Ｘ線自由電子レーザーを用いたコヒーレントＸ線溶液散乱法の開発

利用X射线自由电子激光器开发相干X射线溶液散射方法

• 批准号: 14J07747
• 负责人: 井上 伊知郎
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J07747/
• 关键词: X線自由電子レーザー; ポンプ・プローブ; コヒーレントX線; X線散乱

本研究の目的は、「スペックルを利用したX線溶液散乱法」というアイデアをもとにX線自由電子レーザー(XFEL)、SACLAを用いて結晶化不要のタンパク質構造解析を実現することにある。スペックルを利用したX線溶液散乱法とは、タンパク質溶液からのスペックル状の散乱像を解析（方位角方向の散乱強度の相関を計算）して分子の構造情報を引き出す手法である。近年の理論的な研究の進展によってXFELのパルス幅と同程度の時間スケールで測定試料へのX線ダメージが起こり得ることが明らかになってきた。そのため、高強度のX線を利用した構造解析を行うためには、X線ダメージの影響を考慮にいれる必要がある。このX線ダメージ過程を実験的に明らかにするために、今年度は、10フェムト秒を切る時間分解能を持つX線ポンプ・X線プローブ法を開発し、フェムト秒の時間スケールで起こるX線ダメージ過程の観測を可能にした。そしてダイヤモンドを試料として、ポンププローブ実験を行なった結果、X線照射後20フェムト秒からクーロン爆発による原子移動が顕著になることが明らかになった。本研究の最終目的であるスペックルを利用したX線溶液散乱法は、２年間の特別研究員の期間内に実現できなかったが、XFELの光特性評価や高強度X線が物質に及ぼすフェムト秒ダメージの観測といった、要素技術を確立することに成功した。これらの技術をもとにして、結晶化不要のタンパク質構造解析の実現に向けて研究を発展させていきたい。

本研究的目的是基于“利用散斑的X射线溶液散射法”的思想，利用X射线自由电子激光器（XFEL）和SACLA实现无需结晶的蛋白质结构分析。利用散斑的X射线溶液散射是一种通过分析蛋白质溶液中的散斑状散射图像（计算方位角方向上的散射强度的相关性）来提取分子结构信息的方法。理论研究的最新进展表明，X 射线对测量样品的损伤可能发生在与 XFEL 脉冲宽度相当的时间尺度上。因此，为了利用高强度X射线进行结构分析，有必要考虑X射线损伤的影响。为了通过实验阐明这种X射线损伤过程，本财年我们将开发一种时间分辨率小于10飞秒的X射线泵/X射线探针方法，并将研究发生在X射线损伤上的X射线损伤。飞秒时间尺度使得观察这个过程成为可能。使用金刚石作为样品的泵浦探针实验表明，库仑爆炸引起的原子运动从 X 射线照射后 20 飞秒开始变得明显。虽然这项研究的最终目的——利用散斑的X射线溶液散射方法在特约研究员的两年时间内未能实现，但可以评估XFEL的光学特性并评估飞秒效应成功建立了损伤观察等基础技术。基于这些技术，我们希望朝着实现不需要结晶的蛋白质结构分析的方向发展我们的研究。

项目成果

Characterization of transverse coherence properties of ultra-intense focused X-ray free-electron laser

超强聚焦X射线自由电子激光横向相干特性表征

• 发表时间: 2015
• 作者: Ichiro Inoue;Kensuke Tono;Yasumasa Joti;Kanade Ogawa;Yuya Shinohara;Yoshiyuki Amemiya and Makina Yabashi
• 通讯作者: Yoshiyuki Amemiya and Makina Yabashi

X線ポンプ-X線プローブ法によるフェムト秒X線ダメージ過程の観測

X射线泵-X射线探针法观察飞秒X射线损伤过程

• 发表时间: 2016
• 作者: 井上伊知郎;犬伏雄一;佐藤堯洋;登野健介;片山哲夫;小川奏;亀島敬;富樫格;大和田成起;雨宮慶幸;田中隆次;原徹;矢橋牧名
• 通讯作者: 矢橋牧名

フェムト秒で起こるX線損傷過程の観測に成功

成功观察到飞秒级发生的X射线损伤过程

Observation of femtosecond X-ray interactions with matter using an X-ray-X-ray pump-probe scheme

• DOI: 10.1073/pnas.1516426113
• 发表时间: 2016-02-09
• 期刊: PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA
• 影响因子: 11.1
• 作者: Inoue, Ichiro;Inubushi, Yuichi;Yabashi, Makina
• 通讯作者: Yabashi, Makina

非同一２粒子間の散乱波干渉測定によるXFELの空間コヒーレンス測定

使用两个不同粒子之间的散射波干涉测量 XFEL 的空间相干性测量

• 发表时间: 2015
• 作者: 井上伊知郎;登野健介;城地保昌;亀島敬;小川奏;篠原佑也;雨宮慶幸;矢橋牧名
• 通讯作者: 矢橋牧名