在 Dr. Elisabeth Müller 的 34 年電子顯微鏡（EM）生涯中，她見(jiàn)證了從膠片發(fā)展到高速混合像素探測器的歷程。如今，她擔任瑞士保羅謝爾研究所（PSI）電子顯微鏡中心（EMF）的負責人，領(lǐng)導著(zhù)如Emiliya Poghosyan博士等充滿(mǎn)理想與抱負的科學(xué)家們。在婦女兒童參與科學(xué)國際日（2023年2月11日）上，我們有幸邀請到了Elisabeth和Emiliya博士，來(lái)向我們展示她們研究領(lǐng)域：電子顯微鏡的世界。
DECTRIS: 是什么原因讓您們選擇了電子顯微鏡領(lǐng)域？
PSI 電子顯微鏡中心的負責人 Dr. Elisabeth Müller 說(shuō)："并不是我選擇了電子顯微鏡領(lǐng)域，而是電子顯微鏡領(lǐng)域選擇了我。在完成碩士學(xué)位后，我正在尋找一個(gè)博士職位。當時(shí)，沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)的幫助，找到博士職位非常困難。偶然機會(huì )下，我發(fā)現了一個(gè)致力于研究西西里島埃特納火山氣體排放的職位。然而，由于這個(gè)崗位需要體力活（需要長(cháng)途跋涉和搬運沉重的設備），所以并不適合我。幸運的是，我的論文導師其后告訴我，他的電子顯微鏡組中有一個(gè)空缺職位。因為我和他有過(guò)很好的合作經(jīng)歷，而且研究主題聽(tīng)起來(lái)很有趣，所以我很高興地接受了這個(gè)職位。就這樣，我進(jìn)入了這個(gè)讓我著(zhù)迷了34年的領(lǐng)域。"
PSI 電子顯微鏡中心的科學(xué)家，Dr. Emiliya Poghosyan說(shuō)：” 由于我來(lái)自生命科學(xué)領(lǐng)域，利用透射電子顯微鏡（TEM）來(lái)從事研究對我來(lái)說(shuō)是十分有意義的。耗費以天計的長(cháng)時(shí)間來(lái)純化蛋白質(zhì)，然后將結晶樣品放置于銅網(wǎng)格之中，再放入顯微鏡中觀(guān)察，最終能看到我投注心力時(shí)間在研究的成果。這讓我意識到電子顯微鏡重要性并感激不同分析技術(shù)所帶來(lái)的研究?jì)?yōu)勢。我非常感謝PSI給了我這個(gè)機會(huì )，讓我能在這個(gè)領(lǐng)域追求個(gè)人的發(fā)展與成就。”
DECTRIS: Elisabeth, 成為電子顯微鏡中心的負責人對您意味著(zhù)什么？
Elisabeth: 我在電子顯微鏡中心工作了近十年。我必須承認，這份工作永遠不會(huì )變得乏味。這個(gè)工作職位是如此多面，首先，我負責我們所有儀器，并且必須確保所有儀器順利運行，避免任何停機。其次，我們與90多位用戶(hù)密切合作。我們給他們提供理論和實(shí)踐培訓，使他們能夠操作我們的儀器，并支持他們的項目。我們的用戶(hù)在材料科學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行各種實(shí)驗。為了最好地幫助他們，我們都必須跟上最新的研究并進(jìn)行自己的研究，這是具有挑戰性的。最后，身為機構的領(lǐng)導及決策人物，我還花了很多時(shí)間研究科學(xué)家們對設施的需求，進(jìn)行財務(wù)管理、招聘以及如何進(jìn)一步改進(jìn)我們的設備和研究。這種龐雜的職責范圍使得這個(gè)角色不僅有趣，而且極具挑戰性。
DECTRIS：Emiliya，與 Elisabeth 一起工作，您最看重什么？
Emiliya：與 Elisabeth 一起工作，我有機會(huì )從她那里學(xué)到關(guān)于她職位的亮點(diǎn)和面對挑戰的獨特見(jiàn)解。我非常感激能夠在用戶(hù)支持和培訓、儀器故障排除、方法開(kāi)發(fā)等方面提供幫助。這樣的經(jīng)歷正在為我的未來(lái)做好準備，并將幫助我有朝一日在這樣的職位上獲得成功。
DECTRIS：在支持的這么多用戶(hù)進(jìn)行實(shí)驗項目中，您們最難忘的項目是什么？
Elisabeth: 的確，能夠在像PSI這樣獨特的用戶(hù)機構工作很幸運，因為我被允許參與許多不同的項目，并支持科學(xué)家實(shí)施他們的想法。這些項目中有很多讓我學(xué)到了新的東西。
其中令我最無(wú)法忘懷的，是修復瑞士瓦萊州一座教堂里16世紀的圣母雕像。為了修復到與過(guò)去一致的外觀(guān)，技術(shù)人員需要知道雕像上黑色區域的原始成份。他們試圖了解這究竟是簡(jiǎn)單的黑色顏料、被腐蝕的銀(氧化銀)，還是在一層薄薄的黃金下腐蝕了的銀（燙金工藝而表層金膜剝落）。通過(guò)從雕像上切下一小塊（不超過(guò)1毫米），并在掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線(xiàn)能譜儀中進(jìn)行分析，我們能夠確定該材料的確切成分。為了了解材料的三維結構，我們在瑞士光源（SLS）上對一個(gè)較大的區域進(jìn)行了斷層掃描成像。這個(gè)實(shí)驗是我們在PSI設施中相互協(xié)作的一個(gè)很好的例子。
明亮和黑暗的領(lǐng)域
DECTRIS：作為一個(gè)電子顯微鏡中心負責人，或作為一個(gè)在電子顯微鏡中心工作的科學(xué)家，您們最大的挑戰是什么？
Elisabeth: 我想用一個(gè)詞來(lái)概括：資源。這些資源可以是金錢(qián)、人力、時(shí)間，甚至是空間。為了保持領(lǐng)先與競爭力，我們需要更先進(jìn)的設備來(lái)滿(mǎn)足各種應用需求，有能力為用戶(hù)提供支持和幫助的人力資源，以及足夠的時(shí)間用于研究和開(kāi)發(fā)。在任何情況下，我們都必須確定資源的優(yōu)先順序。
在團隊中，我們試圖了解哪些儀器能夠產(chǎn)生最大的價(jià)值，科學(xué)界會(huì )如何使用我們的儀器并保持熱門(mén)儀器的稼動(dòng)率，哪些研究項目帶來(lái)了新的的挑戰，以及我們是否能夠滿(mǎn)足運行儀器的額外要求。我們的目標是讓我們的儀器盡可能保持在最佳狀態(tài)。我們中心的運營(yíng)成本非常高，因此一旦我們有幸獲得資金支持，我們會(huì )將其視為一項投資，并尋求最大回報。
Emiliya: 當我加入這個(gè)機構時(shí)，我們意識到進(jìn)一步發(fā)展冷凍電鏡技術(shù)能力是至關(guān)重要的。這不僅需要改進(jìn)儀器，還需要制定用戶(hù)培訓項目。在最初的兩到三年里，我把大部分的注意力都放在了這些設備及技術(shù)的發(fā)展任務(wù)上，因此留給原本規劃的研究時(shí)間反而非常有限。在設施中心工作，或者更確切地說(shuō)，管理一個(gè)設施中心，就意味著(zhù)你需要不斷地在管理者和科學(xué)家兩個(gè)角色之間找到平衡。你不能讓一個(gè)角色壓倒另一個(gè)角色。
并非總是50/50
DECTRIS: 您們是如何找到一個(gè)平衡的？
Elisabeth: 確實(shí)，人們必須不斷地尋找平衡點(diǎn)。確保設施的順利運行非常重要，但進(jìn)行自己的原創(chuàng )研究也是必須的?？茖W(xué)發(fā)展如此之快，每天都會(huì )有新的技術(shù)出現，因此這兩方面的工作都需要大量的時(shí)間。我認為這兩者并不總是 50/50。一開(kāi)始，我把大部分精力都放在了設施的研發(fā)上，從儀器的采購到它們的設置和運行。在基礎穩固后，我可以更專(zhuān)注于方法的開(kāi)發(fā)和研究。我們已經(jīng)開(kāi)始定義研究的主軸和方向，因為我們希望能善用有限的資源來(lái)解決問(wèn)題，并且據此啟動(dòng)了一些用戶(hù)合作項目。因此，我們的工作有兩個(gè)靈感來(lái)源：用戶(hù)的項目和想法，以及現在領(lǐng)域中嶄露頭角的新興方法。無(wú)論如何，科學(xué)界的需求都是我們的心之所選。
DECTRIS：Elisabeth，在所有可用技術(shù)中，您如何選擇最適合您電子顯微鏡中心的技術(shù)？
Elisabeth: 選擇合適的技術(shù)并非易事，因為它并不總是關(guān)于最新的發(fā)展。有時(shí)，人們必須在嶄新技術(shù)和熟悉的主流技術(shù)之間做出選擇。我們的選擇仍是以用戶(hù)的需求為導向。如果我們可以確信該儀器會(huì )被廣泛使用，我們會(huì )考慮購買(mǎi)或升級它。然而，我們必須考慮到資源的配置。即使我們有購買(mǎi)新設備的預算，我們也需要確保有足夠的合格人員將其整合到我們的設施系統中并進(jìn)行維護。最后但同時(shí)也是很重要的是，我們也在關(guān)注其他設施所提供的服務(wù)？是否可以通過(guò)其他方法來(lái)實(shí)現什么？如果存在差距，這項技術(shù)能否幫助我們彌合差距？例如，PSI的大型研究設施可實(shí)現高通量并用于大批量研究，而我們的設施則側重于提高空間分辨率。因此，我們可以相互補充。
探索混合像素探測器的潛力
DECTRIS：您們如何描述探測技術(shù)的發(fā)展及其對電子顯微鏡的影響？
Elisabeth：當我開(kāi)始使用電子顯微鏡進(jìn)行研究時(shí)，我們當時(shí)認為這種技術(shù)已經(jīng)達到了極限。然而，在 1990 年代，幾項重要的發(fā)展——像差校正器、場(chǎng)發(fā)射槍和高真空系統等——讓電子顯微鏡迎來(lái)了新春，并帶來(lái)了諸多的新可能性。但尚未改變的一方面是探測器。我們能夠在顯微鏡下取得如此多的成就，但如果沒(méi)有更好的探測技術(shù)，就無(wú)法充分發(fā)揮電鏡的潛力。使用攝影膠片可以獲得高分辨率，但數字化很困難。第一臺 CCD 相機雖然向前邁進(jìn)了一步，但速度很慢。接下來(lái)是 CMOS 檢測器，可實(shí)現更快的讀出速度和更高的靈敏度，這為原位和時(shí)間分辨實(shí)驗提供一條康莊大道。
今天的相機技術(shù)開(kāi)拓了許多新的可能性，特別是直接電子探測器和混合像素探測器。這些探測器可以將靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和速度提升到一個(gè)全新的水平。探測器技術(shù)的進(jìn)步使得科學(xué)家能夠開(kāi)發(fā)出新的電子顯微鏡方法。
Emiliya：直接電子探測器的發(fā)展對生命科學(xué)產(chǎn)生了巨大影響。突然之間，有了這些精確的電子計數設備，我們可以解決我們之前認為不可能弄清楚的結構。因此，許多陷入困境的項目開(kāi)始解出晶體結構，從而能夠進(jìn)一步研究和發(fā)現基于結構藥物設計和其他領(lǐng)域的工業(yè)應用。我在材料科學(xué)領(lǐng)域的同事對混合像素探測器使用經(jīng)驗與我的感受非常類(lèi)似。希望這種混合像素探測器也能很好地服務(wù)于生命科學(xué)應用，我會(huì )非常興奮地去嘗試它。
DECTRIS：您能否分享一些最新或最激動(dòng)人心的研究項目，以及探測器技術(shù)在其中發(fā)揮的作用？
Elisabeth：目前，我們正專(zhuān)注于兩種只有在探測器技術(shù)發(fā)展的情況下才有可能實(shí)現的方法。它們是微晶電子衍射（microED），以及四維掃描透射電子顯微鏡技術(shù) (4D STEM)。前人認為，由于電子與試樣的強交互作用這樣的自然規則，我們無(wú)法得到與X射線(xiàn)一致清晰的衍射圖案并進(jìn)行量化分析。但如今，借力于新型探測器在速度和靈敏度的提升，及科學(xué)家們敢于嘗試，這些方法已經(jīng)初步確立可行，并為X射線(xiàn)表徵技術(shù)中過(guò)小的晶體，提供結構鑒定的可能。
后者- -4D STEM 技術(shù)(4D: 在2D實(shí)空間上的掃描點(diǎn)陣列中，每一掃描點(diǎn)由探測器2D倒空間散射或衍射影像組成)，實(shí)際上是一種從虛擬探測器(倒空間衍射)到(真實(shí)空間原子)疊層成像技術(shù)的方法，它為我們打開(kāi)了很多研究可能，并在某種程度上消除了許多復雜情況。在開(kāi)發(fā)4D STEM和能夠充分執行它的儀器之前，每種采集模式都需要專(zhuān)用的探測器，無(wú)法同時(shí)獲取數據。這對于束流敏感材料來(lái)說(shuō)是行不通的。而4D STEM和快速探測器消除了這個(gè)障礙：一個(gè)數據集覆蓋了一個(gè)大的角度范圍，可以更好地評估數據。這是一種新方法，在瑞士尚未廣泛應用。我們有機會(huì )與PSI的內部探測器開(kāi)發(fā)團隊合作，使用DECTRIS的商用探測器來(lái)開(kāi)發(fā)我們的電子顯微鏡中心，這讓我們非常興奮。我們迫不及待地想與大家分享我們的成果。
Emiliya: 除了 microED 和 4D STEM，我個(gè)人對我們在生命科學(xué)應用中使用的 STEM 斷層掃描工作感到非常興奮。這種方法在瑞士還沒(méi)有被廣泛采用，但它有很大的潛力來(lái)彌合高分辨率電子顯微鏡方法(小面積)和成熟的 X 射線(xiàn)方法之間的差距，并覆蓋大體積樣品。STEM
斷層掃描可以以更高的通量提供納米級分辨率。
關(guān)于 Elisabeth Müller 博士
Elisabeth Müller 博士在電子顯微鏡領(lǐng)域工作超過(guò)34年。在獲得物理學(xué)博士學(xué)位后，她加入了瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院)進(jìn)行凝態(tài)物理學(xué)博士后研究，在那里她使用透射電子顯微鏡(TEM)研究半導體的結構。后來(lái)，她加入保羅·謝勒研究所(PSI)，擔任材料表征、質(zhì)量控制和材料開(kāi)發(fā)的高級科學(xué)家。
Elisabeth 一直致力于電子顯微鏡領(lǐng)域，曾擔任過(guò) TEM 專(zhuān)家、職員科學(xué)家以及一個(gè)設施中心的負責人。今天，她是 PSI 電子顯微鏡設備的負責人，也是電子顯微鏡和衍射組的組長(cháng)。
關(guān)于 Emiliya Poghosyan 博士
Emiliya Poghosyan 博士在埃里溫州立大學(xué)獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位，在德累斯頓技術(shù)大學(xué)獲得納米生物物理學(xué)碩士學(xué)位。隨后，她加入瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）攻讀冷凍電鏡博士學(xué)位，并在巴塞爾大學(xué)完成了博士后研究。
自2018年以來(lái)，Emiliya一直在PSI的電子顯微鏡設施工作，負責為常規TEM和冷凍電子顯微鏡提供用戶(hù)支持和培訓，以及生物電子顯微鏡的方法開(kāi)發(fā)和實(shí)施。
（文章來(lái)源于<德科特思 DECTRIS>）
