Ｘ線自由電子レーザーを用いたコヒーレントＸ線溶液散乱法の開発

• Project/Area Number: 14J07747
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Quantum beam science
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 井上 伊知郎 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: X線自由電子レーザー / ポンプ・プローブ / コヒーレントX線 / X線散乱

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、「スペックルを利用したX線溶液散乱法」というアイデアをもとにX線自由電子レーザー(XFEL)、SACLAを用いて結晶化不要のタンパク質構造解析を実現することにある。スペックルを利用したX線溶液散乱法とは、タンパク質溶液からのスペックル状の散乱像を解析（方位角方向の散乱強度の相関を計算）して分子の構造情報を引き出す手法である。
近年の理論的な研究の進展によってXFELのパルス幅と同程度の時間スケールで測定試料へのX線ダメージが起こり得ることが明らかになってきた。そのため、高強度のX線を利用した構造解析を行うためには、X線ダメージの影響を考慮にいれる必要がある。このX線ダメージ過程を実験的に明らかにするために、今年度は、10フェムト秒を切る時間分解能を持つX線ポンプ・X線プローブ法を開発し、フェムト秒の時間スケールで起こるX線ダメージ過程の観測を可能にした。そしてダイヤモンドを試料として、ポンププローブ実験を行なった結果、X線照射後20フェムト秒からクーロン爆発による原子移動が顕著になることが明らかになった。
本研究の最終目的であるスペックルを利用したX線溶液散乱法は、２年間の特別研究員の期間内に実現できなかったが、XFELの光特性評価や高強度X線が物質に及ぼすフェムト秒ダメージの観測といった、要素技術を確立することに成功した。これらの技術をもとにして、結晶化不要のタンパク質構造解析の実現に向けて研究を発展させていきたい。

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] Observation of femtosecond X-ray interactions with matter using an X-ray-X-ray pump-probe scheme (2016)
  • Author(s): I. Inoue, Y. Inubushi, T. Sato, K. Tono, T. Katayama, T. Kameshima, K. Ogawa, T. Togashi, S. Owada, Y. Amemiya, T. Tanaka, T. Hara, M. Yabashi
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 113 Issue: 6 Pages: 1492-1497
  • DOI: 10.1073/pnas.1516426113
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Inline spectrometer for shot-by-shot determination of pulse energies of a two-color X-ray free-electron laser (2016)
  • Author(s): K. Tamasaku, Y. Inubushi, I. Inoue, K. Tono, M. Yabashi, T. Ishikawa
  • Journal Title: J. Synchrotron Radiat. Volume: 23 Issue: 1 Pages: 331-333
  • DOI: 10.1107/s1600577515020196
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characterizing transverse coherence of an ultra-intense focused X-ray free-electron laser by an extended Young’s experiment (2015)
  • Author(s): I. Inoue, K. Tono, Y. Joti, T. Kameshima, K. Ogawa, Y. Shinohara, Y. Amemiya, M. Yabashi
  • Journal Title: IUCrJ Volume: 2 Issue: 6 Pages: 620-626
  • DOI: 10.1107/s2052252515015523
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] X線ポンプ-X線プローブ法によるフェムト秒X線ダメージ過程の観測 (2016)
  • Author(s): 井上伊知郎, 犬伏雄一, 佐藤堯洋, 登野健介, 片山哲夫, 小川奏, 亀島敬, 富樫格, 大和田成起, 雨宮慶幸, 田中隆次, 原徹, 矢橋牧名
  • 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: 千葉
  • Year and Date: 2016-01-09
• [Presentation] Characterization of transverse coherence properties of ultra-intense focused X-ray free-electron laser (2015)
  • Author(s): Ichiro Inoue, Kensuke Tono, Yasumasa Joti, Kanade Ogawa, Yuya Shinohara, Yoshiyuki Amemiya and Makina Yabashi
  • Organizer: SRI 2015
  • Place of Presentation: ニューヨーク
  • Year and Date: 2015-07-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非同一２粒子間の散乱波干渉測定によるXFELの空間コヒーレンス測定 (2015)
  • Author(s): 井上伊知郎, 登野健介, 城地保昌, 亀島敬, 小川奏, 篠原佑也, 雨宮慶幸, 矢橋牧名
  • Organizer: 第28回放射光学会年会・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: 2015-01-10 – 2015-01-12
• [Presentation] X線コヒーレンスと非結晶構造解析 (2014)
  • Author(s): 井上伊知郎
  • Organizer: 日本結晶学会年会及び総会
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都文京区）
  • Year and Date: 2014-11-01 – 2014-11-03
  • Invited
• [Remarks] X線自由電子レーザーの可干渉性を可視化
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry422/
• [Remarks] フェムト秒で起こるX線損傷過程の観測に成功
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry454/