Jak záření ve vodním okně využít v biologii?

Při zkoumání struktury organických vzorků je nejdůležitější, aby zůstala zachována povaha buněk. Na elektronovém mikroskopu, ale i v jiných přístrojích bývá vzorek umístěn ve vakuu. Za nízkého tlaku by voda začala v buňkách ihned vřít, a tím by je poškodila. Tomu lze zabránit zmrazením, a má-li se předejít krystalizaci vody v buňkách, je nutné ochladit preparát co nejrychleji. (Pozn. rec.: V posledních letech se situace trochu zlepšila díky vynálezu enviromentálního elektronového mikroskopu, který otevřel nové možnosti. Např. ve firmě Delong Instruments v Brně byl vyvinut a je vyráběn rastrovací elektronový mikroskop pracující s mírným vakuem a urychlovacím napětím pouze několik kV. To umožňuje elektronovou mikroskopii i neupravených biologických vzorků.)

Další překážkou pro zkoumání mikroskopické struktury organických vzorků obsahujících vodu je absorpce záření v oblasti kratších vlnových délek, než má viditelné světlo. V tom směru jsou pro experimentální biology atraktivní zdroje XUV záření (x-ray ultra violet) pracující v oblasti vodního okna – tj. v intervalu vlnových délek od 2,3 nm do 4,4 nm (na rozhraní ultrafialového a rentgenového záření). Proteiny v buňkách obsahují zejména uhlík, dusík, kyslík a vodík. XUV záření ve vodním okně pohlcuje hlavně uhlík a dusík, ale nikoli kyslík a vodík. Proto je voda v tomto intervalu poměrně propustná, což nabízí možnost kontrastně pozorovat vlastnosti proteinů na pozadí živých buněk (tedy té části buněk, která je složena převážně z vody).

Během experimentů provedených na Univerzitě v Haifě byly použity zdroje, které intenzivně vyzařují právě v oblasti vodního okna. Posloužil k tomu výboj v kapiláře plněné dusíkem neboli „kapilární pinč“. Keramická kapilára o délce několika cm se naplní vhodným plynem o nízkém tlaku, a když se k otvorům kapiláry přivede vysoké napětí, proběhne uvnitř elektrický výboj. Stlačením (pinch = sevření, stisknutí) plazmatu vzroste v kapiláře teplota i tlak. Asi půl mikrosekundy je plazma zdrojem intenzivního záření. Za vhodných podmínek může dojít dokonce k stimulované emisi, a tím k laserové akci. Na tomto principu již funguje řada zdrojů po celém světě, nicméně se zatím nikomu nepodařilo dosáhnout stimulované emise ve vodním okně.

V nově vzniklé laboratoři Fakulty biomedicínského inženýrství ČVUT se tým pracovníků po spolupráci s izraelskými kolegy zabývá aplikacemi XUV záření v biologických experimentech. K tomu účelu byl na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské vyvinut kapilární zdroj plněný dusíkem a pracující v oblasti vodního okna. Pro optimalizaci vlastností výstupního svazku se rovněž využívají počítačová simulace plazmatu a XUV spektrální diagnostika.