2014/10/29

20140913 放射光構造生物学研究会
第３回研究会@東京大学・本郷キャンパス

BL41XUの高度化

内容

目的: 解析対象の高難度化への対応
測定対象の微小化、回折能の低い結晶の増加• BL41XUの高度化– 集光光学系、検出器の更新

新しくなったBL41XU• データ測定

BL41XU
Upgrade0.6Å

タンパク質結晶解析推進室2Å

長谷川和也、○奥村英夫

3Å•
Current
BL41XU

100m

BL41XUの高度化

新しい集光光学系のデザイン

FE slit

分光器

横 ミラー(Mh1)

スリット

試料(横方向の開口制限)

Before

光学ハッチ
分光器

横ミラー(Mh2)
0m

28.9m

35.9m

41.8m

47.15m52.5m

集光光学系、回折計、検出器を一新
Crystal size

10m

50m

1m

X線実験ハッチ2

実験ハッチ1シャッター

分解能の向上ビーム強度UP
10m以下の結晶からのデータ測定
ビームの微小化
構造解析のスループット向上
スクリーニング、迅速データ測定

第1横集光ミラー・仮想光源スリット

迅速かつ高精度なデータ測定を実現するため、集光光学系・回折計・検出器を一新

2段集光光学系
ID•

1Å• まとめSPring-8/JASRI•Resolution

KBミラー

第1水平ミラー

回折計・検出器
第1水平ミラーチャンバー

縦ミラー
(Mv)
53m 54m

Scrap
2014年1~3月

特徴
1. 楕円ミラーの利用（ミラーの曲率は固定）
2. ビームサイズの変更- スリットサイズの変更- 試料位置を焦点位置から移動- 縦ミラーの角度の変更
3. 波長領域 0.7Å~1.9Åをカバー

After

楕円ミラーを用いた新規2段集光光学系

Build

仮想光源スリット

KBミラー
実験ハッチ1は、現在、高エネモード対応に向けて測定系を構築中

回折計の高度化

実験ハッチ1

新しく導入した回折計

検出器

真空チャンバー（スリット、アッテネータ、シャッター）ゴニオメータX線
KBミラーチャンバー

X線

高精度スリット(仮想光源)

第1水平集光ミラー

KB ミラー

回折計

光学ハッチ
回折計・検出器

シャッター

分光器

サンプルチェンジャー
SPACE

KBミラー
検出器
PILATUS36M

X線
試料を デフォーカス位置への試料へ移動させるために、最大60mm移動することができる。

ゴニオメータSPACESPACE は回折定盤の移動後の試料位置に追従できるよう、回折定盤上に設置。

強度モニタ
ミラーへの入射制限
スリット

縦集光ミラー

横集光ミラー

試料周辺装置側面
回折定盤の土台と天板は、振動を防ぐために花崗岩より作られている。

ゴニオメータXAFS検出器

試料背面
同軸顕微鏡
ビームストップ

コリメーター

サンプル照明1

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高度化後のビーム性能
Standard setting

Max. beam

フラックス: 1.7 × 1012 (photons/s)

4.3 × 1013 (photons/s)

4.3 × 1013 (photons/s)

高度化後のビーム性能

検出器PILATUS3 6Mの導入

最小ビームの横幅と強度を比較

検出器モジュール数

APS-U MBA
23-ID-D[1]受光面積 [mm2]423.6 (W) × 434.6 (H)

画素サイズ [μm2]172 × 172

画素数

2463 × 2527

最大フレームレート [Hz]100

読み取り時間 [ms]0.95

1.0E+14

Hor. profile

After upgrade(Best performance)

建設中・計画中のBL‐ Wire scan profile‐ Beam profile

20m

2m

After upgrade

35mPhoton flux [phs/s]

Intensity (arb. Unit)

Min. beam(FWHM)

Position[m]Ver. profile

2m

2m

PETRAIIIMX2[1]

1.0E+13NSLS IIFMX[1]1.0E+12https://www.dectris.com

DLS
I24[1]DLS VMX[1]SP8 BL32XU
1.0E+1150m(in user operation sinceMay, 2014)

SP8 BL41XU
Before upgrade

ESRF
ID23-2[1]APS 23-ID-D[1]ゴニオメーター
一定速度で連続回転

シャッターレスデータ測定• シャッター – ゴニオの同期精度が不要である
ため、短時間露光が可能• 検出器読み出しに伴うオーバーヘッドが無いデータ測定の高速化
1.0E+100.1

仮想光源スリット開口：
試料位置オフセット：
ミラー角度オフセット：

9m0mm0rad

仮想光源スリット開口： full open
試料位置オフセット： 0mm
ミラー角度オフセット： 0rad

110

100

5×12

シャッター
常に開回折画像検出器
高フレームレートで連続読み取り• 微小角振動法を用いた高SN測定

Beam width [m]

仮想光源スリット開口： full open
試料位置オフセット： 50mm
ミラー角度オフセット： 120rad[1] http://www.aps.anl.gov/Upgrade/Workshops/2013/MBA-Technology/includes/MacromolecularCrystallography/Fischetti_MX_Breakout_Summary.pdf• 平成26年5月よりユーザー提供を開始

ビームライン運用• 高速化に伴い、1.5シフト配分から1シフト配分へ移行
第1シフト： 9:30 ～ 17:30
第2シフト： 17:30 ～ 25:30
第3シフト： 25:30 ～ 9:30（翌朝）

データ測定@BL41XU• これまでと同じく、ビームライン制御ソフトBSSによる操作• 全ユーザーとも原則サンプルチェンジャーSPACEを使用したサンプルマウント– SPACEへは4個のUni-puckを搭載可能

現在の標準測定条件• アッテネータ： none, Al 80 ～ 7,270 m•(透過率 0.75 ～ 0.75x10-11 @波長1Å)• カメラ距離： 210mm～800mm•• XAFS： 随時測定可能•（1.5Å以上はスタッフ調整が必要）• ビームサイズ：– H 12 ｘ W 20 m2 （～1.0x1013photons/sec @1 Å）– H 12 ｘ W 8 m2 （～3.4x1012photons/sec @1 Å）– H 12 ｘ W 3.5 m2 （～1.5x1012photons/sec @1 Å）– H 12 ｘ W 2 m2 （～4.4x1011photons/sec @1 Å） Min.

– H 25 ｘ W 21m2 （～1.0x1013photons/sec @1 Å）– H 24 ｘ W 9 m2 （～3.4x1012photons/sec @1 Å）– H 35 ｘ W 22 m2 （～1.0x1013photons/sec @1 Å） Max.
– H 35 ｘ W 13 m2 （～3.4x1012photons/sec @1 Å）

テストデータ測定①スナップショット

標準結晶(卵白リゾチーム)– 波長1Å, 露光時間0.5秒,振動角0.5°（振動撮影）,
アッテネータ Al 800～1200m

波長1Å、ビームサイズ 30×30m2
露光時間 0.1s, 振動角0.5˚, 回折画像数 360

連続データ測定（振動測定）– 波長1Å, 露光時間0.5秒,振動角0.5°（振動撮影）– イメージ間待機時間: ～2秒（測定可能分解能 1.28Å @波長1Å, 210mm）※210mm以下のカメラ長は要相談• 設定可能波長： 0.7Å ～ 1.9 Å

連続データ測定（シャッターレス測定）– 波長1Å, 露光時間0.1秒（最高10Hz）,
ステップ角0.5°– 読み取り時間: 0.95ms– スナップショットの結果からアッテネータ厚の調整が必要

測定時間 36秒
Space group

P43212

Unit cell parameters (Å)

a=b=78.50, c=37.14

Resolution (Å)

100 – 1.2 (1.27 – 1.2)

No. of observations

344,085 (10,651)

Unique reflections

30,092 (2,095)

Redundancy

11.4 (5.1*)

Completeness (%)

81.5 (35.7*)

Rmerge (%)

4.9 (40.4)<I/(I)>

33.9 (4.0)

CC1/2

100 (89.9)

Mosaicity

0.13(*検出器の角領域のため、冗長性・収率が低い)

迅速かつ高精度なデータ測定を実現

2

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検出器読み取り時間の影響

テストデータ測定②

高速データ測定@BL41XU
卵白リゾチームの回折データ測定

Step 0.5° Exp. 0.1s

チトクロムc酸化酵素

Step 0.5° Exp. 0.01s

Step 0.1° Exp. 0.01s

読み取りによるデッドタイムのため、測定されない反射強度

波長1Å、ビームサイズ 30×30m2
露光時間 0.1s, 振動角 0.3˚, 回折画像数 450

測定時間 45秒
Space group

P212121

Unit cell parameters (Å) a=178.22, b=183.14, c=205.47
Resolution (Å)

100 – 2.1 (2.18 – 2.1)

No. of observations

1,963,188 (211,519)

Unique reflections

380,566 (40,464)

Redundancy

5.2 (5.2)

Completeness (%)

98.8 (99.7)
5.1 (43.7)

Rmerge (%)<I/(I)>

21.8 (4.3)

CC1/2

99.9 (94.4)
0.15

Mosaicity

露光時間 0.1秒, 角度 0.5°, 360枚
測定時間 36秒

0.5°
0.01s
1ms

1ms

0.1°
0.01s
1ms

1ms

露光時間が短くなると観察されない領域が増大 測定精度の低下

Fine sliceの利用- デッドタイムの影響は小さい- 測定時間が増大

SHIKAの特徴
 回折スキャンの実行を自動で認識し作業フォルダを 全自動でスポットを検出し，回折能の大きい位置を視覚化するシステムを開発．
 結晶センタリングに関わる労力を大幅に削減．

切り替え・処理を開始
 並列処理による高速な回折判定

click 回折写真とスポット位置の表示

２D

 目視による確認が容易

SHIKA

 KUMAへ簡便にゴニオ座標・角度を転送(Spot‐wo Hirotte Ichiwo Kimeru Application)

•

0.5°
0.01s

PILATUS3 読み取り時間0.95ms

回折自動判定ソフト SHIKA
by 山下さん@理研
LCP法で作製した結晶（視認困難）

水平方向

0.5°
0.1s
1ms

0.01秒露光（100Hz）での運用についてはスタディ中

Diffraction Scan
垂直方向

0.5°0.1s

 HTMLレポートの作成（お持ち帰り用）
 クリックによるプロット／写真の切り替えが可能

Oscillation測定– これまでと同じ設定方法での測定も可能。
– 最短露光時間は0.5秒。

•右クリック

Shutterless測定

KUMAに座標転送
データ収集ストラテジを作成– “Shutterless & fixed spindle”にチェックをいれて設定（oscillationなし）。
– 露光時間は1秒当りの測定枚数（Hz）で設定。
最高速度は100Hz（0.01秒露光/枚）。

（BL41XUではテスト運用）

まとめ• 201年5月16日よりユーザーへ提供開始した• 世界最高レベルの高フラックスタンパク質結晶解析ビームラインとなった- フォトンフラックス: 1.7×1012 ~ 4.3×1013 photons/s- 幅広い可変ビームサイズ: 最小2×2 ~ 最大35×50 m2（実運用では12ｘ2 ～ 35ｘ22 m2）

• 迅速かつ高精度なデータ測定- 高フラックスビームとPILATUS検出器の組み合わせにより、精密なデータ測定が1分以内で測定可能に- 広範囲のDiffraction ScanとSHIKAの併用により、照射位置探索とセンタリングが容易に謝辞 （敬称略）(公財)高輝度光科学研究センター
タンパク質結晶解析推進室
馬場 清喜
水野 伸宏
熊坂 崇

(独)理化学研究所
放射光科学総合研究センター
ビームライン基盤研究部
平田 邦生
山下 恵太郎
上野 剛
村上 博則
山本 雅貴

(公財)高輝度光科学研究センター
光源光学部門
湯本 博勝
仙波 泰徳
小山 貴久
竹内 智之
山崎 裕史
大橋 治彦

制御・情報部門
古川 行人

利用研究促進部門
福居 知樹
早賀 紀久男本開発研究の一部は、文部科学省「創薬等支援技術基盤プラットフォーム事業」の助成を受けて実施しました。

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