Development of surface modification techniques for coherent X-ray diffraction imaging of in-solution biological samples.

• Project/Area Number: 26870006
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Quantum beam science; Nanobioscience
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Kimura Takashi 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (50531472)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2015: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2014: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: X線光学 / X線イメージング / 超精密加工 / X線自由電子レーザー / コヒーレント回折イメージング / コヒーレントX線回折イメージング / X線顕微鏡 / コヒーレント光学 / 生体分子パターニング / 自己組織化単分子膜 / 電子ビームリソグラフィ / 環境セル / バイオイメージング / 単分子解析

Outline of Final Research Achievements

In this research, I developed surface modification techniques in order to advance the potential of in-solution biological sample imaging by X-ray free-electron laser coherent diffraction microscopy. The surface modification technique we developed includes the fabrication of 30-nm-damenter dot pattern with electron beam lithography on 200-nm-thickness silicon nitride membrane which is used as sample holder for coherent diffraction microscopy. On each dot pattern, we successfully mounted protein molecules with the assistance of self-assembled monolayer. Coherent diffraction patterns from such uniquely fabricated samples were obtained at Japanese X-ray free-electron laser facility SACLA (SPring-8 Angstrom Compact free-electron LAser) and the image was reconstructed by using phase retrieval algorithms.

Research Products

• [Int'l Joint Research] 台湾中央 研究院物理研究所(台湾)
• [Journal Article] X線レーザー回折による生きた細胞のナノイメージング (2016)
  • Author(s): 西野吉則、木村隆志、城地保昌、別所義隆
  • Journal Title: オプトロニクス Volume: 35(1) Pages: 48-52
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] パルス状コヒーレントX線溶液散乱法のための溶液試料ホルダの開発 (2015)
  • Author(s): 木村隆志、城地保昌、別所義隆、西野吉則、松尾保孝
  • Journal Title: NanotechJapan Bulletin Volume: 8(3) Pages: 1-5
  • Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] X線自由電子レーザーを用いた生きた細胞のナノイメージング (2015)
  • Author(s): 西野吉則、木村隆志、城地保昌、別所義隆
  • Journal Title: SPring-8/SACLA利用者情報 Volume: 20(3) Pages: 126-127
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] フェムト秒X線レーザーによる溶液中の生きた細胞観察 (2014)
  • Author(s): 木村 隆志、城地 保昌、別所 義隆、西野 吉則
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 10(83) Pages: 830-833
  • NAID: 130007718529
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoelectron Angular Distribution for Two-Photon Ionization of Helium by Ultrashort Extreme Ultraviolet Free Electron Laser Pulses (2013)
  • Author(s): R. Ma, K. Motomura, K.L. Ishikawa, S. Mondal, H. Fukuzawa, A. Yamada, K. Ueda, K. Nagaya, S. Yase, Y. Mizogichi, M. Yao, A. Rouzée, A. Hundermark, M.J.J. Vrakking, P. Johnsson, M. Nagasono, K. Tono, T. Togashi, Y. Senba, H. Ohashi , M. Yabashi, and T. Ishikawa
  • Journal Title: J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. Volume: 46 Issue: 16 Pages: 164018-164018
  • DOI: 10.1088/0953-4075/46/16/164018
  • Peer Reviewed
• [Presentation] X線自由電子レーザーによる溶液中試料ダイナミクス計測の試み (2016)
  • Author(s): 木村隆志、後藤遼平、丸岡篤史、城地保昌、大島泰郎、別所義隆、西野吉則
  • 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: 2016-01-09
• [Presentation] X 線レーザー回折イメージングによる溶液中試料の反応解析に向けたサンプルホルダーの改良 (2016)
  • Author(s): 丸岡篤史、木村隆志、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • 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: 2016-01-09
• [Presentation] 生物試料イメージング実験における測定効率の向上 (2016)
  • Author(s): 木村隆志、後藤遼平、城地保昌、大島泰郎、別所義隆、西野吉則
  • 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: 2016-01-09
• [Presentation] 液中試料ダイナミクスのコヒーレント回折イメージングによる計測の試み (2015)
  • Author(s): 木村隆志、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • Organizer: 附置研究所間アライアンス 第三回若手研究交流会
  • Place of Presentation: 九州大学 筑紫キャンパス 総合研究棟 (C-cube)・1F 筑紫ホール（福岡県・春日市）
  • Year and Date: 2015-11-16
• [Presentation] コヒーレント回折イメージングによる液中試料の動的構造計測に向けた取り組み (2015)
  • Author(s): 木村 隆志
  • Organizer: ナノマクロ物質・デバイス・システム創製アライアンス 医療材料・デバイス・システムグループG3 分科会
  • Place of Presentation: 大阪大学中之島センター（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2015-11-12
• [Presentation] Damage Free Imaging of Samples in Solution by X-ray Free-Electron Laser Diffraction (2015)
  • Author(s): Takashi Kimura, Joti Yasumasa, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino
  • Organizer: The 16th Ries-Hokudai International Symposium
  • Place of Presentation: Chateraise；Gateaux Kingdom, Sapporo, Hokkaido
  • Year and Date: 2015-11-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nano-patterning of organic samples for signal enhancement Using in X-ray laser diffraction imaging, (2015)
  • Author(s): Tomoya Sasaki, Takashi Kimura, Joti Yasumasa, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino
  • Organizer: The 16th Ries-Hokudai International Symposium
  • Place of Presentation: Chateraise；Gateaux Kingdom, Sapporo, Hokkaido
  • Year and Date: 2015-11-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] パルス状コヒーレントX線溶液散乱法のための溶液試料ホルダの開発 (2015)
  • Author(s): 木村隆志、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • Organizer: 第１３回ナノテクノロジー総合シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京ビッグサイト（東京都・江東区）
  • Year and Date: 2015-01-30
  • Invited
• [Presentation] パルス状コヒーレントX線溶液散乱法によるSACLAでの溶液試料イメージング実験 (2015)
  • Author(s): 木村隆志、川村仁志、佐々木智也、高畠雄輝、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • Organizer: 第２８回日本放射光学会年回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: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] Development of Micro-liqud Enclosure Array for Imaging of Samples in Solution by X-ray Laser Diffractio (2014)
  • Author(s): Takashi Kimura, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino
  • Organizer: The 15th Ries-Hokudai International Symposium
  • Place of Presentation: シャトレーゼ・ガトーキングダム (北海道・札幌)
  • Year and Date: 2014-12-16 – 2014-12-17
• [Presentation] X線自由電子レーザーによる液中試料のコヒーレントX線回折イメージング (2014)
  • Author(s): 木村隆志、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • Organizer: 第１０回励起ナノプロセス研究会
  • Place of Presentation: ホテルニセコいこいの村（北海道・ニセコ町）
  • Year and Date: 2014-09-20 – 2014-09-22
  • Invited
• [Presentation] X線自由電子レーザーを用いた溶液中試料イメージング法の開発 (2014)
  • Author(s): 木村隆志、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • Organizer: 第157回研究会 - JSPS マイクロビームアナリシス第141委員会
  • Place of Presentation: 名城大学 名駅サテライト(愛知県・名古屋市)
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-12
  • Invited
• [Presentation] Development of Structure analysis method for non-crystalized sample in solution using Focused X-ray free-electron laser (2014)
  • Author(s): Takashi Kimura, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino
  • Organizer: Coherence 2014
  • Place of Presentation: Evanston (United States)
  • Year and Date: 2014-09-02 – 2014-09-05
• [Presentation] 超短パルスX線レーザーによる溶液中試料構造の可視化と応用 (2014)
  • Author(s): 木村隆志、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • Organizer: 放射光学会第六回若手研究会
  • Place of Presentation: SPring-8キャンパス SACLA実験棟2階大会議室（兵庫県・佐用町）
  • Year and Date: 2014-08-22 – 2014-08-24
  • Invited