破壊計測用マイクロ流路による液中反応X線レーザーイメージング

• 研究課題/領域番号: 16H05989
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 量子ビーム科学
• 研究機関: 東京大学 (2018-2019); 北海道大学 (2016-2017)
• 研究代表者: 木村 隆志 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任助教 (50531472)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 25,480千円 (直接経費: 19,600千円、間接経費: 5,880千円); 2019年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2018年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2017年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2016年度: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円)
• キーワード: X線光学 / X線自由電子レーザー / マイクロ流路 / コヒーレント回折イメージング / X線ミラー / X線イメージング / X線 / 小角散乱

研究成果の概要

本研究では、溶液中ナノ試料を高分解能に観察することを目標に、X線自由電子レーザー(X-ray free-electron laser : XFEL)を利用したコヒーレント回折イメージング法と、マイクロ流体デバイスによる液中反応制御技術を組み合わせた新たな顕微法を開発することを目指した。本顕微法開発のために必要なXFEL用マイクロ流体デバイスを作製し、その高度化に取り組むとともに、兵庫県播磨のXFEL施設SACLAを利用した溶液中試料のイメージング実験を行った。フェムト秒XFELのシングルパルス計測により、ナノ粒子構造の10 nm弱分解能でのイメージングに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来の顕微イメージング技術によりナノサイズ試料を液中観察する際には、様々な困難が存在する。例えば一般的に、光学顕微鏡では可視光を利用しているために波長による分解能の制限があり、電子顕微鏡では乾燥や染色といった前処理の必要性や電子線による試料の損傷が伴う。X線自由電子レーザーとマイクロ流体デバイスを組み合わせるイメージングの可能性を開拓する本研究成果により、こうした従来手法による問題点を克服した新たな液中試料観察ツールを提供可能になり、化学や生物学や様々な領域においてこれまでにない新たな知見を得る端緒になる。

研究成果

• [国際共同研究] Academia Sinica(台湾)(その他の国・地域)
• [国際共同研究] 台湾中央研究院(その他の国・地域（台湾）)
• [国際共同研究] 中央研究院(台湾)
• [国際共同研究] 台湾中央研究院(台湾)
• [雑誌論文] Design of a liquid cell toward three-dimensional imaging of unidirectionally-aligned particles in solution using X-ray free-electron lasers (2020)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Akihiro、Kimura Takashi、Yang Ying、Niida Yoshiya、Nishioka Akiko、Tachibana Tatsuro、Takei Masashi、Tono Kensuke、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Oshima Tairo、Bessho Yoshitaka、Joti Yasumasa、Nishino Yoshinori
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 22 号: 5 ページ: 2622-2628
  • DOI: 10.1039/c9cp03658j
  • NAID: 120006957264
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] XFEL coherent diffraction imaging for weakly scattering particles using heterodyne interference (2020)
  • 著者名/発表者名: C. F. Huang, W. H. Chang, T. K. Lee, Y. Joti, Y. Nishino, T. Kimura, A. Suzuki, Y. Bessho, T. T. Lee, M. C. Chen, S. M. Yang, Y. K. Hwu, S. H. Huang, P. N. Li, P. Chen, Y. C. Tseng, C. Ma, T. L. Hsu, C. H. Wong, K. Tono, T. Ishikawa, and K. S. Liang
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 10 号: 5 ページ: 055219-055219
  • DOI: 10.1063/1.5129406
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Micro-liquid enclosure array and its semi-automated assembling system for x-ray free-electron laser diffractive imaging of samples in solution (2020)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Ying Yang, Yoshiya Niida, Akiko Nishioka, Masashi Takei, Jinjian Wei, Hideyuki Mitomo, Yasutaka Matsuo, Kenichi Niikura, Kuniharu Ijiro, Kensuke Tono, Makina Yabashi, Tetsuya Ishikawa, Tairo Oshima, Yoshitaka Bessho Yasumasa Joti, and Yoshinori Nishino
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 91 号: 8 ページ: 083706-083706
  • DOI: 10.1063/5.0008398
  • NAID: 120007053062
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] SACLAを用いた環境制御ナノイメージング (2017)
  • 著者名/発表者名: 西野吉則、木村隆志、鈴木明大、城地保昌、別所義隆
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 45(8) ページ: 508-512
  • NAID: 130007957391
  • 国際共著
• [雑誌論文] X線自由電子レーザーによる溶液環境コヒーレント回折イメージング法の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志
  • 雑誌名: 放射光 巻: 30(2) ページ: 98-101
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Generation of apodized X-ray illumination and its application to scanning and diffraction microscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Krishna P. Khakurel, Takashi Kimura, Hiroki Nakamori, Takumi Goto, Satoshi Matsuyama, Tomoya Sasaki, Masashi Takei, Yoshiki Kohmura, Tetsuya Ishikawa, Kazuto Yamauchi, and Yoshinori Nishino
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 24 号: 1 ページ: 142-149
  • DOI: 10.1107/s1600577516017677
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] X線自由電子レーザーを用いたコヒーレント回折イメージングの高度化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志
  • 学会等名: 第33回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム（日本、愛知）
• [学会発表] マイクロ流体デバイスを用いた液中試料X線計測技術の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松本豊、江川悟、山口豪太、横前俊也、湯本博勝、小山貴久、大橋治彦、三村秀和、木村隆志
  • 学会等名: 精密工学会2020年度春季大会（日本、東京）
• [学会発表] 電鋳法とホログラフィック露光を組み合わせた新規光学素子開発に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 東駿吾、横前俊也、山口豪太、三村秀和、木村隆志
  • 学会等名: 精密工学会2020年度春季大会（日本、東京）
• [学会発表] コヒーレント X 線光源を利用したイメージング技術の高度化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志
  • 学会等名: 光科学技術研究会（日本、東京）
• [学会発表] New Design of Environmental Cells for X-ray Laser Diffraction Imaging of Samples in Mixed Solution (2019)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura
  • 学会等名: X Ibero American Optics Meeting, XIII Latin American Meeting on Optics, Lasers and Applications, and Mexican Optics and Photonics Meeting 2019(Mexico, Cancun)
  • 国際学会
• [学会発表] コヒーレントX線光源を利用した新規イメージング技術の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志
  • 学会等名: LASORセミナー（日本、千葉）
  • 招待講演
• [学会発表] がん治療用pH応答金ナノ粒子のX線レーザーによる液中ダイナミクス観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木村円香、鈴木明大、木村隆志、三友秀之、城地保昌、別所義隆、居城邦治、西野吉則
  • 学会等名: 第32回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] X線自由電子レーザーを用いたポンプ・プローブコヒーレント回折イメージング法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木芳幸、鈴木明大、木村隆志、三友秀之、城地保昌、別所義隆、居城邦治、西野吉則
  • 学会等名: 第32回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] X線自由電子レーザーを用いたポンプ・プローブコヒーレント回折イメージング法の開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 橘健朗、山崎憲慈、鈴木明大、木村隆志、三友秀之、城地保昌、別所義隆、郷原一寿、西野吉則
  • 学会等名: 第32回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] Radiation-Damage-Free Imaging of Solid Electrolytes for Lithium-Ion Batteries by Single-Shot Coherent Diffraction Imaging (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura
  • 学会等名: International Conference on X-ray Optics and Applications 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-fluence x-ray focusing system for high-resolution coherent diffraction imaging at SACLA (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirokatsu Yumoto, Takahisa Koyama, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Takashi Kameshima, Yasumasa Joti, Kensuke Tono, Naoya Tani, Tatsuro Tachibana, Yusuke Konishi, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino, Makina Yabashi, Haruhiko Ohashi
  • 学会等名: International Conference on X-ray Optics and Applications 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Controlled Environment Nano-Imaging Free From Radiation Damage by X-Ray Laser Diffraction (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Nishino,Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho
  • 学会等名: 2018 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Imaging thermoresponsive gold nanoparticles in solution by X-ray laser diffraction (2018)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Suzuki, Takashi Kimura, Ryo Iida, Hideyuki Mitomo, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, Ken-ichi Niikura, Kuniharu Ijiro, Yoshinori Nishino
  • 学会等名: International Conference on X-ray Optics and Applications 2018
  • 国際学会
• [学会発表] High‐fluence X‐ray focusing optics for high‐resolution coherent diffractive imaging using X‐ray free electron laser (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirokatsu Yumoto, Takahisa Koyama, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Takashi Kameshima, Yasumasa Joti, Kensuke Tono, Naoya Tani, Tatsuro Tachibana, Yusuke Konishi, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino, Makina Yabashi, Haruhiko Ohashi
  • 学会等名: International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Direct Observation of Solid Electrolyte Nanoparticle for Lithium-Ion Secondary Batteries by Single-Shot Coherent Diffractive Imaging at SACLA (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka, Bessho, Yoshinori Nishino
  • 学会等名: Cohernece 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Recent Advances in XFEL-Based Coherent Diffractive Imaging at SACLA (2018)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Suzuki, Takashi Kimura, Yasumasa Joti, Yoshitaka, Bessho, Yoshinori Nishino
  • 学会等名: Cohernece 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of Multilayer Focusing Mirror System for XFEL CDI Experiments of Biological Particles (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahisa Koyama, Hirokatsu Yumoto, Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Takashi Kameshima, Yasumasa Joti, Kensuke Tono, Naoya Tani, Tatsuro Tachibana, Yusuke Konishi, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino, Makina Yabashi, Haruhiko Ohashi
  • 学会等名: International Conference X-Ray Microscopy 2018
  • 国際学会
• [学会発表] コヒーレント回折パターンの特徴抽出による X線自由電子レーザーイメージング高度化の試み (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志、鈴木明大、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • 学会等名: 第十回放射光学会若手研究会
• [学会発表] インクジェット技術を利用した微量試料のX線自由電子レーザーイメージング手法の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村 隆志, 鈴木 明大, 城地 保昌, 別所 義隆, 西野 吉則
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] パルス状コヒーレントX線溶液散乱計測用マイクロ流路型環境セルアレイの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志、鈴木明大、城地保昌、別所義隆、西野吉則
  • 学会等名: 精密工学会2018年度春季大会
• [学会発表] X線自由電子レーザーによる溶液環境コヒーレント回折イメージング法の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志
  • 学会等名: 第30回日本放射光学会年回放射光科学合同シンポジウム
  • 発表場所: 神戸芸術センター (兵庫, 神戸)
  • 年月日: 2017-01-07
  • 招待講演
• [学会発表] Development of Single-Shot Coherent Diffraction Imaging Technique with X-ray Free-Electron Laser for Structural Analysis of Solution Samples. (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino
  • 学会等名: SACLA User's Meeting 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] X-ray Laser Imaging of DNA-Bound Nanoparticles in Inkjet-Dispensed Mixed Solution (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yoshitaka Bessho, Yoshinori Nishino
  • 学会等名: The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] 超微細インクジェットを利用した微量混合液体試料のX線自由電子レーザーイメージング技術の開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木村 隆志, 鈴木 明大, 城地 保昌, 別所 義隆, 西野 吉則
  • 学会等名: 2017年度精密工学会秋季大会
• [学会発表] Development of Micrometer-sized Liquid Enclosure Chip for Imaging of Samples in Solution by Single-shot X-ray Laser Diffraction. (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Yasumasa Joti, Yasutaka Bessho, and Yoshinori Nishino
  • 学会等名: International Conference on X-ray Optics and Applications 2017
• [学会発表] Imaging of Self-Assembled Au Nanoparticle Structure in Solution by Femtosecond X-ray Laser (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kimura, A. Suzuki, Y. Joti, Y. Bessho, and Y. Nishino
  • 学会等名: The 17th RIES-HOKUDAI INTERNATIONAL SYMPOSIUM
  • 発表場所: Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo (Hokkaido, Sapporo)
  • 年月日: 2016-12-13
  • 国際学会
• [学会発表] -ray Free-electron Laser Diffraction Imaging of Solution Sample Using Micro-Liquid Enclosure Array (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kimura, A. Suzuki, Y. Joti, Y. Bessho, and Y. Nishino
  • 学会等名: 14th Conference of the Asian Crystallographic Association
  • 発表場所: Hanoi (Vietnam)
  • 年月日: 2016-12-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 液中試料ダイナミクスのフェムト秒X線レーザーによる計測の試み (2016)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志, 後藤遼平, 丸岡篤史, 大島泰郎, 城地保昌, 大島泰郎, 別所義隆, 西野吉則
  • 学会等名: 第4回アライアンス若手研究交流会
  • 発表場所: 北海道大学フロンティア応用科学研究棟 (北海道, 札幌)
  • 年月日: 2016-11-09
• [学会発表] Imaging Gold Nanoparticle Assembly in Solution by Femtosecond X-ray Laser (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kimura, Y. Joti, Y. Bessho, and Y. Nishino
  • 学会等名: HOKUDAI-NCTU Joint Symposium on Nano, Photo and Bio Sciences in 2016
  • 発表場所: Frontier Research in Applied Sciences Building (Hokkaido, Sapporo)
  • 年月日: 2016-10-04
  • 国際学会
• [学会発表] Coherent Diffractive Imaging for Solution Samples by Femsosecond X-ray Laser (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kimura, Y. Joti, Y. Bessho, and Y. Nishino
  • 学会等名: 13th International Conference on X-ray Microscopy (XRM 2016)
  • 発表場所: Oxford (United Kingdom)
  • 年月日: 2016-08-15
  • 国際学会