軟X線用ポリキャピラリレンズを用いた３次元顕微イメージング

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H03168
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 中野 元博 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40164256)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 生物・生体工学 / 軟X線顕微鏡 / プラズマ / キャピラリ

Outline of Annual Research Achievements

フォーカシング・ポリキャピラリ・オプティクスを用いて軟X線を数十μmに集束した際、微小試料への入射位置と入射角度が僅かに異なる多光束の軟X線として照射される特性を精密に評価してイメージングする技術を開発することにより、光学顕微鏡の分解能では見えない「水分を含んだ生体細胞内の小器官」の3次元炭素分布を可視化できる超小型軟X線顕微鏡の実現を目指して研究を進めている。すなわち、フォーカシング・ポリキャピラリ・オプティクスを軟X線用結像レンズとして用いる際に問題となる集光領域での各光線の理想軌跡からの偏差を、逆にイメージングに利用しようとしている。可視光の領域では、単一点受光センサーを利用したゴースト・イメージングで光線情報の処理が行われているが、本研究ではCCDによる面情報検出を軟X線の領域で行い、さらにポリキャピラリレンズを用いてイメージングを実現しようとしている。具体的には、短パルスレーザー生成プラズマ(LPP)から放射される酸素(O)と炭素(C)のK吸収端間(543～284 eV)の波長域2.28～4.36 nmの「水の窓」軟X線を ポリキャピラリレンズで照明・拡大投影し、細胞内小器官で起きている動的な変化を観察可能にする顕微イメージングを実現するため、本年度、ポリキャピラリレンズを用いた軟X線顕微鏡プロトタイプの設計・製作を行った。今後、このプロトタイプの改良を進めて、ポリキャピラリ出射軟X線の試料設置領域における多光束空間伝搬特性を精密に評価し、顕微イメージングの基礎データを取得し、さらに、多光束伝搬特性の評価データを処理して、像の再構成イメージング取得を目標として研究を進めていく。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新しいポリキャピラリレンズを用いたパルスレーザー生成プラズマ放射軟X線による小型顕微鏡のプロトタイプを設計し、(1) ポリキャピラリ・オプティクスのフォーカシング特性、(2) ポリキャピラリ・オプティクスの拡大投影特性、(3) パルスレーザー照射で生成されるプラズマからの軟X線放射とポリキャピラリ入射・出射特性、(4) ポリキャピラリ出射軟X線の微小な試料設置領域における多光束空間伝搬特性の精密評価、(5) 試料ホルダーの走査安定性などの諸特性を評価して3次元顕微イメージングに必要な基礎データを取得する計画であったが、パルスレーザーにより発生させたプラズマから放射される軟Ｘ線の強度が不足しており、ポリキャピラリレンズを含む光軸調整に時間を要してしまった。ポリキャピラリの特性がほぼ設計仕様を満たしていることは確認できているので、今後、改良を進めて、ポリキャピラリレンズを用いた軟X線顕微鏡プロトタイプの改良を進めていく。

Strategy for Future Research Activity

１．軟X線顕微鏡プロトタイプの改良
①ポリキャピラリによる軟X線(波長域2.28～4.36 nm)の直径30μm以下への集束照射機構、②対向設置したポリキャピラリによる軟X線のCCDカメラへの拡大投影機構、③パルスレーザー生成プラズマからの軟X線放射制御機構、④試料位置へのテストパターン挿入・走査機構、⑤生体細胞内小器官観察用SiO2薄膜窓ホルダーの設置・走査機構、これらの機構を有する新しいポリキャピラリレンズを用いたパルスレーザー生成プラズマ放射軟X線による小型顕微鏡プロトタイプの改良を進めていく。
２．軟X線用ポリキャピラリレンズの光学特性評価
ポリキャピラリ・オプティクスの(1)フォーカシング、(2) 拡大投影、(3) 軟X線の入射と出射、(4) 出射した軟X線の試料設置領域における多光束空間伝搬という主要特性、および、軟X線検出用CCDカメラのシグナル出力・ノイズ特性などを精密に評価して、3次元顕微イメージングに必要な基礎データを取得する。
ポリキャピラリで直径30μm以下の微小領域に集光照射した軟X線は、生きた細胞内小器官に入射し、対向するポリキャピラリで試料透過光を拡大してCCDに投影される。CCDで検出した透過光強度から3次元のイメージングを可能にするため、微小な試料設置領域における多光束空間伝搬特性を精密評価することが不可欠であり、種々のテストパターンを試料位置に挿入して、CCD像との相関を計算し、CT (Computed Tomography)マッピングに必要な基礎データを取得・解析する。さらに、試料位置に挿入した様々なテストパターンに対するCCD各画素の相関を計算し、ポリキャピラリから試料の各点に入射する位置と入射方向ベクトルで表現される詳細な光線情報を処理して、3次元像の再構成を試みる。