Za celoživotní výzkum a vývoj i za nový elektronový mikroskop LVEM5 získal 80letý Armin Delong státní cenu Česká hlava. Gratulujeme.

Část (1): Jaké problémy vyřešil profesor Delong, a jaké vidí technologické perspektivy ve svém oboru?
Část (2): Je dle Delonga české a evropské prostředí proinovační?

Nový Delongův mikroskop

Na počátku výzkumu si Delong nebyl vůbec jistý, zda se mu jeho nový nízkonapěťový elektronový mikroskop vůbec podaří vyvinout a vyrobit. Výsledný mikroskop LVEM5 (Low Voltage Transmission Electron Microscope) má rozlišení 2 nanometry, což je 100 krát 100 větší rozlišení než umožňuje kvalitní světelný optický mikroskop. Mikroskop LVEM5 jsou vlastně mikroskopy dva: zvětšuje se nejdříve v elektronové části a pak ještě v optické části.

U potenciálních uživatelů (například virologů) byla však ještě v roce 2005 ve funkční schopnosti tohoto mikroskopu velká nedůvěra. Navíc uvažovali, proč by si měli pořizovat mikroskop nový, když už nějaký mají.

Zdá se, že laici, uživatelé, ale i odborníci dosud málo chápou technickou stránku a možné aplikace našeho mikroskopu LVEM5. Chyba je zřejmě i u nás, že nový mikroskop více nepropagujeme.

My jsme dopředu nevěděli, jaké budou výsledné parametry nového mikroskopu, ani přesně pro jaké aplikace se bude hodit. Náš výzkum mikroskopu LVEM5 nebyl dělán na základě marketingového průzkumu (nešlo o žádný "market pull"), ale byl to spíše pokus vyždímat z dostupných technologických komponent co největší funkčnost nově koncipovaného mikroskopu (šlo tedy o "technology push").

Proč začal Delong vyvíjet právě tento druh mikroskopu?

Nejprve musíme vysvětlit princip fungování a užití elektronového prozařovacího mikroskopu. Je nám líto netechnicky orientovaných čtenářů, ale jinak nelze zpřístupnit podstatné okolnosti. Klasický vysokonapěťový elektronový prozařovací mikroskop, který prozařuje tenký preparát proudem elektronů při 200 až 400 kV napětí a zobrazuje zkoumané objekty jen černobíle (nikoliv barevně, jako to dělá mikroskop optický), se používá ve dvou směrech.

1. Použití v materiálovém výzkumu, tj. kovy, polovodiče, dielektrika, atd. Zde se jedná o zobrazení rozhraní krystalů a klasický vysokokonapěťový prozařovací mikroskop je velmi vhodný pro tuto aplikaci. Kontrast vzniká rozptylem elektronů na jádrech atomů. Čím je zkoumaný kov těžší (má vyšší atomovou hmotnost), tím je pole silnější, a také rozptyl paprsku je větší. V důsledku toho vznikne kontrastní obraz. Teprve rozlišení 0,2 - 0,3 nanometry elektronového transmisního mikroskopu umožňuje uvidět jednotlivé atomy v krystalu (což Delongův nízkonapěťový LVEM5 neumožňuje).

2. Druhý směr použití je v biologii. Zde problém použití elektronového prozařovacího mikroskopu spočívá v tom, že biologické objekty mají hmotnost blížící se hmotnosti vody (tj. mají relativně nízkou atomovou hmotnost), a proto se u nich dosahuje jen malého kontrastu obrazu. Biologický výzkum na klasickém elektronovém prozařovacím mikroskopu byl umožněn jen umělým zvýšením atomové váhy pozorovaných objektů, tj. přidáním atomů těžkých kovů do preparátů. Membrána buňky se například zviditelnila nalepením atomů osmia, což ovšem znamená, že se tím zároveň poněkud změnily i vlastnosti pozorovaného objektu. Za minulých 50 až 60 let byly zdokumentovány výsledky biologického výzkumu v desítkách tisíc publikací.

Proteiny lze pozorovat jen se značným rozostřením obrazu na mikroskopech s velkou energií. Aby se dosáhlo výsledné rozlišovací schopnosti stejné jako u kovů (tj. 3 Angstromy), musí se udělat asi milion obrázků přes stejný objektiv, a pak se obrázky zprůměrují. To ale je dost nepraktické.

Schůdnější cesta, jak zvýšit kontrast a rozlišovací schopnost prozařovacích elektronových mikroskopů, spočívá ve snížení energie jejich zobrazovacích elektronů. A tak právě funguje nízkonapěťový elektronový prozařovací mikroskop LVEM5. Je určen pro výzkum v biologii a lehkých materiálech, jejichž atomová hmotnost se blíží hmotnosti vody. LVEM5 není určen pro výzkum kovů, který představuje 20% celkového trhu elektronových mikroskopů.

Jak byl Delongův mikroskop vyvinut

Delong si již před 40 lety všiml, jak roste kontrast při snižujícím se napětí elektronových mikroskopů a extrapolací tohoto trendu se dostal na žádoucí nízké napětí 5 kV, které používá LVEM5. Před Delongem přišel na tento směr vývoje mikroskopů pro biologické aplikace i finský profesor Vilska, který se o realizaci nového mikroskopu pokoušel v 70. letech minulého století. V té době ale ještě výrobkové komponenty nebyly na dostatečné úrovni dokonalosti. Šlo například o technologii dosažení vakua. V té době existující olejové pumpy znečišťovaly preparát i čočky, a tím zkreslovaly výsledný obraz pozorovaného objektu. Vilska zvolený směr vývoje opustil, aniž by nový mikroskop někdy dokončil.

Začátkem 90. let se Delong rozhodl přehodnotit opuštěný směr vývoje mikroskopu. V té době Delong již používal novou technologii pro dosažení čistého a suchého vakua (získaného iontovými vývěvami, respektive turbomolekulárními vývěvami). Směr Delongova vývoje ovlivnila ale i další podstatná okolnost. Začátkem 90. let po rozpadu Tesly a Delongově návratu z první polistopadové vlády do Brna, neměl Delong dostatek peněz na finančně náročný výzkum. Proto se snažil vyvinout a vyrobit jednodušší, menší, a tedy levnější mikroskop. To bylo možné jen při nižším elektrickém napětí. V Delongově mikroskopu, používajícím elektrické napětí 5 000 V, postačí například jen permanentní magnety, nikoliv čočky buzené cívkami, které jsou nutnými komponentami ve vysokonapěťových mikroskopech.

Z momentální finanční nouze, a také díky již proběhlému technologickému pokroku ve vývoji výrobkových komponent, sestavil a vyvinul Delong se svým malým týmem spolupracovníků nový typ mikroskopu, který má potenciál tzv. rozvratné inovace (disruptive innovation). První prototyp Delongova výrobku samozřejmě neměl ihned dobré funkční vlastnosti, ale postupnými zlepšeními poskytl mikroskop nakonec velmi dobrý kontrast i bez jakéhokoliv přidávání těžkých kovů do preparátu.

Ani Edisonovi nestačilo objevit jen žárovku, aby rozsvítil ulice

Projevila se ještě jedna další, ačkoliv plně předvídatelná komplikace: Biologické preparáty pro Delongův mikroskop musely být extrémně tenké, 15 až 20 nanometrů oproti v té době běžné tloušťce 50 až 100 nanometrů. Bylo tedy třeba nejprve vyvinout nový postup řezů biologické tkáně. Patologové měli zpočátku obavy, že to nepůjde snadno, a proto praktické využití nového Delongova mikroskopu zpochybňovali.

Delongovi pomohla švýcarská firma Diatome, která vyráběla diamantové nože, a tenké řezy biologických preparátů se postupně staly rutinní záležitostí. Firma Diatome přidala do svého výrobku i ultrazvukové vibrování nože. V důsledku toho nemusel nůž na preparát tolik tlačit (viz analogický efekt pohybu při krájením chleba) a vzniklý řez byl velmi kvalitní. Nový diamantový nůž pak našel uplatnění nejen v biologii, ale také v polymerní chemii.

Budoucnost technologie o řád produktivnější a současně o řád levnější

V roce 2005 existovalo již několik významných zahraničních publikací, které hodnotily budoucí možné využití Delongova mikroskopu v biologii velmi pozitivně. V roce 2005 bylo možno výsledné obrázky z Delongova elektronového mikroskopu zaslat okamžitě přes internet do Ameriky tomu, kdo si jej objednal. Také příprava biologických preparátů se podstatně urychlila (například polymerizaci biologických vzorků bylo možno dělat během několika minut v mikrovlnné troubě).

Vysokonapěťové elektronové prozařovací mikroskopy (o napětí 100 až 300 kV) se dříve hodně používaly jako diagnostické přístroje v nemocnicích. V roce 2005 jich bylo ale v České republice v provozu již velmi málo. Proč? Vysokonapěťové mikroskopy podstatně zdražily od pádu socialismu v Česku v roce 1989. Například mikroskop o napětí 200 kV od americké firmy FEI vybavený spektrometrem stál v roce 2005 kolem 40 milionů Kč.

Cena Delongova mikroskopu LVEM5 se pohybovala v rozmezí 2 - 3 miliony Kč a jeho obsluha byla mnohem jednodušší (s krátkou dobou zaškolení) než u vysokonapěťových mikroskopů. Celý mikroskop vážil nikoliv tuny, ale jen cca 25 kg. Zkoumaný preparát zachycovala kamera a zobrazovala na obrazovce počítače. Nebylo tedy již nutné před pozorováním sedět půl hodiny v tmavé místnosti, aby si lidské oči zvykly na tmu a zvýšily svou vnímavost. Delong proto věřil v možnost návratu elektronových mikroskopů do nemocnic a biologických aplikací. Zákazníkovi by se ale muselo dodat kompletní řešení, tj. včetně diamantového nože a navedení zákazníka na možné praktické aplikace.

Diagnóza ptačí chřipky během hodiny?

Při dobrém kontrastu lze viry rozpoznat dle jejich tvaru. Pokud by se provedlo systematické zmapování tvaru všech možných virů, byla by rychlá diagnóza životu nebezpečných virů možná. Katalog virů by však musel být plně digitalizován, uložen v mikroskopu, aby porovnávání obrazců virů ze zkoumaného preparátu a z katalogu bylo plně automatizované. Teprve v případě malých rozdílů obrazců bude muset rozhodnutí udělat člověk.

Viry nacházející se v lidských tělních tekutinách (a šířící se například při kýchnutí) by bylo třeba nejprve "zahustit" v mini-odstředivce, jinak by se těžko hledaly v ostatním biologickém materiálu. V rozvrstvené kapalině dle velikosti objektů lze pak viry nalézt snadněji. Dřívější pokusy tohoto druhu úspěšně prováděli Španělé a v Česku v roce 2005 se o to chtěla pokusit Dr. Nebesářová z Českých Budějovic, včetně sestavení katalogu virů.

Při tomto druhu rychlé diagnózy by bylo možno také zkrátit dobu karantény lidí, kteří se vrací z místa možné nákazy (například při návratu ze zahraničních cest). Rovněž by bylo možno diagnostický komplex umístit do automobilu, který by se jako mobilní jednotka pohyboval v místě nákazy.

Osobní elektronový mikroskop?

V roce 2005 idea osobního elektronového mikroskopu dostávala již reálnější obrysy, podobně jako se postupně zrealizovaly někdejší hrubé představy z konce 70. let minulého století o možnosti osobního počítače. Pro implementaci obecných vizí by bylo třeba přehodnotit stávající jednoduchý mikroskop LVEM5 a snažit se najít ještě jednodušší architekturu a ještě levnější komponenty. V roce 2005 americký Massachusetts Institute of Technology, kromě zaměření na špičkovou technologii, úspěšně vyřešil i výrobu milionů kusů primitivního osobního počítače za 100 dolarů pro rozvojové země.

Pokud by se Delongovu mikroskopu LVEM5 ponechala rozlišovací schopnost jen stávající 2 nanometry, vyjmula se drahá elektronika umožňující i rastrování (tj. záměrně se zúžil aplikační obor mikroskopu), nahradila se speciální kamera za 200 000 Kč obyčejným digitálním fotoaparátem (za cca 5 000 Kč) a provedla se hodnotová analýza i ostatních komponent (jako je například vakuový systém za 120 000 Kč), pak by se cena mikroskopu skutečně mohla stát pro každou nemocnici či ambulanci atraktivní. Čechoameričanem navrhovaná cena 5000 dolarů (125 000 Kč) však v roce 2005 nebyla zřejmě reálná. (Poznámka: první "user-friendly" osobní počítač LISA vyvinutý ve firmě Xerox měl stát 10 000 dolarů, a byl proto vedením této firmy odmítnut).

Koncem roku 2005 se však Delong zabýval právě opačným vývojovým směrem. Chtěl zlepšit parametry stávajícího mikroskopu LVEM5 a přesunout jej do vyšší kategorie kvality i ceny.

Další nebiologické aplikace na obzoru

Radiační poškození zkoumaného objektu bylo v Delongově mikroskopu nižší, protože zkoumaného materiálu bylo poměrně málo. Zájem výzkumníků v oblasti proteinů, ribozomů a enzymů se týkal objektů v rozsahu velikosti 30 - 40 nanometrů. V roce 2005 byla rozlišovací schopnost Delongova mikroskopu LVEM5 2 nanometry. Delong ale věřil, že (s pomocí softwarově korigovaných čoček a jiných technologických triků) se mu podaří ještě podstatně zvýšit rozlišovací schopnost svého mikroskopu. Zřejmě by to ale zvýšilo i výrobní náklady, a tím i prodejní cenu mikroskopu. Přesto by se pak měly otevřít další tržní možnosti pro inovovaný Delongův mikroskop.

Námitky proti Delongovu mikroskopu

Jeden konkurent například namítal, že nový Delongův mikroskop zobrazuje objekty s odlišným kontrastem, než byly dochované časové řady biologických objektů (tumorů) z minulých let, a proto údajně mělo být obtížné přímé srovnání obrázků. Delong tuto námitku nepovažoval za podstatnou, protože odlišnosti v zobrazení nebyly veliké. Dle Delonga tato naivní námitka spíše svědčila o tom, že podobně jako při zavádění jiných nových technologiích, bylo třeba i zde zvýšit osvětu, a to jak u veřejnosti, tak i u odborníků (tj. odborníků na minulé technologie).

Jaká existovala ochrana duševního vlastnictví mikroskopu LVEM5?

Stručná odpověď zní: žádná formální, pouze morální. Podrobnější vysvětlení poskytl Delong:

Komunita odborníků na elektronové mikroskopy je ve světě poměrně malá, velmi dobře se navzájem zná a funguje v ní nejen patentová ochrana, ale i "gentleman agreement". Pokud někdo něco potřebuje, může si to vzít výměnou za něco jiného. Proč? Patenty jdou velmi drahá a zisky z prodejů v tomto oboru nejsou zase tak velké.

Tesla Brno si v dobách socialismu jednou dovolila vybočit z těchto pravidel. Byl jsem v té době v řídícím výboru světové organizace elektronové mikroskopie. Pro svůj rastrovací mikroskop použila Tesla výsledků z francouzského CNRS v Toulouse (šlo o způsob diagnostikování opotřebení u existujícího výrobku bez jeho demontáže - například křídla používaného letadla). Ředitel toho centra, pan Jouffry, byl v té době také členem světového řídícího výboru, a řekl mi: "Proč mi Tesla nenapsala, že to chtějí použít do výroby? My bychom s tím byli souhlasili. Tak je to ale evidentně naše zcizená myšlenka." Zpráva o krádeži duševního (ač nepatentovaného) vlastnictví Teslou Brno se v komunitě rychle rozšířila, a na následné mezinárodní výstavě odborníci stánek Tesly ignorovali.

Věřím tomu, že pokud by o výrobu našeho mikroskopu LVEM5 byl zájem, pak by k nám japonské firmy JEOL Ltd., nebo Hitachi určitě samy přišly a požádaly nás o udělení licence. Absolutně jistý si tím ale nejsem. Nějaké riziko tady vždy je. Ochrana je také v tom, že v tomto výzkumném směru máme před ostatními firmami náskok - i když ne nepřekonatelný pro tak zdatné firmy, jakými jsou JEOL Ltd., nebo Hitachi.

Detailně je o našem mikroskopu informován například americký profesor Martin a jeho žáci z Michiganu, kteří už také napsali velmi pozitivní recenzi na LVEM5 a pokračují na dalším vývoji aplikací. Považují náš nízkonapěťový mikroskop za komplementární nikoliv konkurenční výrobek k mikroskopům vysokonapěťovým.

V roce 2005 reklamní prospekty o mikroskopu LVEM5 v renomovaných světových časopisech používaly již běžně výraz "Delongův mikroskop" (Delong low voltage electron microscope). Už z toho důvodu by v budoucnosti nemělo být možné tento název změnit. Mohla však ochrana Delongovým jménem být dostatečnou ochranou pro firmu Delong Instruments i proti potenciálním čínským výrobcům, kteří například v roce 2005 okopírovali minimotorku (srovnatelně velké české firmy Blata, s.r.o.) i s ojetými pneumatikami?

Závěr

Armin Delong je především vědec, který sleduje osobní uznání ve vědecké komunitě, nikoliv podnikatelský úspěch. Jeho předností je však to, že se spojil s lidmi, kteří v jeho oboru úspěšně podnikají. Strategii firmy Delong Instruments zde zatím z pochopitelných důvodů neanalyzujeme ani nezveřejňujeme.

Zítra zveřejníme Část (2): Je dle Delonga české a evropské prostředí proinovační?

(C) 2005 Miroslav Pivoda
Autor vyučuje na Bernelli University (www.bernelli.edu)
a Escuela Superior de Márketing e Administración (www.esma.cz)