Kde se elektronové
mikroskopy používají?

Očkování v jisté formě existovalo dlouho předtím, než jsme pořádně pochopili, jak vlastně funguje. Dříve bylo běžné, že se lidé záměrně stýkali s nakaženým a doufali, že prodělají nemoc s lehčím průběhem. To jim mělo poskytnout imunitu do budoucna. Po staletí se takto bojovalo například s neštovicemi.

Základním stavebním kamenem většiny moderních vakcín jsou zcela nebo částečně inaktivované virové částice, které po vstupu do těla vyvolávají požadovanou imunologickou reakci a tvorbu protilátek. Avšak i tento postup má své limity. Viry se totiž neustále mění a mutují. Jako příklad si můžeme vzít vir klasické chřipky. Kvůli jeho vysoké schopnosti mutovat musí být vakcíny každoročně upravovány. Jiné viry navíc nevyvolávají vhodnou imunitní odpověď – vir HIV místo toho poškozuje a ničí samotné imunitní buňky.

Nové vakcíny tak musí zvolit jiný – přesnější a cílenější – přístup. Moderní elektronové mikroskopy jsou schopny zobrazit právě ty části viru, na které se váží protilátky. Když je potenciální antigen identifikován a izolován, lze v něm provést strukturní změny, které vedou k lepší imunitní odpovědi. Výsledná molekula je pak podávána ve formě vakcíny, která připravuje tělo na souboj s celým virem.

Tento postup je možný pouze díky kryo-elektronovému mikroskopu, který umožňuje pozorovat hluboce zamražené vzorky, které tak zůstávají ve svém původním stavu. Výzkumníkům se díky tomu otevírají dveře do složitých biologických interakcí, jejichž pochopení vede k tomu, že lidstvo dokáže úspěšně bojovat s takovými nemocemi, jako je horečka ZIKA nebo Covid.

Příští generace léků budou efektivnější, přesnější, přizpůsobitelnější a budou mít minimální vedlejší účinky. V nemalé míře se o to zasluhují kryo-elektronové mikroskopy, které vědcům poskytují vhled do nitra buněk a umožňují jim pochopit jejich fungování na atomární úrovni. Díky tomu můžeme léky mnohem lépe zacílit, aby působily přesně tam, kde mají.

Právě interakce mezi lékem a jeho cílem je jedním z nejkritičtějších aspektů moderní farmacie. Zároveň se tento proces velmi obtížně zkoumá.

Jednak je to dáno tím, že struktura molekuly, která je odebrána z buňky ke studiu, se v důsledku vystavení vnějšímu prostředí začne takřka ihned měnit. A za druhé vnější prostředí způsobí, že nejde s jistotou poznat, jestli lékový kandidát neinteraguje ještě s jinými nepředvídanými procesy v buňce. Klíčem je tedy zajistit, aby vzorek zůstal ve svém původním stavu. Jenom tak jsme schopni předejít nežádoucím nebo dokonce nebezpečným následkům pro pacienta.

Kryo-elektronová mikroskopie nám naštěstí umožňuje pozorovat hluboce zamražené vzorky, jejichž teplota se pohybuje okolo -196 °C. Díky tomu si biologický materiál uchovává svou původní strukturu a výzkumníci jsou schopni pozorovat i jednotlivé procesy a chování v buňce. Tyto klíčové informace nejenže zlepšují design léků, ale také urychlují celkový proces vývoje a výroby nových léčiv. Kryo-elektronová mikroskopie také pomáhá s kontrolou kvality dnes produkovaných léčiv.

V útrobách elektronového mikroskopu najdeme vakuum, které je nezbytné pro správný pohyb elektronů. Vakuum se však nehodí pro biologické vzorky, které často obsahují vodu a další látky, které se ve vakuu snadno vypařují.

Stejně jako při vývoji moderních léčiv je nutné biologické vzorky v oblasti potravin pozorovat v jejich přirozeném prostředí. Pomocí kryo-elektronové mikroskopie můžeme vzorky velmi rychle zamrazit a uchovat tak jejich vnitřní strukturu, která by se jinak při kontaktu s vakuem a urychlenými elektrony změnila.

Environmentální skenovací elektronový mikroskop (eSEM) pak nepracuje s tak nízkými tlaky v oblasti vzorku jako ostatní mikroskopy a umožňuje je pozorovat pod výrazně vyšším tlakem, který může dosahovat až několika tisíc pascalů. Díky tomu zůstávají ve vzorku látky, jako jsou tuky nebo voda. Ba co víc – živý organismus může pozorování pod elektronovým mikroskopem dokonce přežít.

Díky těmto technologiím můžeme kontrolovat kvalitu potravin mnohem důkladněji než pouhým okem. Lépe tak předcházíme takovým problémům, jako jsou například plísně. S elektronovými mikroskopy zjistíme, kdy a kde dochází k případné nákaze a můžeme tak učinit kroky, které vedou ke snížení potravinového odpadu. Je pochopitelné, že s neustále vyšším počtem lidí na Zemi rostou i nároky na produkci potravin, a jednotliví výrobci se snaží zajistit co možná nejvyšší efektivitu.

Od pochopení základních buněčných procesů až po studium nových živočišných druhů. Elektronové mikroskopy se využívají v nejrůznějších biologických oborech. Biologové s elektronovými mikroskopy zkoumají jednotlivé buňky a způsoby jejich uspořádání do orgánů a tkání. Díky jejich výzkumům například víme, jak se šíří bakteriální infekce nebo proč naše tělo někdy odmítá externí implantát, jako může být katetr nebo protéza.

Strukturální biologové jdou ve svých výzkumech ještě dál. S elektronovými mikroskopy nahlížejí do nitra samotných buněk a zkoumají jejich složení, jednotlivé organely nebo struktury proteinů. Často se přitom dostávají až na atomární rozlišení.

Na opačném konci stojí studium velkých vzorků. Archeologové studují s elektronovými mikroskopy vzácné artefakty nebo zkameněliny. Zoologové se dívají na drobné živočichy, botanici pozorují části rostlin.

Displeje jsou běžnou součástí našeho života. V průběhu posledních deseti let dochází k přechodu od standardních LCD displejů k technologii OLED a objevují se i další novinky, jako například micro LED. Stále rostoucí nároky na rozlišení, hustotu bodů, svítivost, spolehlivost a kvalitu jsou motorem pro další inovace.

Společně s tím, jak se zvyšuje rozlišení displejů, roste potřeba vysoce přesné metrologie. Prosím, neplést s meteorologií! :) Metrologie je odborný termín pro velmi přesné měření na úrovni nanometrů. Během vývoje a výroby moderních displejů je totiž nutné měřit a kontrolovat základní desku i světelné jednotky v podélném i svislém směru. Taková kontrola přitom musí být vysoce automatizovaná a jednoduše opakovatelná, aby nenarušovala chod výroby.

Moderní elektronové mikroskopy typu FIB-SEM v sobě kombinují elektronový a iontový či laserový svazek. Právě díky iontům, které jsou výrazně hmotnější než elektrony, jsou tyto přístroje schopné s chirurgickou přesností odebírat ze vzorku tenké lamely, které se následně přemístí do transmisního elektronového mikroskopu. Je tak možné odhalovat vady materiálu nebo kontaminaci mikročásticemi, které by v klasickém optickém mikroskopu nebyly patrné. V případě použití laseru je rychlost odprašování materiálu ještě mnohem vyšší, a tak jsou elektronové mikroskopy schopny prořezat se skrz objem mikročipu v řádu několika krychlových milimetrů blízko k místu potenciálního defektu, který jsou potom schopny analyzovat se sub-nanometrovým rozlišením.

Mikročipy najdeme takřka v jakékoli moderní elektronice. Konstrukce polovodičových zařízení je stále komplexnější a jednotlivé transistory, ze kterých jsou čipy tvořeny, se zmenšují. Hustota transistorů neustále roste a to vede k využívání 3D architektury, která sice umožňuje získat ze stejné plochy čipu vyšší výkon, na druhou stranu se tím však komplikuje výroba. Ta se přitom nesmí ani na sebemenší chviličku zastavit, protože každá minuta stojí stovky tisíc dolarů.

Moderní mikročipy jsou vyráběny na tzv. waferu. Ten si můžeme představit jako velkou desku monokrystalického křemíku nebo jiného polovodiče s poloměrem až 30 cm, která se následně rozřeže na mnoho malých kousků, z nichž každý obsahuje jednu kopii polovodičového obvodu. Každý z těchto kusů se nazývá čip. Pro jednoduchou a bezpečnou manipulaci a zapojení na desku plošných spojů se čipy obvykle umisťují do různých typů ochranných pouzder.

Výroba výsledného čipu je však mnohem složitější a sestává z několika stovek standardizovaných kroků. Sebemenší závada v kterémkoli z těchto kroků má za následek zpomalení výroby a finanční ztráty. V případě nejmodernějších čipů může výrobní proces zabrat i několik měsíců.

Výrobci polovodičů používají elektronové mikroskopy pro optimalizaci všech kroků výroby a taktéž kontrolují průběžnou kvalitu čipu v kritických krocích výroby. Důležité je přitom říct, že i samotná kontrola v elektronovém mikroskopu stojí čas a peníze. Elektronové mikroskopy pro polovodičový průmysl tak musí být do značné míry automatizované, některé z nich dokonce umožňují kontrolovat vcelku i samotný wafer.

Vzpomenete si, jakou paměť měla vaše SD karta před 10 lety? Pravděpodobně to byly stovky megabajtů. Dnes se kapacita karet dostává k jednomu terabajtu, tedy hodnotám milionkrát vyšším. Kapacita počítačových pamětí roste exponenciálně.

Díky čemu jsme schopni umístit tak obrovské množství dat do malé plochy čipu? Odpovědí je architektura, při které jsou paměťové transistory umístěny ve vrstvách nad sebou. Počet těchto vrstev se v současné době blíží k počtu od 176 do 256. Vizí je přitom dosažení více než 1000 vrstev.

Opravdovou výzvou v procesu výroby takové paměti je proces tvoření kanálu pro uložení náboje reprezentující jeden bit paměti pro každý jednotlivý tranzistor ve vrstvě, přičemž tento kanál se leptá skrze všechny vrstvy. Průměr takového kanálu se pohybuje v desítkách nanometrů, ale jeho výška je v jednotkách mikrometrů. Takovýto poměr stran nemá v přírodě ani jiných výtvorech člověka konkurenci. Elektronové mikroskopy proto hrají v procesu výroby paměti klíčovou roli, protože generují metrologická data, která slouží ke kontrole stability procesu výroby.