Klasický optický mikroskop prestal vedcom dostačovať už na konci 19. storočia. Postupne sa objavilo niekoľko nových smerov zobrazovania mikrosveta, medzi ktorými si vydobyl pevné miesto elektrónový mikroskop. Aj vďaka nemu môžeme v súčasnosti bojovať proti novému koronavírusu.
Človek už od pradávna hľadal možnosti, ako prekročiť obmedzenia dané jeho zmyslami. Odjakživa chcel vidieť ďalej, alebo, naopak, spoznať svet obsiahnutý v kvapke vody. Vďaka tomuto úsiliu napríklad vieme, ako vyzerá a aké má rozmery vírus, ktorý spôsobuje ochorenie COVID-19. K zobrazeniu takejto nepatrnej štruktúry však viedla dlhá cesta od optických až k súčasným elektrónovým mikroskopom.
Prekročiť limity
Princíp optického mikroskopu sa v praxi objavil už v 17. storočí. Anton van Leeuwenhoek (1632 – 1723) vtedy predstavil mikroskop, ktorý v zobrazení 200-krát prekonával ľudské oko. Pozoroval riasy a rôzne mikroorganizmy, ktorých kresby fascinovali súčasníkov. Trvalo dlho, kým ľudia pochopili, že tento drobulinký život môže spôsobovať rad chorôb.
Použitím sústavy šošoviek a sofistikovaného chodu lúčov sa v priebehu času darilo zobrazovať stále jemnejšie štruktúry. No aj najlepší svetelný mikroskop narazil na svoju prirodzenú hranicu – vlnovú dĺžku použitého svetla.
Dosiahnuteľná rozlišovacia schopnosť mikroskopu je tým vyššia, čím menšia je vlnová dĺžka použitého svetla. Tá sa vo viditeľnom spektre pohybuje asi medzi 700 – 400 nanometrami (1 nm = 10⁻⁹ m). Dva body vzdialené od seba menej ako 200 nm, čo je asi 2 – 4 tisíciny hrúbky ľudského vlasu, sa preto v bežnom mikroskope zobrazia len ako jedna trochu rozmazaná škvrnka. Na pozorovanie vírusov alebo atomárnych štruktúr látok je to nedostatočné rozlíšenie.
Pri hľadaní alternatív k viditeľnému svetlu poslúžili fyzikom a technikom elektróny. Tie objavil v roku 1897 britský fyzik Joseph J. Thomson (1856 – 1940). Elektróny je možné urýchliť vysokým napätím tak, že ich vlnová dĺžka dosahuje 2 – 3 pikometre (1 pm = 10⁻¹² m). Prirodzene, existujú zdroje žiarenia, ktoré majú ešte nižšiu vlnovú dĺžku, napríklad röntgenové žiarenie. To sa však nedá v princípe ľahko fokusovať, a preto našlo svoje miesto v iných zobrazovacích metódach.
TEM a SEM
V elektrónovom mikroskope fokusujú zväzok urýchlených elektrónov namiesto sklených šošoviek elektromagnetické cievky. Pole, ktoré vytvárajú, dokáže zamerať prúd elektrónov na požadované miesto, inak je usporiadanie elektrónového mikroskopu rovnaké ako pri svetelnom.
Prvý elektrónový mikroskop zostrojil nemecký fyzik Ernst August Friedrich Ruska (1906 – 1988) v roku 1931. Hoci pevne veril vo svoj úspech, vybavený teoretickými poznatkami o časticovo vlnovom dualizme, obraz z prvého transmisného elektrónového mikroskopu (TEM) bol veľkým sklamaním, pretože rozlíšenie nebolo omnoho lepšie ako vo svetelnom mikroskope. Dôvodom boli dve zobrazovacie chyby, dobre známe už z optiky, a to sférická a chromatická chyba.
Prvá z nich vzniká tak, že sa osové lúče a lúče idúce mimo osí šošovky nepretínajú v totožnom mieste. Tá druhá súvisí s faktom, že index lomu závisí od vlnovej dĺžky, a preto nemajú lúče svetla rôznych vlnových dĺžok rovnaké ohnisko.
Hoci druhá svetová vojna rozvoju elektrónovej mikroskopie priveľmi nepriala, výskum naďalej prebiehal. Nemecký fyzik Manfred von Ardenne (1907 – 1997) napríklad dosiahol podľa dobovej tlače zväčšenie 1 : 15 000, čo je približne sedemkrát viac, než dokáže optický mikroskop. Podľa niektorých zdrojov už v roku 1937 skonštruoval riadkovací (skenovací) elektrónový mikroskop (SEM). Za autora prvého SEM sa všeobecne považuje americký vynálezca ruského pôvodu Vladimír K. Zworykin (1889 – 1982), ktorý ho zostrojil v roku 1942. Komerčné zariadenia sa objavili až v roku 1965.
V roku 1947 sa podarilo významne potlačiť sférickú chybu objektívových šošoviek zaradením magnetických pólových nadstavcov, ktoré sa však museli opracovať s presnosťou jednotiek mikrometrov. Trvalo ešte ďalších 50 rokov, než sa precíznou konštrukciou a dôslednou selekciou vlnových dĺžok, a tým elimináciou chromatickej chyby, dosiahlo v roku 1998 vysokého rozlíšenia pod 1 ångström (1 Å = 10⁻¹⁰ m = 0,1 nm). To je totiž rádovo veľkosť mriežkovej konštanty väčšiny kryštalických látok, a preto možno vďaka prídavnému zariadeniu tzv. omega-filtru v mikroskopoch s vysokým rozlíšením pozorovať jednotlivé stĺpce atómov.
Podľa materiálov Karlovej univerzity spracovala BP
