Mikroskop na viry i precipitáty

Mikroskop na viry i precipitáty

Učitelství / článek

Klasický optický mikroskop přestal vědcům v mnoha oborech dostačovat už na konci 19. století. Postupně se objevilo několik nových směrů zobrazování mikrosvěta, mezi nimiž si postupně vydobyl pevné místo elektronový mikroskop. Dnes slouží jak k pozorování virů, tak atomárních změn v kovových slitinách.

Obr. 2: Precipitáty (částice jiné fáze) ve slitině MgTbNd (foto: autor BS)
Obr. 2: Precipitáty (částice jiné fáze) ve slitině MgTbNd (foto: autor BS)

Člověk už od pradávna hledá možnosti, jak překročit omezení daná jeho smysly. Odjakživa chce vidět dál, nebo naopak poznat svět obsažený v kapce vody. Díky této snaze dnes například víme, jak vypadá a jaké má rozměry virus, který způsobuje onemocnění COVID-19. K zobrazení tak nepatrné struktury však vedla dlouhá cesta, od optických až k dnešním elektronovým mikroskopům.

Princip optického mikroskopu, který je vlastně bratrem dalekohledů, se v praxi objevil už v 17. století. Antoni van Leeuwenhoek (1632 – 1723) tehdy představil mikroskop, který v zobrazení nejméně 200krát překonával lidské oko. Pozoroval řasy a různé mikroorganismy, jejichž kresby fascinovaly současníky, stejně jako byly předmětem karikatur. Trvalo dlouho, než lidé pochopili, že tento život v kapce vody může způsobovat řadu nemocí.

Použitím soustavy čoček a sofistikovaného chodu paprsků se v průběhu času dařilo zobrazovat stále jemnější struktury. Ale i nejlepší světelný mikroskop narazí na svou přirozenou hranici. Tou je vlnová délka použitého světla, jak poznal už v 19. století Ernst Abbe (1840 - 1905).

Dosažitelná rozlišovací schopnost mikroskopu je tím vyšší, čím menší je vlnová délka použitého světla. Ta se u viditelného spektra pohybuje zhruba mezi 700 - 400 nanometry. Dva body vzdálené od sebe méně než 200 nanometrů (to je asi 2 – 4 tisíciny tloušťky lidského vlasu, 1 nm = 10-9 m) se proto v běžném mikroskopu zobrazí jen jako jedna trochu rozmazaná skvrnka. Pro pozorování virů nebo atomárních struktur látek je to naprosto nedostatečné rozlišení.

Při hledání alternativ k viditelnému světlu posloužily fyzikům a technikům elektrony, objevené v roce 1897 britským fyzikem Josephem J. Thomsonem (1856 - 1940). Ty lze urychlit vysokým napětím tak, že jejich vlnová délka dosahuje 2 – 3 pikometry (1 pm = 10-12 m). Samozřejmě, existují zdroje záření, které mají ještě nižší vlnovou délku, například RTG záření. To však nelze v principu snadno fokusovat, a proto našlo své místo v jiných zobrazovacích metodách.

V elektronovém mikroskopu fokusují svazek urychlených elektronů namísto skleněných čoček elektromagnetické cívky. Pole, které vytvářejí, dokáže zaměřit proud elektronů na požadované místo. Jinak je uspořádání elektronového mikroskopu stejné jako u světelného.

První elektronový mikroskop sestrojil německý fyzik Ernst August Friedrich Ruska (1906 - 1988) v roce 1931. Přestože pevně věřil ve svůj úspěch, vybaven teoretickými poznatky o částicově vlnovém dualismu, obraz z prvního transmisního elektronového mikroskopu (TEM) byl velkým zklamáním. Rozlišení nebylo o mnoho lepší než u světelného mikroskopu. Důvodem byly dvě zobrazovací vady, dobře známé už z optiky, a to sférická a chromatická vada.

První z nich vzniká tak, že se osové paprsky a paprsky jdoucí mimo osu čočky neprotínají v totožném místě. Ta druhá souvisí s faktem, že index lomu závisí na vlnové délce, a proto nemají paprsky světla různých vlnových délek stejné ohnisko.

Druhá světová válka rozvoji elektronové mikroskopie příliš nepřála. Výzkum však stále probíhal. Německý fyzik Manfred von Ardenne (1907 - 1997) například dosáhl podle dobového tisku zvětšení 1:15 000, což je zhruba sedmkrát více, než dovoluje optický mikroskop. Podle některých zdrojů už v roce 1937 navíc zkonstruoval řádkovací elektronový mikroskop (SEM). Jeho práci však přerušilo jak válečné dění, tak poválečný osud, kdy byl internován v SSSR a působil v rámci atomového programu až do roku 1953.

V roce 1947 se podařilo významně potlačit sférickou vadu objektivových čoček zařazením magnetických pólových nástavců, které ovšem bylo třeba opracovat s přesností jednotek mikrometrů.

Trvalo však ještě dalších 50 let, než se precizní konstrukcí a důslednou selekcí vlnových délek, a tím eliminací chromatické vady, dosáhlo v roce 1998 vysokého rozlišení pod 1 angström (1 Å = 10-10 m = 0,1 nm). To je totiž řádově velikost mřížkové konstanty většiny krystalických látek, a proto lze, díky přídavnému zařízení, tzv. omega – filtru, v mikroskopech s vysokým rozlišením pozorovat jednotlivé sloupce atomů.

Elektronová mikroskopie byla už od svých počátků velmi užitečným nástrojem při studiu mikrostruktury jak široké škály biologických objektů, jako jsou mikroorganismy, buňky, velké molekuly nebo bioptické vzorky, tak anorganických materiálů, jako jsou kovy a krystaly. Často se TEM využívá v defektoskopii, kde dokáže odhalit nebezpečné vady materiálů vzniklé výrobou nebo užíváním. Po právu tedy získal E. Ruska za princip transmisního elektronového mikroskopu v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku.

Elektronová mikroskopie má však i své limity. Mezi hlavní patří fakt, že prosvětlitelnost vzorků je velmi malá. Proto je nutné připravovat náročnými technikami velmi tenké řezy preparátů živé i neživé přírody. U biologických materiálů je navíc kromě fixace objektu obvykle potřeba preparáty obarvit, aby byly kontrastnější.

Při urychlovacím napětí 100 kV dopadají elektrony na vzorek rychlostí asi poloviny rychlosti světla a projdou vzorkem o tloušťce stovek nanometrů. Prosvětlitelnost vzorků závisí samozřejmě na materiálu, ale především je ovlivněna rychlostí dopadajících elektronů a ta zase velikostí urychlovacího napětí. Proto se v poslední době vyrábějí mikroskopy s urychlovacím napětím až 300 kV, kde vzroste rychlost elektronů přibližně na tři čtvrtiny rychlosti světla.

S poněkud odlišným principem pracuje řádkovací (skenovací) elektronový mikroskop (SEM). Ten zobrazuje povrch vzorku, který kromě toho, že musí být vodivý, nevyžaduje zvláštní přípravu a může být masivní. Pokud nejde o kovový vzorek, je třeba na něj napařit vrstvičku kovu, například zlata. Svazek elektronů je pohyblivý a řádkuje vzorek. Jako snímače se používá buď detektoru sekundárních elektronů vyražených z povrchu vzorku, nebo detektoru zpětně odražených elektronů. Dosažitelné rozlišení se pohybuje mezi 5 – 50 nm při urychlovacím napětí 15 kV.

Za autora prvního SEM je obecně uznáván americký vynálezce ruského původu Vladimír K. Zworykin (1889 – 1982), který jej sestrojil se svými spolupracovníky v roce 1942. Zworykin je jinak považován za jednoho z otců televizního vysílání. Komerční zařízení se objevila až v roce 1965. Nejmodernější přístroje jsou dnes schopny dosáhnout rozlišení i pod 0,5 nm, ale za cenu jistých omezení. Vzorky musejí být například velmi malé.

Díky elektronovým mikroskopům lze zobrazit i velmi jemné struktury, v živé přírodě ty skoro nejmenší – viry. Proto víme, že v současnosti velmi citovaný koronavirus SARS-CoV-2 způsobující onemocnění COVID-19 má průměr kolem 120 nm a je morfologicky velmi podobný, jen o něco větší, než SARS rozšířený v roce 2003 (viz obrázek 1 v postranní galerii). Tyto typy virů odvozují svůj název od lipidové obálky připomínající sluneční koronu. Obálka obepíná jednovláknovou RNA. Velmi podobnou velikost mohou mít i částice jiných fází, které se vydělují – precipitují – ve slitině při jejím zachlazení. Velikost těchto precipitátů, jejich tvar a umístění v krystalické mřížce slitiny je rozhodující pro pružnost a pevnost materiálů.

Připojený snímek (2) ukazuje tenké destičky ve slitině hořčíku, které obsahují prvky vzácných zemin, jsou rovnoběžné s rovinou kolmou k rovině obrázku a svírají vzájemně úhel 120°. Velmi raná stádia precipitace částic se odehrávají na atomární úrovni a zachycuje je další snímek (3). Ten je pořízen v mikroskopu s vysokým rozlišením a jednotlivé tečky jsou sloupce atomů hořčíku, zatímco světlé tečky jsou sloupce atomů zinku.

TEM i SEM jsou pomocníky, bez nichž by řada vědních oborů nemohla dosáhnout současné úrovně. Pomáhají v medicíně, chemii, v materiálovém výzkumu a desítkách dalších oblastí. Jejich vývoj neustále pokračuje a určitě se nezastaví, už proto, že jej pohání odvěká lidská touha po překonávání limitů vlastních smyslů.

Původní zdroje:

WHO | Images of the new coronavirus. WHO | World Health Organization [online]. Copyright © [cit. 25.03.2020]. Dostupné z: https://www.who.int/csr/sars/coronavirus/en/

T. Kuiken, R. A. M. Fouchier, M. Schutten, et al. : Newly discovered coronavirus as the primary cause of severe acute respiratory syndrome. THE LANCET 362 (2003) 263-270.

Z. Pírko: Universální nadmikroskop Manfreda von Ardenne. Laboratoř, měsíčník pro moderní fyziku a techniku. 1940. Roč. 14, č. 11, s. 241-246.


Mohlo by vás také zajímat:

Magnetismus a demokratická volba
Cena peněz
Někdo to rád studené
Materiály testované vesmírem
Třesky blesky
Fyzika ve sklenici

Tento článek jsme automaticky naimportovali z předchozího redakčního systému. Pokud se v něm něco pokazilo, dejte nám prosím vědět.