disponuje nejmodernějšími přístroji, které umožňují studovat struktury s rozlišením až na úroveň jednotlivých atomů. „Květy“ - krystal hydroxyapatitu. | Autor: Přemysl Šťatsný, CEITEC VUT
Jednou z klíčových metod výzkumu na CEITEC je kombinace kryo-elektronové mikroskopie a korelativních technik, které umožňují detailně studovat biologické vzorky při zachování jejich přirozeného stavu. S pomocí elektronových mikroskopů vědci a vědkyně na CEITEC řeší záhady buněčného stresu, odhalují, jak viry pronikají do buněk, nebo pomáhají vyřešit rezistenci na antibiotika. CEITEC spolupracuje s průmyslovými partnery i akademickými institucemi z celého světa. Díky špičkové infrastruktuře a expertům v oblasti zobrazovacích technologií je důležitým partnerem pro materiálový výzkum, nanotechnologie i biomedicínu. Například v oblasti nových nanomateriálů se zde vyvíjejí revoluční přístupy k diagnostice a léčbě onemocnění. Segmentace tomografické rekonstrukce buňky E. huxleyi infikované virem EhV-201. | Autor: Homola et al. 2024, CEITEC MUNI
MUNIA spolupráce je hnací silou i uvnitř brněnského regionu - místní hráči na poli elektronové mikroskopie spojili síly a vytvořili platformu, která pracuje na tom, aby Brno bylo to první, co každému ve světě vytane na mysli, když se řekne „elektronová mikroskopie“. Během Dnů elektronové mikroskopie se široká veřejnost může seznámit s tím, jak mikroskopie ovlivňuje vědecký pokrok. CEITEC jako každý rok nabízí exkurze do laboratorních prostor, kde budou odborníci demonstrovat praktické využití elektronové mikroskopie ve výzkumu. Návštěvníci si budou moci poslechnout přednášky o aktuálních trendech v oboru a diskutovat s výzkumníky, kteří se podílejí na nejnovějších vědeckých objevech, nebo si rozšířit poznání o zákonech fyziky či se podívat, jak světlo interaguje s hmotou.
Infekce bakterie Pseudomonas aeruginosa fágem JBD30. Snímek z transmisního kryo-elektronového mikroskopu zobrazuje bakterii P. aeruginosa s fágy JBD30 navázanými na pilech. | Autor: CEITEC MUN
Na CEITEC Vysokého učení technického v Brně (VUT) v Technologickém parku si zájemci například prohlédnou, jak vypadají materiály pod mikroskopem - objeví fascinující struktury kolagenové pěny nebo náhrady chrupavek a zjistí dokonce, jak vypadají nanočástice! Právě obě vědecká centra umožní lidem během Dnů elektronové mikroskopie nahlédnout do světa mikroskopických „padouchů“ i "hrdinů". A přestože snímky z elektronového mikroskopu jsou původně černobílé, mikroskopický svět hrdinů a padouchů tak jednoduchý není. S rostoucími požadavky na detailní analýzu materiálů i živých buněk se CEITEC neustále rozvíjí a rozšiřuje své možnosti. Další vývoj bude pravděpodobně směřovat k větší automatizaci a kombinaci elektronové mikroskopie s umělou inteligencí, což otevře další možnosti pro rychlejší a přesnější analýzy.
„Dobrá spojení“ - Obrázek makroporézní struktury s vazbou TiO2-COOH. Rozlišovací schopnost a maximální použitelné zvětšení optického mikroskopu jsou omezeny rozsahem vlnových délek viditelného světla. Platí, že nejmenší vzdálenost dvou objektů, které lze v pod mikroskopu ještě rozpoznat, je polovina vlnové délky použitého světelného záření. Fyzikální mez rozlišovací schopnosti optického mikroskopu je tak necelých 200 nm a maximální užitečné zvětšení mikroskopu s kvalitní optikou a imerzním objektivem nepřesáhne 1500×. Vlnové délky urychlených elektronů jsou o mnoho řádů menší než vlnové délky fotonů viditelného světla.
AFM mikroskopie atomárních sil je založena na mapování rozložení atomárních sil na povrchu vzorku. Tyto síly jsou mapovány přiblížením hrotu k povrchu, čímž vzniká přitažlivá nebo odpudivá síla, která způsobí ohnutí nosníku, na němž je upevněn hrot. STM skenující tunelovací mikroskopie je jedna z metod SPM. Její princip je založen na kvantové fyzice. Mezi hrotem elektrody a zkoumaným vzorkem teče proud díky tunelovému jevu i když se hrot vzorku přímo nedotýká. Při pohybu nad vzorkem se mění vzdálenost hrotu tak, aby tunelový proud zůstával stejný. Jako jedna z mála metod je schopna poskytnout až atomární rozlišení, přičemž je zároveň vcelku jednoduchá. Oproti ostatním metodám (transmisní elektronová mikroskopie, autoemisní iontová mikroskopie) nevyžaduje náročnou přípravu vzorku.
Budoucnost patří elektronové mikroskopii! Bude v každé domácnosti kromě počítače i elektronový mikroskop? Sci-fi nebo vize reálné budoucnosti? Už nyní kontrolují elektronové mikroskopy kvalitu vyrobených mikročipů, strukturu betonu, složení povlaků řezných nástrojů a řada dalších aplikací se pro ně najde nejen v průmyslu, ale i ve zdravotnictví. A ty nejšpičkovější stroje, které stojí v renomovaných laboratořích, zobrazují jednotlivé atomy s rozlišením několika obrazových bodů. Kam směřuje budoucnost elektronové mikroskopie? Přednáška bude přenášena online přes Teams z posluchárny F2 na PřF Brno, Koltářská 2, kde si ji můžete poslechnout u šálku kávy.
Elektronová mikroskopie (TEM a SEM)
Praktické směry a klíčové milníky v Brně
Historie elektronové mikroskopie v Brně se začala psát v roce 1947, kdy byly do tehdejšího Československa v rámci poválečné pomoci dodány první dva elektronové mikroskopy. Podle nich začali vědci na půdě Ústavu teoretické a experimentální elektrotechniky Vysokého učení v Brně experimentovat s elektronovými čočkami. O pár let později tým pod vedeném profesora Aleše Bláhy, do kterého patřil Armin Delong, Vladimír Drahoš, Ladislav Zobač a konstruktér Jan Speciálny, sestrojil první československý komerčně dostupný elektronový mikroskop Tesla BS 241. Na úspěch prvního tým navázal stolním elektronovým mikroskopem Tesla BS 242, který oslnil i světovou porotu na výstavě EXPO 1958 v Bruselu. Aktuálně v Brně působí tři významní producenti elektronových mikroskopů: Thermo Fisher Scientific, Tescan a Delong Instruments, kteří ročně celkem vyrobí zhruba 700 kusů těchto přístrojů.
Optický mikroskop pro zobrazení využívá světelných paprsků. V elektronovém nahrazují světlo elektrony a místo skleněných čoček se využívají čočky elektromagnetické. A protože vlnová délka elektronů je podstatně kratší než u viditelného světla, má elektronový mikroskop také vyšší rozlišovací schopnost, díky čemuž dosahuje mnohem vyššího zvětšení než optický mikroskop. Optický mikroskop zvětšuje při obyčejném světle cca 1500 x. Oproti tomu elektronové mikroskopy dokážou zvětšit pozorovaný objekt až milionkrát. Princip fungování elektronového mikroskopu krásně shrnul Pavel Liška v jednom z dílů NEZkreslené vědy. Elektronový mikroskop nepracuje se světlem, ale s elektrony, proto jsou všechny snímky v odstínech šedi. Existují dva základní druhy elektronových mikroskopů - prozařovací (transmisní elektronová mikroskopie - TEM) a rastrovací (skenovací elektronová mikroskopie - SEM). U prozařovacího elektronového mikroskopu elektrony procházejí skrz zkoumaný vzorek a poté jsou detekovány. Je zapotřebí používat tenké vzorky a vysoké energie, aby mohly elektrony zkoumaným předmětem projít.
| Typ mikroskopu | Hlavní princip | Rozlišení |
|---|---|---|
| TEM | Elektrony procházejí vzorkem | Atomární až podatomové rozlišení |
| SEM | Pozoruje povrch vzorku | Detaily povrchové topografie |
Velikost elektronových mikroskopů je velmi rozmanitá. Některé elektronové mikroskopy jsou velmi kompaktní a pohodlně se vejdou na stůl. Vždy záleží na konkrétním druhu přístroje. Transmisní i skenovací elektronový mikroskop (dále TEM a SEM) byly od svého počátku využívány pro výzkum biologických objektů, přestože biologické vzorky nejsou pro pozorování v elektronových mikroskopech nejvhodnější. Mají vysoký obsah vody, který je neslučitelný s vakuem vnitřních prostorů mikroskopů, a v jejich hmotě převažují lehké atomy, což vede k nedostatečné interakci a rozptylu energetických primárních elektronů. Proto se musí biologické preparáty zbavovat vody a do jejich struktury se musí přidávat atomy těžkých kovů. Tato příprava vzorků je často příčinou výrazných změn.
Transmisní elektronová mikroskopie a její novinky umožnily prostorový pohled dovnitř zkoumaných útvarů, využívají tomografii - metodu založenou na sběru obrazu při otáčení preparátem a následné počítačové rekonstrukci. Během necelé desítky let vyzrála elektronová tomografie do uživatelsky přátelské metody, kterou může používat každý zkušenější mikroskopik. Jak elektronová tomografie pracuje? Systém sestává z prozařovacího elektronového mikroskopu s dostatečným urychlovacím napětím, 1) aby mohly být použity tlustší preparáty než v klasické mikroskopii, a z výkonného počítače. V mikroskopu je vestavěn nesmírně přesný držák preparátu, který se dokáže otáčet bez významných otřesů a posuvů po malých krocích od -70° do +70°. Celý proces (otáčení držáku, kontrola parametrů zobrazení při každém kroku, snímání jednotlivých obrázků) je plně automatizován. Typická sada postupně pořízených tomografických snímků obsahuje asi 140 záběrů získaných digitální kamerou za 20 minut (obrázek A).
Počítačové zpracování začíná přesným „napasováním“ jednotlivých obrázků nad sebe pomocí složitých matematických (plně automatizovaných) postupů (obrázek B). Poté práci přebírá software, jenž vytvoří přesnou prostorovou rekonstrukci struktur, které nás zajímají (C). Tímto způsobem lze rekonstruovat například buněčné organely. Dalším velkým příslibem pro budoucnost studia materiálů tvořených lehkými prvky, kam patří i biologické objekty, se zdá být nízkonapěťový elektronový mikroskop, jehož autorem je Armin Delong. Jde o nový unikátní přístroj, který vznikl kombinací optického a elektronového mikroskopu. Důsledkem této skutečnosti je vysoký kontrast výsledného obrazu (obrázek), umožňující vynechat v přípravě preparátů kontrastující procedury. Nevýhodou je, že takto urychlené primární elektrony mají nízkou penetrační schopnost. Proto se musí připravovat vzorky v podobě ultratenkých řezů s tloušťkou okolo 20 nm.
Nejméně polovinu úspěchu představují v elektronové mikroskopii biologických objektů dobře připravené preparáty. V posledních letech nastupují kryometody, které fi xují vzorek ve zlomku vteřiny a bez význačných změn vůči nativnímu stavu. Stále častěji se využívají pro imunolokalizace buněčných složek (metoda Tokuyasu), protože lépe zachovávají schopnost tkáně vázat antigeny a zároveň zlepšují přístup protilátek k vazebným místům.
SSM a využití v praxi
Skenovací elektronová mikroskopie Na názorném příkladu se podívejme, co snahy o přiblížení se nativnímu stavu při pozorování biologických vzorků přinesly ve skenovací elektronové mikroskopii. Srovnání ukazuje, že enviromentální SEM umožňuje pozorovat vzorek obsahující vodu díky zvláštním podmínkám v komoře. Dutu dutinu před průduchy svěracích buněk se podařilo prozkoumat až pomocí SEM s autoemisní tryskou, který dosahuje vysokého rozlišení i při nízkém urychlovacím napětí.
Práce ve výzkumných laboratořích CEITEC VUT pokračují výzkumem v oblasti nízkého napětí elektronového svazku a rozvojem technologií LightEM - Light-Based Electron Microscope. Během pěti let by měl výzkumný tým vyvinout a otestovat elektronový mikroskop na bázi světla, který by adaptivně moduloval elektronový svazek během experimentu a umožňoval zobrazovat děje v čase. „Snažíme se vylepšit elektronový svazek. To, co chceme udělat, je do mikroskopu střelit intenzivním laserovým paprskem a elektrony ovlivnit pomocí světla. To by podle ní mělo přinést lepší rozlišení, nové zobrazovací techniky i možnost zkoumat dynamické procesy.“
Podle Anny Konečné by se takto modifikovaný mikroskop dal využít v řadě oblastí, například pro biology, a umožnit zobrazování citlivých vzorků. Projekt LightEM je velmi unikátní a zatím existuje jen pár prací, které se tématem zabývají. Téměř současně probíhá rozvoj 4D-STEM a ptychografie v rámci nové laboratoře UltraSTEM, která byla slavnostně otevřena v Brně. Tato laboratoř je vybavena nejmodernějším elektronovým mikroskopem a slouží pro studium materiálů i biologických struktur s vysokým rozlišením a při nízkých dávkách elektronů.
Otevření laboratoře UltraSTEM je pro nás zásadním milníkem. Umožníme zde vědcům z celé Evropy pracovat s technologií, která odhaluje strukturu materiálů i biologických objektů s velmi vysokým rozlišením, a navíc šetrným způsobem. Podle ředitele Ústavu přístrojové techniky Josef Lazara se výzkumný tým zaměřuje především na precizní práci v oblasti nižších energií elektronového svazku. Křivánek, spoluzakladatel společnosti Nion a průkopník korektorů vad elektronové optiky, hraje klíčovou roli v této iniciativě a přispívá k posouvání hranic atomárního rozlišení.
Dalším hlavním cílem nové laboratoře je rozvoj zobrazovacích metod založených na 4D-STEM a ptychografii. Chceme posouvat hranice toho, co lze zobrazit, aniž bychom studovaný objekt zničili. Nový mikroskop bude součástí otevřených výzkumných infrastruktur a bude dostupný vědcům z akademické i komerční sféry. Představení mikroskopu je vyvrcholením mezinárodního workshopu zaměřeného na nejnovější trendy v elektronové mikroskopii, který do Brna přivedl špičkové odborníky z oblasti fyziky, kryogeniky a biologie.
tags: #elektronova #mikroskopia #a #buducnost