Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Mikroskop s dvojitým řádkováním

Jeho zrození před čtyřiceti lety
 |  15. 3. 2004
 |  Vesmír 83, 6, 2004/3

Jak už to bývá, vynález mikroskopu s dvojitým řádkováním 1) byl vlastně dílem náhody, přestože k němu směřoval celý můj odborný vývoj již od mládí. Asi v roce 1962 byl Jan Bureš na velké cestě po obou Amerikách a na Yaleově univerzitě se ho Robert Galambos ptal, zda by nevěděl o někom, kdo by mu pomohl s mikroskopováním v mozku živých zvířat. Bureš mu doporučil mne a já jsem Galambosovi napsal, že přijedu rád a jistě mu budu umět pomoci. Když jsem dorazil a pustil se do díla, mohl jsem výsledek vyjádřit Haškovými slovy: „…mnozí se těšili na jelita, leč nedostalo se na ně ni špejlí.“

Při osvětlení shora (skrz optiku mikroskopu) byl „suchými“ objektivy vidět jen lesk odrazů od vlhkého povrchu a vodní imerzí jen všeobecné růžovo, připomínající pohled z dálky na dámské prádlo. Nepomohly ani chytrosti z literatury o použití polarizovaného či jednobarevného světla. Zkoušel jsem zvláštní objektivy, např. Leitzovy Ultropaky, kde se osvětluje velmi šikmými paprsky a k zobrazení se využívají pouze paprsky odražené blízko k optické ose. Pomohlo to jen málo, ale všiml jsem si, že kontrast obrazu, tj. viditelnost vůbec nějakých podrobností v struktuře objektu, záleží na velikosti, či vlastně na „malosti“ pole. Čím bylo osvětlené pole menší, tím více podrobností se v něm dalo rozeznat, jenže se nepoznalo, k čemu ty podrobnosti patří. Cesta tudy vedla i nevedla.

Kdybych se snažil pomoci si řádkováním a ono maličké osvětlené políčko rychle přemísťoval po celém zorném poli, které je vidět v okuláru, sotva by to pomohlo, protože nějaké rozptýlené světlo je okolo osvětleného políčka neustále, zatímco obraz nějakého bodu se tvoří jen nepatrný čas, tím kratší, čím menší světelnou skvrnou objekt osvětlujeme. Kdyby prořádkování obrazu malou světelnou stopou trvalo jednu sekundu a tato stopa byla tisícinou celého pole, obraz jednoho místečka by se tisícinu sekundy vylepšoval a 999 tisícin sekundy zase kazil. Čekal jsem, až mě osvítí Duch svatý a poradí mi jak se zbavit toho, co se děje po většinu času, a jak zachovat jen to důležité, co trvá tak krátce. Ten se však dlouho k ničemu neměl, až konečně mě napadlo: Když na tom, co se děje okolo, nezáleží, tak „okolo“ přikryjeme a bude to. Ale čím? Vzpomněl jsem si na Nipkowův kotouč (1884) z počátků televize, a tak se mi za horké srpnové noci 1964 zjevila idea našeho mikroskopu v podstatě již hotová. Se šéfem jsem vyjednal, že začnu doma – za těch pár dní, co zbývaly do mého odjezdu, bych už stejně nic neudělal – a on mi pošle vše, co u nás nelze sehnat. Až budu připraven, přijedu znova. Tak se také stalo.

Doma to však tak rychle nešlo, musel jsem učit, zvolili mě proděkanem a dali mi na starost vědeckou práci ústavů, klinik, profesorů, asistentů, ba i studentů. Za spolupracovníka na mikroskopu jsem si vybral nejmladšího asistenta MUDr. Milana Hadravského, jenž se nesmírně osvědčil. Patří do rodu „kovolékařů“ – kromě medicíny se vyznal nejen ve fyzice, matematice a deskriptivní geometrii, ale také v řemeslné práci s kovem i sklem a v konstrukci přístrojů. Pomohlo mi i mnoho přátel, k jejichž vyjmenování tu chybí místo.

Když „to“ bylo zhruba vymyšleno, muselo se vyzkoušet, zda vše bude fungovat a zda stojí za to zabývat se tím důkladně a vytrvale. Bylo štěstí, že jsem si ukousl jen tolik, kolik jsem byl schopen strávit. Především to byla volba řádkování Nipkowovým kotoučem, která mi umožnila zachovat formu mikroskopu osvědčenou staletími a při zkouškách použít jeho hotové díly. Začali jsme rozmýšlením geometrie. Bylo třeba použít běžné součástky mikroskopů, a tedy i jejich míry. Když se máme dívat na mozkovou kůru, musí ležet osvětlení i zobrazení na téže straně pozorovaného objektu. Proto potřebujeme dva mikroskopy se společným objektivem, který bude do objektu „svítit“ pohybující se světelnou skvrnou. Zároveň bude světlem, jež se od objektu odrazilo, zobrazovat jeho osvětlenou část opět do obrazového pole. Z obrazového pole musíme pro pozorování okem propustit jen to světlo, které vytváří obraz pouze této skvrny, této malé části předmětové roviny, tj. světlo, které se odrazilo právě jen od objektů ležících tam, kam se světelná skvrna ostře zobrazila. Zároveň musíme potlačit valnou většinu světla rozptýleného, zbloudilého. Mělo by to jít, neboť předem víme, kde bude osvětlující ostrá stopa, a protože známe geometrii našeho zobrazování, víme také, kde bude obraz této stopy. Tam můžeme dát stínítko s dírkou, kterou projde pouze to světlo, jež do obrazu patří. Vše ostatní zadrží plech okolo.

Zároveň jsem studoval teorii optického obrazu a podle ní mělo být (za týchž okolností) rozlišení ve vymýšleném mikroskopu zhruba jedenapůlkrát lepší než v klasickém. Odtud jsem odvodil, že pro využití teoreticky možného rozlišení v praxi by měl mít Nipkowův kotouč průměr šest metrů a otočit se desetkrát za sekundu, což byl samozřejmě nesmysl. Protože většina škodlivého rozptýleného světla přichází do nejbližších míst obrazového bodu, stačí zaclonit úplně jen jeho poměrně blízké okolí (ve vzdálenějším okolí obrazového bodu už stejně žádné škodlivé světlo není) a hned blízko umístit další dírky. Ty se nerozmístí jen na jednu dvojici spirál (kde se dírkou v jedné spirále osvětlí bod na objektu a světlo zde odražené projde dírkou ležící na druhé spirále), nýbrž na mnoho takových dvojic, třeba sto. Tím se stokrát zmenší obvod i průměr kotouče. V zorném poli nebude jeden bod obrazu, nýbrž 100 × 100 bodů, to znamená, že budeme mít desetitisíckrát jasnější obraz a (snad) bude stačit, když budeme svítit jen žárovkou. Bohužel to ale nevyšlo.

Potíže nám působilo poloodrazné zrcadlo. Tlusté by vnášelo astigmatizmus, tenké by zdvojovalo obraz, kdyby bylo úhlopříčnou rovinou v krychli (řešení v praxi nejobvyklejší), odráželo by se světlo i na plochách krychle kolmých k optické ose a podstatně by snižovalo kontrast. Kdybychom chtěli kontrast udržet, museli bychom zavést polarizaci, zkřížené polarizátory a čtvrtvlnovou destičku pod objektivem (jako u polarizačního mineralogického mikroskopu) a jas obrazu by klesl na méně než desetinu původního. Pro začátek jsme se rozhodli nesvítit žárovkou, nýbrž sluncem. Kde jsme ho ale měli v listopadu 1965 sehnat? Za podpory fyziků a astronomů jsme se i s mikroskopem vydali na týden do hvězdárny na Lomnickém štítě. Mikroskop tam obstál znamenitě a od té doby s ním nejen pracujeme, nýbrž jej stále zdokonalujeme. Občas se i něco vyrobí a prodá, občas ho vyrobí i někdo v cizině (patenty dávno prošly).

Mikroskopu velmi uškodilo, že mi (podobně jako mnoha jiným) naši milí držitelé moci asi na čtrnáct let zakázali publikační činnost. Ve světě to vzbudilo dojem, že mlčíme, protože naše cesta je slepá, a tak hledali jiní a našli jiné cesty. Neosvětlují žárovkou a tisíci svítících bodů, ale jediným bodem, který svítí mnohem intenzivněji – laserem. Obraz se pak musí skládat mnohem pomaleji, za pomoci počítače. Výhody našeho řešení byly: rychlost, celé viditelné spektrum a blízké oblasti infračerveného a ultrafialového světla, prostorové zobrazení (vlastně tedy čtyřrozměrné), snadná možnost rychlé mikromanipulace, podstatný rozdíl v ceně investice, a hlavně v nákladech na provoz a šetrnost v pozorování živých objektů (jejich slabší ozařování). Domnívám se, že zmíněné výhody našemu přístroji dovolí, aby se vrátil na trh (např. i do oční medicíny), jakmile se trochu zlevní poslední generace elektronických zesilovačů obrazu a některý výrobce mikroskopů si to uvědomí.

Rád bych upozornit mládež, která touží vydat se na tvrdou cestu objevů, že objevy nejde naplánovat. Nepodařilo se to ani nám, ač jsme museli stále pracovat pod tlakem mocipánů. Něco objevit se podaří pouze tam, kde jste odborníkem. Povede se to tím spíše, čím méně jiných odborníků pracuje ve vašem specializovaném oboru a čím lépe budete rozumět souvislostem svého oboru s obory jinými, jednak příbuznými, jednak podobnými třeba používaným aparátem. Nesnažte se naskočit do jedoucího expresu, stihnete leda tak poslední vagon. Když na něco slibného přijdete, nebuďte líní učit se pomocné obory, metodiku, bez níž se nehnete z místa, a učte se i obyčejně pracovat rukama, abyste metodiku uvedli v život.

Celé své dobrodružství jsem v tomto vyprávění nemohl vylíčit, ale uvedu aspoň příklad: Kvůli děliči paprsků se stěnami kolmými k ose jsme museli zavést polarizaci a obětovat víc než 90 % světla. Přitom existovala i jiná cesta – šikmé polopropustné zrcadlo „neomezeně“ tenké, ale přesto dokonale rovinné a pevné. Kvůli tomu, abych je vyrobil, jsem se naučil štípat slídu na tenké listy (0,005 mm) a napínat je do roviny, tmelit na prsteny, pokrývat je poloodraznými vrstvami (ty se dnes z České republiky exportují i pro úplně jiné účely).

Poznámky

1) Anglicky Tandem Scanning Microskope (TSM), o jeho vlastnostech viz Vesmír 76, 616, 1997/11.
OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Mikroskopie

O autorovi

Mojmír Petráň

Prof. MUDr. Mojmír Petráň, CSc., (*1923) vystudoval Lékařskou fakultu UK v Praze, ve Fyziologickém ústavu ČSAV se věnoval elektrofyziologii, s Burešem a Zacharem vydal „Electrophysiological methods...“, jež vyšly třikrát anglicky, rusky, čínsky, japonsky, vedl Katedru biofyziky Lékařské fakulty UK v Plzni. R. 1964 vynalezl a s Hadravským patentoval a vyrobil první používaný konfokální mikroskop, na jehož vývoji tu se spolupracovníky stále pracuje. Je čestným členem Royal Microscopical Society v Oxfordu.

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné