小角散乱でどこまで大きいものが見えるか～SPring-8 における極小角散乱測定の現状～
井上勝晶
八木直人
要旨

財 高輝度光科学研究センター利用研究促進部門
〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 1
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財 高輝度光科学研究センター利用研究促進部門
〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 1
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ここ数年極小角散乱測定の実施を希望するユーザーが増加する傾向にある。大型放射光施設 SPring-8 でもより高い小角分解能で測定が可能になるよう，ビームラインの性能向上および高度化を試みてきた。その結果数 mm から数 Aにわたるひろい大きさの領域での構造解析が可能になった。SPring-8 における極小角散乱測定の現状を紹介する。

1. はじめに線小角散乱測定で“非常に小さな角度領域”を観測するた
めには，これまでの長い歴史の中で Kratky 型光学系1) やX 線小角散乱法（Small-Angle X-ray Scattering, SAXS）

Bonse-Hart 型光学系2) が開発され利用されてきた。しかは数 nm から数 mm といったいわゆる“コロイド”領域のしこれらの光学系はセットアップがややこしく測定時間の大きさを持つ分散粒子あるいは電子密度の揺らぎについて短縮が困難であること，一次元もしくは零次元の検出器と散乱強度分布からその構造をとらえる手法である。多くのの組み合わせが必然であることなどから，必ずしも誰もが読者がよくご存知のとおり，散乱現象は実空間（実際に物アクセスしやすいというわけではなく，時間的に効率よく体が存在する空間）と逆空間（散乱の空間）との間のフー質のよいデータが収集できるという面でも難があるといわリエ変換で記述することができる。この原理に基づき，粒ざるを得ない。実際に光学系のセットアップおよび測定を子の大きさと散乱角の間には“相反”の関係があり大きなする研究者にとっては，二次元検出器と組み合わせること粒子からの散乱は小さな角度領域に観測され，小さな粒子ができ，かつなるべく効率よく光学調整のできる光学系がからの散乱はより大きな角度領域に観測される。実際の測望ましい。つまり通常放射光施設の小角散乱用ビームライ定の現場では，一般的に“ X 線小角散乱測定”という言ンで見られるような測定用セットアップで，できるだけ小葉が示すのは散乱角にしておそらく数度，大きく見積もっさな角度領域まで測定できることがもっとも単純な解決策

までの角度領域に起こる散乱を観測する手法であても10 °であると考えられる。言い換えればこれまで放射光施設でるといえる。この角度領域は実空間の大きさに言い換える

開発使用されてきた小角散乱ビームラインの“小角分解能”と，数 Å より大きな構造領域を観測していることに相当を向上させるよう光学系を検討すればよいということになする。つまり原理的に小角散乱法は，原子レベルよりはる。このとき測定原理から考えると具体的には，“ちょっと”大きな構造から，見ようと思えばたとえば細胞といった大きな構造体まで観測できる手法であるといえる。さらに付け加えるならば，試料の状態には大きな制約はなく，また試料を取り巻く条件も多種多様に変えること

1)

より長い波長（より低いエネルギー）の X 線を使う。

2)

試料―検出器間の距離（カメラ長）をより長いものにする。

ができ，さまざまな条件のさまざまな試料について測定可という二つの方策が考えられる。また実際の測定現場にお能なたいへん便利な手法ともいえる。

ける技術的な面から考えると，近年 X 線小角散乱法によって構造解析を試みる研究者が増加する傾向にあり，その多くは“広い角度領域”での3)寄生散乱を効率的に除去できるよう光学系を整備する。

測定を希望される。この場合“広い角度領域”とは文字通という対処法も挙げられる。いずれの方策も光源やビームり広角領域の測定を行うということを意味するだけでなライン自体の仕様および構造上の問題や，物理的なスペーく，これまで観測が困難であったより小さな角度領域までスの問題により制約を受けるが，大掛かりな新規装置の導の測定をも意味し，このことはとりもなおさず多くの研究入等は必要なく，比較的お金も時間もかけずに実施でき者がひとつのサンプルについてより大きな構造情報から小る。実際 SPring-8 では上記三つの条件を連携させることさな構造情報まで得ようとしていることを示している。Xにより BL40B2 と BL20XU で，これまでなかなか到達で378 ● 放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6(C) 2006 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research小角散乱特集 ■ 小角散乱でどこまで大きいものが見えるか～SPring-8 における極小角散乱測定の現状～きなかった高い小角分解能を達成し，いわゆる“極小角散X 線のエネルギー領域では7.5～18 keV に相当する）を考乱（Ultra Small-Angle X-ray Scattering, USAXS）”とい慮して Si ( 111 )面を用いている。単色化された X 線は，われる領域の測定が定常的に行われるようになっている。

スリットで整形された後，石英を母材としロジウムコート

原理的なことは他の筆者に譲ることとし，実際に実施されされた 1 m のシリンダー型ミラーにより集光され（集光ている小角散乱測定について，現状でどのような光学系を比約 12），実験ハッチに導入される。光学コンポーネン

構築しどのようなデータが得られるのか，つまり“どこまトの真空は実験ハッチの最上流部のカプトン窓で分離されで大きな構造が観測できるか”ということに的を絞って紹る構造になっている。 Fig. 2 に実験ハッチ内の様子を示介する。

す。上流部，カプトン窓の直下には検出器と連動したシャッターおよび寄生散乱除去用の四象限スリットが二組設置

2. SPring-8 における測定の実際されている（ Fig. 2a ）。これらは常設でビームと平行方向に移動させることなく使用される。Fig. 2b はカメラ長 3 m

2.1

SPring-8 の小角散乱測定用ビームラインのセットアップを示している。写真の右側が下流側であ現状で SPring-8 には 48 本のビームラインが稼動しており，このうち小角散乱測定が定常的に実施できるビームラ
イ ン は BL40B2, BL40XU, BL45XU の 3 本 で あ る 。

BL40XU, BL45XU に関する具体的な記述は割愛するが，これらの 3 本はそれぞれ異なった仕様であり利用目的も非常に異なる。このほかに小角散乱測定用ビームラインではないが， BL20XU でもビームラインの構造的特性を活かしていわゆる“極小角散乱”に限った測定が行われている。本稿では SPring-8 における極小角散乱測定の現状に焦点を絞るため， BL40B2 と BL20XU の 2 本のビームラインについて述べる。

2.2

BL40B2 における小角散乱測定

BL40B2 は小角散乱実験および蛋白質結晶解析実験を行う構造生物学ビームラインとして立ち上げられた3)。当
初はビームタイムを結晶構造解析とシェアしていたが，2005 年よりすべてのビームタイムが小角散乱測定に供されている。 Fig. 1 にビームラインの概念図を示す。光源から約 35 m の位置に SPring-8 標準型二結晶分光器，約 41m の位置にシリンダー型ミラーが設置されている。また分光器の上流に水冷式第一スリット，ミラーの上流に第二スリットが設置されている。光源である偏向電磁石で発生する放射光は，水冷式第一スリットで高さおよびサイズを調整さ れ SPring-8 標 準二結 晶分光 器によ り単色 化される。分光器では実験に使用する波長領域（0.69～1.65 Å，Fig. 1

Fig. 2In the experimental hutch. (a) a Kapton window, a shutterbox and a slit. (b) Vacuum path for SAXS experiments (3.5m ).

Schematic illustration of BL40B2.

放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6 ● 379

Fig. 3

Scattering from air, 30 s exposure, recorded with the image
plate detector (RIGAKU RAXIS IV＋＋).

Fig. 4

Scattering from silica beads (Seahostar KEP10), camera
length: 3.5 m, wave length: 1.5 Å, 60 s exposure, recordedwith RIGAKU RAXIS IV＋＋ and circular averaged. (a)whole s region, (b) small s region.

り，最下流から検出器，真空パス，サンプルステージ，ガードスリットと配置されている。ガードスリットと上流スリットの間は入射 X 線の減衰を避けるため塩ビパイプ

ラスベリー研究所製 RAPID （二次元ガス検出器）の三種が設置され，実験中は He ガスが流されている。ガードス類が用意されており，実験の目的に合わせて切り替えて使

リットは円形で X Z ステージに設置されている。この用する。

ガードスリットに関してはかなりの時間をスタディに費やFig. 3 以降に，波長1.5 Å，試料－検出器間距離（カメラして大きさおよび形状を決定した。実験ハッチに導入され長） 3.5 m ，検出器として R AXIS VI＋＋ を組み合わせたる X 線は光源の特性もあり水平方向に長い形をしている

セットアップを用いた実際の測定例を示す。このセットアが，円形のビームストッパと組み合わせて使うことによりップは BL40B2 において現状で最も小角分解能が高い測

寄生散乱を非常にきれいに取り除くことができる（ Fig.

定が可能なものである。Fig. 3 は空気散乱（ R AXIS 専用3）。通常は直径約 1 mm のものを使っているが，セットア表示ソフトで中心付近のみを拡大表示してある）である。

ップによっては 0.8 mm や 0.6 mm といった径の小さなも中央の白い丸い部分はダイレクトビームストッパで直径はのと交換して使用する。また可動軸が 2 軸であるため四3 mm である。ビームストッパの周りの寄生散乱がきれい象限スリットを使うときより時間的に効率のよい光学調整に除去できていることがわかる。カメラ長の校正には通常を可能にしている。真空パスは 25 cm, 50 cm, 1 m の長さニワトリコラーゲンを用いる。ニワトリコラーゲンに Xのパイプを組み合わせることにより40cmから4mまでの間線を照射すると特徴的な回折パターンが観測される。こので比較的自由に長さの変更が可能であり，使用する X 線回折ピークは653 Å の周期構造に由来することがよく知らの波長（ 0.69 Å ～ 1.65 Å で連続的に可変）をうまく組みれており，この値を利用しカメラ長を精確に見積もること合わせることにより，実験の目的に適した角度領域の測定ができる。

を実現できる。検出器は RIGAKU 製 R AXIS VI＋＋ （イFig. 4 にシリカビーズ（Seahostar KEP10，粒子径0.08メージングプレート自動読み取り型），浜松ホトニクス製～ 0.14 mm ）から の散 乱を 一次元 化し て示 す。横 軸は s

イメージインテンシファイア＋ CCD カメラ，イギリスダ（＝ 2 sin u/ l）である。 Fig. 4 ( a )は測定領域全体を， Fig. 4380 ● 放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6

小角散乱特集 ■ 小角散乱でどこまで大きいものが見えるか～SPring-8 における極小角散乱測定の現状～

Fig. 6

Fig. 5

Scattering from the protein solution (E.coli chaperonin
GroEL, 10 mg/m l), camera length: 3.5 m, wave length: 1.5
Å, 240 s exposure, recorded with RIGAKU RAXIS IV＋＋
and circular averaged.

Fig. 7

Schematic illustration of BL20XU.

Conceptual illustration of the experimental set up forUSAXS at BL20XU.

(b)は小角領域を拡大して示している。これらは典型的なれば，数 Å から3000 Å までの広い大きさの領域にわたり球形粒子からの散乱パターンを示していることがわかる。

構造情報を得ることができる。

また Fig. 4(b)中の下向き矢印はビームストッパの縁にあたり，測定データとしてはこの矢印より広角側が使えること

2.3

BL20XU における極小角散乱測定4)になる。この矢印の位置に相当する s の値から測定可能な

前述したように，もともと BL20XU は小角散乱用ビー

小角分解能は3000 Å 程度であると見積もることができる。

ムラインではなく，イメージング用に設計されたビームラ

Fig. 5 には蛋白質溶液の散乱測定例として大腸菌シャペインである。その特徴を一言でいうならば“長いビームラ

ロニン GroEL（分子量840 kDa）の散乱パターンを示す。

イン”である。

このデータからも測定可能な小角分解能は約 3000 Å と見

Fig. 6 に BL20XU におけるハッチ配置の概念図を示す。

積もられる。Fig. 4 に示すシリカビーズからの散乱は非常光源から約40 m の位置に光学ハッチ，約80 m の位置に実に強いものであるが，蛋白質溶液といった比較的散乱の弱験ハッチ 1，そして約250 m の位置に実験ハッチ 2 が配置

い系でも高い小角分解能でかつ S /N のよい測定が可能でされている。各ハッチの間は真空パイプで接続されていある。さらに，観測される小角分解能はビームストッパのる。すなわち，実験ハッチ 1 にサンプルを，実験ハッチ 2大きさ， X 線の波長およびカメラ長から計算される理論に検出器をセットすれば必然的にカメラ長150 m 程度の小的な小角分解能とほぼ一致しており，ほぼ理想的な光学系角散乱測定光学系ができあがることになる。

が構築されていると考えられる。

Fig. 7 に実験に用いられるセットアップの概念図を示す。

Fig. 4 および Fig. 5 に示すような通常等方的な散乱が観

BL20XU は アン ジュ レー タを 光源 とす るビ ーム ライ ン

測されるような試料については，解析の第一ステップとしで，フロントエンドスリットで整形された放射光は光源かて二次元検出器上に記録された散乱を“円周積分”によっら 47 m 地点にある液体窒素冷却型分光器により単色化さて一次元化し，その後それぞれの解析の手順に進む。蛋白れ実験に用いられる。このビームラインでは 8 ～ 37 keV質溶液散乱実験に関して言えば，このデータから慣性半径のエネルギー領域の X 線が利用可能である。これは波長および分子量を計算し，さらにモデリングから分子構造をに換算すると0.34 Å ～1.5 Å に相当する。分光器のすぐ下推測するという作業を行う。また非等方的な散乱パターン

流には正方形のアパチャー（ 100 mm 四方， 50 mm 四方，を示すような試料（たとえば配向が強いようなもの）では，20 mm 四方および10 mm 四方から選択可）が設置されてい角度を区切って扇型に積分するなどそれぞれの工夫が必要る。このアパチャーを適当に選ぶことにより実験に適切なとなる。いずれにしても二次元検出器を用いることによりX 線の強度（フラックス）を選ぶことができる。20 mm 四

効率のよいかつ S/N のよい測定が可能となっている。

方のアパチャーを使った場合，実際に検出器上でのビーム

一方本稿の趣旨とは少し外れるが，カメラ長を短くし，サイズは 1.2 × 1.2 mm 程度であり，そのとき波長 1 Å により短い波長の X 線を用いるセットアップでは広角領域おけるフラックスは 1.0 × 1010 cps 程度になると見積もらの測定も可能である。セットアップの詳細は割愛するが，れている。実験ハッチ 1 の試料上流にはガードスリット

最も広角が測定できる条件で s ＝ 0.5 Å－1 程度の領域まで（四象限スリット）が設置され寄生散乱を除去する。実験の測定が可能である。この値は実空間の大きさで言うと 2

ハッチ 1 と実験ハッチ 2 をつなぐ真空パイプは内径約 10Å 程度に相当する。つまり測定条件を上手に組み合わせcm 程度であり，広角側の測定可能領域は0.3 mrad に規定

放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6 ● 381

Fig. 8

DiŠraction from frog skeletal muscle observed at BL20XU.
Wave length: 1 Å, 10 s exposure, recorded with XII＋CCDcamera (Hamamatsu).
Fig. 9される。実験ハッチ 2 には鉛製の 10 mm 幅の帯状のビー

Scattering from silica beads (Seahostar KEP10) observed
at BL20XU. Wave length: 1 Å, 1 s exposure, recorded withXII＋CCD camera (Hamamatsu) and circular averaged.

ムストッパが設置され，この下流に検出器が置かれる。通
常検出器には浜松ホトニクス製冷却 CCD カメラ（C4880

はり何を見ようとしてどのような試料を持ってくるか，そ50 24A ）が，同じく浜松ホトニクス製 4 インチイメージしてどのような測定セットアップをデザインするかであろインテンシファイア（V7339）と組み合わせて用いられてう。現実的に 2005 年あたりから，極小角散乱測定を希望いる。

するユーザーは増えてきている。また徐々にではあるが興Fig. 8 に実際の測定例としてカエル骨格筋からの回折パ味深い成果も得られている5)。今後さらに，生体物質や合ターンを示す。測定には波長 1 Å の X 線を使用し，分光成高分子など種類を問わずさまざまな試料に関する研究が器下流には20 mm 四方のアパチャーを入れた。図中に見ら極小角散乱測定を通してなされていくことを期待していれる回折スポットは筋肉中のサルコメアの周期構造に由来る。それと同時に，測定装置であるビームラインも，光学するもので，その周期長は 2.2 mm である。この値からカ系の更なる性能向上やセットアップ変更の簡便化，解析ソメラ長は155 m であると見積もることができる。

フト等の充実など，さまざまな面で進歩していく必要があFig. 9 には粒径1.5 mm のシリカビーズの散乱パターンをると考えている。ハード面とそれを利用するユーザーの双示す。計算によって求められる散乱曲線とよく一致する散方の進歩が，ますますすばらしい研究の展開を支えていく乱が観測されていることがわかる。と考えている。

これら二つの測定例からわかるように， BL20XU ではこれまで到達できなかった高い小角分解能を実現したと実空間の大きさでいうと数 mm という高い小角分解能を実いうことは，これまで見ることができなかった領域を観測現している。強いて欠点を挙げるならば，試料と検出器のできるようになったということと同義である。“新しいこ間をつなぐ真空パイプの細さであろう。このため広角側のと”や“知らなかった現象”が次々と見つかることを夢見測定可能領域がかなり限定される。 X 線の強度に関してつつ…。

は，静的測定には十分であるし動的測定も工夫次第で十分可能である。

謝辞

BL20XU での実験の際，光学調整等多大なるご協力を

3. 何を見るのかいただいている鈴木芳生氏，竹内晃久氏，上杉健太朗氏に感謝いたします。

これまで述べてきたように， SPring-8 においては二つ参考文献のビームラインで高い小角分解能をもつ散乱測定が可能になった。二つのビームラインでそれぞれの実験をうまくデザインすれば，得られた散乱データはうまくつなぎ合わせることができ，数 Å から数 mm という広い大きさの領域にわたる構造解析が可能になる。ここで重要になるのはや

382 ● 放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6

1)

O. Z. Kratky: Elektrochem., Ber. Bunsenges. Physik. Chem.
58, 49 (1954).
2) U. Bonse and M. Hart: Appl. Phys. lett. 7, 238 (1965).
3) K. Inoue, T. Oka, K. Miura and N. Yagi: AIP Conference小角散乱特集 ■ 小角散乱でどこまで大きいものが見えるか～SPring-8 における極小角散乱測定の現状～

4)5)Proceedings 705, 336
339 (2004).
Inoue, N. Y. a. K. J. Appl. Cryst. 36, 783
786 (2003).
Y. Shinohara, H. Kishimoto, K. Inoue, Y. Suzuki, A.

Takeuchi, K. Uesugi, N. Yagi, K. Muraoka, T. Mizoguchi andY. Amemiya: SAS2006 Proceedings (2006).

● 著者紹介 ●井上勝晶

八木直人

財 高輝度光科学研究センター 利用研究促進部門 副主幹研究員
E-mail: katsuino＠spring8.or.jp
専門X 線小角散乱［略歴］
1997 年広島大学大学院理学研究科物性学専攻博士課程後期修了， 1997 年理化学研究所基礎科学特別研究員， 1999 年より現職

財団法人高輝度光科学研究センター 利用研究促進部門 主席研究員
E-mail: yagi＠spring8.or.jp
専門非結晶 X 線回折［略歴］
1975 年東京大学物理工学科卒業， 1980年東北大学医学部助手， 1982 年医学博士， 1990 年東北大学医学部助手， 1997
年より現職

The Present Status of Beamlines for Ultra Small-angle
X-ray Scattering experiments at SPring-8
Katsuaki INOUE
Naoto YAGISPring-8/JASRI 111, Koto, Sayo, Hyogo 6795198
SPring-8/JASRI 111, Koto, Sayo, Hyogo 6795198

Abstract Recently, in SPring-8, the improvement of the optics of some beamlines for Small-angle X-rayscattering (SAXS) experiments has been attempted and the very high small-angle resolution has beenachieved. Then, the ultra small-angle X-ray scattering (USAXS) experiments become possible to be performed. We will report the present status of two beamlines, BL40B2 and BL20XU, which is using for USAXS
measurements, especially in the technical aspects.

放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6 ● 383