Elektronová mikroskopie odhaluje struktury na nanometrové úrovni a její uplatnění zasahuje medicínu, archeologii, kriminalistiku i letecký průmysl. Historie tohoto oboru v Brně začala po druhé světové válce, kdy byly do tehdejšího Československa dodány první dva elektronové mikroskopy a vědci na Ústavu teoretické a experimentální elektrotechniky Vysokého učení v Brně začali experimentovat s elektronovými čočkami. O několik let později tým pod vedením profesora Aleše Bláhy, Armina Delonga, Vladimíra Drahoše, Ladislava Zobače a konstruktéra Jana Speciálneho sestrojil první československý komerční elektronový mikroskop Tesla BS 241, na nějž navázal stolní mikroskop Tesla BS 242, který získal uznání na EXPO 1958 v Bruselu.
Aktuálně v Brně působí tři významní výrobci elektronových mikroskopů: Thermo Fisher Scientific, Tescan a Delong Instruments, kteří ročně vyrobí zhruba 700 přístrojů. Elektronový mikroskop pracuje s elektrony a elektromagnetickými čočkami, a díky kratší vlnové délce elektronů dosahuje výrazně vyšší rozlišovací schopnosti než optický mikroskop; ten totiž pracuje se světlem. Optický mikroskop dokáže zvětšit objemy zhruba 1500×, zatímco elektronové mikroskopy mohou dosáhnout až milionového zvětšení.
Princip fungování elektronového mikroskopu je složitý: elektronový svazek prochází vzorkem (TEM) nebo skenuje jeho povrch (SEM). U TEM je nutné připravit tenké vzorky a pracovat s vysokými energiemi, aby elektrony vzorek prozářily. Elektromagnetické čočky vytvářejí nebeské pole, které určuje trajektorie elektronů a umožňuje získat informaci o složení a orientaci krystalických domén. U vysoké přesnosti jsou nutné velmi suché, vakuové podmínky a minimalizace vibrací; proto existují speciální úpravy a izolace, například u mikroskopu Titan, který vyžaduje zvláštní protiblokovací a vibrační opatření.
V medicíně je světelná mikroskopie stále nejčastěji používanou metodou, avšak její rozlišení je omezeno vlnovou délkou viditelného světla, což vede k problémům s odlišením dvou bodů blíže než cca 250 nm. Posun v superrozlišovací mikroskopii snižuje tuto hodnotu na zhruba 60 nm, nicméně pro buněčnou ultrastrukturu a materiálové detaily to bývá stále nedostačující. Elektronová mikroskopie tedy zůstává klíčovou technikou pro detailní studium mikrostruktury.
V Brně vzniklo Centrum elektronové mikroskopie v areálu Ústavu fyziky materiálů AV ČR v Žižkově ulici. Výstavba proběhla v letech 2022-2024 a náklady na stavbu přesáhly 110 milionů korun, s přístrojovým vybavením okolo 150 milionů, z toho velká část z veřejných zdrojů. Budova disponuje laboratořemi pro přípravu vzorků a podpůrným zázemím pro výzkumný tým. Zajištění špičkové infrastruktury a propojení s průmyslem zajišťují spolupráci s významnými firmami a institucemi.
Transmisní elektronový mikroskop JEOL JEM-1400+ pracuje s urychlovacími napětími 40-120 kV a je vhodný pro pozorování biologických vzorků, ultrastruktury nanomateriálů a tenkých materiálových vzorků. Nadto používá LaB6 katodu pro lepší intenzitu svazku a rovnoměrné ozáření vzorku. Maximální rozlišení dosahuje 0,38 nm v bodovém obraze a 0,2 nm v mřížkovém obraze. Pro zajištění kvality průhledných vzorků se využívají kryogenní techniky a kryogenické vzorky připravuje kryo ultra mikrotom PowerTome PCZ s možností volitelné tloušťky řezu 0-15 nm a rychlostí 0,1-100 mm/s.
Skenovací elektronový mikroskop JEOL JSM-IT500HR/LA umožňuje obrazovat vzorky ve vysokém i nízkém vakuu a dosahuje rozlišení ≤1,5 nm při 15 kV ve vysokém vakuu a ≤1,8 nm při nízkém vakuu. Přístroj je vybaven detektory sekundárních elektronů, zpětně odražených elektronů a EDS detektorem s SDD čipem o 30 mm2, což umožňuje analýzu prvků od Be po Pu a detekci chemických složení vzorku.
Na CEITEC a dalších brněnských pracovištích se elektronová mikroskopie využívá k výzkumu struktur biologických vzorků, proteinů a ribozomů, k analýze defektů a lomových ploch v materiálech a k postupům nanostrukturalizace. CEITEC zajišťuje sdílené laboratoře kryo-elektronové mikroskopie a podporu pro průmyslové partnery i akademickou obec, čímž posiluje regionalní inovační ekosystém. Dny elektronové mikroskopie, populární akce, které přibližují mikroskopii veřejnosti, se konají každoročně a zahrnují exkurze do laboratoří, přednášky a praktické ukázky.
Brno je díky tomuto oboru považováno za významné světové centrum elektronové mikroskopie; podle některých údajů se třetina světové produkce elektronových mikroskopů vyrábí v Brně a region spolupracuje s klíčovými firmami Thermo Fisher Scientific, Tescan a Delong Instruments. CEITEC a další instituce vytvářejí komplexní ekosystém, který zahrnuje výzkum, výuku, průmyslové partnery a veřejnou komunikaci, a dává Brnu pověst “města vědy, výzkumu a inovací”.
Vzdělávací a popularizační programy pokračují, například nový magisterský program Mikroskopie na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity a spolupráce s veřejností prostřednictvím Dnů elektronové mikroskopie. Budoucnost slibuje další rozvoj, automatizaci a integraci s umělou inteligencí pro rychlejší a přesnější analýzy materiálů i biologických vzorků.
V rámci historie a stávajících kapacit lze vyjádřit, že Dny elektronové mikroskopie a centra jako CEITEC hrají klíčovou roli v popularizaci a praktickém využití elektronové mikroskopie, a že Brno zůstává významným mega-centrem v oboru na světové úrovni.
Elektrony a elektronový mikroskop / jak to celé funguje?
Celkově elektronová mikroskopie v Brně spojuje historii, špičkové technologie a mezinárodní partnerství, které posiluje výzkum, průmysl a vzdělávání, a to prostřednictvím kapacit jako JEOL JEM-1400+, JSM-IT500HR/LA a sdílených kryo-elektronových laboratoří.
tags: #elektronova #mikroskopie #hodova