日本東京大學研究生院新領域創成科學研究科的佐佐木裕次教授和茨城大學學術研究院應用理工學科的倉持昌弘講師（兼任東京大學講師）等人組成的研究團隊，開發出了一種通過X射線視頻捕捉聚合物樹脂內微觀分子運動的全新動態測量方法「透射X射線閃爍法（Transmitted X-ray Blinking：TXB）」。通過解析X射線強度的微小時間波動，成功檢測出既往X射線透射攝影無法區分的微觀分子動態差異。佐佐木教授表示：「我們能夠分辨出既往透射X射線攝影無法區分的聚合體材料是晶態還是非晶態的差異。由於可以觀察到物質硬度的不同，未來希望能將其發展成一種能夠在β-澱粉樣蛋白剛開始發生纖維化階段就進行無創成像的技術。」研究成果已發表在《Optics Express》上。
圖1 出席記者會的東京大學佐佐木裕次教授（右）和茨城大學倉持昌弘講師（供圖：科學新聞社）
圖2 開發成功的X射線光源（供圖：科學新聞社）
由於熱波動，構成物質的分子始終處於運動狀態。使用X射線進行高速連續拍攝時，它們看起來會發生閃爍，但這對許多研究人員而言，被視為噪音，因此X射線成像基本上一直使用靜止圖像。
佐佐木教授等人提出了繞射X射線跟蹤法（DXT）、繞射X射線閃爍法（DXB）和小角X射線閃爍法（SAXB）三種方法，並在世界上首次成功高精度地捕捉了物質原子分子的內部運動。此次，研究人員還驗證了在臨床使用的X光檢查（X射線透射區域）的X射線強度下，也能觀察到類似的X射線強度閃爍現象。
研究團隊自製了手掌大小的X射線光源，並將其用於實驗。他們將X射線光源發生點、樣品位置和探測器之間的距離拉近至毫米級別，在不引入X射線光學系的情況下，實現了高輝度的X射線照射。由此，單張圖像能夠在900奈秒內被檢測，從而實現了高速連續拍攝。
TXB的樣品使用了兩種X射線吸收係數幾乎相同的聚合物樹脂（晶態聚合物樹脂聚醚醚酮PEEK和非晶態聚合物樹脂聚醚醯亞胺PEI）。
針對這兩種樣品，研究人員重複進行了5000次單張圖像曝露時間為900奈秒的高速拍攝，並比較了其總和累積強度（靜止圖像），確認兩者幾乎無差別。之後利用自相關分析（ACF）對這5000張連續圖像組成的視頻進行解析後發現，PEEK的運動幅度比PEI更大。
此外，將獲得的自相關分析數據（4096畫素）應用於主成分分析（PCA）後，成功地將其歸納成了20種運動模式（主成分）。之後對這些模式應用線性判別分析法（LDA）這一機器學習方法後，發現能夠以超過90%的精度對PEEK和PEI進行判別。
至此，研究人員全球首次證實了，通過解析X射線透射區域的X射線強度波動，有可能判別出各種樣品之間的差異。倉持講師表示：「雖然需要針對每個樣品進行學習，但隨著數據的積累，未來有可能從更少的圖像中進行解析。」
儘管目前處於原理驗證階段，TXB不僅可以作為材料評估方法，還有可能推廣應用於基礎醫學領域，並作為取代臨床現場X光檢查的次世代X光檢查方法。作為日本自主發展的全新技術，其未來發展備受期待。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Optics Express
論文：Sub-microsecond Molecular Motion Analysis of Polymer Resins via Transmitted X-ray Blinking
DOI：10.1364/OE.573497
