走査型X線顕微鏡(Scanning X-ray Microscope)

Schematic of KB mirror optics

走査型X線顕微鏡の重要な部分な集光光学系である.我々のチームでは集光効率・スループット・色収差・波面収差の点で優れているKirkpatrick-Baez(KB)ミラー集光光学系(上図)を採用している.スループットとは,光源からの光を何%集光ビーム中に集められるかであり,光学素子のサイズと集光効率に依存する.この点は他の光学素子(フレネルゾーンプレートや屈折レンズ)に比べて,ミラー集光光学系がすぐれている点である.また,作動距離が長い(逆に言えば短くできない)ため,試料周りに十分なスペースを確保できる点もメリットである.

KBミラー光学系は,2枚の楕円ミラーで構成されている.上図のように,ミラーは,互いに直交するように配置される.楕円の幾何学的な性質として,第一焦点から出た光は楕円面で反射され,すべて第二焦点に集まるため,よい集光光学系となる.非球面であるため,当然,球面収差はない.

微小集光を実現する上での問題は,ミラーの作製精度である.形状誤差(設計形状からの差)は,2nm程度以下が望ましく(X線エネルギーと斜入射角に依存),これは通常の作製プロセスでは困難である.我々のグループでは,EEMとスティッチング干渉計を用いて形状誤差(設計形状からの誤差)2nmで非球面ミラーを作製する技術を確立した.これによって,30×50nmの回折限界集光(15keV)を達成した.

この集光光学系とX線検出器(蛍光X線検出用),試料走査ステージを組み合わせた走査型蛍光X線顕微鏡を開発した(下図).本顕微鏡は,集光ビームを試料に照射し,その照射位置から放出される蛍光X線を検出器で検出する.試料を走査することで試料全体の蛍光X線分析を行う.これによって,試料の元素組成を可視化することが可能となる.集光ビームを用いることで,高い空間分解能(30nm)が可能であり,また,高い感度(フェムトグラム~アトグラム)で検出することが可能となった.

X線ミラーと集光光学系

SXFMの概念図

研究成果の一例(論文・解説記事)

  • 【論文】ミラーアライメントシステムを開発した.(Rev. Sci. Instrum.)
  • 【論文】集光光学系と顕微鏡システムを開発した.(Rev. Sci. Instrum.)
  • 【論文】白金製剤を投与した細胞の元素分布を可視化した.(Cancer Res.)
  • 【論文】細胞内の元素分布を測定した(化学固定した細胞).(X Ray Spectrom.)
  • 【論文】テストパターンを使って元素の検出下限を測定した.(Surf. Interface Anal.)
  • 【論文】急速凍結した細胞の元素分布を測定した.(X Ray Spectrom.)
  • 【解説記事】走査型蛍光X線顕微鏡による細胞内元素マッピングの医学応用.(日本放射光学会誌)
  • 【解説記事】蛍光X線顕微鏡システムを用いた細胞イメージング.(Medical Technology)
  • 【解説記事】走査型蛍光エックス線顕微鏡による細胞内元素局在 ~細胞生物・医学への応用~.(X線分析の進歩)
  • 【解説記事】細胞内微量元素イメージングと生物医学応用.(ぶんせき)
  • 【解説記事】X線顕微鏡.(病理と臨床)
  • 【論文】Ni含有ペプチドを投与した細胞の元素分布を可視化した.(Metallomics)
  • 【論文】新規白金製剤を投与した細胞の元素分布を可視化した.(Sci. Rep.)
  • 【論文】世界で初めて細胞内脂質の高分解イメージングに成功した.(FASEB J.)
  • 【プレスリリース】走査型蛍光X線顕微鏡を用いた細胞内脂質イメージング.