Díky elektronovým mikroskopům vědci odhalují spoustu neprobádaných oblastí například v medicíně, výzkumu nových léčiv, archeologii, kriminalistice nebo leteckém průmyslu. 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 vedením 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. Velikost elektronových mikroskopů je velmi rozmanitá. Některé elektronové mikroskopy jsou velmi kompaktní a pohodlně se vejdou na stůl. Vždy záleží na konkrétním druhu přístroje. Zkoumat objekty mnohem menší než buňky či bakterie, dokonce až na úrovni jednotlivých atomů? To není žádná vědecká fantazie, ale každodenní realita výzkumných laboratoří po celém světě.
U nás položil základy pro rozvoj této fascinující metody fyzik Armin Delong, který by se letos 29. ledna dožil 100 let. Elektronová mikroskopie funguje na úplně jiném principu než klasické mikroskopy, které známe třeba ze školy. Ty využívají k zobrazování objektů světlo, ale kvůli jeho omezené vlnové délce nemohou zobrazit příliš malé objekty. Elektrony mají mnohem kratší vlnovou délku, a proto dokážou zachytit i detaily, které by v klasickém mikroskopu zůstaly neviditelné. Jako kdybyste místo běžného dalekohledu dostali supercitlivý přístroj, který vám umožní vidět jednotlivá zrnka prachu na povrchu Měsíce.
Princip elektronového mikroskopu je překvapivě jednoduchý. Elektrony jsou v přístroji urychleny na velmi vysokou rychlost a následně zacíleny na zkoumaný vzorek - a buď se od něj odrážejí, nebo se na něm rozptylují, anebo způsobují uvolňování dalších elektronů, popřípadě vznik rentgenového záření. Všechny tyto reakce přístroj zaznamenává a analyzuje a výsledkem je neuvěřitelně detailní obraz, který vědcům umožňuje pochopit strukturu zkoumaného vzorku. Existují dva hlavní typy elektronových mikroskopů: transmisní (TEM) a rastrovací neboli skenovací (SEM). Transmisní nechává elektrony procházet vzorkem a tím umožňuje dívat se do jeho vnitřní struktury. Rastrovací mikroskop sleduje elektrony, které se od vzorku odrážejí, a vytváří tak trojrozměrný obraz jeho povrchu. Oba typy mají své výhody a dohromady tvoří silný nástroj, který v rukou vědců odhaluje i ta nejmenší tajemství přírody.
Elektronová mikroskopie nachází uplatnění jak v základním, tak aplikovaném vědeckém výzkumu. Umožňuje například analýzu široce uplatňovaných nanomateriálů nebo polovodičů, které používáme v počítačích, telefonech či solárních panelech. V medicínském výzkumu se pomocí elektronových mikroskopů studují například struktury virů, což je zásadní pro vývoj vakcín. A dal by se uvést bezpočet dalších příkladů toho, k čemu lze využívat zobrazování pomocí elektronů namísto světla. Dá se říct, že bez této možnosti bychom o mnoha věcech stále věděli jen velmi málo. Obrázek 2: Využití transmisního elektronového mikroskopu pro odhalování skrytých defektů uvnitř nanočástic.
I když to možná vypadá jednoduše, skutečný provoz elektronového mikroskopu nijak jednoduchý není. Příprava vzorku musí být bezchybná, aby nedošlo k jeho deformaci a poškození, a provádí se ve speciálních podmínkách, protože celý zobrazovací proces pak probíhá ve vakuu. (Kdyby v přístroji byl vzduch, elektrony by se s molekulami plynů srážely a obraz by se rozmazával.) S tím jsou samozřejmě spojené vysoké odborné nároky na obsluhu a zároveň značné finanční náklady - nehledě na pořizovací cenu samotného mikroskopu. To všechno dohromady podstatně limituje dostupnost elektronové mikroskopie.
Za vývojem této technologie stála řada vědců a techniků, mezi něž patřil i český fyzik s francouzskými kořeny Armin Delong. Právě on ve čtyřicátých letech minulého století položil základy pro rozvoj elektronové mikroskopie v tehdejším Československu, dá se bez nadsázky říct, že svými inovacemi pomohl československé vědě stát se součástí světové špičky. Brno, kde pracoval, je dnes rodištěm některých z vůbec nejpokročilejších elektronových mikroskopů na světě a přibližně třetiny všech, které se vyrobí. Delongův odkaz je tedy stále živý a chtěli jsme jej v tomto článku připomenout u příležitosti letošních 100 let od fyzikova narození. Až příště zavítáte do iQLANDIE, možná už tu bude místo dosavadní makety elektronového mikroskopu zbrusu nový funkční přístroj. Uvidíte pak nejen to, jak vypadá, ale i co všechno dokáže. Možná právě tady objevíte svět, který je očím neviditelný, ale přesto nesmírně důležitý. Věda totiž umí otevřít okna i do těch nejmenších koutů reality, kam se běžně nepodíváme.
Vědecký kontext a specifika prenosové (TEM) a rastrovací (SEM) elektronové mikroskopie jsou dále doplněny popisem praktických aplikací. TEM umožňuje dívat se do vnitřní struktury vzorku díky průchodu elektronů skrz tenký vzorek, zatímco SEM vytváří trojrozměrný povrchový obraz díky odrazům elektronů od vzorku. Rastrovací elektronová mikroskopie se používá pro mimořádně přesnou analýzu mikrostruktury součástí s vynikající hloubkou ostrosti a vyšším rozlišením. Tato metoda vytváří obrazové snímky povrchu vzorku s velmi velkým zvětšením. Rychlá 3D analýza poruch a průřezová analýza materiálu v pouhých čtyřech krocích ilustruje praktické využití SEM. Dále se uvádí, že SEM nachází uplatnění např. při vývoji a studiu čipů a polovodičových materiálů.
U uvedeného kontextu se zdůrazňuje, že Brno je domovem významných výrobců elektronových mikroskopů - Thermo Fisher Scientific, Tescan a Delong Instruments - a že jejich aktivní produkce čítá kolem 700 přístrojů ročně. Obrázky a názorné ukázky, jako Obrázek 1 a Obrázek 2, doplňují text a pomáhají čtenáři pochopit vizuální stránku tématu. Přes náročnost a náklady spojené s provozem TEM a SEM zůstává elektronová mikroskopie klíčovým nástrojem pro analýzu nanočástic, mikrostruktur, virů a dalších aplikací v medicíně, materiálovém výzkumu a průmyslu.
V době moderního výzkumu se elektronová mikroskopie stává nepostradatelnou i pro rychlou diagnostiku ve klinickém materiálu. Pomocí elektronové mikroskopie lze poměrně rychle diagnostikovat přítomnost virů a bakterií, a to zejména při velikosti virů v řádu nanometrů, kdy je elektronová mikroskopie jediným způsobem zobrazení virových částic. Nespornou výhodou této neselektivní metody je možnost diagnostiky všech agens přítomných ve vzorku na rozdíl od jiných alternativních a mnohdy vysoce specifických metod přímého průkazu. Elektronovou mikroskopií lze rovněž identifikovat neznámé viry, které byly vykultivovány na tkáňových kulturách. TEM je tedy jedinou metodou přímého průkazu agens, která v případě pozitivního výsledku poskytuje spolehlivě pravdivý důkaz o existenci virů v klinickém materiálu. Nezastupitelný význam má nejen v diagnostice virů, ale i spirochet a to především rodu Borrelia, které často nalézáme v mozkomíšním moku u pacientů s projevy meningitidy či meningoencefalitidy.
- Historie a současnost Brna v kontextu elektronové mikroskopie
- Principy TEM a SEM a jejich praktické využití
- Praktické aspekty provozu a nároky na vzorky
- Aplikace v medicíně, materiálech a výzkumu virů
- Role českých a brněnských institucí a výrobců v rozvoji technologií
Na závěr je třeba připomenout, že prenosová elektronová mikroskopie zůstává v centru pozornosti vědy i průmyslu, a to díky schopnosti odhalovat struktury na atomární úrovni a umožňovat aplikace v medicíně, archeologii, kriminalistice i leteckém průmyslu. Obrázek 1 a Obrázek 2 doprovodně ukazují konkrétní příklady použití TEM a skenovací elektronové mikroskopie v praxi.
tags: #prenosova #elektronova #mikroskopie