X線顕微鏡 – 日本語百科事典辞書

X-ray_microscope
X線顕微鏡は、使用する電磁放射線のに軟X線オブジェクトの拡大画像を生成するバンド。X線はほとんどの物体を透過するため、X線顕微鏡観察用に特別に準備する必要はありません。
生きている10日齢のカノーラ植物
のX線顕微鏡画像
可視光とは異なり、X線は反射や屈折が起こりにくく、人間の目には見えません。したがって、X線顕微鏡はフィルムを露光するか、電荷結合デバイス（CCD）検出器を使用して、試料を通過するX線を検出します。それはで軟X線の吸収の差用いて造影画像化技術である水の窓領域（波長：2.34から4.4 nmのエネルギー：280から530 eVの）炭素原子によって（主要素は、生体細胞を構成する）と酸素原子（水の元素）。
マイクロフォーカスX線も投影により高倍率を実現します。マイクロフォーカスX線管は、非常に小さな焦点（5μmから0.1μmまで）からX線を生成します。X線は従来のX線範囲（20〜300 kV）にあり、再集束されません。

コンテンツ
1 発明と開発
2 計装
2.1 X線光学 2.2 シンクロトロン光源
2.2.1 高度な光源
2.3 液体金属陽極X線源 2.4 検出装置
3 走査型透過
4 解像度
5 分析
6 生物学的応用
7 も参照してください
8 参考文献
9 外部リンク

発明と開発
X線顕微鏡の歴史は20世紀初頭にさかのぼることができます。ドイツの物理学者Röntgenが1895年にX線を発見した後、科学者はすぐにX線点光源を使用してオブジェクトを照らし、数マイクロメートルの解像度でオブジェクトの影の画像をキャプチャしました。 1918年、アインシュタインは、ほとんどの媒体でのX線の屈折率は1よりわずかに小さいはずであると指摘しました。これは、屈折光学部品をX線アプリケーションに使用するのが難しいことを意味します。
初期のX線顕微鏡ポールカークパトリックとアルバート・バエズを使用斜入射反射X線光学系をオフX線放牧X線、集中するパラボラ非常に高いで曲面ミラーを入射角を。X線の焦点を合わせる別の方法は、二酸化ケイ素基板上に同心の金またはニッケルリングの小さなフレネルゾーンプレートを使用することです。ローレンスブラッグ卿は、1940年代後半に彼の装置で最初に使用可能なX線画像のいくつかを作成しました。

間接駆動レーザー
慣性閉じ込め核融合では、内面の両側からレーザービームコーンを照射した「ホーラム」を使用して、内部の核融合マイクロカプセルに滑らかな高強度X線を照射します。ホーラムを透過する最高エネルギーのX線は、ここのようなX線顕微鏡を使用して視覚化できます。X線はオレンジ/赤で表されます。
1950年代に、スターリングニューベリーは、光源とターゲットプレートの間に標本を配置するシャドウX線顕微鏡を製造しました。これは、ゼネラルエレクトリック社の最初の商用X線顕微鏡の基礎となりました。
1960年代の沈黙期間の後、X線顕微鏡は1970年代に人々の注目を取り戻しました。1972年、ホロウィッツとハウエルは、ケンブリッジ電子加速器で最初のシンクロトロンベースのX線顕微鏡を製造しました。この顕微鏡は、小さなピンホールからの放射光を使用してサンプルをスキャンし、透過顕微鏡と蛍光顕微鏡の両方の能力を示しました。この時期のその他の進展には、青木定雄と菊田誠志による日本での最初のホログラフィックデモンストレーション、Schmahlらによるゾーンプレートを使用した最初のTXM 、STXMでのストーニーブルックの実験などが
シンクロトロン光源の使用は、1980年代にX線顕微鏡法に新しい可能性をもたらしました。しかし、多くのグループで新しいシンクロトロン光源ベースの顕微鏡が構築されたため、当時のコヒーレント照明の不足、X線光学素子の品質の低さなどの技術力が不十分であったため、このような実験を行うことは困難であることに人々は気づきました。とユーザーフレンドリーな光源。
1990年代に入ると、新しい機器と新しい光源がX線顕微鏡の改善に大きく貢献しました。トモグラフィー、クライオ、およびクライオトモグラフィーを含む顕微鏡法が成功裏に実証されました。急速な発展に伴い、X線顕微鏡は土壌学、地球化学、高分子科学、および磁性に新しい用途を見出しました。ハードウェアも小型化されたため、研究者は自分の研究室で実験を行うことができました。
X線位相差顕微鏡用の9.25keV X線の非常に高強度の線源は、集束電子ビームと液体金属アノード。これは2003年に実証され、2017年には、約1立方マイクロメートルのボクセルサイズでマウスの脳を画像化するために使用されました（以下を参照）。
アプリケーションが成長し続けるにつれて、X線顕微鏡は、環境科学および土壌科学、地球化学および宇宙化学、高分子科学、生物学、磁気、材料科学で使用される日常的な実証済みの技術になりました。これらの分野でのX線顕微鏡の需要の高まりに伴い、シンクロトロン、液体金属アノード、およびその他の実験用光源に基づく顕微鏡が世界中で構築されています。X線光学部品およびコンポーネントも急速に商品化されています。

計装

X線光学
X線光学

シンクロトロン光源
シンクロトロン光源

高度な光源
カリフォルニア州バークレーにあるAdvancedLight Source（ALS）には、X線光学センターが運営するフルフィールド軟X線顕微鏡であるXM-1があり、ナノ磁性材料などの現代のナノサイエンスのさまざまなアプリケーションに特化しています。、環境および材料科学および生物学。XM-1は、光学顕微鏡と同様に、X線レンズを使用してX線をCCDに集束させます。XM-1は、15 nmまでのフレネルゾーンプレートで空間分解能で世界記録を保持し、高空間分解能と100ps未満の時間分解能を組み合わせて、超高速スピンダイナミクスなどを研究することができます。2012年7月、DESYのグループは、PETRA IIIの硬X線走査型顕微鏡を使用して、10nmの記録的な空間分解能を主張しました。
ALSには、生物学および生物医学研究用に設計された世界初の軟X線顕微鏡もこの新しい機器であるXM-2は、国立X線トモグラフィーセンターの科学者によって設計および製造されました。XM-2は、細胞の3次元断層像を作成することができます。

液体金属陽極X線源
約10um x 10 umの焦点からのX線位相差顕微鏡用の9.25keV X線（ガリウムK-アルファ線）の非常に高強度の線源は、液体金属ガリンスタンアノード。これは2003年に実証されました。金属はノズルから下向きに高速で流れ、高強度の電子源がそれに集中します。金属の急速な流れは電流を運びますが、物理的な流れは（強制対流による熱除去のために）アノードの大量の加熱を防ぎ、ガリンスタンの高沸点はアノードの気化を抑制します。この手法は、約1立方マイクロメートルのボクセルサイズでマウスの脳を3次元で画像化するために使用されています。

検出装置
X線検出器

走査型透過
以下のような顕微鏡に適した軟X線の発生源、シンクロトロンの画像形成の別の方法は、送信軟X線顕微鏡を走査しているように、放射線源は、必要な波長のかなり低い輝度を有します。ここでは、X線が点に焦点を合わせ、生成された焦点を通してサンプルが機械的にスキャンされます。各ポイントで、透過X線は、比例計数管やアバランシェフォトダイオードなどの検出器を使用して記録されます。このタイプの走査透過X線顕微鏡（STXM）は、ストーニーブルック大学の研究者によって最初に開発され、ブルックヘブン国立研究所の国立シンクロトロン光源に採用されました。

解像度
X線顕微鏡の解像度は、光学顕微鏡と電子顕微鏡の解像度の間に従来の電子顕微鏡に比べて、生体サンプルを自然な状態で観察できるという利点が電子顕微鏡は、ナノメートルからサブオングストロームレベルの解像度で画像を取得するために広く使用されていますが、サンプルを化学的に固定し、脱水し、樹脂に包埋し、超薄スライスする必要があるため、比較的厚い生細胞は観察できません。ただし、低温電子顕微鏡法では、水氷に埋め込まれているにもかかわらず、水和した自然状態の生体試料を観察できることに注意してこれまで、シンクロトロンから放出された軟X線を使用して画像を形成するフレネルゾーンプレートレンズを使用すると、30ナノメートルの解像度が可能です。最近では、放射光ではなく、レーザーで生成されたプラズマから放出される軟X線の使用が一般的になりつつ

分析
さらに、X線はほとんどの材料で蛍光を発生させ、これらの放出を分析して、画像化されたオブジェクトの化学元素を決定できます。別の用途は、X線結晶学で使用されるプロセスである回折パターンを生成することです。回折パターンの内部反射を分析することにより（通常はコンピュータープログラムを使用）、結晶の3次元構造は、分子内の個々の原子の配置に至るまで決定できます。サンプルが小さすぎて他の方法で分析できないため、X線顕微鏡がこれらの分析に使用されることが

生物学的応用
生物学におけるX線顕微鏡の初期のアプリケーションの1つは、1913年にGobyによって開拓された接触イメージングでした。この技術では、軟X線が標本を照射し、その下のX線感受性乳剤を露光します。次に、試料のX線不透明度マップに対応する乳剤の拡大断層画像を、光学顕微鏡または電子顕微鏡を使用して記録します。電子顕微鏡法に比べてX線接触イメージングが提供する独自の利点は、湿った生体物質をイメージングできることでした。したがって、それは植物、昆虫、および人間の細胞のマイクロおよびナノスケールの構造を研究するために使用されました。ただし、乳剤の歪み、不十分な照明条件、乳剤を検査する方法の低解像度など、いくつかの要因により、接触するイメージングの解像度が制限されます。乳剤の電子損傷と回折効果も、最終画像にアーチファクトをもたらす可能性が
X線顕微鏡は、生物学的研究で必要とされるナノスケールの解像度と高い浸透能力の点で独自の利点が機器と集束における最近の重要な進歩により、回折、反射、屈折光学の3つの古典的な形式の光学は、すべてX線範囲にうまく拡大し、使用されてきました。細胞および細胞内スケールで構造とダイナミクスを調査します。2005年、Shapiro etal。コヒーレント軟X線回折顕微鏡を使用した30nmの解像度での酵母の細胞イメージングを報告しました。 2008年に、未染色のウイルスのX線画像が実証された。 1年後、X線回折をさらに適用して、染色されていないヒト染色体の3次元構造を視覚化しました。このように、X線顕微鏡は古典的な光学顕微鏡の回折限界を回避する優れた能力を示しています。ただし、解像度のさらなる向上は、検出器のピクセル、光学機器、および光源のサイズによって制限されます。
高エネルギーX線は強いラジカルを生成し、湿った試料で有害な反応を引き起こすため、X線顕微鏡の長年の主要な懸念は放射線による損傷です。その結果、生体サンプルは通常、高出力X線を照射する前に固定または凍結乾燥されます。無傷の水和構造を保存するために、急速凍結処理も一般的に使用されます。

真空チャンバーとX線顕微鏡の間の窓として使用されるスチールケースに取り付けられた正方形の
ベリリウム箔。ベリリウムは、Z番号が低いため、 X線に対して非常に透過性が

も参照してください
X線コンピューター断層撮影
電子顕微鏡
中性子顕微鏡

参考文献
^ カルナカラン、チスラ; Lahlali、Rachid; 朱、寧; Webb、Adam M。; シュミット、マリーナ; フランシシン、カイル; ベレフ、ジョージ; Wysokinski、Tomasz; オルソン、ジェレミー; クーパー、デビッドML; ハリン、エミル（2015）。「シンクロトロンベースの位相コントラストX線イメージングを使用したプラントのリアルタイムの内部構造の視覚化と動的プロセス監視に影響を与える要因」。ScientificReports。5：12119. Bibcode：2015NatSR … 512119K。土井：10.1038 / srep12119。PMC 4648396。PMID 26183486。
^ マルシュ、フリードリヒ（1939-12-01）。「ErzeugungstarkvergrößerterRöntgen-Schattenbilder」。Naturwissenschaften（ドイツ語）。27（51）：854–855。Bibcode：1939NW ….. 27..854M。土井：10.1007 / BF01489432。ISSN 1432年から1904年。 ^ SENN、E.（1989）、 “GrundsätzlicheÜberlegungenツアphysikalischen Diagnostikはセラピー・フォン・Muskelschmerzenウント”ドイツ・ゲゼルシャフトエリーゼインネレMedizin DER Verhandlungenを（ドイツ語）、95、スプリンガー、ベルリン、ハイデルベルク、頁668-674、。DOI：10.1007 / 978 -3-642-83864-4_129、ISBN 9783540514374 ^ Horowitz、P。; ハウエル、JA（1972-11-10）。「放射光を利用した走査型X線顕微鏡」。科学。178（4061）：608–611。Bibcode：1972Sci … 178..608H。土井：10.1126 /science.178.4061.608。ISSN 0036から8075まで。PMID 5086391。    ^ 青木貞夫; 菊田誠志（1974）。「X線ホログラフィック顕微鏡」。日本応用物理学ジャーナル。13（9）：1385–1392。Bibcode：1974JaJAP..13.1385A。土井：10.1143 /jjap.13.1385。ISSN 0021から4922まで。 ^ ニーマン、B。; ルドルフ、D。; Schmahl、G。（1974）。「顕微鏡および分光アプリケーション用の大きなゾーン番号を備えた軟X線イメージングゾーンプレート」。光学通信。12（2）：160–163。Bibcode：1974OptCo..12..160N。土井：10.1016 / 0030-4018（74）90381-2。ISSN 0030から4018まで。 ^ Rarback、H。; Cinotti、F。; ジェイコブセン、C。; ケニー、JM; Kirz、J。; ロッサー、R。（1987）。「微分吸収技術を使用した元素分析」。生物学的微量元素研究。13（1）：103–113。土井：10.1007 / bf02796625。ISSN 0163から4984まで。PMID 24254669。    ^ Rarback、H。; シュウ、D。; 風水、蘇成; Ade、H。; ジェイコブセン、C。; Kirz、J。; McNulty、I。; ウラジミールスキー、Y。; Kern、D。（1988）、「The Stony Brook / NSLS Scanning Microscope」、Springer Series in Optical Sciences、Springer Berlin Heidelberg、pp。194–200、doi：10.1007 / 978-3-540-39246-0_35、ISBN 9783662144909 ^ Kirz、J。; ジェイコブセン、C。（2009-09-01）。「X線顕微鏡の歴史と未来」。Journal of Physics：ConferenceSeries。186（1）：012001. Bibcode：2009JPhCS.186a2001K。土井：10.1088 / 1742-6596 / 186/1/012001。ISSN 1742から6596まで。 ^ O. Hemberg、M。Otendal、HM Hertz（2003）。「液体金属ジェットアノード電子衝撃X線源」。Appl。物理学 Lett。83：1483 DOI：10.1063 / 1.1602157。
^ PETRAIIIでのコヒーレントX線走査顕微鏡は10nmの解像度に達しました。Hasylab.desy.de。。
^ Töpperwien、Mareike; クレンケル、マーティン; ヴィンセンツ、ダニエル; Stöber、Franziska; Oelschlegel、Anja M。; ユルゲン・ゴルシュミット; サルディット、ティム（2017）。「実験室ベースのX線位相差トモグラフィーによって明らかにされた3次元マウス脳細胞構築」。ScientificReports。7：42847. Bibcode：2017NatSR … 742847T。土井：10.1038 / srep42847。PMC 5327439。PMID 28240235。    ^ チェン、ピンチン。（1987）。X線顕微鏡：機器と生物学的応用。ヤン、グォジェン。ベルリン、ハイデルベルク：スプリンガーベルリンハイデルベルク。ISBN 9783642728815。OCLC 851741568。
^ チャオ、ウェイルン; ハーテネック、ブルースD。; リドル、J。アレクサンダー; アンダーソン、エリックH。; Attwood、David T.（2005）。「15nmよりも優れた空間分解能での軟X線顕微鏡」。ネイチャー。435（7046）：1210〜1213。Bibcode：2005Natur.435.1210C。土井：10.1038 / nature03719。ISSN 0028から0836まで。PMID 15988520。    ^ Hignette、O。; Cloetens、P。; Rostaing、G。; バーナード、P。; Morawe、C。。「硬X線の効率的なサブ100nm集束」。科学機器のレビュー。76（6）：063709–063709–5。Bibcode：2005RScI … 76f3709H。土井：10.1063 /1.1928191。ISSN 0034から6748まで。 ^ 三村秀和; 半田、宗一郎; 木村隆; 湯本博勝; 山川大輔; 横山ひかる; 松山聡; 稲垣浩二; 山村和也（2009-11-22）。「硬X線集束で10nmの障壁を破る」。ネイチャーフィジクス。6（2）：122–125。土井：10.1038 / nphys1457。ISSN 1745年から2473年。 ^ Schroer、CG; Kurapova、O。; Patommel、J。; Boye、P。; Feldkamp、J。; レンゲラー、B。; ブルクハンマー、M。; リーケル、C。; Vincze、L。（2005-09-19）。「屈折X線レンズに基づく硬X線ナノプローブ」。応用物理学の手紙。87（12）：124103. Bibcode：2005ApPhL..87l4103S。土井：10.1063 /1.2053350。ISSN 0003から6951まで。 ^ Shapiro、D。; Thibault、P。; ビーツ、T。; Elser、V。; ハウエルズ、M。; ジェイコブセン、C。; Kirz、J。; リマ、E。; ミャオ、H。（2005-10-11）。「軟X線回折顕微鏡による生物学的イメージング」。国立科学アカデミーの議事録。102（43）：15343–15346。Bibcode：2005PNAS..10215343S。土井：10.1073 /pnas.0503305102。ISSN 0027から8424まで。PMC 1250270。PMID 16219701。     ^ 歌、長永; 江、淮東; Mancuso、エイドリアン; Amirbekian、Bagrat; 鵬、李; 孫夫人; Shah、Sanket S。; 周、Z。ホン; 石川哲也（2008-10-07）。「コヒーレントX線による単一の未染色ウイルスの定量的イメージング」。物理的レビューレター。101（15）：158101. arXivの：0806.2875。Bibcode：2008PhRvL.101o8101S。土井：10.1103 /physrevlett.101.158101。ISSN 0031から9007まで。PMID 18999646。    ^ 西野、吉典; 高橋幸雄; 今本直子; 石川哲也; 前嶋和弘（2009-01-05）。「コヒーレントX線回折を使用したヒト染色体の3次元可視化」。物理的レビューレター。102（1）：018101. Bibcode：2009PhRvL.102a8101N。土井：10.1103 /physrevlett.102.018101。ISSN 0031から9007まで。PMID 19257243。    ^ 神経科学における超解像顕微鏡技術。Fornasiero、Eugenio F。; リゾリ、シルヴィオO.ニューヨーク。ISBN 9781627039833。OCLC 878059219。

外部リンク
コモンズには、X線顕微鏡に関連するメディアが
山本悠、篠原晃。「生きている水和細胞の分析におけるX線顕微鏡の応用」。アナット。Rec。269（5）：217–23。土井：10.1002 /ar.10166。PMID 12379938。
上條N、鈴木Y、淡路M他。「スパッタスライスされたフレネルゾーンプレートを用いた硬X線マイクロビーム実験とその応用」。Jシンクロトロン放射。9（Pt 3）：182–6。土井：10.1107 / S090904950200376X。PMID 11972376。
軟X線顕微鏡の科学的応用
アーントラスト。「X線顕微鏡」。”