如何通俗地理解2017年諾貝爾化學獎得主的成就？
2017年諾貝爾化學獎授予三位冷凍電鏡領域的學者，說實話，看到這個消息的實話，我也不知道這個到底是不是化學獎。
因為我知道，著名生物學家施一公教授就是用冷凍電鏡來看蛋白質分子的空間結構的。這個儀器是新一代的生物物理儀器，但得了一個化學獎，這使得我也相信大家一直在說的一句話：諾貝爾化學獎其實就是理科綜合獎。
頒獎詞說：獎勵他們對冷凍電鏡技術的發展做出突出貢獻。
這次獎勵的三個人是：
哥倫比亞大學教授約阿基姆·弗蘭克（Joachim Frank），蘇格蘭分子生物學家和生物物理學家理查德·亨德森（Richard Henderson）以及瑞士洛桑大學生物物理學榮譽教授雅克·迪波什（Jacques Dubochet）。
冷凍電鏡為什麼那麼重要？是因為這個儀器是看蛋白質的，蛋白質分子很小，而且蛋白質是有活性的，一般要在有水的環境裡存在——大家看看雞蛋黃與雞蛋清就知道了。如果不把蛋白質中的水凍住，那麼蛋白質分子就會在水中游泳，仰泳蛙泳的各種姿勢都有，蛋白質的空間結構根本就研究不了。於是，這三個獲獎人發明了冷凍的電鏡，把蛋白質中的水凍起來，蛋白質也就不動了。這樣就可以拍照了。這個方法就可以拍出蛋白質的每個瞬間的泳姿。
為什麼一定要研究蛋白質的空間結構？因為在分子生物學中有一句非常重要的話：結構決定了功能。所以，這個項目得諾貝爾獎也是天經地義的。
冷凍電鏡：一個發給了物理學家的諾貝爾化學獎，獎勵他們幫助了生物學家｜“知識分子”特別報道
► 2017年諾貝爾化學獎授予三位冷凍電鏡領域的學者
他們對冷凍電鏡技術的發展做出突出貢獻
獲獎人簡介 約阿基姆·弗蘭克（Joachim Frank）
德裔生物物理學家，現為哥倫比亞大學教授。他因發明單粒子冷凍電鏡（cryo-electron microscopy）而聞名，此外他對細菌和真核生物的核糖體結構和功能研究做出重要貢獻。弗蘭克2006年入選為美國藝術與科學、美國國家科學院兩院院士。2014年獲得本傑明·富蘭克林生命科學獎。
理查德·亨德森（Richard Henderson）蘇格蘭分子生物學家和生物物理學家，他是電子顯微鏡領域的開創者之一。1975年，他與Nigel Unwin通過電子顯微鏡研究膜蛋白、細菌視紫紅質，並由此揭示出膜蛋白具有良好的機構，可以發生α-螺旋。近年來，亨德森將注意力集中在單粒子電子顯微鏡上，即用冷凍電鏡確定蛋白質的原子分辨率模型。
雅克·迪波什（Jacques Dubochet）Jacques Dubochet, 1942年生於瑞士，1973年博士畢業於日內瓦大學和瑞士巴塞爾大學，瑞士洛桑大學生物物理學榮譽教授。Dubochet 博士領導的小組開發出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術製作不形成冰晶體的玻璃態冰包埋樣品，隨著冷臺技術的開發，冷凍電鏡技術正式推廣開來。
事實上，早在2015年《自然》雜誌旗下子刊Nature Methods將冷凍電鏡技術（cryo-EM）評為年度最受關注的技術，我們邀請了劍橋大學MRC分子生物學實驗室博士後張凱系統介紹冷凍電鏡發展，同時也對在這一領域做得非常出色的華人科學家程亦凡教授進行了專訪。
此次冷凍電鏡技術獲得諾貝爾化學獎實至名歸。如下為北京生命科學研究所研究員何萬中的點評。
冷凍電鏡技術為何摘得2017年的諾貝爾化學獎
撰文 | 何萬中（北京生命科學研究所研究員）
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2013年，冷凍電鏡技術的突破給結構生物學領域帶來了一場完美的風暴，迅速席捲了結構生物學領域，傳統X射線、傳統晶體學長期無法解決的許多重要大型複合體及膜蛋白的原子分辨率結構，一個個被迅速解決，紛紛強勢佔領頂級期刊和各大媒體版面，比如程亦凡博士、施一公博士、楊茂君博士、柳正峰博士所解析的原子分辨率重要複合體結構，震驚世界。
這場冷凍電鏡革命的特點是：不需要結晶且需要樣品量極少，即可迅速解析大型蛋白複合體原子分辨率三維結構。這場電子顯微學分辨率革命的突破有兩個關鍵技術：直接電子相機（其中算法方面程亦凡博士和李雪明博士有重要貢獻）和三維重構軟件。
引領這些技術突破的背後離不開三位冷凍電鏡領域的開拓者：理查德·亨德森（Richard Henderson）、約阿希姆·弗蘭克（Joachim Frank）和 Jacques Dubochet分別在基本理論、重構算法和實驗方面的早期重要貢獻。
我本人與這三位科學家都有曾過面對面的交流，也是讀他們的文章進入這個領域的，下面簡要談談他們的貢獻。
電子顯微鏡於1931年發明，但在生物學領域的應用滯後於材料科學，原因在於生物樣品含水分才會穩定，而電子顯微鏡必須在高真空下才能工作，因此如何製作高分辨率生物電鏡樣品是個技術瓶頸。傳統的重金屬負染技術，可以讓重金屬包被蛋白表面，然後脫水乾燥製作適合真空成像的樣品，但這會導致樣品分辨率降低（至多保存1.5納米）。
1968年，英國劍橋大學MRC實驗室的Klug博士和他的學生DeRosier開創了基於負染的噬菌體病毒的電鏡三維重構技術（Klug 博士獲1982年諾貝爾化學獎）。但如何保持生物樣品原子分辨率結構又適合電鏡成像呢？加州大學伯克利分校的Robert Glaeser博士和他學生Ken Taylor 於1974年首次提出並測試了冷凍含水生物樣品的電鏡成像，可以有效降低輻照損傷對高分辨率結構破壞和維持高真空，實現高分辨率成像的新思路，這就是冷凍電鏡（CryoEM）的雛形。
► 冷凍電鏡樣品製作流程，圖片來自creative-biostructure.com
1982年，Dubochet 博士領導的小組開發出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術製作不形成冰晶體的玻璃態冰包埋樣品，隨著冷臺技術的開發，冷凍電鏡技術正式推廣開來。
在Klug博士提出的三維重構技術基礎上，MRC實驗室的Richard Henderson博士（物理學及X射線晶體學背景）跟同事Unwin 博士1975年開創了二維電子晶體學三維重構技術，隨後應用該技術技術解析了第一個膜蛋白細菌視覺紫紅質蛋白的三維結構，1990達到3.5埃，這是一個非常了不起的工作，但是第一個類似的膜蛋白結構的諾貝爾獎還是被X射線晶體學家米歇爾於1988年奪走了。二維晶體最大問題在於很難長出二維晶體，因而應用範圍很窄，且容易被X射線晶體學家搶了飯碗（本人剛入行第一個薄三維晶體項目就被搶了）。
上世紀90年代，Henderson博士轉向了剛興起的另一項CryoEM三維重構技術，即Joachim Frank 博士發展的單顆粒分析重構技術，無需結晶就可以對一系列蛋白或複合體顆粒直接成像，對位平均分類，然後三維重構。Henderson 博士憑藉他深厚的物理學及電子顯微學功底，以及非凡的洞察力，提出實現原子分辨率CryoEM技術的可行性，在理論上做了一系列超前的預見，比如電子束引起的樣品漂移必須解決才能實現原子分辨率，為後期直接電子相機的突破指明瞭方向，他本人也投身於直接電子相機的開發。
因此，在這場電鏡分辨率的革命中，Henderson博士是個不折不扣的發起者。另外，三維重構新算法的突破也有Henderson 博士的獨具慧眼有關，Sjors Scheres博士在沒有很強論文情況下被他看中招募到MRC後因為開發經典的Relion 三維重構算法大放異彩。
最後，我們再介紹一下發展冷凍電鏡單顆粒三維重構技術的Joachim Frank博士，他也是物理學背景。Frank 博士是單顆粒分析鼻祖，單顆粒三維重構算法及軟件Spider的作者。
Frank 師從德國著名的電子顯微學家Hoppe博士，Hoppe學派主張對任意形狀樣品直接三維重構，後來的電子斷層三維重構及cryoEM三維重構技術都與他的早期思想有關。Frank博士提出基於各個分散的全同顆粒（蛋白）的二維投影照片，經過分類對位平均，然後三維重構獲得蛋白的三維結構，發展了一系列算法並編寫軟件（SPIDER）實現無需結晶的蛋白質三維結構解析技術。尤其在核糖體三維重構方面有一系列的重要開創性工作，可惜當年核糖體結構諾貝爾獎沒有給他。現在給他在cryoEM單顆粒三維重構的一個諾貝爾獎，實至名歸。
又是一年沒有化學家的諾貝爾化學獎，由雅克·杜波切（Jacques Dubochet）、約阿希姆·弗蘭克（Joachim Frank）、理查德·亨德森（Richard Henderson）三位生物學領域的科學家共享。
要說他們跟化學有什麼關聯吧，其實也有，他們的貢獻對生物化學領域有舉足輕重的地位。
三位科學先驅研發出用於溶液中生物分子結構高分辨率測定的冷凍電子顯微鏡，給結構生物學*領域帶來了巨大的突破。
*注：結構生物學主要是用物理的手段，用X-射線晶體學，核磁共振波譜學，電鏡技術等物理學技術來研究生物大分子的功能和結構.來闡明這些大分子相互作用中的機制。
獲獎者的基本資料就不再贅述了，直接簡單通俗地說說他們的貢獻吧。
我們知道顯微鏡是生物學研究中最重要的工具之一，我們通過它瞭解生命的微觀結構，光學顯微鏡在生物學發展過程中逐漸出現了瓶頸，很難看到更微觀的生物大分子，例如蛋白質這類物質。
原因要從物理學層面解釋，生物大分子的尺度一般在1-100納米之間，而可見光的波長範圍卻在380-780納米之間，這意味著可見光很容易繞過生物大分子，極限是0.2微米。
接下來更加先進的電子顯微鏡誕生了，用電子作為信號源事情就變得明朗多了，電子的波長能達到0.1納米左右，接近原子的尺度。但對於生物學家來說新的問題又出現了。
電子顯微鏡要求在真空的狀態下運行，可很多生物大分子都只能以水溶液的形式穩定存在，真空的狀態下很難保證這些樣品維持原來狀態。
以至於電子顯微鏡最先在材料領域大放異彩，直到本年度的三位諾獎得主創造了一種新的冷凍電子顯微技術。
圖/採用傳統負染技術製作的顯微圖像
雅克·杜波切、約阿希姆·弗蘭克、理查德·亨德森三位科學家找到了解決辦法——冷凍電子顯微鏡。
三人對冷凍電鏡的基本理論、重構算法和實驗方面分別做出了卓越的貢獻。
杜波切成功實現水的玻璃化——迅速將水冷卻，讓其先以液體狀態將生物樣本包裹，之後立刻變成固體，從而使得生物分子在真空管中仍能保持其自然形態。
圖/採用冷凍電鏡技術製作的高精度顯微圖像
弗蘭克則讓該項技術獲得廣泛應用。他開發出一種圖像處理技術，能夠分析電子顯微鏡生成的模糊2D圖像，並將其合併，最終生成清晰的3D結構。
最終的突破由亨德森完成，他在1990年成功利用一臺電子顯微鏡生成了一種蛋白質的3D圖像，圖像分辨率達到原子水平。
圖/冷凍電鏡下的蛋白質與寨卡病毒
冷凍電鏡技術給結構生物學帶來了新的突破，讓生物學家們可以從更加高效地研究生物分子的奧祕，將生物化學帶入了一個新時代。
可以這麼說，三位物理功力深厚的教授為生物學領域做出了卓越貢獻，最終獲得了諾貝爾化學獎，但卻實至名歸。
拿別人的獎，讓別人無獎可拿
前天剛剛寫了諾貝爾物理學獎的規律，是在物理學分類七個分支中的五個分支領域輪流坐莊，這五個分支領域分別是：天文學、天體物理和宇宙學，凝聚態物理，應用物理，核物理和粒子物理，原子、分子和光物理。於是剩下兩個分支生物物理學和計算物理就得去搶佔別的學科名額了。早就有化學學者網上評論，諾貝爾化學獎已經是綜合獎了，準確說是理綜獎，諾貝爾化學獎被多次頒發給生物、生物化學、生物物理、物理領域。今年的化學獎又雙叒叕頒發給了三位物理學家，以獎勵他們對於低溫電子顯微鏡做出了貢獻。
通俗講原理
電子顯微鏡問世以來為生物學的發展起到了極大的推動作用，掃描隧道顯微鏡發明者格爾德·賓寧和海因裡希·羅雷爾還獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。
原理就是利用經過高壓加速後電子束，穿透樣品時形成散射電子和透射電子，然後在熒光屏上成像。這也其實很好理解，被觀察的樣本結構密度不同地方是不一樣的，採用電子束投射到樣品時，密度不同的地方就會產生不同的作用結果，如果電子束射向密度小的部位透射電子就多一些，如果電子束投射到密度大的部位時，散射電子就多一些，投射到熒光屏上的電子少而呈暗像，電子照片上則呈黑色。就像同一個網球用相同的力在草地，沙地，橡膠場地上的彈性效果是不一樣的。但是傳統電子顯微鏡也有缺點啊，就是必須在高真空條件下工作，而且高速電子流的照射會使生物樣品受到輻照損傷，因此觀察的樣品都是死的。
獲獎者貢獻在哪裡
下面就是本次三位諾貝爾化學獎得主——三位物理學家的工作了，Kenneth A. Taylor 和Robert M. Glaeser 在1974年就提出了冷凍電鏡技術，就是為了降低高能電子束對分子結構的損傷。冷凍就是你所知道的那個冷凍，只不過冷的徹底些，樣本被冷凍以後分子熱運動就會變緩很多，輻射電子束就會有效的避免誤傷，看過電視裡雜技表演的都知道，表演飛鏢技術時，人體靶子站在那裡一動不動，然後搭檔把飛鏢嗖嗖射在了人體旁邊，扎出來一個大字，人體靶子毫髮無損，如果搭檔在甩飛鏢的時候，靶子在那裡隨意亂動，那誤傷的就是必然的了。雖然說原理簡單(就像道理我都懂)，但是操作起來仍然有挑戰，三位研究者經過三十多年的研究，不僅把圖像清晰顯示出來了，而且對成像算法進行了優化，得到了樣品的三維結構。
2017年的諾貝爾化學獎授予三位冷凍電鏡領域的科學家。他們的研究領域是怎麼樣的呢？在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術，就叫做冷凍電子顯微鏡技術，簡稱冷凍電鏡（cryo-electron microscopy， cryo-EM）。用電子顯微鏡看生物，由於電子的強輻射，對生物的損傷很大，基本上只能看到死的生物，想看活體生物非常困難。而在超低溫的條件下，電子帶來的輻射損傷被有效控制，因此可以觀測生物活著時的分子結構與功能等，比如蛋白質分子結構。但因分子樣品所能承受的輻射劑量仍是非常低的，導致信噪比非常低，清晰度低。另外，隨著觀測的進行，電子會累積而造成分子的移動，導致獲得的圖像變得模糊。這就好比用一個簡單的傻瓜相機拍攝在雨中飛馳的子彈，得到的影像必然是模糊的並且充滿噪音。因此，冷凍電鏡的方法技術在很長時間內只能確定個頭比較大的樣品的結構，比如病毒顆粒的結構，而且通常分辨率都不高。在最近幾年，冷凍電鏡技術有了革命性的進步，主要得益於三個方面的突破。首先是樣品製備，通過利用薄膜碳層甚至石墨烯可以用更薄的冰層包裹分子樣品來提高信噪比。第二個突破是電子的探測技術，也就是電子探測器的發明。之前，冷凍電鏡用的成像技術是把電子變成光，再由數碼相機把光變成電，然後成像，“電光—光電”轉換的過程降低了信噪比。而現在電子探測器能夠直接用電子成像，無需轉換成光，從而大幅提高成像的信噪比。模糊的子彈一下子變得清晰，冷凍電鏡的分辨率不斷上升。第三個突破是計算能力的提高和軟件算法的進步。冷凍電鏡的最終成像通常需要對幾萬甚至幾十萬張投影圖片進行分析、組裝和優化，都是用計算機來完成。要獲得好的效果，需要先進的計算資源配合有效的算法，包括類似人工智能算法，才能實現。具有里程碑意義的成果是，2013 年加州大學舊金山分校（UCSF） 程亦凡和David Julius的研究組首次得到膜蛋白的3.4Å尺寸的結構，相當於0.34納米，已接近突被分子級別、達到原子級別的高分辨率三維結構。
2017年諾貝爾化學獎再一次證明不老老實實學物理是不行的。
三位獲獎者都具有很好的物理背景（有人乾脆把他們稱為物理學家），他們幫助生物學家解決了許多大型複合體及膜蛋白的原子分辨率結構，從而獲得了諾貝爾化學獎。
約阿基姆·弗蘭克（Joachim Frank）：哥倫比亞大學教授，發明了單粒子冷凍電鏡（cryo-electron microscopy）。
理查德·亨德森（Richard Henderson）：電子顯微鏡領域的開創者之一，1975年，他與Nigel Unwin通過電子顯微鏡研究膜蛋白、細菌視紫紅質，並由此揭示出膜蛋白具有良好的機構，可以發生α-螺旋。近年來，亨德森將注意力集中在用冷凍電鏡確定蛋白質的原子分辨率模型。
雅克·迪波什（Jacques Dubochet）：瑞士洛桑大學生物物理學榮譽教授，他領導的小組開發出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術製作不形成冰晶體的玻璃態冰包埋樣品，隨著冷臺技術的開發，冷凍電鏡技術正式推廣開來。
冷凍電鏡的發展同樣經歷了漫長的過程。電子顯微鏡於1931年發明，但在生物學領域的應用明顯滯後於材料科學，原因在於生物樣品含水分才會穩定，而電子顯微鏡必須在高真空下才能工作，因此如何製作高分辨率生物電鏡樣品是個技術瓶頸。
上世紀60年代英國劍橋大學MRC分子生物學實驗室的Aaron Klug領導的小組首次實現了從多個角度的二維電子顯微圖像獲得三維結構，並因此獲得了1982年的諾貝爾化學獎。70年代美國加州大學伯克利分校的Robert Glaeser及其團隊率先證明冷凍於液氮溫度下的蛋白質分子可以在電子顯微鏡的高真空中保持在含水狀態，並且可以耐受高能電子的輻照而仍然保持其精細結構。與此同時，MRC分子生物學實驗室的Richard Henderson和Nigel Unwin應用葡萄糖包埋的技術保持蛋白質二維晶體在真空中的含水狀態，並首次用電子顯微鏡解析了細菌紫紅質蛋白的7埃分辨率結構。到80年代初，歐洲分子生物學實驗室的Jacques Dubochet課題組實現了將溶液狀態的生物大分子速凍在玻璃態的冰中，在液氮溫度下的電子顯微鏡觀察，從而奠定了冷凍電鏡制樣與觀察的基本技術手段。這也標誌著冷凍電鏡（Cryo-Electron Microscopy或 Electron Cryo-Microscopy）技術的誕生。
該項技術引起極大的關注始於2013年。這一年程亦凡教授與其合作者一道在近原子分辨率水平上解析了一種在感知熱和疼痛過程中起重要作用的離子通道蛋白TRPV1這一膜蛋白的結構。此前，冷凍電鏡一直被認為分辨率不夠，比不上X射線晶體學，程教授的研究極大地改變了這一看法，並推動了冷凍電鏡的使用和發展。
值得一提的是，程亦凡教授是在中科院物理所獲得理學博士學位的，他師從李方華院士，原來就是做電鏡的，難怪他把冷凍電鏡玩到了極致。
一句話總結，這些成果能讓我們簡單的看到高清無碼的生物分子結構圖。。。
10月4日,瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣佈將2017年度諾貝爾化學學獎授予瑞士洛桑大學科學家雅克·迪波什（Jacques Dubochet），美國哥倫比亞大學科學家約阿基姆·弗蘭克（Joachim Frank）， 英國劍橋大學科學家理查德·亨德森（Richard Henderson），以表彰他們“研發出冷凍電鏡，用於溶液中生物分子結構的高分辨率測定”。
三位的具體功勞呢？ Richard Henderson 首先使用電子顯微鏡觀察拍到了蛋白質的三維結構原子級的圖片。使得本來適用於“無生命”樣品的，具有而發射出破壞性電子束的電子顯微鏡能適用於生物材料和生物分子的研究。而Joachim Frank 發明出一種圖像處理的算法，使得我們用電子顯微鏡拍到的模糊的二維圖像能以三維結構形式表達成像。而第三位獲獎者Jacques Dubochet 利用電子顯微鏡觀測了含水的生物樣本。因為一般的電子顯微鏡是在真空環境下工作，水分使得電子顯微鏡從原理上無法工作。可是Dubochet 成功的將水溶液迅速冷卻轉變為玻璃態，並保證被觀察的生物分子能保持其天然狀態，這幾項成果使得我們現在能夠直接在溶液中測定生物分子的高分辨圖像。
以上。
2017年諾貝爾化學獎得主的成就，說白了就是他們發明了一種可以給蛋白質拍照的電子顯微鏡。
我們知道，電子顯微鏡依靠電子去打樣品，然後來成像的。電子顯微鏡與光學顯微鏡的區別是什麼？那就是電子的波長非常短，而光的波長很長，所以光看不了蛋白質，蛋白質分子與光的波長差不多大，光容易繞過去。而電子的波長很短，打在蛋白質上就可以反射回來成像。
問題的關鍵在於，電子打在蛋白質上一來容易把蛋白質打壞了，二來是因為蛋白質分子是運動的，蛋白質有活性，它一動起來，電子打上去反射回來的方向就不受控制了，看起來就是模糊的。——這就好像我們用普通傻瓜相機拍籃球比賽的扣籃動作，拍出來的照片是虛的——原因很簡單，因為扣籃的時候，人是在運動的。
那麼有什麼辦法？
一個辦法是把蛋白質固定住，不讓它運動。我們知道，蛋白質一定是在水溶液中才有活性，所以，我們把水凍住，蛋白質也就凍住了。
這個就是冷凍電鏡的來歷。
當然了，因為蛋白質的結構還是很複雜的，你拍照出來以後，如何解析這個照片需要電腦的軟件來處理，這裡就設計到了算法。對於這個算法，我們中國科學院物理研究所畢業的博士程亦凡也有很大的貢獻。但可惜他沒有得獎。畢竟，這一次頒獎只能獎勵三個人，所以程亦凡還是缺了一點火候。
做科學儀器得化學獎是很正常的，比如做質譜儀的田中耕一也得過。
瑞典皇家科學院10月4日宣佈，將2017年諾貝爾化學獎授予瑞士科學家雅克·杜博歇、美國科學家約阿希姆·弗蘭克以及英國科學家理查德·亨德森，以表彰他們在冷凍電鏡技術發展中的開拓性貢獻。
普通人聽到冷凍電鏡技術是雲裡霧裡，我們先來科普一下這項技術。
所謂電鏡就是電子顯微鏡。
我們最熟悉的是放大鏡，可以放大眼前的物體。
我們比較熟悉的是顯微鏡，它是由一個透鏡或幾個透鏡的組合構成的一種光學儀器，是人類進入原子時代的標誌。主要用於放大微小物體成為人的肉眼所能看到的儀器。最早的顯微鏡是16世紀末期在荷蘭製造出來的。發明者可能是一個叫做札恰里亞斯·詹森的荷蘭眼鏡商，或者另一位荷蘭科學家漢斯·利珀希，他們用兩片透鏡製作了簡易的顯微鏡，第一個是意大利科學家伽利略。他通過顯微鏡觀察到一種昆蟲後，第一次對它的複眼進行了描述。第二個是荷蘭亞麻織品商人安東尼·凡·列文虎克，他自己學會了磨製透鏡。他第一次描述了許多肉眼所看不見的微小植物和動物。
和普通的顯微鏡不同的是電子顯微鏡根據電子光學原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學透鏡，使物質的細微結構在非常高的放大倍數下成像的儀器。通俗說，就是比普通的顯微鏡放大倍率高得多，看得更加清楚。1931年4月7日，魯斯卡和馬克斯·克諾爾成功用磁性鏡頭製成第一臺二級電子光學放大鏡，實現了電子顯微鏡的技術原理，基於磁場會因電子帶電而偏移的現象，使得通過鏡頭的電子射線能夠像光線一樣被聚焦，當時被稱為“超顯微鏡”。 與工程師博多·馮·博里斯一起完善了他的電子顯微鏡發明，1938年至1939年起投入批量生產。
發明電子顯微鏡後的55年後，他與掃描隧道顯微鏡的發明者格爾德·賓寧和海因裡希·羅雷爾一同獲得了諾貝爾物理學獎，那年是1986年，魯斯卡已經80歲了。
加上一個冷凍，就是超低溫下的電子顯微鏡。那麼普通的電子顯微鏡用的好好的，幹嘛要用超低溫電子顯微鏡呢？因為普通的電子顯微鏡只能看到靜止的無機物，通過它們是看不到活動著的生物大分子的！具體原因是因為電子的特性，我們就不展開了。
科學家們就想到了冷凍方法，他們用液態的乙烷等快速冷凍含有水分的生物樣品，這樣就可以製備出很薄的水膜（生物大分子就冷凍在這個水膜裡）。冷凍完成以後，就可以用電鏡來觀測蛋白質等生物大分子的空間結構了。
20世紀80年代初，雅克·杜博歇領導的研究小組成功開發出了快速冷凍製作生物樣品的方法，可使樣品中的水分呈現玻璃態而不是結成冰晶，從而使生物樣品能夠在真空條件下保持自然狀態不變，為電鏡在生物學上的應用打開了大門。
約阿希姆·弗蘭克曾在1975年到1986年間改進了電鏡的圖像處理方式，使原來看起來模糊的二維電鏡圖像轉變為可供研究分析的清晰三維立體結構，額可以更好地觀察生物樣品。而理查德·亨德森於1990年成功獲得了原子尺度上的蛋白質三維結構，並提出了實現原子級分辨率冷凍電鏡技術的可行性理論，使得我們看到的生物尺度更小，更清晰。
冷凍電鏡，就是用於掃描電鏡的超低溫冷凍制樣及傳輸技術(Cryo-SEM)可實現直接觀察液體、半液體及對電子束敏感的樣品，如生物、高分子材料等。樣品經過超低溫冷凍、斷裂、鍍膜制樣（噴金/噴碳）等處理後，通過冷凍傳輸系統放入電鏡內的冷臺（溫度可至-185℃）即可進行觀察。其中，快速冷凍技術可使水在低溫狀態下呈玻璃態，減少冰晶的產生，從而不影響樣品本身結構，冷凍傳輸系統保證在低溫狀態下對樣品進行電鏡觀察。
這是通過低溫物理學技術，利用電鏡來觀察生物化學分子，從而為生物化學研究生物化學中高分子的蛋白質，DNA、脂類以及生物化學大分子提供了清晰的實體結構，對生命化學起著決定性意義，以幫助對生命化學分子具體演化找出合理的解釋，它對未來人們尋找治療疾病上的藥物有很大的幫助。