[論文レビュー] High-resolution ab initio three-dimensional X-ray diffraction microscopy

Henry N. Chapman, Anton Barty+11 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Sep 8, 2005

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 51被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、一連のコherent X線回折データからのアビ・イニツィオ位相再構成を用いて、物体の形状や組成についての事前知識なしに、約10 nmの横方向および50 nmの軸方向分解能を達成する高分解能3次元X線回折顕微鏡法を示している。この手法により、反復的位相再構成と3次元フーリエ再構成を用いて、アーティファクトのない厚い非周期的試料の3次元イメージングが可能となり、X線自由電子レーザーにおける原子分解能イメージングの基盤を築いた。

ABSTRACT

Coherent X-ray diffraction microscopy is a method of imaging non-periodic isolated objects at resolutions only limited, in principle, by the largest scattering angles recorded. We demonstrate X-ray diffraction imaging with high resolution in all three dimensions, as determined by a quantitative analysis of the reconstructed volume images. These images are retrieved from the 3D diffraction data using no a priori knowledge about the shape or composition of the object, which has never before been demonstrated on a non-periodic object. We also construct 2D images of thick objects with infinite depth of focus (without loss of transverse spatial resolution). These methods can be used to image biological and materials science samples at high resolution using X-ray undulator radiation, and establishes the techniques to be used in atomic-resolution ultrafast imaging at X-ray free-electron laser sources.

研究の動機と目的

• 物体の構造的知識なしに、コherent X線回折を用いて非周期的で厚い試料の高分解能3次元イメージングを達成すること。
• 2次元イメージングにおけるデフォーカスアーティファクトを解消するために、3次元回折データから完全な3次元再構成を可能にすること。
• X線アンジュレータ放射を用いて、生物学的および材料科学的試料のためのアビ・イニツィオ3次元位相再構成の実現可能性を示すこと。
• 限定された角度からの回折データから10^9ボクセルを超えるボリュームを再構成するための計算的およびアルゴリズム的フレームワークを確立すること。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）との定量的分析および比較を通じて、再構成された3次元イメージの分解能と一貫性を検証すること。

提案手法

• 140の方位角方向（1°間隔）で、シリコンナイトライドピラミッドという3次元試料からコherent X線回折パターンを収集した。
• 3次元回折強度データは、物体のサポートをアビ・イニツィオで特定する「Shrinkwrapアルゴリズム」を用いた反復的位相再構成アルゴリズムにより3次元画像に再構成した。
• 位相再構成プロセスは、ビームストップや限定的な方位角カバレッジによるノイズおよびデータギャップを考慮する3次元位相再構成転送関数（PRTF）で特徴づけられた。
• 再構成された複素数の回折振幅に対して3次元逆フーリエ変換を適用し、物体の電子密度の最終的な3次元イメージを生成した。
• 本手法は、物体の形状や組成についての事前知識を一切使用せず、測定された回折強度と反復的制約にのみ依存した。
• 再構成プロセスは、ほぼ2×10^9ボクセルのデータセットを処理でき、10 nmピクセル間隔での高分解能イメージングを可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物体の形状や組成についての事前知識なしに、高分解能3次元X線回折顕微鏡が達成可能か？
• RQ2 限定的な角度からの3次元回折データからのアビ・イニツィオ位相再構成を用いた場合、3方向すべてでの達成可能な分解能はどの程度か？
• RQ3 2次元イメージングにおけるデフォーカスアーティファクトは、厚い非周期的試料の解釈にどのような影響を与えるか？3次元再構成によってこれを除去できるか？
• RQ4 ビームストップや限定的方位角サンプリングによるデータギャップが生じる状況下でも、位相再構成アルゴリズムが一貫した位相をどの程度回復できるか？
• RQ5 3次元MTF（PRTF）を用いて、イメージングプロセスの分解能限界を推定できるか？

主な発見

• 本手法は、xおよびy方向で10 nm、z方向で50 nmの推定分解能を達成した。最大記録空間周波数0.068 nm⁻¹まで一貫性のある位相再構成が可能であった。
• Shrinkwrapアルゴリズムは、ビームストップや限定的方位角カバレッジによるフーリエ空間の欠落データが存在する状況下でも、物体のサポートをアビ・イニツィオで的確に特定できた。
• 再構成された3次元イメージは、接触している50 nmの球体を解像し、線プロファイルは走査型電子顕微鏡（SEM）画像と良好に一致しており、高い忠実度と分解能を確認した。
• 全空間周波数範囲にわたる再構成位相の一貫性は、イメージング分解能の上限を示しており、最大記録周波数まで系統的な位相誤差がないことを示している。
• 3次元再構成プロセスは、耐障害性とスケーラビリティを示し、ほぼ2×10^9ボクセルのデータセットを処理可能であり、7 nm対角分解能で最大9.5 µmの幅の物体をイメージング可能であった。
• 本研究は、X線自由電子レーザー源における生物学的マクロ分子の原子分解能3次元イメージングへの道筋を確立した。480 nmまでの物体を0.7 nm分解能で解像可能である可能性を示した。