Kam světlo nedosáhne

Elektrony odkrývají taje mikrosvěta

Je všude kolem nás, a přesto o jeho existenci nemáme žádné informace - svět, který lidské oko nevidí. Při jeho zkoumání musíme spoléhat na přístroje, s jejichž pomocí jsme schopni překonat hranice našich přirozených možností. Elektronové mikroskopy tyto hranice posunuly hluboko do mikrosvěta - na atomární úroveň.
Asi každého z nás v životě napadla otázka, z čeho se skládá svět, který nás obklopuje. Již naši dávní předci tušili, že všechny hmotné objekty jsou poskládány z menších částic, které řecký filozof Demokritos nazval atomy. Nahlédnout do tohoto neviditelného mikrosvěta bylo po většinu historie lidstva možné jen s pomocí vlastní fantazie. Až ve 20. století byl zkonstruován elektronový mikroskop, jenž umožnil spatřit atom a odhalit skrytá tajemství hmoty.

SCHOVÁVANÁ V MIKROSKOPU

Zdravé lidské oko umí rozlišit ve vzdálenosti 25 cm od oka dva body, které jsou od sebe vzdálené 0,25 mm. Menší objekty, a těch je celá řada, jsou pro nás v běžném životě neviditelné. Abychom je spatřili, musíme oko vyzbrojit vhodným nástrojem. Pomineme-li lupu, je prvním v řadě optický mikroskop. Ten hodnotu rozlišení dokáže posunout až na 0,25 m m. Jinak řečeno, teď už se před naším zvědavým pohledem skryjí pouze objekty menší, než je uvedená vzdálenost. Těch je však stále velké množství, světelnému mikroskopu unikají například viry.
Proč je nelze pozorovat ani nejvýkonnějším optickým mikroskopem s nejlepšími skleněnými čočkami, zjistil již v 19. století německý fyzik Ernst Abbe. Rozlišovací schopnost optického mikroskopu je totiž omezena vlnovou délkou viditelného světla (400 - 700 miliontin milimetru). A protože vlnovou délku pro nás viditelného světla neumíme zkrátit, bylo třeba pro posunutí hranice rozlišovací schopnosti mikroskopu najít jiné "světlo" s výrazně kratší vlnovou délkou.

DVĚ TVÁŘE ELEKTRONU

A tady začíná příběh elektronového mikroskopu. K jeho sestrojení nestačila jedna geniální myšlenka. Cesta k němu byla podmíněna technologickým pokrokem a sestávala z postupného propojování objevů mnoha badatelů. Jedním ze základních kamenů této mozaiky byl objev elektronu anglickým fyzikem J. J. Thompsonem v roce 1897. Dalším krokem vedoucím k použití elektronů k zobrazení mikrosvěta byl poznatek, který v roce 1925 publikoval Luis de Broglie: rychle letící elektrony se chovají nejen jako částice, ale mají i vlnový charakter podobně jako např. viditelné světlo. Protože elektron jako záporně nabitá částice ochotně přispěchá k čemukoliv kladně nabitému, je možné mu tímto způsobem udělit určitou rychlost, které odpovídá konkrétní vlnová délka.
Navíc je možné dráhu letícího elektronu ovlivnit silným magnetickým polem podobným způsobem, jako je tomu při průchodu světla optickými čočkami. Tím bylo o novém "světle" vhodném pro zkoumání mikrosvěta rozhodnuto. Postupně byly sestrojeny dva nové typy mikroskopů, které využívají jako zdroj světla urychlené elektrony. Výkonnější z nich, transmisní elektronový mikroskop, posunul hranici rozlišovací schopnosti do rozměru desetin nanometru - na úroveň velikosti atomů.

STÍNOHRA

Transmisní elektronový mikroskop je zařízení, které se vejde do menší místnosti. Jeho nejnápadnější částí je tubus - asi metr dlouhá dutá trubice, kterou se prohánějí elektrony. Ty ve špičce tubusu uvolňuje tzv. elektronové dělo - nejčastěji žhavené wolframové vlákno, jehož pracovní teplota se pohybuje okolo 2500 °C. Aby vlákno neshořelo, musí být prostor elektronového děla zbaven vzduchu. Stejně tak musí být vzduch vyčerpán i z ostatních prostorů, kterými elektrony na své pouti tubusem procházejí. Uvnitř mikroskopu je proto tlak roven pouze jedné miliontině tlaku atmosférického.
Uvolněné elektrony jsou nejprve urychleny působením kladně nabité anody a získají úctyhodnou rychlost (až polovinu rychlosti světla), která je nezbytná k prolétnutí celým tubusem. Zhruba v jeho polovině jim v cestě stojí vzorek, jímž musí proniknout. To se nepodaří všem elektronům. Ty, které jsou vzorkem zachyceny, nedopadnou a nerozsvítí stínítko na dně tubusu - vzniknou stíny vytvářející mnohonásobně zvětšený obraz vzorku.

ZKROCENÝ PAPRSEK

Průchod elektronového paprsku tubusem je ovlivňován elektromagnetickými čočkami. V horní části tubusu se nacházejí kondenzorové čočky, řídící sílu a průměr elektronového svazku. Pod vzorkem je umístěn objektiv, nejvýkonnější čočka mikroskopu. Ten zaostřuje svazek elektronů na vzorek a zvětšuje obraz asi padesátkrát. O zvětšování obrazu na požadovanou hodnotu se postarají další čočky umístěné pod objektivem. Abychom uviděli obraz nesený pro nás neviditelnými elektrony, je nutné ho převést do oblasti viditelného světla. K tomu slouží stínítko na dně tubusu tvořené fluorescenční látkou. Ta se po dopadu elektronů rozsvítí v závislosti na množství a energii dopadajících elektronů. Obraz, který na něm elektrony vytvoří, je možné zaznamenat na fotografický materiál uložený pod stínítkem, nebo moderněji pomocí speciální CCD kamery přenést obraz do počítače v digitalizované podobě.

ZLATÉ ULTRATENKÉ ŘEZY

K získání pěkného obrázku z transmisního elektronového mikroskopu nestačí mít dobře připravený a výkonný mikroskop. Velké požadavky jsou kladeny i na prohlížený vzorek. Nesmí obsahovat vodu, protože by se v prostoru zbaveném vzduchu bouřlivě vypařovala, a jeho tloušťka by se měla pohybovat do 100 nanometrů (miliontin milimetru). Takže typický vzorek pro transmisní elektronový mikroskop si můžete představit jako drobné smítko, asi tisíckrát tenčí než list papíru. I když urychlené elektrony mají vysokou rychlost, tlustšími vzorky nejsou schopny projít a poskytnout kvalitní obraz. Tyto požadavky nám komplikují život především při přípravě biologických vzorků, které jsou nestabilní a mají vysoký obsah vody.
Dnes existuje řada složitých postupů, využívajících postupné působení nejrůznějších chemických sloučenin na biologický materiál. Nakonec se vzorek o velikosti okolo 1 mm 3 zalije do speciální pryskyřice. Po jejím vytvrzení se ze vzniklého bločku na zařízení zvaném ultramikrotom začnou odkrajovat ultratenké řezy. To, že jsou dostatečně ultratenké (mají tloušťku nejlépe kolem 70 nm), na sebe prozradí krásnou zlatou barvou.

NÁVŠTĚVA V BUŇCE

Odměnou za trpělivost při přípravě ultratenkých řezů je pro nás možnost podívat se na vnitřní strukturu buňky a na její jednotlivé organely. Bez transmisního elektronového mikroskopu bychom doposud jen odhadovali, jak vypadají a kde se v buňce nacházejí např. ribozomy, buněčné továrny, na nichž se z jednoduchých aminokyselin sestavují bílkoviny. Velkým přínosem transmisního elektronového mikroskopu je, že umožnil vidět viry. Pomocí mikroskopu můžeme určit např. jejich tvar a velikost a na tomto základě pak provádět rychlé určení onemocnění virové povahy. Naposledy se takto transmisní elektronový mikroskop uplatnil při hledání původce plicního onemocnění označovaného zkratkou SARS, které se objevilo v některých asijských zemích a vyvolalo paniku z rychlého rozšíření po celém světě (viz článek v ABC č. 16).

DETAILNÍ OBRAZ POVRCHU

Skenovací elektronový mikroskop je mladším sourozencem transmisního elektronového mikroskopu, na trhu se objevil v roce 1965. Své jméno získal na základě skutečnosti, že elektronový svazek jako velmi jemný hrot přejíždí po povrchu vzorku - skenuje ho. Při dopadu elektronů se z povrchu vzorku uvolňují signály, které je možné zaznamenat. Rozlišovací schopnost skenovacího elektronového mikroskopu je o řád menší než u mikroskopu transmisního, přesto je velmi oblíbeným nástrojem pro pozorování mikrosvěta díky jednoduché přípravě preparátů a schopnosti poskytnout obraz s vysokou hloubkou ostrosti i z tak členitých objektů, jakými je např. hmyz.

O AUTORCE

Ing. Jana Nebesářová, CSc., se elektronovou mikroskopií zabývá celou svou profesní kariéru. Pracuje jako vedoucí Laboratoře elektronové mikroskopie Parazitologického ústavu v Českých Budějovicích, v níž se věnuje především využití elektronových mikroskopů v biologii. Od roku 1998 přednáší o elektronové mikroskopii na Biologické fakultě Jihočeské univerzity.

MIKROOMALOVÁNKY

Elektrony nevidíme, a nemají tedy žádnou barvu. Do viditelné oblasti se například v transmisním elektronovém mikroskopu obraz nesený elektrony převádí na stínítku, pokrytém fluorescenční látkou, která uvolňuje pro nás viditelné fotony v závislosti na množství a energii dopadajících elektronů. Barevné obrázky vznikají za přispění počítačů a naší fantazie. Jednotlivým stupňům šedi nebo oblastem v obraze můžeme přiřadit barvu dle našeho výběru, a tak si vlastně nabarvit mikrosvět podle našeho přání nebo nálady.

OPOŽDĚNÁ NOBELOVA CENA

Za tvůrce transmisního elektronového mikroskopu jsou považováni němečtí vědci Max Knoll a Ernst Ruska z Technische Hochshule v Berlíně. První mikroskop sestrojili v roce 1931 a s jeho pomocí získali obrázek platinové mřížky zvětšený sedmnáctkrát. Komerční model byl vyroben a uveden na trh v roce 1939 německou firmou Siemens und Halske AG. Teprve v roce 1986 dostal Ernst Ruska za konstrukci transmisního elektronového mikroskopu Nobelovu cenu. V té době již nikdo nepochyboval o obrovském přínosu tohoto přístroje v řadě oborů.

ROZMĚRY MIKROSVĚTA

1 m m - 1 mikrometr - 1 0 -6 m - jedna tisícina milimetru. Červená krvinka má velikost do 10 m m, velikost většiny bakterií se pohybuje v intervalu 0,3 - 20 m m.

1 nm - 1 nanometr - 10 -9 m - jedna miliontina milimetru. Průměrný virus má velikost kolem 50 nm. Do tečky za touto větou by se vešly stovky tisíc virů.