‘Promoveren is afwisselend!’ Hoe Guido Stam een microscoop bouwde die bacteriën heel laat
Een microscoop die ongelooflijk scherp kijkt en daarbij preparaten intact laat: Guido Stam hielp bij de ontwikkeling ervan. In zijn promotieonderzoek combineerde hij licht met elektronen – en kon hij zelfs levende bacteriën bestuderen. ‘We kunnen meten wat eerder niet kon.’
Het leukste van promoveren in de experimentele natuurkunde is volgens Stam het afwisselende werk: ‘Je bent niet de hele tijd met je hoofd aan het nadenken, maar moet ook veel klussen aan de microscoop. En onze microscoop maakt hele mooie plaatjes waar ik de wetenschappelijke data uit mag filteren. Dat is erg leuk werk!’
Stam werkte vier jaar mee aan de ontwikkeling van een nieuw type microscoop, de Optische Nabije Veld Elektronenmicroscopie (ONEM). Deze microscoop brengt de voordelen van twee werelden samen: de hoge resolutie van de elektronenmicroscopie en het kunnen doen van onderzoek zonder schade aan je preparaat, zoals een klassieke lichtmicroscoop dit kan (onderzoek gefinancierd met een EU Horizon2020-subsidie).
Toepassingen in biologie en elektrochemie
Om te bewijzen dat het werkt, hebben Stam en zijn collega-onderzoekers recent e. colibacteriën (darminfectie) in de microscoop geplaatst en gemeten. Na afloop hebben ze hetzelfde preparaat onder de optische microscoop gelegd en zagen ze dat de bacteriën nog volop leefden.
Stam: ‘Met onze microscoop kan je ook zonder problemen metingen doen in vloeistoffen. Bijvoorbeeld voor elektrochemische experimenten in het Zwaartekrachtsprogramma ANION, met het Leids Insituut voor Chemie als penvoerder. Met de klassieke optische microscoop kan je minder ver inzoomen en zie je dan net niet genoeg. De krachtiger elektronenmicroscoop heeft wel de gewenste resolutie, maar de hoogenergetische elektronen zorgen voor ongewenste chemische reacties. Dat verstoort je experiment. Onze microscoop werkt totaal anders en krijgt het dus wel voor elkaar om goede metingen te doen. Het is een idee van de Oostenrijkse natuurkundige Thomas Juffmann, dat we samen met zijn promovendi hebben uitgewerkt.’
‘De resolutie van onze microscoop is nu al zeven keer beter dan de klassieke optische microscoop. We willen uiteindelijk twintig keer beter worden en tot op tien nanometer nauwkeurig meten.’
Licht omzetten in elektronenstroom
Stam legt uit hoe de microscoop werkt: ‘In onze microscoop beschijnen we het preparaat van de achterkant met licht. Dit licht gaat door het preparaat, wat het licht een beetje verandert. Daarna bereikt het licht een dunne fotokathode die de lichtdeeltjes omzet naar een stroom elektronen. De plekken op de fotokathode waar minder licht komt, doordat er een object zoals een bacterie in de weg zat, veranderen dus in onze microscoop in plekken waar minder elektronen vandaan komen. Vervolgens versnellen we de uitgezonden elektronen en beelden ze af met de elektronenoptica van onze lage-energie-elektronenmicroscoop (LEEM).’
Volhouden werd beloond
Het ontwerpen en werkend krijgen van de fotokathode was de uitdaging en tegelijk het grootste struikelblok in het promotie-onderzoek van Stam. ‘Drie jaar lang had ik regelmatig te maken met tegenslagen: van falende experimenten tot technische mankementen. Maar als je dan voor het eerst een echt mooi plaatje gemaakt hebt, dan ben je heel blij. In de laatste maanden van mijn promotieonderzoek viel alles op zijn plek en deden we samen een hele serie succesvolle experimenten.’
De onderzoeksresultaten in het kort:
- Een meting met resolutie van 31 nanometer
- Eerste geslaagde elektrochemische experiment
- Een succesvolle meting aan de e. colibacterie, zonder schade aan de bacterie.
Kwetsbaar evenwicht
De resultaten van de ONEM-microscoop worden steeds beter. Stam: ‘Het is echt een kwetsbaar evenwicht waar je mee werkt, Het preparaat moet perfect worden uitgelijnd in de microscoop, anders valt er te veel of te weinig licht op je preparaat. Vervolgens moet de fotokathode netjes worden aangebracht en tenslotte moet het ook allemaal nog stabiel zijn voor de elektronoptica. We leren elke dag meer over alle variabelen waar je rekening mee moet houden.’
Het stokje is doorgegeven
Stam sluit zijn onderzoek bij het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde af met de verdediging van zijn promotiescriptie, in het Academiegebouw op 4 juni 2025. Zijn onderzoek krijgt een vervolg, een nieuwe promovenda is namelijk al gestart met het verder verbeteren van de ONEM voor elektrochemische experimenten.
De verschillen tussen de microscopen
Microscopie is de wetenschap van het afbeelden van materie op kleinere lengteschalen dan met het blote oog te onderscheiden valt. Maar elke microscoop heeft zijn technische grenzen.
Det meest bekende microscoop is de lichtmicroscoop, deze kan objecten tot ongeveer 200 nanometer grootte goed afbeelden.
Voor kleinere objecten gebruiken we een elektronenmicroscoop. Een goede elektronenmicroscoop is in staat om afbeeldingen te maken met een resolutie van 0,05 nanometer. Deze kan individuele atomen van elkaar onderscheiden, maar heeft als nadeel dat voor de metingen hoogenergetische elektronen gebruikt worden. Die beschadigen een kwetsbaar preparaat zoals bacteriën of eiwitten.
Stam zet de nieuwe microscopietechniek Optische Nabije Veld Electronenmicroscopie (ONEM) op de kaart. De resolutie van onze microscoop is nu al zeven keer beter dan de klassieke optische microscoop, terwijl het biologische preparaten niet kapot maakt. De wens is om uiteindelijk twintig keer beter te worden en op tien nanometer nauwkeurig te kunnen meten.