Mikroskopia elektronowa

Przed wynalezieniem mikroskopu optycznego ludzkie wyobrażenie o świecie ograniczało się do tego, co można było zobaczyć gołym okiem, czyli co mniej więcej miało rozmiary większe niż dziesiąta część milimetra. Skonstruowany w końcu XVI wieku przyrząd powiększający pozwolił biologom poznawać ukryte tajemnice życia roślin i zwierząt, a lekarzom pomógł w rozpoznawaniu i leczeniu różnych chorób. Z czasem mikroskopy dające ponad dwutysięczne powiększenia umożliwiły neurochirurgiczne operacje mózgu.

Jednak mikroskop optyczny ma swoje ograniczenia. Zgodnie z prawami fizyki nie można obserwować obiektów mniejszych niż długość użytej do tego fali światła. Rozwiązanie problemu przyniosło wynalezienie mikroskopu elektronowego w 1931 roku przez niemieckiego fizyka Ernsta Ruskę (wraz z Maksem Knollem). Obecnie przyrząd ten powiększa 100 000 razy i po uwzględnieniu efektów dyfrakcyjnych (rozpraszania fal elektronów) pozwala na obserwację obiektów o wielkości zaledwie 2 nanometrów, czyli 0,000002 milimetra. Otrzymany w nim obraz ludzkiego serca osiągnąłby rozmiary Mount Everestu.

Seryjną produkcję mikroskopów elektronowych rozpoczęła niemiecka firma Siemens już w 1938 roku. Natomiast Ernst Ruska został należycie uhonorowany dopiero po pół wieku, kiedy to otrzymał w 1986 roku Nagrodę Nobla z fizyki. To wyjątkowe opóźnienie znalazło się w słynnej Księdze rekordów Guinnessa.

Oko w oko z wirusem

Mikroskopy elektronowe wykorzystywane są obecnie głównie w badaniach krystalograficznych, biologicznych i medycznych, a także w fizyce ciała stałego.

Wielkim sukcesem mikroskopii elektronowej w naukach przyrodniczych było pokazanie wirusów. Naukowcy podejrzewali już wcześniej istnienie niewidzialnych zarazków wywołujących groźne choroby. Ale pierwsze zdjęcie wirusa (vaccina virus) opublikował dopiero w 1939 roku brat wynalazcy mikroskopu elektronowego, lekarz Helmut Ruska. W tym też czasie odkryto struktury wewnątrzkomórkowe, co umożliwiło powstanie nowej dyscypliny wiedzy – cytofizjologii, zajmującej się funkcjonowaniem komórek. Wkrótce też okazało się, że mikroskop elektronowy umożliwia ocenę struktury chorej tkanki, co ma niezwykłe znaczenie dla diagnostyki medycznej.

Prześwietlenie i skanowanie

Współcześnie najbardziej rozpowszechniony jest elektronowy mikroskop prześwietleniowy. Bardzo cienką warstewkę badanego materiału o grubości rzędu 10 nanometrów umieszcza się w komorze próżniowej o ciśnieniu około 20 mPa. Przyspieszona wysokim napięciem oraz kolejno skupiana i rozpraszana przez soczewki elektronowe wiązka elektronów przenika przez preparat, aby paść na ekran fluorescencyjny lub błonę fotograficzną, tworząc w ten sposób niezwykle powiększony obraz prześwietlanego obiektu.

Jeszcze dokładniejszym przyrządem jest elektronowy mikroskop skaningowy. W urządzeniu tym wiązka elektronów, skupiona w plamkę o średnicy 0,1 nanometra, omiata wybrany obszar ruchem skanującym, linia po linii. Elektrony wiązki, wnikające w badany preparat na niewielką głębokość, wywołują różnego rodzaje wtórne promieniowanie, które wykorzystuje się do tworzenia obrazu. Rozdzielczość takich mikroskopów sięga obecnie 1 nanometra i uzyskane w ten sposób obrazy odznaczają się bardzo dużą głębią ostrości, szczególnie przydatną w badaniu powierzchni mikroorganizmów.

Pomysłodawcą zbudowania mikroskopu skaningowego był w 1938 roku niemiecki fizyk M. van Ardenne. Jednak przyrząd ten powstał dopiero w latach 60. XX wieku, ponieważ jego skonstruowanie wymagało odpowiednio rozwiniętej technologii.

Problemy z życiem

Niezwykle trudne jest przygotowanie organizmów żywych do obserwacji w mikroskopie elektronowym. Pierwszym etapem jest tzw. utrwalanie preparatu, czyli natychmiastowe zatrzymanie procesów życiowych w badanych komórkach. Jeden z utrwalaczy – czterotlenek osmu – okazał się również znakomitym środkiem kontrastującym. Zawarty w nim metal wiąże się ze strukturami komórkowymi, w wyniku czego stają się one dobrze widoczne w obrazie mikroskopu.

Kolejne etapy to płukanie, odwodnienie i utwardzenie. Płukanie służy do usunięcia utrwalacza z preparatu, zaś odwadnianie poprzedza jego zatopienie w utwardzaczach. Dopiero wówczas jest możliwe odcięcie niezwykle cienkiego płatka preparatu do obserwacji w mikroskopie elektronowym. Służy do tego urządzenie zwane ultramikrotomem, skonstruowane w 1953 roku.

Ocena wyników

Obraz uzyskany w mikroskopie elektronowym jest czarno-biały z całą gamą szarości. Zawiera elementy pochodzące zarówno z oryginalnego obiektu, jak i stanowiące wynik skomplikowanych technik preparacyjnych. Dlatego niezwykle ważna jest prawidłowa interpretacja otrzymanego obrazu. Zadaniem obserwatora jest wydedukowanie pierwotnej, oryginalnej struktury spod późniejszych zniekształceń, określanych jako artefakty. Od tego zależy wartość wyników mikroskopii elektronowej. Kolejny raz okazuje się, że najważniejszym ogniwem w takich badaniach jest człowiek, a nie jakby się mogło wydawać supernowoczesny przyrząd techniczny.

Jan Opinc