Nowa technika mikroskopowa – szansa dla rozwoju naukiCzas czytania: 5 min

Bartosz Bagrowski

2021-06-13
Nowa technika mikroskopowa – szansa dla rozwoju nauki<span class="wtr-time-wrap after-title">Czas czytania: <span class="wtr-time-number">5</span> min </span>

Mikroświat, na który składają się pojedyncze komórki (np. mikroorganizmy jednokomórkowe) oraz ich skupiska (np. tkanki), jest możliwy do uchwycenia dzięki rozwojowi technik mikroskopowych. Mikroskopy, jako precyzyjne i dokładne narzędzia badawcze, stanowią ważny element rozwoju nauki, szczególnie w zakresie biologii, chemii, biofizyki, biochemii czy techniki i inżynierii materiałowej. Pierwsze mikroskopy z XVI wieku były w stanie przybliżyć oglądany obiekt jedynie 10-krotnie, co pozwalało na dostrzeżenie detali określonych przedmiotów, ale nie stanowiło istotnego naukowego przełomu. XVII-wieczne mikroskopy umożliwiły już oglądanie żywych komórek, np. erytrocytów czy pierwotniaków, co dało początek takim dyscyplinom naukowym, jak cytologia czy mikrobiologia. Pod koniec XVIII wieku dzięki technikom mikroskopowym było możliwe dostrzeżenie niektórych struktur komórkowych, zaś na początku XX wieku dzięki mikroskopom zaobserwowano również detale tych struktur, a jednym z przełomowych odkryć było wykazanie przez Thomasa H. Morgana, że chromosomy są nośnikami genów. W technologii materiałowej zaś techniki mikroskopowe pozwoliły na obserwację struktur materiałów i opracowanie doskonalszych stopów metali wykorzystywanych w przemyśle. Ważnym przełomem w rozwoju technik mikroskopowych było wynalezienie w 1931 roku mikroskopu elektronowego, który w biologii umożliwił obserwację najmniejszych struktur organelli komórkowych (np. odkrycie podwójnej helisy DNA), zaś w technologii stanowił podstawę rewolucji krzemowej, bowiem możliwe stało się szczegółowe badanie jakości wykonywanych struktur w półprzewodnikach. Kolejnym ważnym etapem w rozwoju mikroskopów był rok 1982, kiedy to skonstruowano pierwszy skaningowy mikroskop tunelowy, który nie rejestruje fizycznej topografii próbki, ale dokonuje pomiaru obsadzonych i nieobsadzonych stanów elektronowych. Mikroskop taki umożliwia otrzymanie obrazu ze zdolnością rozdzielczą rzędu pojedynczego atomu. Pozwala więc na badanie różnych właściwości materii w skali nanometra1.

Obecnie dostępne na rynku mikroskopy posiadają ogromne możliwości obserwacji mikroświata, dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych technologii optycznych. Pozwala to na rozwój poszczególnych gałęzi technologii oraz nauk przyrodniczych. Postęp w mikroskopii najprawdopodobniej odegra kluczową rolę w rozwoju nanotechnologii – dziedziny, która potencjalnie może znaleźć zastosowanie praktycznie w każdej dziedzinie życia, m.in. w medycynie, architekturze, krystalografii, informatyce czy przemyśle spożywczym2.

Na łamach czasopisma „Nature” ukazał się artykuł pt. Quantum-enhanced Nonlinear Microscopy [Mikroskopia nieliniowa wzmocniona kwantowo], w którym autorzy zauważają, że wydajność mikroskopów świetlnych jest ograniczona stochastyczną naturą światła3. Ta losowość w czasie wykrywania fotonów może wprowadzać szum w czułości lub rozdzielczości obrazu mikroskopowego4. Choć problem ten próbuje się rozwiązywać, zwiększając natężenie światła, to jednak wykazano, że nie jest to najefektywniejsza metoda w przypadku badania żywych systemów, bowiem energia towarzysząca emisji tak intensywnego światła może poważnie zakłócać procesy biologiczne. Uczeni jednak prezentują w sposób eksperymentalny, że obrazowanie biologiczne można poprawić nie zwiększając natężenia światła, a stosując światło w stanie splątanym, czyli kwantowe skorelowanie układy fotonów. Według autorów taki rodzaj mikroskopii pozwala na obrazowanie wiązań molekularnych w komórce z aż 35% większym stosunkiem sygnału do szumu w porównaniu z konwencjonalną mikroskopią. Prezentowana metoda pozwala na obserwację struktur biologicznych, które w warunkach konwencjonalnej mikroskopii nie zostałyby zaobserwowane, gdyż uległyby fotouszkodzeniom. Jak sami autorzy zauważają, ich praca pokazuje, że możliwe jest w obrazowaniu przekroczenie granicy fotouszkodzeń oraz przede wszystkim poprawa o rząd wielkości stosunku sygnału do szumu, a także szybkość obrazowania5.

Prezentowana metoda obrazowania optycznego jest zdolna do generowania map tkanek biologicznych w wysokiej rozdzielczości bez konieczności stosowania barwników fluorescencyjnych oraz przy zachowaniu integralności próbek biologicznych. Wskazuje to więc na wysokie możliwości wykorzystania światła kwantowego w metodach obrazowania optycznego6, a to prawdopodobnie zmieni technikę mikroskopii na lepsze oraz może stanowić istotny element w rozwoju nanotechnologii.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 13.06.2021

Przypisy

  1. Por. B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, Looking at the Structure of Cells in the Microscope w: B. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell – 4th Edition, New York 2002 [dostęp 09 VI 2021]; L.A. Pray, Discovery of DNA Structure and Function: Watson and Crick, „Nature Education” 2008, Vol. 1, No. 1, s. 100 [dostęp 09 VI 2021]; C.S. Goldsmith, S.E. Miller, Modern Uses of Electron Microscopy for Detection of Viruses, „Clinical Microbiology Reviews” 2009, Vol. 22, No. 4, s. 552-563 [dostęp 09 VI 2021]; A. Helden, S. Dupré, R. Gent, The Origins of the Telescope, Amsterdam 2010, s. 31-45; B.A. Schreiber, History of Optical Microscopes, „Encyclopedia Britannica” 2020 [dostęp 09 VI 2021].
  2. Por. American Technion Society, Nano Bible: Entire Old Testament Written On A Pinhead, „ScienceDaily” 2007 [dostęp 09 VI 2021]; Nanocząsteczki na widelcu, „Parlament Europejski” [dostęp 09 VI 2021]; D. Głód, M. Adamczak, W. Bednarski, Wybrane aspekty zastosowania nanotechnologii w produkcji żywności, „ŻYWNOŚĆ. Nauka. Technologia. Jakość” 2014, t. 5, nr 96, s. 36-52 [dostęp 09 VI 2021]; A. Skubis, Nanotechnologia w medycynie, „E-biotechnologia.pl” 2014 [dostęp 09 VI 2021]; G. Bacher, Nanocrystals Form A Superfluorescent Lattice Mimicking The Atomic Structure of Perovskite Materials, „Nature: News ans Views” 2021, No. 593, s. 513‒514 [dostęp 09 VI 2021].
  3. Stochastyczna (losowa) natura światła przejawia się przede wszystkim w jego dualizmie korpuskularno-falowym, co oznacza, że fotony (cząstki światła) posiadają zarówno cechy cząstek (foton należy do grupy cząstek elementarnych nazywanej bozonami), jak i fali elektromagnetycznej (rozchodzi się w przestrzeni zaburzając pole elektromagnetyczne).
  4. Por. M.A. Taylor, W.P. Bowen, Quantum Metrology and its Implication in Biology, „Physics Reports” 2016, Vol. 615, s. 1‒59 [dostęp 09 VI 2021].
  5. Por. C.A. Casacio et al., Quantum-enhanced Nonlinear Microscopy, „Nature” 2021, Vol. 594, s. 201-206 [dostęp 09 VI 2021].
  6. Por. E.O. Potma, Squeezed Light Improves Sensitivity of Microscopy Technique, „Nature: News and Views” 2021, Vol. 594, s. 180‒181 [dostęp 09 VI 2021].

Literatura:

  1. Alberts B., Johnson A., Lewis J., Looking at the Structure of Cells in the Microscope, w: B. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell 4th Edition, New York 2002 [dostęp 09 VI 2021].
  2. American Technion Society, Nano Bible: Entire Old Testament Written On A Pinhead, „ScienceDaily” 2007 [dostęp 09 VI 2021].
  3. Bacher G., Nanocrystals Form A Superfluorescent Lattice Mimicking The Atomic Structure of Perovskite Materials, „Nature: News ans Views” 2021, No. 593, s. 513‒514 [dostęp 09 VI 2021].
  4. Casacio C.A. et al., Quantum-enhanced Nonlinear Microscopy, „Nature” 2021, Vol. 594, s. 201‒206 [dostęp 09 VI 2021].
  5. Głód D., Adamczak M., Bednarski W., Wybrane aspekty zastosowania nanotechnologii w produkcji żywności, „ŻYWNOŚĆ. Technologia. Jakość” 2014, t. 5, nr 96, s. 36‒52 [dostęp 09 VI 2021].
  6. Goldsmith C.S., Miller S.E., Modern Uses of Electron Microscopy for Detection of Viruses, „Clinical Microbiology Reviews” 2009, Vol. 22, No. 4, s. 552-563 [dostęp 09 VI 2021].
  7. Helden A., Dupré S., Gent R., The Origins of the Telescope, Amsterdam 2010, s. 31-45.
  8. Nanocząsteczki na widelcu, „Parlament Europejski” [dostęp 09 VI 2021], Pray L.A., Discovery of DNA Structure and Function: Watson and Crick, „Nature Education” 2008, Vol. 1, No. 1, s. 100 [dostęp 09 VI 2021].
  9. PotmaO., Squeezed Light Improves Sensitivity of Microscopy Technique, „Nature: News and Views” 2021, Vol. 594, s. 180‒181 [dostęp 09 VI 2021].
  10. Schreiber B.A., History of Optical Microscopes, „Encyclopedia Britannica” 2020 [dostęp 09 VI 2021].
  11. Skubis A., Nanotechnologia w medycynie, „E-biotechnologia.pl” 2014 [dostęp 09 VI 2021].
  12. Taylor M.A., Bowen W.P., Quantum Metrology and its Implication in Biology, „Physics Reports” 2016, Vol. 615, s. 1‒59 [dostęp 09 VI 2021].

Dodaj komentarz



Najnowsze wpisy

Najczęściej oglądane wpisy

Wybrane tagi