走査型Ｘ線回折トモグラフィーによる３次元ナノメートル空間分解バイオイメージング

• Project/Area Number: 13J02959
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nanomaterials/Nanobioscience
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 鈴木 明大 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: X線顕微鏡 / タイコグラフィ / コヒーレントX線光学 / タイコグラフィー / バイオイメージング

Outline of Annual Research Achievements

X線タイコグラフィとは、コヒーレントX線回折と反復的位相回復計算に基づく、レンズを用いないX線イメージング技術である。本研究の目的は、手法開発・装置開発・解析技術開発の3つの観点からX線タイコグラフィを高度化させ、生体試料の高空間分解能内部構造観察を実現することである。前年度に我々は、試料の上流に円柱構造体を配置しインラインホログラムを取得することで、回折パターンの強度ダイナミックレンジを圧縮する“暗視野X線タイコグラフィ”を提案し、計算機シミュレーションによって有効性を確かめた。本年度は、大型放射光施設SPring-8において本手法の実証を目指した。
はじめに、試料に厚さ30 nmのTaジーメンススターテストチャートを用いて、円柱構造体がある場合とない場合の2通りで回折パターンを取得した。円柱構造体の直径、高さ、材質はそれぞれ100 nm、488 nm、Taであり、電子線リソグラフィ技術を用いて作製した。2つの回折パターンデータセットを利用する位相回復アルゴリズムを開発し、位相回復計算を行った。その結果、計算機シミュレーションで示唆されていた通り、再構成された試料像の空間分解能と位相感度は円柱構造体を利用しない場合と比較して向上し、12 nmの空間分解能、0.01 rad以下の位相感度を達成した。
さらに本手法を磁性細菌MO-1へ応用した。Taジーメンススターテストチャートの場合と同様に、円柱構造体がある場合とない場合で回折パターンを取得し、位相回復計算を行った。再構成された試料像より、MO-1の細胞小器官であるマグネトソームが鮮明に確認できた。さらに、マグネトソームを形成するマグネタイト微粒子の一つ一つを解像できており、空間分解能は20 nm以下と見積もられる。以上のように、暗視野X線タイコグラフィを実証し、生物試料の内部構造観察に応用したことが今年度の研究成果である。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Efficient use of coherent X-rays in ptychography: Towards high-resolution and high-throughput observation of weak-phase objects (2016)
  • Author(s): Nicolas Burdet, Kei Shimomura, Makoto Hirose, Akihiro Suzuki, Yukio Takahashi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 108 Issue: 7 Pages: 07113-07113
  • DOI: 10.1063/1.4942105
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Precession X-ray Ptychography with Multislice Approach (2015)
  • Author(s): Kei Shimomura, Akihiro Suzuki, Makoto Hirose, Yukio Takahashi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 91 Issue: 21 Pages: 214114-214114
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.214114
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dark-field X-ray Ptychography (2015)
  • Author(s): Akihiro Suzuki, Yukio Takahashi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 23 Issue: 12 Pages: 16429-16438
  • DOI: 10.1364/oe.23.016429
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] X線タイコグラフィによる磁性細菌の観察 (2014)
  • Author(s): 鈴木明大、下村啓、古宅伸、高橋幸生
  • Journal Title: 医学生物学電子顕微鏡技術学会誌 Volume: 28 Pages: 12-15
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-resolution multislice x-ray ptychography of extended thick objects (2014)
  • Author(s): A. Suzuki, S. Furutaku, K. Shimomura, K. Yamauchi, Y. Kohmura, T. Ishikawa, and Y. Takahashi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 112 Issue: 5
  • DOI: 10.1103/physrevlett.112.053903
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of high-accuracy x-ray ptychography apparatus (2013)
  • Author(s): A. Suzuki, Y. Senba, H. Ohashi, Y. Kohmura, K. Yamauchi, T. Ishikawa, and Y. Takahashi
  • Journal Title: Journal of Physics : Conference Series Volume: 463 Pages: 012039-012039
  • DOI: 10.1088/1742-6596/463/1/012039
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 暗視野X線タイコグラフィによる弱位相物体の高分解能イメージング (2016)
  • Author(s): 鈴木明大、下村啓、広瀬真、Nicolas Burdet、高橋幸生
  • Organizer: 第29回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学柏の葉キャンパス駅前サテライト（千葉県柏市）
  • Year and Date: 2016-01-10
• [Presentation] 暗視野X線タイコグラフィーの提案 (2015)
  • Author(s): 鈴木明大、下村啓、広瀬真、高橋幸生
  • Organizer: 第28回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 立命館大学びわこ・くさつキャンパス（滋賀県草津市）
  • Year and Date: 2015-01-11
• [Presentation] High-resolution hard x-ray ptychography of extended thick objects using multislice approach (2014)
  • Author(s): A. Suzuki, K. Shimomura, S. Furutaku, K. Yamauchi, Y. Kohmura, T. Ishikawa, Y. Takahashi
  • Organizer: International Conference on X-ray Microscopy(XRM2014)
  • Place of Presentation: Melbourne Convention and Exhibition Center (Melbourne, Australia)
  • Year and Date: 2014-10-30
• [Presentation] A method for ptychographic X-ray imaging of weak-phase objects (2014)
  • Author(s): A. Suzuki, Y. Takahashi
  • Organizer: The International Workshop on Phase Retrieval and Coherent Scattering (Coherence 2014)
  • Place of Presentation: Northwestern University (Evanston, Illinois, USA)
  • Year and Date: 2014-09-04
• [Presentation] マルチスライスアプローチを用いた高分解能X線タイコグラフィー (2014)
  • Author(s): 鈴木明大, 古宅伸, 下村啓, 山内和人, 香村芳樹, 石川哲也, 高橋幸生
  • Organizer: 第27回日本放射光学会年会
  • Place of Presentation: 広島国際会議場(広島県広島市中区)
• [Presentation] Multimode X-ray Ptychography : Complementary Use of Focused and Defocused X-ray Beams (2013)
  • Author(s): A. Suzuki, S. Furutaku, K. Yamauchi, Y. Kohmura, T. Ishikawa, and Y. Takahashi
  • Organizer: Ptycho2013
  • Place of Presentation: Hohenkammer Castle, Bavaria, Germany
• [Patent(Industrial Property Rights)] イメージング装置及び方法 (2015)
  • Inventor(s): 高橋幸生、鈴木明大、下村啓、広瀬真
  • Industrial Property Rights Holder: 高橋幸生、鈴木明大、下村啓、広瀬真
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2015-01-27