公開日
2022年09月13日
SACLA
2022年9月13日 高亮度光科学研究中心 理化研究所 北海道大学
【研究背景】 x射线闪光显微镜是最早通过x射线自由电子激光( XFEL: X-ray Free Electron Laser )实现的分析技术(图1 )。 这是一种超高分辨率超高速摄影显微镜，通过用XFEL非常短的闪光( 100万亿分之一秒的闪光)照射蛋白质分子等非常小的试样，最终观察试样中原子的运动。 在XFEL设施建设之前，理论上就一直在讨论可行性。 将来，以接近原子分辨率的高空间分辨率，可以对支撑生命现象的重要分子的原子配置的时间变化和高速化学反应的情况进行快照拍摄，期待着疾病的原因阐明和新药的开发。 为了实现该超高分辨率显微镜，需要尽可能收集来自光源的x射线，高效明亮地照明极微小分子大小的世界的超高强度光束。
本研究的目的是解决具有原子水平精度的超高精度x射线聚光镜的制作上的技术课题，通过开发x射线聚光镜，实现将XFEL集中为100纳米(万分之一毫米)的小尺寸的超高强度光束，提高使用该器件的x射线闪光显微镜的分辨率。
【研究内容和成果】
本研究小组通过开发多层膜聚光镜(图2 )，使x射线能够以高压缩率(高放大率)高效聚光。 要以原子水平的精度制作该x射线聚光镜，不仅需要非常高精度的非球面(复杂曲面)加工技术，还需要非常高精度的测量技术。 因此，在本研究中，除了用于x射线反射镜制作的以往的超精密加工技术之外，还特别开发了新的高精度表面形状测量装置。 通过使用它们，制作了反射面为椭圆形状的x射线聚光镜。
在SACLA开发了搭载了所开发的多层膜聚光镜的x射线闪光显微镜。 对由多层膜镜形成的聚光光束进行评价的结果，得到了具有理论聚光尺寸( 110纳米(横)×60纳米(纵) )的超高强度光束(光子密度(光的聚集情况):4×1012 photon/m2/pull 由此，与聚光前相比，XFEL的光子密度增强了200万倍，与SACLA中以往用于x射线闪光显微镜的1微米聚光光束( 2012年12月新闻发布会) ( 1微米=1000毫米)相比，实现了50倍的光子密度。通过利用本超高强度光束的x射线闪光显微镜，对水中的金微粒照射1次XFEL进行了超高速观察。 结果，相对于以往通过1发观察得到的x射线闪光显微镜的分辨率不足10纳米的情况，本研究更新了分辨率，率先在世界上实现了2纳米( 2纳米=100万分之2毫米)的超高分辨率(图3 )。 金通过变成纳米大小的极小粒子，成为具有特异的物理和化学特性的高功能材料。 在也可发展为生物试样观察的水中，在材料通过XFEL观察发生变化之前，利用超高速闪光成功进行了超高分辨率观察。 观察的结果是材料的“真实样子”，是阐明微粒结构与功能关系的重要信息。
【今后的发展】
利用在本研究中实现的显微镜，对生物试样和功能性材料的观察的研究已经展开。 本研究的意义在于，向SACLA的实验者提供了最先进的x射线激光光源SACLA和运用最先进的超精密生产技术开发的显微镜，推进了新的最先进的研究领域。 通过本研究开发的显微镜，可以实现世界上任何人至今为止都没有看到过的样品“真实样子”的超高分辨率和超高速观察，今后，本显微镜将有望应用于成为健康丰富生活基础的医药品和创新电池的开发等方面。
在此介绍的研究有:科研经费补助金( 15H05737、17H04819、20H05433、22H04741 )、新能源产业技术综合开发机构“FC-Platform”、科学技术振兴机构“x射线自由电子激光设施重点战略课题推进事业”、在以人、智、物创造未来的跨界联盟、物质设备领域共同研究据点的资助下，作为SACLA利用课题进行了。
图1使用超高强度聚焦光束的x射线闪光显微镜概念图
运用具有原子水平形状精度的超高精度聚光镜，实现了世界最高分辨率。
图2制作的超高精度多层膜聚光镜
在大型辐射光设施SPring-8校园内，玻璃基板表面经过原子级精度加工。 而且，为了提高聚光性能，在表面涂上了多层结构的材料。
图3 X射线闪光显微镜观察金微粒
左图:被金微粒散射的x射线强度分布 右图:根据左图的散射x射线强度分布求出的金微粒 观察到2个金微粒(双金字塔( bipyramid ) )，通过XFEL的一次发射观察，在世界上首次实现了2纳米的超高分辨率。
【用语解说】
※1.X射线自由电子激光设施SACLA SACLA是来源于spring-8 angstrom compact free electron laser的设施爱称。 SACLA可以产生x射线能量区域的高强度激光，从2012年开始提供使用。 ※2.X射线闪光显微镜 利用计算机，可以根据x射线激光照射试料时产生的散射x射线强度分布，拍摄试料中所含电子密度的浓淡。 ※3 .超高强度光束(光子密度: 4×1012 photon/µm2/pulse ) 对于1发( 1脉冲)的x射线激光，“每1微米见方”有4万亿个光子(光之粒)通过。 例如，是相当于一般家庭热板的约300京倍( 1兆的300万倍)的超高能量密度的状态。
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