放射光ニュース
倍率を克服するために，2 つのウォルターミラーを用いた

新博士紹介

リレー光学系による高倍率系の開発を行った。 In-situ 測.

氏名

定用の光学系では，コンデンサーミラーと対物ミラー間に.

論文提出大学

.

学位種類

星野真人
（財団法人 高輝度光科学研究センター）

.

取得年月日

.

題目

.

使用施設

.

要旨

筑波大学

大気層を生成することで，乾燥試料および溶液中の試料の博士（工学）

測定が 100 nm 以下の空間分解能で可能となった。しか2008年 3 月25日

し，対物ミラーの幾何学的に決定されてしまう低倍率のたウォルターミラーを用いた 3 次元イメージン

めに，ピクセルサイズの大きな CCD カメラでは十分な解

グ X 線顕微鏡の研究

像力は得られず，高分解能イメージングのためには高分解

KEKPF BL3C2（現 BL3C）

能検出器である写真乾板を用いなければならなかった。本

X 線顕微鏡は，光学顕微鏡よりも高い空間分解能で試

CCD カメラによる高分解能像撮影が必要であったため，料の観察が可能であり，また電子顕微鏡のような染色スリレー光学系を用いた高倍率光学系の開発を行った。これ

ライス等の加工が基本的には不要で，使用する X 線エネ

により，それまで対物ミラーのみで倍率 32 倍であったの研 究 の目 的 であ る 3 次 元 イメ ー ジン グ を行 う た めに ，ルギーを選択すれば，細胞レベルの生体試料から産業用機が，倍率約1000 倍でのイメージングが可能となった。 Fig.

器まで様々な試料の in-situ 高分解能測定が可能な顕微鏡1 ( a )に，高倍率軟 X 線顕微鏡によって得られた鶏赤血球として利用することができる。近年では，放射光に代表さの軟 X 線像を示す。また，比較のために倍率 32 倍の光学れる X 線光源の進歩により， X 線による干渉顕微鏡など系で，写真乾板および CCD で撮影した鶏赤血球の軟 X 線

様々な応用測定も始められてきており，その実用的利用が像を，それぞれ Fig. 1(b)および 1(c)に示す。光学系を高倍期待されている。本研究では，主に生体試料の測定を前提率にすることで，乾板でなくては撮影できなかった高分解とした顕微鏡開発を行ったが，試料の大きさにより X 線能像が， CCD でも十分撮影できるようになった。この光エネルギーを使い分け，細胞レベルの生体試料測定には，学系では，リレーミラーの特殊な設置方法により，得られウォーターウィンドウと呼ばれる波長域の軟 X 線（ 2.3る像に歪みが生じたが，補正法も同時に開発することで対nm ～4.4 nm ）を用いた軟 X 線顕微鏡の開発を行い，また応した。

それよりもマクロな試料に対しては，硬 X 線顕微鏡によ高倍率になった光学系を用いて，細胞試料のイメージンる測定を行った。また，通常の顕微鏡イメージングで得らグトモグラフィー光学系の開発と実際に生体試料の 3 次れる像は試料の 2 次元像であるが， X 線を用いた測定で元イメージングを行った。コンデンサーミラーと対物ミ

良く知られている Computed Tomography (CT) を結像光ラー間の僅かな大気層（ 1 ～ 2 mm 程度）で試料を回転さ学系に導入することで，通常の投影型 CT よりも高い空間せるため，試料は先端を細く引き伸ばしたキャピラリーの分解能で試料の 3 次元イメージングが可能となる。この先端に固定した。ウォルターミラーを用いた光学系では，イメージングトモグラフィーを用いて，軟 X 線顕微鏡で色収差がないため，光学系のアライメントおよび試料の位は大きさ 10 ミクロン以下の細胞試料に対してその 3 次元置調整は可視光で可能である。よって，試料を X 線に曝イメージングを行った。また，硬 X 線領域では，試料中す時間を必要最小限に抑えることができる。Fig. 2 に，開に含まれるミネラル成分（鉄，亜鉛など）の 3 次元分布発した軟 X 線イメージングトモグラフィーによって得らを測定できるような結像型蛍光 X 線顕微鏡による特定元素の 3 次元マッピング法の開発を行った。軟 X 線顕微鏡については，実験室規模の光源であるレーザープラズマ光源を用いた光学系の開発を行い，結像型蛍光 X 線顕微鏡については，高エネルギー加速器研究機構フォトンファクトリーの BL3C2（現 BL3C）で開発を行った。
本研究では，ウォルターミラーと呼ばれる X 線の斜入射による全反射を利用した光学素子を用いた。ウォルター
ミラーは，比較的開口が大きく，高い反射率が得られるため， X 線領域で使用されている他の結像素子に比べて効率がよく，フォトン数の少ない蛍光 X 線の結像などに適している。
まず，軟 X 線領域における顕微鏡光学系の開発では，生体試料の in-situ 測定が可能な光学系の開発と，対物ミラーとして用いたウォルターミラーの幾何学的に決まる低Fig. 1(a) X-ray image of red blood cells of a chicken observed by ahigh-magniˆcation soft x-ray microscope using relayed-tandem Wolter mirrors. (b) (c) X-ray images of red blood cells
obtained with a photographic plate (nuclear emulsion plate,Fuji Photo Film) and a back-illuminated CCD camera(Hamamatsu photonics, 512×512 pixels, 24 mm /pixel),
respectively.

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(C) 2008 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research放射光ニュース ■ 新博士紹介

Fig. 2Three-dimensional images of a red blood cell of a chicken
obtained with the soft x-ray imaging tomography.

Fig. 4(a) X-ray ‰uorescence image of an intact alfalfa seed (left)
and its two-dimensional element mappings of iron (center)and zinc (right) obtained from a photon-counting calculation. (b) Sectional images of element distributions of ironand zinc. (c) Three-dimensional distribution of zinc. Sideview (left) and top view (right).の積算露光では各元素の位置情報を得ることはできない。

Fig. 3(a)に示した蛍光 X 線像も積算露光によるイメージングであり，スペクトルで検出されている各元素の位置情報は得られていない。
そこで，結像型蛍光 X 線顕微鏡で各元素のマッピングを得るために， CCD によるフォトンカウンティング法をFig. 3(a) X-ray ‰uorescence image of an intact alfalfa seed. (b)X-ray ‰uorescence spectrum at the image plane measured bya solid state detector.

用いた。 X 線フォトン 1 つが検出器に入射した場合，光電吸収によって生成させる電子の数は入射フォトンのエネルギーに依存するため，発生した電子数から蛍光 X 線発れた鶏赤血球の 3 次元像を示す。鶏赤血球には細胞核が生元の元素を特定することができる。さらに，CCD の各存在するが，3 次元イメージングによりその核の部分がまピクセルでこの操作を行うことで，ある特定元素の 2 次わりに比べて突出している様子などがわかる。

元マッピングを得ることができる。本研究では，このフォ次に結像型蛍光 X 線顕微鏡による，特定金属元素の 3トンカウンティング法にイメージングトモグラフィーを組次元イメージングについて述べる。ウォルターミラーを用み合わせることで，特定元素の 3 次元元素マッピングをいた結像型の蛍光X線顕微鏡では，弾性散乱によるバック行った。

グランドノイズを最小にするために，入射（励起） X 線

Fig. 4(a)に，フォトンカウンティングによって得られたに対して結像系の光軸が直角になるように構築を行っていアルファルファ種子に含まれる鉄および亜鉛の 2 次元マる。今回，試料となる生体試料には，アルファルファと呼ッピングを示す。また，図中に示したラインで再構成を行ばれる牧草の種子を用いた。Fig. 3(a)にアルファルファ種って得られた鉄および亜鉛のスライス像を Fig. 4 ( b )に示

子の蛍光 X 線像を示す。検出器には，直接撮像型の CCDす。再構成は，各投影角で各元素のマッピングを求めた後カメラを用いた。蛍光 X 線励起のための入射ビームにに行った。この結果より，亜鉛に関しては発芽後に子葉とは，偏向電磁石から得られる白色光を用いた。試料に照射なる部分に多く分布していることがわかる。また，亜鉛のする際は，スリットで 1×1 mm2 程度にビーム整形した。

分布について 3 次元表示したものを Fig. 4(c)に示す。亜鉛

顕微鏡の有効視野に対して試料の方が大きかったため，試の分布を求めることで，それが分布している種子の胚の形料を走査してサブ画像を撮影し，画像処理でつなぎ合わせ状を 3 次元で測定することに成功した。

た。また，試料の下半分に励起ビームを照射したときの，本研究では，ウォルターミラーを用いた X 線顕微鏡に像面における蛍光 X 線スペクトルを Fig. 3 ( b )に示す。ウイメージングトモグラフィーを取り入れることで，軟 Xォルターミラー内面には白金がコートしてあるので，約線では吸収による微小生体試料の高分解能 3 次元イメー

12 keV の X 線まで結像することができる。スペクトルよジング，硬 X 線では試料に含まれる特定金属元素の 3 次り，鉄および亜鉛が顕著に検出されていることがわかる。

元イメージングを行い，それぞれの場合で非常に有益な成ウォルターミラーは，先にも述べたように反射型素子であ果を得ることができた。特に，軟 X 線によるイメージンるので基本的には色収差がなく，臨界エネルギー以下のグトモグラフィーでは，コンパクト軟 X 線顕微鏡によりX 線であれば同じ光路長で像面に到達する。つまり，試細胞試料の 3 次元イメージングが可能になったことによ

料中に複数の元素が含まれていた場合，CCD による通常り，今後の実用化などが期待される。

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