Obraz przyrody w obiektywie mikroskopu elektronowego

Transkrypt

1 Obraz przyrody w obiektywie mikroskopu elektronowego Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Śląski Jagna Karcz, Pracownia Mikroskopii Elektronowej Skaningowej

2 Technologicznie zaawansowane mikroskopy elektronowe osiągnęły taki poziom, iż często wiedza użytkownika jest jedynym ograniczeniem dla działania systemu. Prof. J. Lichtman, Harvard Moduł IV. Warsztaty dla nauczycieli AKTYWNY W SZKOLE AKTYWNY W ŻYCIU

3 Od mikroskopii świetlnej 10-6 (1 µm) do mikroskopii elektronowej TEM 10-7 (0.1 µm) XVII w (0.1 nm) XIX w. SEM XX w. XXI w.

4 oko Mikroskopia świetlna (LM) SPM Mikroskopia elektronowa (EM) 1 cm 1 mm 100 µm 10 µm komórka roślinna i zwierzęca 1µm bakterie 100 nm 10 nm 1 nm wirusy, rybosomy białka globularne molekuły nm (1 Å) atomy

5 Metody obrazowania Technika CLSM MO Mikroskop konfokalny Optyczny SEM Skaningowy Mikroskop Elektronowy TEM Transmisyjny Mikroskop Elektronowy SPM Mikroskop Sił Atomowych (AFM) Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM) Maksymalna Rozdzielczość nmµm 0, µmmm 3 nm 1 nm 0, mm 0,1 nm 0, mm 0,01nm 0, mm Rodzaj Ograniczenia Dyfrakcja światła lasera Dyfrakcja elektronów Rozmiary igły

6 Mikroskopia elektronowa (EM) Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) mikrostruktura Mikroskopia elektronowa Fizyka, chemia, biologia, elektronika Nanotechnologia, bionanotechnologia Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) ultrastruktura

7 Historia mikroskopii elektronowej Odkrycie elektronu (Joseph J. Thompson 1896 r., nagroda Nobla 1906 r.) Dwoista natura falowo-korpuskularna elektronów (Victor de Broglie 1924 r., nagroda Nobla 1929 r.) Użycie pola magnetycznego jako soczewki skupiającej elektrony (Hans Bush 1926 r.) Wynalazek transmisyjnego mikroskopu elektronowego: Max Knoll i Ernst Ruska 1932 r. Konstrukcja skaningowego mikroskopu elektronowego: Manfred von Ardenne 1938 r. Pierwsze skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM): Cambridge Science Scientific Instruments Ltd 1965, Japan Electron Optics Laboratory Ltd 1966r. ± emisja elektronów

8 Czym jest mikroskopia elektronowa? w mikroskopach elektronowych w warunkach próżni emitowane są elektrony z atomów badanej próbki. Elektrony te przenikają przez preparat (TEM) lub emitowane są z powierzchni obiektu (SEM), a następnie są rejestrowane i przetwarzane na obraz badanego obiektu 1 2 TEM SEM

9 Czym jest mikroskopia elektronowa? TEM techniką obrazowania materii, umożliwiającą obserwacje budowy morfologicznej i anatomicznej próbek biologicznych (roślinnych i zwierzęcych), chemicznych, fizycznych i materiałowych) SEM techniką analityczną umożliwiającą badania jakościowe i ilościowe składu chemiczny badanego obiektu

10 Mikroskopia elektronowa skaningowa SEM

11 Współczesne mikroskopy elektronowe umożliwiają obserwację najbardziej złożonych cząstek materii ożywionej i nieożywionej chromosomy jęczmienia cząsteczki SiO 2 10 µm 1 µm

12 Mikroskop elektronowy skaningowy (SEM) ma zastosowanie w biologii, fizyce, chemii, medycynie, materiałoznawstwie obserwacje różnych obiektów: rośliny, zwierzęta, minerały, skały, pyły, tworzywa sztuczne powiększenia od x zdolność rozdzielcza 1.5 nm HITACHI

13 Analiza chemiczna SEM/EDS Rozkład powierzchniowy pierwiastków muszli ślimaka Helicidae: Cepaea (

14 zwierzęta rośliny pyłek bakterie Mikroskop skaningowy uniwersalna technika w badaniach środowiska chromosomy

15 Co możemy obserwować w mikroskopie skaningowym? powierzchnię obiektów budowę wewnętrzną zmiany i deformacje skład chemiczny

16 Przykłady badań biologicznych w SEM

17 Bacillus cereus Penicillum 5 µm Salmonella Streptococus (

18 Komórka roślinna Mitochondria i retikulum endoplazmatyczne

19 Arabidopsis thaliana modelowa roślina w biologii (

20 epiderma górna epiderma dolna miękisz palisadowy wiązka przewodząca miękisz gąbczasty

21 Analiza struktury pyłku roślin nasiennych Plantago lanceolata Taraxacum Arabidopsis thaliana Arabidopsis thaliana CLSM Pinus sylvestris

22 ERYTROCYTY normalne zdeformowane

23 Okrzemki jako wskaźniki czystości wody (

24 Formy przestrzenne okrzemek kula ośmiościan

25 SEM w przemyśle farmaceutycznym do badań składu substancji wiążących i podstawowych w tabletkach (

26 SEM w technologii produkcji w celu kontroli prawidłowości procesów, np. spajania, łączenia, wytapiania dla oceny struktury elementów metalowych (

27 SEM w biotechnologii i ochronie środowiska

28 Mikroskop elektronowy skaningowy - uniwersalne urządzenie w badaniach środowiskowych

29 TYPY DEGRADACJI ŚRODOWISKA ciepło (temperatura, wilgotność) promieniowanie słoneczne, UV-B siły naprężenia DEGRADACJA TERMICZNA FOTODEGRADACJA DEGRADACJA MECHANICZNA DEGRADACJA HYDROLITYCZNA BIODEGRADACJA DEGRADACJA ŚRODOWISKOWA H 2 O mikroorganizmy (bakterie, grzyby) NO x, SO x, sole, CO, węglowodory, metale, H 2 O 2

30 Rośliny a środowisko Epiderma roślin epikutykularny wosk amorficzny wosk kutykula (kutyna + woski) ściana komórkowa

31 Epiderma liści jako wskaźnik zmian środowiskowych woski (

32 Rośliny a środowisko Woski na powierzchni liścia (Barthlott, 1998)

33 Diagnostyka powierzchni owoców Skład chemiczny woskowej powłoki jabłek: palmitynian mirycylu, cetylu, stearyniany, a także alkany C27 i C29 Zmiany w strukturze i grubości warstwy woskowej epidermy jabłek Malus domestica w zależności od warunków ich składowania (< 1% CO 2, 2.5% O 2, 1 0 C) (Planta, 2001, 213: )

34 Diagnostyka powierzchni owoców Nalot woskowy na powierzchni epidermy owocu Malus domestica (Golden delicious) w warunkach chłodni (Bernat, Karcz, 2006)

35 Biomonitoring środowiska 1 2 1,2- Quercus robur 3 4 3,4- Fagus sylvatica wiosna jesień Sezonowe zmiany w strukturze epikutykularnych wosków na powierzchni liścia

36 Biomonitoring środowiska Cucumis 3 µm Hordeum kontrola (Gordon et al., 1998) Wpływ UV-B na morfologię, skład ilościowy i jakościowy wosków

37 Biomonitoring środowiska Fig.1-3. Epiderma dolna igieł w silnym nasłonecznieniu. Woski zasklepiające szparki (tzw. zatyczki woskopodobne) (Burkhardt et al., 1995)

38 Biomonitoring środowiska Pinus silvestris (Karcz, Kieliszewska-Rokicka, 2003)

39 Biomonitoring środowiska Pyły na powierzchni igieł Picea pungens (Karcz, Kieliszewska-Rokicka, 2003)

40 Monitoring środowiska Kryształ pokryty włóknami minerałów iliastych (Teper, Wydz. Nauk o Ziemi)

41 Polimery Zmiany w mikromorfologii epidermy liścia Biodegradacja powierzchni odpadów syntetycznych (Karcz, Kat. Biochemii)

42 Wzrost zużycia polimerów zagrożeniem dla środowiska naturalnego Polimery Stopniowa degradacja folii przez bakterie i grzyby (Karcz, Kat. Biochemii)

43 termodegradacja i biodegradacja (Karcz, Kat. Biochemii)

44 Jak przygotować rośliny do badań w SEM? Utrwalanie Suszenie Napylanie Obserwacja w SEM

45 Procedura SEM: utrwalanie, odwadniane, suszenie w CPD, napylanie, obserwacja w SEM bez utrwalania po utrwalaniu (

46 Nasiona i owoce 50 µm lepiężnik Pinus silvestris cieszynianka

47 Muszka owocowa (Drosophila melanogaster) (

48 Liście Epiderma owocu jabłka Liście kapusty (Brassica) Golden delicious (

49 Tradescantia (

50 Penicillium ochrochloron Pleurotus ostreatus Przykłady degradacji folii przez grzyby mikroskopowe (