Elektronový mikroskop, který dokáže nedestruktivně zkoumat živé tvory

Zdejší vědecký tým Environmentální elektronové mikroskopie, vedený doc. Vilémem Nedělou, posouvá hranice poznání nanosvěta i díky unikátnímu environmentálnímu rastrovacímu elektronovému mikroskopu, jedinému svého druhu na světě, který byl upraven a dovybaven unikátními přístroji právě v laboratořích ÚPT.

„Naše vědecká skupina vytváří nové metody, přístrojové vybavení a aplikace pro další a podrobnější zkoumání nanosvěta. Posouváme hranice možností zobrazování a analýzy neupravených, elektricky nevodivých nebo polovodivých vzorků, vlhkých nebo kapalných vzorků v environmentálním rastrovacím elektronovém mikroskopu (EREM). Specializujeme se rovněž na charakterizaci obtížně zobrazitelných a pokročilých materiálů s využitím našich nově vyvinutých metod a unikátního přístrojového vybavení,“ vysvětluje Neděla s tím, že v oblasti základního výzkumu jeho tým zkoumá například interakci elektronů s plynem, vodou a pevnou látkou, případně rozložení tlaku a rychlosti proudění plynu a přenosu tepla v EREM. V oblasti aplikovaného výzkumu pak vědci zejména navrhují a vyrábí široké spektrum nejrůznějších typů detektorů pro rastrovací elektronové mikroskopy pro zákazníky z celého světa. 

„Naší specialitou jsou pak nové metody pro studium malých živých tvorů, neupravených rostlinných vzorků a polymerů. Navrhli jsme například metodu pro dlouhodobé studium a chemickou analýzu rostlinných vzorků, metodu pro opakovatelné pozorování biologických vzorků v EREM. Účastníme se také výzkumu nových vakcín a léčby diabetu pomocí transplantace pankreatických ostrůvků. V oblasti zobrazování elektricky nevodivých až vlhkých vzorků v přirozeném stavu, které jsou často citlivé na radiační poškození elektronovým svazkem, patříme mezi světovou špičku. Zároveň jsme světovým lídrem v nízkoenergiové environmentální rastrovací elektronové mikroskopii se zaměřením na statické i dynamické in-situ zobrazování slabě emitujících vzorků v podmínkách velmi nízkých proudů elektronového svazku,“ tvrdí Neděla.

Bombardování elektrony vířník přežije bez újmy

Klíčovými přístroji, které má tým brněnských vědců k dispozici, jsou světově unikátní environmentální rastrovací elektronové mikroskopy AQUASEM II a modifikovaná QUANTA 650 FEG. „Tyto přístroje, které jsme v Ústavu přístrojové techniky AV ČR upravili a značně vylepšili, jsou pro naše zkoumání nanosvěta významné stejně, jako je Webbův teleskop pro astronomy,“ říká s nadsázkou Neděla. O tom, že pomocí těchto elektronových mikroskopů provedli vědci řadu zajímavých objevů, svědčí i desítky odborných článků vydaných v posledních letech v prestižních světových i vědeckých časopisech. 

„Vyvinuli jsme například metodu pro pozorování živých vířníků v podmínkách vysokého tlaku plynů a za snížené teploty. Díky tomu jsme byli schopni jako první na světě tohoto tvora v elektronovém mikroskopu zobrazit bez poškození a navíc, díky vysoké kvalitě zobrazení ho i taxonomicky klasifikovat. Naše výsledky pomohly objevit dva nové druhy vířníků a další druhy detailněji popsat. Naše metoda také otevřela nové možnosti pro využití environmentální rastrovací elektronové mikroskopie v oblasti biologie vodních živočichů,“ popisuje Neděla jeden z mnoha výsledků práce jeho týmu. 

Jindy vědci z ÚPT optimalizovali metodu pro studium živých vzorků, a to i díky v Brně vyvinutému a patentovanému, vysoce účinnému detektoru signálních elektronů pro EREM. „Námi navržené metody umožnily také morfologicky charakterizovat vlhké polyelektrolytové mikrokapsule obsahující polotekuté jádro s geneticky modifikovanými živými buňkami E-coli, používané například pro produkci vysoce čistých chemických látek používaných pro výzkum a vývoj nových antivirotik. Tyto kapsle jsou však relativně velké a velmi citlivé. Naše laboratoř je jediná na světě, jež je schopna vzorky tohoto typu pozorovat bez jejich zničení či poškození,“ dodává Neděla s tím, že podobně jeho tým navrhl i vysokorozlišovací metodu pro studium morfologie vzorků rostlin v jejich přirozeném stavu. Ta zároveň umožňuje zvýšení odolnosti vzorků vůči radiačnímu poškození elektronovým svazkem. Metoda byla vynalezena a experimentálně testována na mnoha typech rostlinných vzorků v brněnské laboratoři ÚPT. 

Vědci z týmu environmentální elektronové mikroskopie se však zabývají řadou dalších odborných problémů – nedávno se jim například podařilo stanovit přesné fyzikálně-chemické podmínky, na nichž závisí velikost a struktura částic soli, vzniklých po sublimaci slaného arktického ledu. Zjištěná data lépe umožní pochopit, jakým způsobem se mořská sůl z Arktidy a Antarktidy dostává do atmosféry, což může zpřesnit matematické modely předpovídání počasí, změn klimatu či vzniku ozonových děr.

Bez detektorů, matematiků, fyziků, programátorů a konstruktérů by to nešlo…

Běžné elektronové mikroskopy musí mít v komoře se zkoumaným vzorkem téměř dokonalé vakuum – tlak v ní je podobně nízký, jako ve volném vesmíru. Když se totiž elektrony, kterými mikroskop bombarduje vzorek, srazí s poletujícími molekulami plynu či par, vzniká nežádoucí rušivý šum. Ten pak zkresluje výsledky vzniklé „správnými“ srážkami elektronů se samotným vzorkem. Čím vyšší tlak – tedy čím větší množství molekul plynu či par – v komoře je, tím náročnější je pro vědce tento rušivý šum odfiltrovat. A právě na to jsou v Brně specialisté. Tlak plynů v komoře se zkoumaným vzorkem v environmentálním rastrovacím elektronovém mikroskopu přitom může být až milionkrát vyšší oproti běžným elektronovým mikroskopům! To umožňuje provádět v přístroji jinde neproveditelné experimenty. 

„S nadsázkou řečeno, zkoumání vzorků v běžném elektronovém mikroskopu může být jednoduché jako pozorovat rybičku v dobře osvětleném akváriu s čistou vodou. Zkoumání vzorků v námi upraveném mikroskopu naopak připomíná pozorování zrnka máku na hromadě uhlí ve zhasnutém sklepě,“ přibližuje Neděla jedinečnost mikroskopů vyvíjených v Ústavu přístrojové techniky Akademie věd ČR. 

Na tom, že dnes vědci mohou zkoumat vzorky v dříve nepředstavitelných fyzikálních podmínkách, mají zásluhu desítky specialistů. Na vývoji a nastavení brněnského unikátního mikroskopu a jeho doplňkových součástí od nejrůznějších typů snímačů přes analyzátory až po mikromanipulátory se totiž v ÚPT podílí řada matematiků, fyziků, programátorů či konstruktérů. 

„Laická představa práce s elektronovým mikroskopem je často taková, že si koupíte přístroj, zmáčknete tlačítko a dostanete hezký obrázek. Ono to tak v případě těch nejjednodušších vzorků často je. Ale jakmile chcete vidět a zkoumat něco komplikovaného, tak má najednou elektronová mikroskopie desítky tváří a nabízí desítky postupů s využitím různých analytických a zobrazovacích zařízení. Naším největším know-how a bohatstvím jsou vysoce specializovaní odborníci. Právě díky nim náš mikroskop, náš výzkum a naše metody nikdo nemůže jen tak jednoduše okopírovat. A jen díky nim můžeme posouvat poznání hranic nanosvěta a provádět světově jedinečné objevy,“ uzavírá docent Vilém Neděla, vedoucí týmu Environmentální elektronové mikroskopie v Ústavu přístrojové techniky Akademie věd ČR.