Pozdravljeno, poslušalstvo, na nevidnih elektromagnetnih valovih Radia Študent, ki nihajo s frekvenco 89,3 milijona hercev. Današnjo oddajo Frequenza della scienza namenjamo nevidnemu svetu, tistemu svetu, ki je tik pred nami, vendar ga s prostim očesom ne moremo videti. Ne, to ni klišejski uvod v oddajo o bakterijah ali virusih, podali se bomo v fizikalno-kemijsko-inženirske vode. Danes se bomo pobližje spoznali z elektronsko mikroskopijo in mikroskopijo na atomsko silo. 

 

Morda za mikroskop na atomsko silo še niste slišali, saj je dokaj nišna raziskovalna tehnika in se največkrat uporablja v raziskovalne namene. Pa vendar se vse več uporablja tudi v industrijskih laboratorijih, saj je ena od številnih tipov mikroskopij, ki dajejo podatke o strukturi površine materialov in fizikalnih lastnostih na atomski ravni. V oddaji se bomo pogovarjali o zgodovini in razvoju tehnike, načelu delovanja in modernih načinih uporabe.

 

Da bi bolje razumeli, zakaj so se razvili novi tipi mikroskopov, naj najprej predstavimo svetlobni oziroma optični mikroskop. Optični mikroskop je najstarejša oblika mikroskopa, naprave, ki nam razkrije del nevidno majhnega sveta tik pred nami. Prvi sestavljen mikroskop, ki za povečavo uporablja dve optični leči, se je v Evropi pojavil okoli leta 1620, moderni mikroskop z dvema okularjema pa je izumil John Leonard Riddell, ko je v Severni Ameriki preučeval kólero. Optični mikroskopi vidno svetlobo usmerijo prek sistema leč, ki sliko preiskovanega vzorca povečajo. S takšnim sistemom lahko dosežemo do 1000-kratno povečavo, ločljivost mikroskopa pa omejuje sama fizika svetlobe.

 

Svetloba je elektromagnetno valovanje. Valovna dolžina svetlobe, to je dolžina med dvema zaporednima vrhovoma valovanja, narekuje njene fizikalne lastnosti, kot je energija. Vidna svetloba je tista, ki jo lahko zazna človeško oko, te valovne dolžine so med 400 in 700 nanometri. Leta 1878 je Ernst Abbe ugotovil, da ločljivost optičnih mikroskopov omejuje valovna dolžina svetlobe. Danes tej omejitvi resolucije mikroskopa pravimo Abbejeva difrakcijska meja. 

 

Difrakcijska meja je najmanjša razdalja med točkama, pri kateri ju ob določeni valovni dolžini svetlobe skozi mikroskop še vidimo kot dve ločeni točki. Nižja je valovna dolžina svetlobe, večjo ločljivost lahko dosežemo. Pri valovni dolžini 500 nanometrov lahko tako povprečen optični mikroskop doseže Abbejevo difrakcijsko mejo 250 nanometrov, kar pomeni, da lahko razločimo točki, ki sta vsaj 250 nanometrov narazen. To je manj od velikosti večine bioloških celic, vendar veliko več od virusov ali proteinov. Tako lahko z optičnim mikroskopom opazujemo večino vrst celic, vendar pa ne vidimo virusov in proteinov. Optični mikroskopi so zato omejeni na opazovanje večjih struktur.

 

Meja ločljivosti optičnih mikroskopov, ki uporabljajo vidno svetlobo, je približno 200 nanometrov. Pri takšni ločljivosti s prostim očesom ne moremo opazovati virusov, valovna dolžina svetlobe je namreč prevelika, da bi se vpadni žarek odbil od virusa. Poenostavljeno si lahko predstavljamo, da gre žarek mimo virusa. Kako pa lahko izboljšamo ločljivost mikroskopov? Če želimo opazovati tako majhne strukture, moramo znižati valovno dolžino svetlobe. Svetloba ima na voljo krajše valovne dolžine od vidne svetlobe, denimo ultravijolični spekter. Gotovo so vam znani ultravijolična svetloba ali rentgenski žarki. Vse to je svetloba z nižjimi valovnimi dolžinami, ki delujejo po merilih, kjer klasičen svetlobni mikroskop ni več uporaben. 

 

Pod 400 nanometri preidemo v ultravijolični del spektra, ki prostemu očesu ni več viden, zato potrebujemo posebne mikroskope, ki lahko generirajo in tudi zaznajo te valovne dolžine svetlobe. Ločljivost lahko izboljšamo še z rentgenskimi žarki, ki imajo še krajšo valovno dolžino. Mikroskopi na rentgenske žarke dosežejo ločljivost okoli 50 nanometrov. Pomanjkljivost tako ultravijoličnih mikroskopov kot mikroskopov na rentgenske žarke je slabši kontrast pri bioloških vzorcih, kot so celice in virusi. Hkrati so rentgenski žarki oblika ionizirajočega sevanja, zato poškodujejo občutljive biološke vzorce.

 

Vendar pa v lovu na vse višjo ločljivost ne bomo vrgli puške v koruzo. Kateri fizikalni pojav lahko izkoristimo, da pridobimo še višjo ločljivost in tudi boljši kontrast? Preboj na področju mikroskopije je prišel z razvojem kvantne mehanike. Kvantna mehanika opisuje obnašanje snovi na atomski in subatomski ravni. »Pravila kvantne mehanike pravijo, da je Hílbertov prostor prostor stanj nekega sistema in da so merljive količine opisane s hermítskimi operatorji, ki delujejo na véktorje v tem prostoru.«

 

No, da se ne boste utrudili že po nekaj minutah oddaje, se ne bomo podrobno spuščali v kvantno teorijo. Vedeti morate le, da ima svetloba dvojno naravo. Svetloba je elektromagnetno valovanje in hkrati ima lastnosti, značilne za delce. Z eksperimentalno potrditvijo te teorije so se ukvarjali najbolj znani fiziki dvajsetega stoletja, med njimi Max Planck in Albert Einstein. Sprva kontroverzno teorijo je dokončno potrdil Arthur Compton, ko je odkril, da se lahko svetloba siplje tudi na elektronih. Ta eksperiment je potrdil, da so fotoni delci svetlobe. 

 

Za zgodovino mikroskopije pa je bilo pomembno še eno odkritje. Francoski fizik Louis de Broglie je leta 1924 v svoji doktorski disertaciji predlagal, da imajo tako kot fotoni tudi elektroni dvojno naravo – imajo tako lastnosti valovanja kot tudi delca. Teorija pa je tudi prestala praktične eksperimente, saj so z njimi pokazali, da se elektroni obnašajo kot valovanje. Z de Brogliejevo zvezo lahko izračunamo valovno dolžino elektrona, ki pa je odvisna od energije elektrona. Če poenostavimo, je valovna dolžina elektrona vsaj stotisočkrat manjša od valovne dolžine vidne svetlobe, okoli 2,5 pikometra. To je zelo kratka razdalja, enaka eni bilijoninki metra. Zaradi kvantnomehanskih pojavov lahko torej elektrone uporabljamo v široki veji elektronske mikroskopije.

 

Elektronski mikroskop je bil revolucionarno odkritje, saj je uspel preseči omejitve optičnih mikroskopov. Prvič so lahko znanstvenice in znanstveniki razločili podrobnosti bakterij, materialov in geoloških vzorcev. Prvi elektronski mikroskop bi danes imenovali presevni ali transmisijski elektronski mikroskop, saj snop elektronov pošljemo skozi tanek vzorec.

 

Najprej si oglejmo osnovno načelo delovanja presevnega elektronskega mikroskopa. Presevni elektronski mikroskop elektrone v vakuumu pospeši in usmeri z elektromagnetnimi lečami v izjemno tanek curek. Snop elektronov usmeri na zelo tanek sloj vzorca, elektroni gredo skozi vzorec na detektor, ki jih zazna. Elektroni se zaradi interakcije z vzorcem sipljejo v različne smeri, zato niso več del vpadnega snopa, to razliko med začetnim in končnim snopom elektronov zazna detektor. Elektroni, ki se ne sipljejo, pa nam dajo značilno črno-sivo sliko, na kateri vidimo svetlejše in temnejše dele glede na gostoto vzorca na obsevanem delu. Zaradi visokega vakuuma in velike energije elektronov je lahko priprava vzorcev za presevno elektronsko mikroskopijo precej zahtevna. Slike bioloških vzorcev so slabo kontrastne, zato jih znanstvenice in znanstveniki pogosto obarvajo s spojinami urana ali ósmija.

 

Prvi elektronski mikroskop sta leta 1931 sestavila Max Knoll in Ernst Ruska na Tehniški univerzi v Berlinu. Pri eksperimentih sta ugotovila, da lahko elektromagnetne tuljave uporabita kot elektronske leče. Elektronske leče zbirajo snop elektronov v eno točko, analogno kot optične leče zbirajo žarke svetlobe v eno točko. Prvotna štiristokratna povečava elektronskega mikroskopa je bila skromna, vendar sta Knoll in Ruska dokazala načelo uporabe elektronov v mikroskopiji. Ruska je nadaljeval raziskave in je le dve leti kasneje, leta 1933, sestavil »supermikroskop« – kot mu je pravil sam. Dosegel je namreč kar 12-tisočkratno povečavo. Tako je za vsaj 12-krat presegel povečavo običajnega optičnega mikroskopa.

 

Po izumu presevnega elektronskega mikroskopa je Knoll okoli leta 1935 sestavil tudi prvi vrstični elektronski mikroskop. V tem primeru elektronski snop ne potuje skozi vzorec, ampak se elektroni odbijejo od površine vzorca. Z vrstičnim elektronskim mikroskopom pridobimo visokoločljivostne slike površine vzorcev, s presevnim mikroskopom pa lahko opazujemo tudi mrežo atomov v notranji strukturi kristalov, o čemer bomo več slišali v drugem delu oddaje. Vrstični elektronski mikroskop ne zahteva tako visoke energije elektronov, priprava vzorca pa je manj zahtevna.

 

Vendar pa elektronska mikroskopija ni vedno kos vsem zahtevam, tako v raziskavah kot pri praktični uporabi. Po drugi svetovni vojni je zametke dobila nanotehnologija, znanost in razvoj materialov na atomski ravni. Richard Feynman, Nobelov nagrajenec s področja fizike, je leta 1956 na letnem srečanju Ameriškega fizikalnega društva zatrdil, da fizikalni zakoni ne preprečujejo preiskovanja in spreminjanja materialov na atomski ravni. Po njegovih besedah naj bi razvoj nanotehnologije prinesel številne nove tehnologije, kot so shranjevanje velikih količin podatkov in miniaturni računalniki. Sedemdeset let stara napoved je postala realnost, saj vse te naprave uporabljamo v vsakodnevnem življenju, hkrati pa je nanotehnologija ena izmed bolj vročih raziskovalnih tem.

 

Kako pa lahko spreminjamo materiale na atomski ravni? Vzemimo za primer polprevodniške elemente, ki so danes prisotni v vseh elektronskih napravah. V drugi polovici prejšnjega stoletja se je začel trend zmanjševanja velikosti takšnih polprevodniških elementov. V povprečju se število komponent integriranih vezij na komercialni polprevodniški rezini podvoji vsaki dve leti. To pomeni, da imamo vse več čedalje manjših komponent na enakem prostoru. Danes so lahko nekateri deli elektronskih čipov veliki le nekaj atomov. Pri razvoju izredno majhnih komponent pa je bila nepogrešljiva vrstična mikroskopija oziroma mikroskopija »na špice«. A preden se spustimo v znanost vrstičnih mikroskopov, si privoščimo kratek glasbeni premor.

 

VMESNI KOMAD: MGMT - Electric Feel

 

Pozdravljeni v oddaji Frequenza della scienza, kjer se pogovarjamo o vseh mogočih mikroskopih. Pred premorom smo napovedali razlago vrstične mikroskopije, zdaj pa si jo podrobneje oglejmo. 

 

Vrstična mikroskopija je skupina tehnik, ki se z majhno trdno konico premikajo zelo blizu površine vzorca in merijo interakcijo med konico in vzorcem. Konice mikroskopov se v dveh dimenzijah pomikajo po vzorcu in v vsaki točki zabeležijo neko meritev. Vrstične mikroskope poimenujemo glede na vrsto interakcije, ki jo izkoriščajo. Prvi izumljeni vrstični mikroskop je bil vrstični tunelski mikroskop. Leta 1981 sta ga v želji po iznajdbi tehnike, ki bi lahko spreminjala strukturo materialov na atomski ravni, izumila fizika Gerd Binnig in Heinrich Rohrer. Leta 1986 sta skupaj z Ernstom Rusko za izum tunelskega mikroskopa prejela tudi Nobelovo nagrado za fiziko. 

 

Vrstični tunelski mikroskop deluje po načelu kvantnega tuneliranja elektronov. Zaradi valovne narave elektronov lahko elektron preseže neko energijsko oviro tudi, če po klasičnih fizikalnih zakonih nima dovolj energije za prehod te ovire. Za lažje razumevanje uporabimo analogijo z žogo in hribom. Predstavljajte si, da želite žogo spraviti na drugo stran hriba. To lahko storite tako, da žogo zakotalite z dovolj veliko energijo, da bo prišla do vrha in se odkotalila po drugi strani navzdol. Če energija žoge ne bo zadostna, se žoga nikoli ne bo pojavila na drugi strani hriba. Elektron pa lahko takšno oviro premaga tudi, če nima dovolj visoke energije, in skoraj magično se pojavi na drugi strani – elektron tunelira. 

 

Načelo kvantnega tuneliranja elektronov izkorišča tunelski mikroskop. Ostra prevodna konica se pomika po vzorcu na razdalji nekaj nanometrov. Zaradi tunelskega pojava elektroni iz vzorca preskočijo na konico in tako povzročijo električni tok, ki ga lahko zaznamo. Električni tok je odvisen od razdalje med konico in vzorcem, zato lahko s premikanjem po vzorcu sestavimo sliko površine oziroma topografije vzorca. Tunelski mikroskop je prvi omogočil spreminjanje strukture materiala na atomski ravni. Prvo demonstracijo takšne uporabe sta leta 1990 izvedla raziskovalca iz tehnološke multinacionalke IBM. Atome ksenona sta premikala po nikljevi podlagi tako, da sta z njimi zapisala črke I B M. 

 

Tako vrstični tunelski kot elektronski mikroskop delujeta le za električno prevodne in polprevodne vzorce. Gerd Binnig je zaradi teh omejitev želel izumiti mikroskop, ki bi bil podoben tunelskemu, vendar ne bi bil omejen le na prevodne vzorce. Leta 1986, pet let po izumu tunelskega mikroskopa, je Binnig sestavil prvi mikroskop na atomsko silo, krajše AFM, iz angleškega poimenovanja atomic force microscopy. Z mikroskopom na atomsko silo lahko preiskujemo tudi površine neprevodnih vzorcev. Kako deluje mikroskop na atomsko silo, nam pojasni profesorica doktorica Hana Uršič Nemevšek, raziskovalka na odseku za elektronsko keramiko Instituta Jožef Stefan.

Izjava

Mikroskop na atomsko silo torej deluje na način »tipanja« površine vzorca ter merjenja medatomske sile med atomi na ostri preiskovalni konici ročice in atomi na površini vzorca. Pri večji sili se ročica bolj odmakne od ravnovesne lege. Posledično se žarek laserske svetlobe, ki se odbija od pozlačenega zgornjega dela ročice, premakne, kar zazna detektor, računalnik pa interpretira kot višji ali nižji del vzorca. Nato s pomikanjem konice po celotnem vzorcu dobimo celostno sliko površine.

 

Slike površine vzorcev, posnetih z mikroskopom na atomsko silo, so velikokrat prikazane v oranžno-rdečih barvnih odtenkih, medtem ko so slike z elektronskim mikroskopom v sivih odtenkih. Barve slik pri obeh tehnikah ne odražajo pravih barv vzorca, kot lahko to opazujemo z običajnim optičnim mikroskopom. Za lažjo interpretacijo slik računalniški programi pri obdelovanju slik, posnetih z mikroskopom na atomsko silo, uporabljajo umetno barvo. Višja področja vzorca so prikazana s svetlejšimi odtenki, nižja pa s temnejšimi odtenki oranžne barve. Človeško oko lažje razloči med živimi odtenki kot med izključno črno-belo sliko, zato z nepravimi barvami navidezno izboljšamo kakovost slike. Kot nam je še pojasnila sogovornica, današnja programska oprema uporablja najrazličnejše barvne palete, ki jih lahko sami prilagajamo in generiramo dvo- in tridimenzionalne slike.

 

Kako pa se sama instrumentacija mikroskopa na atomsko silo primerja z elektronskimi mikroskopi? Pomembna prednost je gotovo cena, saj zanj odštejemo od nekaj tisočakov do nekaj deset tisočakov, v primerjavi z nekaj milijoni za presevni elektronski mikroskop. Mikroskop na atomsko silo v nasprotju z elektronskimi mikroskopi omogoča merjenje tako na zraku kot v vakuumu in celo v tekočini. S tem omogoča merjenje lastnosti najrazličnejših vzorcev, od anorganskih materialov do molekul DNK. Mikroskop na atomsko silo, ki deluje na zraku, je namizne velikosti. Tako je precej manjši od presevnega elektronskega mikroskopa, ki v višino meri od dva do štiri metre. Elektronski mikroskop potrebuje tudi posebno, pred tresljaji izolirano sobo. Njegova instrumentacija je precej drugačna, saj potrebuje izvir elektronov, elektronske leče in posebne detektorje. 

 

Glavni deli mikroskopa na atomsko silo so tipalo s konico, izvor in detektor laserske svetlobe ter piezoelektrični skener oziroma podstavek za vzorec, ki se lahko premika v vseh treh dimenzijah z natančnostjo manj od stotinke nanometra. Konica je zelo pomemben del instrumenta, saj določa ločljivost mikroskopa. Majhna in ostra konica tipala v vsaki točki meri silo na zelo majhnem vzorcu. Teoretično bi največjo natančnost dosegli tako, da bi na vrhu konice imeli le en atom, vendar tega v praksi ni mogoče doseči. Idealno tipalo je inertno, s trdno konico, da preprečimo mehanske deformacije konice ali kemijske reakcije konice z vzorcem. Tipalo je zato narejeno iz silicija ali silicijevega nitrida. 

 

Pri meritvah lasersko svetlobo usmerimo na zgornji del ročice, ki je po navadi pozlačen, za boljši odboj svetlobe. Ko se ročica upogne zaradi interakcije konice z vzorcem, detektor, sestavljen iz štirih fotodiod, zazna razliko v poziciji odbitega žarka. Skener oziroma piezoelektrični podstavek nato vzorec premika v dveh dimenzijah z izjemno natančnostjo. To mu omogoča njegova glavna lastnost – piezoelektričnost. Takšni materiali imajo posebno notranjo strukturo, ki ob mehanski deformaciji inducira električno polje. Učinek pa je tudi obraten; če nanj priklopimo zunanje električno polje oziroma napetost, bo material spremenil obliko. Ker lahko napetost zelo natančno uravnavamo, lahko tudi zelo natančno deformiramo nosilec vzorca in ga tako premikamo. Ob koncu snemanja računalnik meritve sestavi v končno sliko površine.

 

O delovanju mikroskopa na atomsko silo smo povedali že veliko, vendar smo izpustili razlago enega izmed glavnih fizikalnih dejstev. Ime samega mikroskopa, na atomsko silo, se sliši skoraj znanstvenofantastično. Na kakšno atomsko silo deluje, mar ni atomskih sil več, ali niso izjemno močne? Odgovori so mešani, hkrati da in ne. Mikroskop na atomsko silo se ne ukvarja s silami, ki delujejo v samem atomu. 

 

Mikroskop na atomsko silo izkorišča interakcije med parom atomov. V splošnem lahko sile, ki delujejo med dvema atomoma, opišemo z Lennard-Jonesovo potencialno energijo. Predstavljajmo si dva atoma na veliki razdalji drug od drugega. Ker sta daleč narazen, med njima ni nobene privlačne ali odbojne sile. Nato pomikamo en atom proti drugemu. Počasi začnejo delovati privlačne sile, ki z zmanjšanjem razdalje postanejo močnejše, delovati pa začnejo tudi odbojne sile, dokler na neki razdalji ne dosežeta ravnovesja. Pravimo, da smo v minimumu potencialne energije med delcema. Če želimo atoma zdaj zbližati, bomo morali vnesti ogromno energije, saj začnejo prevladovati močne odbojne sile. Odbojne sile so pri majhnih razdaljah med delcema veliko bolj odvisne od te razdalje kot privlačne sile. 

 

»Uff, no, tole je bil spet en fizikalni zalogaj.« Pomembno je, da med atomi delujejo tako privlačne kot odbojne sile, odvisno od razdalje. Te sile delujejo med konico ročice mikroskopa in površino vzorca ter povzročajo odmik ročice od ravnovesne lege. Mednje sodijo van der Waalsove, elektrostatske, magnetne, kapilarne ter ionske odbojne sile. Mikroskop na atomsko silo lahko drži ročico bližje ali dlje od vzorca, zato poznamo tri glavne načine obratovanja. Katere, nam pojasni profesorica Uršič Nemevšek.

Izjava

Glavni načini obratovanja so torej kontaktni, potrkovalni oziroma v angleščini »tapping« način ter nekontaktni način. Kontaktni način deluje pri majhnih razdaljah v območju močnih odbojnih sil, potrkovalni način v območju med odbojnimi in privlačnimi silami, nekontaktni pa pri večjih razdaljah v področju privlačnih sil.

 

Z mikroskopom na atomsko silo ne oslikujemo le površine vzorca, vendar lahko merimo tudi različne fizikalne lastnosti. Profesorica Uršič Nemevšek nam pojasni, katere lastnosti lahko merimo z mikroskopom na atomsko silo.

Izjava 

Uporabnost mikroskopa na atomsko silo je zelo široka, od samega oslikovanja površine do različnih fizikalnih meritev, spreminjanja vzorcev na atomski ravni ter uporabe v industriji in medicini.

 

Z mikroskopom na atomsko silo, kot tudi s presevnim elektronskim mikroskopom in tunelskim mikroskopom, lahko dosežemo nanometrsko in tudi subnanometrsko oziroma atomsko ločljivost. Kako dosežemo atomsko ločljivost, nam pojasni profesorica Uršič Nemevšek.

Izjava

Sogovornica nadaljuje, da za meritve električnih lastnosti potrebujemo prevodno konico, ki deluje kot premikajoča se elektroda. Ker so konice narejene iz slabo prevodnega silicija, proizvajalci nanje nanesejo plast prevodnega materiala, kar naredi konico debelejšo in tako zniža ločljivost takšnih meritev glede na meritve topografije. Profesorica Uršič Nemevšek nadalje pojasni, katere pogoje moramo izpolniti, da lahko dosežemo atomsko ločljivost.

Izjava 

Začasno se vrnimo v običajne dimenzije in si privoščimo še en glasbeni premor.

 

VMESNI KOMAD: Kraftwerk - Airwaves

 

Pozdravljeni spet v oddaji Frequenza della scienza, kjer vas 89,3-milijonkrat na sekundo bombardiramo z aplikativno atomsko fiziko mikroskopa na atomsko silo. V tretjem delu oddaje bomo opustili strogo fizikalno ozadje delovanja in se usmerili v uporabnost mikroskopa na atomsko silo v raziskavah. Naša sogovornica je znova profesorica doktorica Hana Uršič Nemevšek, ki prihaja iz odseka za elektronsko keramiko Instituta Jožef Stefan. Pojasnila nam je, kaj je elektronska keramika in kako v praksi potekajo meritve z mikroskopom na atomsko silo.

Izjava

Sogovornica dodaja, da s sodelavci po svetu merijo tudi polimerne materiale, kovine in sestavljene materiale, kot sta kovina-keramika, polimer-keramika. Tehnika se zaradi cenovne dostopnosti in nedestruktivnosti uporablja za najrazličnejše vzorce, tudi viruse, bakterije, DNK in celo za merjenje sil med delci v tekočini. Profesorica Uršič Nemevšek opiše, katere meritve najpogosteje izvajajo v njihovem laboratoriju.

Izjava

Na kratko pojasnimo še pojma feromagnetičnosti in feroelektričnosti. Feromagnetiki na atomski ravni vsebujejo domene močnega magnetnega polja, zaradi različnih orientacij domen pa se magnetno polje izniči. Ko takšen material postavimo v zunanje magnetno polje, ga bo material precej ojačal. Zelo poenostavljeno si lahko predstavljamo, da bo magnet tak material močno privlačil ali odbijal. Najbolj znan feromagnetik je gotovo železo, iz latinskega poimenovanja ferrum izhaja tudi predpona fero. Feroelektriki delujejo podobno, močno se odzivajo na zunanje električno polje.

 

Skočímo še na področje ved o življenju ter uporabi mikroskopa na atomsko silo v raziskavah. V primerjavi z optično in elektronsko mikroskopijo ima mikroskopija na atomsko silo številne prednosti pri preiskovanju bioloških vzorcev. Uporaba optične mikroskopije je preprosta, je tudi široko dostopna, vendar je omejena z difrakcijsko mejo svetlobe in zato ne omogoča podrobnega opazovanja subceličnih struktur. Elektronska mikroskopija, ki ponuja subnanometrsko ločljivost, pa zahteva kompleksno pripravo vzorcev. Pri presevni elektronski mikroskopiji potrebujemo kovinske premaze in visok vakuum, kar lahko spremeni naravno strukturo in lastnosti bioloških vzorcev. Mikroskop na atomsko silo lahko oslikuje tudi neprevodne vzorce, deluje lahko pri običajnem zračnem tlaku ter tudi v tekočih vzorcih, kakršni so običajno biološki vzorci.

 

V splošnem se mikroskopija na atomsko silo uporablja za preiskovanje proteinov in njihovih interakcij z različnimi drugimi strukturami, kot so celične membrane ali DNK. Interakcije med proteini in DNK so kritičnega pomena za številne biološke procese, kot so podvajanje DNK in prepisovanje DNK v RNK ter nato sinteza novih beljakovin v celicah. 

 

Tradicionalne biokemijske analizne tehnike na osnovi elektroforeze in fluorescence merijo povprečne interakcije v množici proteinov, medtem ko mikroskopija na atomsko silo omogoča analizo na ravni posameznih molekul. Tako lahko natančno preiskujemo mehanizme sprememb pri določenem procesu. Danes obstaja tudi visokohitrostna različica mikroskopije na atomsko silo, ki lahko spremlja procese v realnem času. Tako lahko dobimo posamezne slike sicer zelo hitrega spreminjanja oblike bioloških molekul.

 

Zanimiva uporaba mikroskopa na atomsko silo je preiskovanje mehanizma vezave virusov na živalske celice. Preučevanje interakcij med virusi in celicami pri ločljivosti enega receptorja je izjemno zahtevno, zato so si raziskovalke in raziskovalci pomagali z mikroskopom na atomsko silo. Na konico ročice mikroskopa so pripeli modificiran virus stekline. Nato so s premikanjem ročice merili interakcijo virusa z živimi celicami in tako določili jakost interakcije med virusom in receptorjem ter hitrost vezave. Z matematičnim modelom interakcije med virusom in celico so lahko določili mehanizem vezave, ki je ključnega pomena za razumevanje, kako virus okuži organizem. 

 

Mikroskopija na atomsko silo pa je postala zanimiva tudi v onkologiji. Mehanske lastnosti celičnih membran vplivajo na procese tako v zdravih kot tumorskih celicah. Mikroskopija na atomsko silo lahko brez poškodb vzorca določa mehanske parametre celičnih membran z visoko ločljivostjo. Znanstvenice in znanstveniki so pokazali, da lahko z meritvami mehanskih parametrov, kot je elastičnost celičnih membran, razločijo med zdravimi in rakavimi živčnimi celicami. Hkrati lahko s to tehniko ugotavljamo fazo rakavih obolenj. Uporaba umetne inteligence pri analizi podatkov lahko natanko določi fenotip celice in delno tudi dogajanje v njej. Celično smrt je mogoče napovedati z merjenjem elastičnosti celičnih sten, saj te pred smrtjo postanejo bolj rigidne. Diagnostika z mikroskopijo na atomsko silo še ni široko uveljavljena, vendar se že razvijajo standardizirani postopki za učinkovito uporabo v praksi.

 

Mikroskopija na atomsko silo ni le tehnika za opazovanje nevidnega sveta, združuje tudi ogromno drugih tehnik in znanstvenih področij, to zmorejo le redke druge tehnike. Od oslikovanja površine vzorca in merjenja mehanskih lastnosti do specialnih fizikalnih meritev in uporabe v medicini.  

 

V oddaji smo se mnogokrat zazrli v preteklost, ob koncu oddaje pa se zazrimo še v prihodnost. Mikroskopija na atomsko silo, ki je stara manj kot 40 let, je napredovala izjemno hitro. Kako, nam pojasni profesorica Uršič Nemevšek.

Izjava

 

 

Na atomsko raven se je vrgel Luka.

Urednikoval je Oskar.

Lektorirala je Katarina.

Brala sva Čeh in Patrik.

Tehniciral je Oli.

 

Viri:

JAMES H. CASSEDY, John L. Riddell's Vibrio biceps: Two Documents on American Microscopy and Cholera Etiology 1849–59, Journal of the History of Medicine and Allied Sciences, Volume XXVIII, Issue 2, April 1973, Pages 101–108, https://doi.org/10.1093/jhmas/XXVIII.2.101

University of Utah. (n.d.). Electron microscopy. Advanced Microscopy Facility. https://advanced-microscopy.utah.edu/education/electron-micro/