अदृश्य जगाचे कुतूहल -१.३

अदृश्य जगाचे कुतूहल -१.३

सूक्ष्मदर्शिका -०4

****फ्लूओरेसेन्स मायक्रोस्कोप/सूक्ष्मदर्शक

 १९११ साली, जर्मनीत (तेव्हा ऑस्ट्रिया-हंगेरी भागात) ऑस्कर हाइमस्टॅड्ट नावाच्या एका भौतिकशास्त्रज्ञाने. तो C. Reichert कंपनीत काम करत होता. त्याच्या डोक्यात एक वेड होती – UV प्रकाशाने काही वस्तू चमकतात (फ्लूओरेसेंस)! त्याने cadmium arc lamp (एक तीव्र UV लाइट सोर्स) घेतला, त्यातून फक्त UV फिल्टर करून सॅम्पलवर टाकला. पण समस्या उत्सर्जित फ्लूओरेसेंस इतकी कमकुवत होती की ती दिसतच नव्हती!

हाइमस्टॅड्टने हुशारीने डार्क फील्ड इल्यूमिनेशन वापरले – म्हणजे उत्सेजक UV प्रकाश ऑब्जेक्टिव्ह लेन्समध्ये येऊ नये, फक्त विखुरलेला फ्लूओरेसेंट प्रकाश यावा! पहिल्यांदाच जीवाणू, प्राण्यांच्या ऊती आणि वनस्पती चमकू लागल्या – जणू अंधारात चमकणारे तारे! त्याने १९११ मध्ये पेपर लिहिला: "Das Fluoreszenzmikroskop" आणि शेवटी लिहिले, "हे किती उपयुक्त ठरेल हे फक्त भविष्य सांगेल!" आणि ते खरे ठरले!

पण हे यंत्र अजूनही अवघड होते – UV लाइट खूप तीव्र, सॅम्पल जळू शकत होते, आणि फोटोग्राफी करणे कठीण!

मग येते १९२९ ची खरी थ्रिलर ट्विस्ट! फिलिप एलिंगर (Philipp Ellinger), एक ज्यू फार्माकॉलॉजिस्ट, आणि ऑगस्ट हिर्ट (August Hirt), एक एनाटॉमिस्ट – दोघे हायडेलबर्गमध्ये एकत्र काम करत होते. एलिंगरला समस्या समजली. ट्रान्समिटेड लाइटमध्ये उत्सेजक प्रकाश फ्लूओरेसेंसला दाबतो!

त्यांनी एपी-इल्यूमिनेशन (epi-illumination) शोधला – म्हणजे उत्सेजक UV आणि उत्सर्जित फ्लूओरेसेंट प्रकाश एकाच बाजूने (vertical) येतो! एक dichromatic बीम स्प्लिटर वापरून UV सॅम्पलवर टाकला, आणि फ्लूओरेसेंट प्रकाश तेच लेन्समधून गोळा केला – पार्श्वभूमी काळी, फ्लूओरेसेंस चमकदार!

कार्ल झाइस कंपनीने १९२९ मध्ये हे व्यावसायिक यंत्र बनवले – "Intravitalmikroskop"! एलिंगर आणि हिर्ट यांनी मेंढक आणि उंदीरांच्या जिवंत किडनी आणि लिव्हरमध्ये fluorescein आणि trypaflavin डाई इंजेक्ट करून पाहिले – डाई कशी वितरित होते, हे पहिल्यांदाच जिवंत अवयवात दिसले! जणू शरीरातील रंगीबेरंगी नदी वाहताना पाहिली!

पण इथे डार्क ट्विस्ट येते, १९३३ मध्ये नाझी सत्तेत एलिंगर (ज्यू असल्याने) देश सोडावा लागला – त्याला नोकरी गमावली, पळून जावे लागले. हिर्ट (नाझी SS सदस्य) याने नंतर स्वतःला एकटाच शोधकर्ता म्हणून दाखवले! पण इतिहास आज एलिंगरला मुख्य क्रेडिट देतो – एका ज्यू वैज्ञानिकाने बनवलेले यंत्र नाझी काळातही जग बदलत राहिले!

हे यंत्र पाहा – किती रंगीबेरंगी आणि जादुई दिसते!

नंतर १९४० च्या दशकात Albert Coons ने इम्यूनोफ्लूओरेसेन्स (antibodies with fluorescent dyes) आणली, आणि १९६२ मध्ये GFP (Green Fluorescent Protein) ने क्रांती घडवली – आज कॅन्सर सेल्स, व्हायरस, न्यूरॉन्स सगळे रंगीबेरंगी नाचताना दिसतात!

***इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शक

१७ व्या शतकात शोधलेल्या प्रकाश सूक्ष्मदर्शकाने शास्त्रज्ञांना मानवी डोळ्याचा पहिला विस्तार प्रदान केला, परंतु कोणत्याही गोष्टीचे अधिक तपशीलवार निरीक्षण करणे प्रकाशाच्या तरंगलांबीमुळे मर्यादित आहे. ज्याप्रमाणे मोठ्या समुद्राच्या लाटांवर लहान वस्तूंचा फारसा परिणाम होत नाही, त्याचप्रमाणे दृश्यमान प्रकाशासाठी प्रथिने आणि अणूंसारख्या वस्तूंची प्रतिमा तयार करणे अशक्य आहे जे त्याच्या तरंगलांबीपेक्षा लहान आहेत.

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाच्या विकासामुळे पूर्वी लपलेले हे जग उघडले. इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शक या तत्त्वावर काम करतो की विद्युत प्रवाह वाहून नेणारी एक लहान कॉइल इलेक्ट्रॉनला लेन्स ज्या प्रकारे प्रकाश विचलित करते त्याच प्रकारे विचलित करू शकते. अर्न्स्ट रस्का यांनी १९२८ मध्ये अभियांत्रिकीचा विद्यार्थी असताना या सिद्धांताबद्दल ऐकले, जे नंतर एक धाडसी गृहीतक होते. फक्त पाच वर्षांत त्यांनी पहिले इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शक डिझाइन केले आणि तयार केले, ज्यामध्ये इलेक्ट्रॉनसाठी चुंबकीय लेन्स म्हणून दोन कॉइल्सचा वापर केला. इलेक्ट्रॉनची तरंगलांबी प्रकाशापेक्षा खूपच कमी असल्याने, हे सूक्ष्मदर्शक प्रकाश सूक्ष्मदर्शकाने शक्य असलेल्यापेक्षा कितीतरी पटीने लहान तपशील पाहू शकते.

१९८६ मध्ये, ८० वर्षांच्या वयात रुस्काला नोबेल पुरस्कार मिळाला (physics) – "electron optics आणि पहिल्या इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपसाठी"! (इतर अर्धा Gerd Binnig आणि Heinrich Rohrer ला scanning tunneling microscope साठी.)

***स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप

१९३५ साली मॅक्स नॉल (Max Knoll) यांनी टीव्ही कॅमेरा ट्यूब्सच्या सर्फेस स्टडीसाठी पहिल्यांदा इलेक्ट्रॉन बीम स्कॅन करून इमेज घेतली. हे SEM चे बीज होते! पण खरी क्रांती १९३७-३८ मध्ये मॅनफ्रेड वॉन आर्डेन (Manfred von Ardenne) यांनी केली. त्यांनी एक अत्यंत सूक्ष्म इलेक्ट्रॉन बीम तयार करून सॅम्पलवर छोट्या रास्टर (grid) प्रमाणे स्कॅन केले. हे जगातील पहिले हाय-रिझॉल्यूशन SEM होते! वॉन आर्डेनने TEM च्या chromatic aberration समस्या टाळण्यासाठी हे केले – आणि त्याने सर्फेस इमेजिंगचा मार्ग मोकळा केला.

१९४८ साली इंग्लंडच्या केंब्रिज युनिव्हर्सिटीमध्ये चार्ल्स ओटली (Charles Oatley) यांनी हे काम पुन्हा सुरू केले. ओटलीला वॉन आर्डेनच्या पेपर्स वाचून प्रेरणा मिळाली. त्यांच्या विद्यार्थ्यांनी (जसे Dennis McMullan) SEM ला सुधारले – सेकंडरी इलेक्ट्रॉन्स डिटेक्टर, बेटर व्हायब्रेशन कंट्रोल, आणि ३-डी इमेजिंग!

१९६५ मध्ये Cambridge Scientific Instrument Company ने जगातील पहिले व्यावसायिक SEM "Stereoscan" लाँच केले – पहिला ग्राहक DuPont कंपनी! मार्केटिंग एक्स्पर्ट्स म्हणाले, "फक्त ६-१० युनिट्स विकतील!" पण ते चुकीचे ठरले – SEM ने जग जिंकले!

आपण रोजच्या जगात राहतो – पानांवरची धूळ, कीटकांचे पंख, आपल्या त्वचेवरची केस – हे सगळे सामान्य वाटते. पण SEM (स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप) ने एका इलेक्ट्रॉन बीमला सॅम्पलच्या पृष्ठभागावर स्कॅन करून, जणू एखाद्या लेसर सोर्सने अंधाऱ्या गुहेत प्रकाश टाकून, लपलेले रहस्य उघडले!

हे यंत्र १९६५ मध्ये Cambridge कंपनीने व्यावसायिक बनवले तेव्हा वैज्ञानिक थक्क झाले – कारण SEM ने ३-डी लुक दिला! पारंपरिक मायक्रोस्कोपमध्ये फक्त फ्लॅट, २-डी दिसत होते, पण SEM च्या डार्क फील्ड आणि डेप्थ ऑफ फील्ड मुळे सर्फेस जणू एखाद्या एलियन लँडस्केपसारखी दिसू लागली. छोट्या इलेक्ट्रॉन बीमने सॅम्पलवर स्कॅन करताना सेकंडरी इलेक्ट्रॉन्स (SE) आणि बॅकस्कॅटर्ड इलेक्ट्रॉन्स (BSE) गोळा केले – आणि अचानक पृष्ठभागावरचे खड्डे, उभार, टेक्सचर स्पष्ट झाले!

मानवी त्वचा आणि केस – आपल्या त्वचेवरची केस SEM मध्ये जणू जंगलातील झाडासारखी दिसते – स्केल्स, खड्डे, फॉलिकल्स! हे इमेजेस कॉस्मेटिक्स, डर्मेटॉलॉजी आणि फॉरेन्सिकमध्ये वापरले जातात – उदा. एखाद्या गुन्ह्यातील केसाचे सर्फेस मॅच करून.

Human skin and hair, SEM - Stock Image - P720/0281 - Science Photo ...

SEM ने हे सगळे उघडले – एका छोट्या इलेक्ट्रॉन बीमने! जणू एखाद्या जादूच्या काठीने अंधारातून रंगीबेरंगी, ३-डी जग बाहेर काढले. आज नॅनोटेक्नॉलॉजी, मटेरियल सायन्स, जीवशास्त्र – सगळे याच्यावर अवलंबून आहेत. छोट्या जगातील हे रहस्य उघडणे म्हणजे खरंच एक मोठा थरार!

*****

एका "सूक्ष्म" जगात टेम (TEM) आणि सेम (SEM) नावाचे दोन जादूई भाऊ राहत होते. दिसायला ते दोघेही अवाढव्य होते, पण त्यांचे काम मात्र अतिशय बारीक गोष्टींवर लक्ष ठेवणे हे होते.

१. मोठा भाऊ - टेम (TEM):

टेम हा थोडा शांत आणि गंभीर स्वभावाचा होता. त्याला कोणत्याही गोष्टीच्या "आत" काय चालले आहे हे बघायला आवडायचे. जेव्हा एखादा रुग्ण पेशी (Cell) किंवा व्हायरस टेम कडे यायचा, तेव्हा टेम त्यातून आपले 'इलेक्ट्रॉन किरण' आरपार सोडायचा. जसा आपण 'एक्स-रे' काढतो, तसा टेम त्या पेशीचा अंतर्गत नकाशा तयार करायचा. तो इतका हुशार होता की त्याला अणू (Atoms) सुद्धा स्पष्ट दिसायचे. त्याचे म्हणणे असायचे, "बाहेरून काय बघताय? खरे सौंदर्य तर आत दडलेले असते!" 

२. धाकटा भाऊ - सेम (SEM):

सेम हा थोडा कलात्मक आणि बाह्य सौंदर्याचा चाहता होता. त्याला गोष्टींच्या "वरचा भाग" किंवा त्वचा कशी दिसते, हे बघण्यात रस होता. जेव्हा एखादा कीटक किंवा परागकण त्याच्याकडे यायचा, तेव्हा सेम त्यावर आपले इलेक्ट्रॉन फिरवायचा. सेम त्या वस्तूचा ३डी (3D) फोटो काढायचा. त्याच्या फोटोंमुळे मुंगीचे तोंड एखाद्या राक्षसासारखे किंवा फुलपाखराचे पंख एखाद्या मखमली कापडासारखे दिसायचे. सेम म्हणायचा, "आतले नंतर बघू, आधी बाहेरून जग किती सुंदर आणि गुंतागुंतीचे आहे ते पहा!" 

दोघांमधील फरक:टेम (TEM): हा वस्तूच्या आरपार बघतो. आपल्याला वस्तूची अंतर्गत रचना (Internal structure) दाखवतो. याची शक्ती (Resolution) खूप जास्त असते.सेम (SEM): हा वस्तूच्या पृष्ठभागावरून (Surface) फिरतो. आपल्याला वस्तूचा थ्री-डी (3D) आकार दाखवतो. 

विज्ञानाच्या जगात या दोन्ही भावांची गरज असते. जर आपल्याला एखादा रोग मुळापासून समजून घ्यायचा असेल, तर आपण टेम कडे जातो आणि जर आपल्याला एखाद्या गोष्टीचा आकार आणि पोत अभ्यासायचा असेल, तर आपण सेम कडे जातो. दोघेही मिळून आपल्याला न दिसणारे अद्भुत जग उलगडून दाखवतात.रोमांचक उदाहरणे – हे जग कसे उघडले.