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2017 年度 実績報告書

高輝度フラッシュ光源による「水の窓」波長域軟X線顕微鏡の高空間分解能化

研究課題

研究課題/領域番号 16H03902
研究機関東北大学

研究代表者

江島 丈雄  東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (80261478)

研究分担者 加道 雅孝  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子ビーム科学研究部門, 室長代理(定常) (30360431)
刀袮 重信  東京電機大学, 理工学研究科, 特別専任教授 (70211399)
東口 武史  宇都宮大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80336289)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード軟X線顕微鏡 / 水の窓 / レーザー励起プラズマ光源 / 反射多層膜 / アポトーシス
研究実績の概要

研究目的に基づき、平成29年度は下記の実績を達成した。
①研究計画に沿ってLPP光源の高輝度化は、ターゲットにBiを用いることで、UTA放射の利用とUTA放射を実現するための電子温度Teの高温化が達成できた。また励起レーザーにフェムト秒レーザーを用いることで、プラズマによる発生軟X線の再吸収を妨ぐためのプラズマ臨界密度ncの低密度化を行うことができ、水の窓波長域の発光強度を従来から大幅に改善することに成功した。
② 29年度には新たに開発した平均で0.3程度の反射率を示すCr/Sc/Mo多層膜を蒸着したトロイダルミラーを、①で完成した光源からの光を集光するための照明光学系として①の軟X線光源と共に軟X線顕微鏡に組み込みテストを行った。テストはポリスチレン球、風乾したHeLa細胞、溶液中のHeLa細胞等を薄片化したシンチレーター上に載せて密着法により撮像を行った結果、これまで難しかった溶液中の細胞が撮像できることが確認できた。
③ アポトーシス過程の軟Ⅹ線撮像を行うために、アポトーシス過程で変化するDNA中のリン酸基の化学結合状態に注目し、その化学結合状態変化がP-L2,3吸収端で観測できるかどうかの確認を分子科学研究所UVSOR BL4U STXMビームラインを用いて行った。まずリン酸基として化学結合状態のことなるAAとAAA、AMPとcAMP、プラスミドのリン酸基の切断の有無の3組の試料を用意し、リン酸基の変化による化学結合状態の変化がP-L2,3吸収端で観測可能かどうかの検証を行った。その結果、いずれもリン酸基の変化を示すと考えられるスペクトル形状の変化が見られた。特にアポトーシス過程を示した細胞核の状態に近いプラスミドにおいてもリン酸基の化学変化が観測できた事は特筆に値する。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究課題内の各テーマごとに進捗状況に多少違いはあるものの、全体としては概ね順調に推移していると考えている。

これまで研究計画に沿ってLPP光源の高輝度化を行ってきたが、前年度に新たに見出した窒素雰囲気下でのLPP光源の使用により水の窓波長域の軟Ⅹ線強度が増大する現象に関しては、現象の確認と定性的な理解が得られたものの現象を理解するまでには至らなかった。本研究においてこの現象の解明を行うのは研究計画から大幅に逸脱するため、今後この現象の解明には新たな枠組みで継続的な基礎実験を行う必要があることを認識しつつ、本課題ではこの現象についての取り組みを中断することにした。一方で、研究目的のLPP光源の高輝度化は、前年度の研究成果を踏まえ、フェムト秒幅の赤外レーザーによりBi金属を励起してプラズマを生成することにより、従来より大幅に水の窓波長領域の発光強度を増大することに成功した。
この励起光源の発光波長に合わせたCr/Sc/Mo反射多層膜を蒸着したトロイダルミラー2台を新たに作製し、軟X線顕微鏡の照明光学系としてインストールし、光軸調整を行い、撮像実験を行った。現状ではまだ最適な撮像条件を探し出すことに成功していないものの、実用的な時間内で溶液中のHeLa細胞を撮像することに成功した。
アポトーシス過程の解明のためには、これまで注目していなかったリン酸基の化学状態変化に着目し、各種リン酸基を持つ有機化合物と大腸菌由来のDNA構造であるプラスミドのリン酸基の結合状態変化を、P-L2,3吸収端を用いて観測できるかどうかを試みたところ、P-Oのπ結合とσ結合由来のピーク構造の中間部分においてピーク強度の変化が現れることを見出した。以上から、Pの吸収端構造を利用することにより、アポトーシス過程の変化を調べることが可能になった、と考えている。

今後の研究の推進方策

29年度の研究結果に基づき、軟X線顕微鏡は引き続き撮像条件の最適化を行う。当面はレーザー光学系の口径を拡げ集光光学系の開口数を大きくすることでプラズマ温度の高温度化を図るとともに、照明光学系の最適化を行う。また撮像する試料の状態によっても画像の質が異なることが明らかとなったので、より鮮明な画像を得るために試料側の条件を変化させることも検討している。
またアポトーシス過程の可視化については、リン酸基の化学結合状態変化を検出できることが明らかとなったことから、細胞核においてアポトーシスの進行度合いの異なる試料を作製し、化学結合状態の違いの可視化を試みる。

  • 研究成果

    (29件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (16件) (うち国際共著 8件、 査読あり 16件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件) 産業財産権 (1件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] Cilostazol May Decrease Plasma Inflammatory Biomarkers in Patients with Recent Small Subcortical Infarcts: A Pilot Study.2018

    • 著者名/発表者名
      Saji N, Tone S, Murotani K, Yagita Y, Kimura K, Sakurai T.
    • 雑誌名

      J Stroke Cerebrovasc Dis

      巻: S1052-3057 ページ: 30036-3

    • DOI

      10.1016/j.jstrokecerebrovasdis.2018.01.020

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of Soft X-Ray Microscope in Water Window Using Laser-Produced Plasma Light Source2017

    • 著者名/発表者名
      T. Ejima, Y. Kondo, Y. Ono, T.-H. Dinh, T. Higashiguchi, and T. Hatano
    • 雑誌名

      X-Ray Lasers 2016, Springer Proceedings in Physics

      巻: 202 ページ: Chap. 59

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cr/Sc/Mo multilayer for condenser optics in water window microscopes2017

    • 著者名/発表者名
      T. Hatano, T. Ejima, T. Tsuru
    • 雑誌名

      J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.

      巻: 220 ページ: 14-16

    • DOI

      10.1016/j.elspec.2016.12.010

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Increase of the emission of laser-produced plasmas under N2 gas atmosphere in the 2.9-6 nm region2017

    • 著者名/発表者名
      M. Kado, M. Kishimoto, K. Shinohara, and T. Ejima
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 111 ページ: 054102-1-4

    • DOI

      10.1063/1.4996890

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 赤外顕微分光法によるアポトーシスを起こした細胞核の解析2017

    • 著者名/発表者名
      加道雅孝, 江島丈雄、刀祢重信、篠原邦夫
    • 雑誌名

      SPring-8利用研究成果集 Section A

      巻: 5 ページ: 35

    • DOI

      10.18957/rr.6.1.35

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Characteristics of laser produced plasmas of hafnium and tantalum in the 1-7 nm region2017

    • 著者名/発表者名
      Bowen Li, Takamitsu Otsuka, Emma Sokell, Padraig Dunne, Gerry O’Sullivan, Hiroyuki Hara, Goki Arai, Toshiki Tamura, Yuichi Ono, Thanh-Hung Dinh, and Takeshi Higashiguchi
    • 雑誌名

      European Physical Journal D

      巻: 71 ページ: 278-287

    • DOI

      10.1140/epjd/e2017-70830-6

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Opacity effects on soft X-ray spectra from highly charged lanthanide ions in laser-produced plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      Chihiro Suzuki, Takeshi Higashiguchi, Atsushi Sasanuma, Goki Arai, Yusuke Fujii, Yoshiki Kondo, Thanh-Hung Dinh, Fumihiro Koike, Izumi Murakami, and Gerry O’Sullivan
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B

      巻: 408 ページ: 253-256

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2017.03.094

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Spectroscopy of Highly Charged Ions for Extreme Ultraviolet Lithography2017

    • 著者名/発表者名
      Gerry O’Sullivan, Padraig Dunne, Takeshi Higashiguchi, Domagoj Kos, Oisin Maguire, Takanori Miyazaki, Fergal O’Reilly, John Sheil, Emma Sokell, and Deirdre Kilbane
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B

      巻: 408 ページ: 3-8

    • DOI

      10.1016/j.nimb.2017.03.114

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Extension of the operational regime of the LHD towards a deuterium experiment2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Takeiri, T. Higashiguchi et al.
    • 雑誌名

      Nuclear Fusion

      巻: 57 ページ: 202023-1-10

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High ionization states observed in soft x-ray spectra from plasmas of second row transition elements produced by femtosecond laser pulses2017

    • 著者名/発表者名
      Ragava Lokasani, Ellie Floyd Barte, Petr Gavrilov, Petr Hribek, Alexandr Jancarek, Domagoj Kos, Michal Nevrkla, Ladislav Pina, Takeshi Higashiguchi, Gerry O’Sullivan, and Jiri Limpouch
    • 雑誌名

      Journal of Physics B

      巻: 50 ページ: 145001-1-10

    • DOI

      10.1088/1361-6455/aa7791

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Generation of the determined vectorial vortex beams by use of an achromatic axially symmetric waveplate2017

    • 著者名/発表者名
      Toshitaka Wakayama, Takeshi Higashiguchi, and Yukitoshi Otani
    • 雑誌名

      Optical Review

      巻: 24 ページ: 449-461

    • DOI

      10.1007/s10043-017-0315-1

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of soft x-ray emission spectra of laser-produced dysprosium, erbium and thulium plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      John Sheil, Padraig Dunne, Takeshi Higashiguchi, Domagoj Kos, Elaine Long, Takanori Miyazaki, Fergal O’Reilly, Gerard O’Sullivan, Paul Sheridan, Chihiro Suzuki, Emma Sokell, Elgiva White, and Deirdre Kilbane
    • 雑誌名

      Journal of Physics B

      巻: 50 ページ: 065006-1-8

    • DOI

      10.1088/1361-6455/aa5e62

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Lasing and thermal characteristics of Yb:YAG/YAG composite with atomic diffusion bonding2017

    • 著者名/発表者名
      Siva Sankar Nagisetty, Patricie Severova, Taisuke Miura, Martin Smrz, Hitoe Kon, Miyuki Uomoto, Takehito Shimatsu, Masato Kawasaki, Takeshi Higashiguchi, Akira Endo, and Tomas Mocek
    • 雑誌名

      Laser Physics Letters

      巻: 14 ページ: 015001-1-6

    • DOI

      10.1088/1612-202X/14/1/015001

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Analysis of unresolved transition arrays in XUV spectral region from highly charged lead ions produced by subnanosecond laser pulse2017

    • 著者名/発表者名
      Tao Wu, Takeshi Higashiguchi, Bowen Li, Goki Arai, Hiroyuki Hara, Yoshiki Kondo, Takanori Miyazaki, Thanh-Hung Dinh, Fergal O’Reilly, Emma Sokell, and Gerry O’Sullivan
    • 雑誌名

      Optics Communications

      巻: 385 ページ: 143-152

    • DOI

      10.1016/j.optcom.2016.10.053

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Extreme ultraviolet spectroscopy and atomic models of highly charged heavy ions in the Large Helical Device2017

    • 著者名/発表者名
      Chihiro Suzuki, Izumi Murakami, Fumihiro Koike, Naoki Tamura, Hroyuki A. Sakaue, Shigeru Morita, Motoshi Goto, Daiji Kato, Hayato Ohashi, Takeshi Higashiguchi, Shigeru Sudo, and Gegard O’Sullivan
    • 雑誌名

      Plasma Physics and Controlled Fusion

      巻: 59 ページ: 014009-1-8

    • DOI

      10.1088/0741-3335/59/1/014009

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Intracellular morphological changes in Staphylococcus aureus induced by treatment with sodium hypochlorite2017

    • 著者名/発表者名
      Ujimine S, Tone S, Saito M, Yamada S.
    • 雑誌名

      Med Mol Morphol.

      巻: 50 ページ: 178-184

    • DOI

      10.1007/s00795-017-0159-6

    • 査読あり
  • [学会発表] 軟X線発光における誘導放出現象を用いた軟X線STED顕微鏡の可能性2017

    • 著者名/発表者名
      江島丈雄
    • 学会等名
      第26回バイオイメージング学会学術集会
    • 招待講演
  • [学会発表] 軟X線発光における誘導放出現象を用いた軟X線STED顕微鏡2017

    • 著者名/発表者名
      江島丈雄
    • 学会等名
      広島大学第513回物性セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] ピクセルサイズ 1.4×1.4μm2の軟 X 線撮像素子の開発2017

    • 著者名/発表者名
      江島丈雄
    • 学会等名
      第30回日本放射光学会年会
  • [学会発表] Heガス中レーザー生成プラズマからの8-30nm軟Ⅹ線発光強度2017

    • 著者名/発表者名
      江島丈雄, 山木賢一
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] N2ガス中レーザー生成プラズマからの「水の窓」軟Ⅹ線発光強度2017

    • 著者名/発表者名
      江島丈雄, 岸本牧, 篠原邦夫, 加道雅孝, 小田切誠, 角中昇, 難波愼一
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 高平均出力水の窓軟X線光源のための薄ディスクレーザーの開発2017

    • 著者名/発表者名
      東口武史, 山内俊, 篠崎夏美, 小倉拓人, 藤井雄介, 江島丈雄, 坂上和之, 魚本幸, 島津武仁, Mocek Tomas
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 水の窓軟X線顕微鏡による高分解能撮像に向けて2017

    • 著者名/発表者名
      東口武史, 小野祐一, 田村賢紀, 陳文博, 小倉拓人, 原広行, 近藤芳希, 若山敏隆, 羽多野忠, 江島丈雄
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 水の窓軟X線領域で高繰り返し動作可能なターゲット元素の選択2017

    • 著者名/発表者名
      東口武史, 田村賢紀, 小野祐一, 原広行, 近藤芳希, 荒井剛己, 江偉華, 羽多野忠, 江島丈雄
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Biプラズマ光源水の窓軟X線顕微鏡のための Cr/Sc/Mo 多層膜コンデンサーミラーの開発2017

    • 著者名/発表者名
      羽多野忠, 江島丈雄, 小野祐一, 陳文博, 近藤芳希, Thanh-Hung Dinh, 田村賢紀, 宜寿次拓弥, 原広行, 荒居剛己, 東口武史
    • 学会等名
      第14回X線結像光学シンポジウム
  • [学会発表] βアクチンのC末端側断片は細胞死を誘起する2017

    • 著者名/発表者名
      伊東奈那子、刀祢重信、田中眞人
    • 学会等名
      第26回日本Cell Death 学会学術集会
  • [学会発表] プロフィリンはβ-アクチンの15kDa-C末端側断片が引き起こす細胞死を抑制する2017

    • 著者名/発表者名
      伊東奈那子、本多弘幸、刀祢重信、田中眞人
    • 学会等名
      第26回日本Cell Death 学会学術集会
  • [学会発表] C-terminal 15kDa fragment from β-actin causes apoptotic cell death.2017

    • 著者名/発表者名
      Ito, N., Tone, S. and Tanaka, M.
    • 学会等名
      Annual Meeting 2017 of American Society for Biochemistry and Molecular Biology
    • 国際学会
  • [産業財産権] 軟X線光源、露光装置および顕微鏡2017

    • 発明者名
      江島丈雄、加道雅孝、篠原邦夫、岸本牧
    • 権利者名
      国立大学法人 東北大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT/JP2017/12554
    • 外国

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公開日: 2018-12-17  

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