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儘管奈米級成像技術藉助透射電子顯微鏡取得了長足進步，但諾貝爾獎得主丹·謝赫特曼（2011年諾貝爾化學獎）在週二的大師班上警告聽眾，今天的影像在幾年後看來會顯得原始。目前，五名學生——四名女性和一名男性——在第63屆林道諾貝爾獎獲得者大會上展示的研究已達到筆者理解能力的邊緣。
所有研究人員都討論了透射電鏡和生物樣本的兩個主要難題：研究人員如何在避免輻射損傷的同時，利用顯微鏡捕獲最高細節的影像？如何構建影像的 3D 模型？
謝赫特曼提醒我們，透射電鏡影像實際上是三維的。但人腦無法填補影像中包含的 3D 資訊。“這就像你蒙上一隻眼睛看東西一樣。你知道物體是三維的，但只用一隻眼睛，你只能看到二維，”他解釋道。
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琳賽·貝克，現就職於荷蘭烏得勒支大學，她概述了“透射電鏡的力量”，使用了她在加拿大多倫多大學實驗室完成的工作。當她問同事們時，她呼應了謝赫特曼的話：“我們如何從碳、氧、氫或氮分子的二維影像過渡到三維影像？”她很快用一個日常例子解釋了這個問題。醫生可能會檢查病人的骨折 X 射線影像，但一次只能看到骨骼的一部分。如果能一次從各個角度看到整個骨碎片，他的工作就會輕鬆得多。為了對單個粒子做到這一點，貝克和同事們遵循了三個步驟：1) 他們根據先前的知識，建立了一個他們設想的 3D 影像的地圖；接下來，2) 該小組為每個影像分配了投影方向；最後，3) 他們使用這些資訊，用他們記錄的每個不同的透射電鏡影像重建地圖。該團隊使用了數十萬張單粒子影像。“我們一遍又一遍地重複這個過程，數百次，直到我們得到一個準確的 3D 模型，”貝克解釋道。
但是，對於細胞中透射電鏡無法觸及的部分，我們該如何成像呢？德國馬克斯·普朗克生物化學研究所的 朱莉婭·馬哈米德 給出了以下一系列步驟：玻璃化冷凍、關聯顯微鏡、聚焦離子束和冷凍電子斷層掃描。“這聽起來很簡單，但事實並非如此，”馬哈米德說。聽眾紛紛低語表示贊同：聽起來一點也不簡單。馬哈米德用精美絕倫的 3D 影像平衡了她錯綜複雜的詳細演示，這些影像像色彩繽紛的舞者一樣在黑色螢幕上旋轉。最後，我們得以看到一個有絲分裂 HeLa 細胞中的整個中心體。
謝赫特曼提醒年輕的研究人員，透射電鏡的力量僅取決於樣本，而樣本當然必須由人提供。“你們的貢獻是樣本，因此製備是首要任務，”他說。
於 2009 年加入西北大學國際奈米技術研究所的 伊芙琳·奧永 接下來拿起麥克風。“這是一個關於我如何幫助改進透射電鏡表徵系統的故事，”她開始說道。所說的系統是什麼？DNA 奈米粒子超晶格。這些超晶格通常在溶液中操作，但必須處於固態才能成功進行透射電鏡成像。早在 2008 年，科學家們就認為這是不可能實現的。奧永重點引用了 Nykypanchuk 等人在《自然》雜誌上的一段話：“這種超晶格的開放框架使得該結構在去除溶劑後容易坍塌，從而阻止透過電子顯微鏡進行準確的形態視覺化，”他寫道。奧永在演講中帶著一絲勝利的語氣，點選投影儀展示了這些影像。她的實驗室使用矽包封和 X 射線散射圖來對晶格結構進行成像。
德國馬克斯·普朗克學會弗裡茨·哈伯研究所的 托馬斯·倫肯貝恩 隨後討論了透射電鏡在催化中的應用。當他的簡報上的紅色箭頭出現以突出螢幕上的純黑色時，他引起了人群的諷刺性笑聲。成像問題無處不在！
最後，德國保羅·謝勒研究所的 梅赫塔普·厄扎斯蘭 做了精彩的演講，受到了謝赫特曼的高度讚揚。最後兩個簡報缺乏總結完全是筆者的過錯，筆者根本無法跟上技術筆記。
在課程結束時，謝赫特曼問道：“我們學到了什麼？”他停頓了一下，讓房間裡的人等待專家回答他的問題。“我們學到的一件事是，可以從樣本中收集到許多訊號。我們需要朝著更好、更強大的訊號收集方向發展，”他說。說完，他鼓勵房間裡所有渴望的科學家回到各自的國家，幫助建立偉大的實驗室，這些實驗室有朝一日可能會為諾貝爾獎級別的工作提供環境。
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此部落格文章源自 林道諾貝爾線上社群，林道諾貝爾獎獲得者大會的互動論壇。第 63 屆林道諾貝爾獎獲得者大會 致力於化學領域，於 2013 年 6 月 30 日至 7 月 5 日在德國林道舉行。35 位諾貝爾獎獲得者將與來自約 80 個國家的 600 多名青年研究人員會聚一堂。