ナノ秒X線動画でミクロ分子動態計測に成功!~超小型X線光源を用いた高速レントゲン動画の幕開け~

2025-11-27 東京大学,茨城大学,科学技術振興機構

東京大学と茨城大学、JSTの研究チームは、手のひらサイズの超小型X線光源を用い、1画像900ナノ秒という世界最速級の高速連続撮影を実現し、新しい動態計測法「透過X線明滅法(TXB)」を開発した。従来のレントゲン撮影では識別困難だった高分子樹脂PEEKとPEIのミクロな分子運動の違いを、X線強度の揺らぎ解析と機械学習(PCA・LDA)により90%超の精度で判別することに成功。X線透過像に時間軸を導入した世界初の実証となる。高速撮影により被曝量を抑えながら、材料評価だけでなく臨床検査、3次元動態計測、がん細胞などの非標識識別への応用も期待される。

ナノ秒X線動画でミクロ分子動態計測に成功!~超小型X線光源を用いた高速レントゲン動画の幕開け~
図1:単純な透過X線で区別できなかった物質の区別が可能に
(a)今回開発した透過X線明滅(Transmitted X-ray Blinking:TXB)装置。(b)上段がX線透過像、下段が機械学習による動態像で、上段では区別が難しい明確なミクロ分子動態の区別が可能になった。

<関連情報>

透過X線ブリンキングによるポリマー樹脂のサブマイクロ秒分子運動解析 Sub-microsecond molecular motion analysis of polymer resins via transmitted X-ray blinking

Masahiro Kuramochi, Kentaro Hoshisashi, Shunya Shimomura, Daisuke Sasaki, Tatsuya Arai, Kazuhiro Mio, Hiroshi Sekiguchi, Kentaro Uesugi, Yoshio Suzuki, Shotaro Akaho, and Yuji C. Sasaki
Optica  Published: November 26, 2025
DOI:https://doi.org/10.1364/OE.573497

Abstract

We developed transmitted X-ray blinking (TXB), a time-resolved transmission imaging technique with 900-nanosecond resolution for probing sub-microsecond molecular dynamics. TXB was applied to semi-crystalline polyetheretherketone (PEEK) and amorphous polyetherimide (PEI), two polymer resins with nearly identical X-ray absorption properties and indistinguishable static transmission images. Single-pixel autocorrelation analysis (spACF) of the TXB data revealed statistically significant differences in dynamic behavior between the two materials, consistent with results from diffracted X-ray blinking (DXB). Although conventional two-dimensional decay constant maps provided limited visual separation, further analysis using machine learning enabled clearer dynamic contrast and >90% classification accuracy. Spectral decomposition also identified periodic fluctuations in the 300–400 kHz range. These results demonstrate that TXB enables material differentiation based on intrinsic dynamic properties, even in the absence of static contrast, and offers new avenues for visualizing subtle motions in soft and biological systems.

0403電子応用
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