イオンマイクロビームを用いた局所微量元素分析 日本原子力研究開発機構放射線高度利用施設部ビーム技術開発課佐藤隆博

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1 イオンマイクロビームを用いた局所微量元素分析 日本原子力研究開発機構放射線高度利用施設部ビーム技術開発課佐藤隆博

2 従来技術 電子線マイクロアナライザ (EPMA) 走査型電子顕微鏡 - エネルギー分散型 X 線分光 (SEM-EDS) プローブが電子線 試料から発生する特性 X 線のエネルギー 元素の種類 試料から発生する特性 X 線の強度 元素の量 問題点 SEM-EDS 装置 en/group/sirg/sem.html バック バックグラウンドが高いグラウンド 感度低下 エネルギーが低いX 線は吸収される Li, B, Fなどの軽元素検出は困難 真空中分析 10keV 電子ビームによる花粉の測定結果 含水試料の分析不可 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会

3 新技術の特徴 PIXE/PIGE(particle induced X/γ-ray emission) 分析 従来技術と同様に特性 X 線を測定 (PIXE) プローブは MeV 級イオンビーム バックグラウンドが低い 高感度 透過力が高い 深部測定 ( 100μm) 大気中分析 原子核を励起可能 γ 線の測定 (PIGE) によって Li B F など軽元素検出 特性 X 線 (PIXE) 外殻電子 内殻電子 イオンビーム γ 線 (PIGE) 原子核 微量な金属元素の検出が可能 2.5MeV プロトンビームによる花粉の測定結果 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 3

4 大気マイクロ PIXE/PIGE 分析システム 真空中 大気中 試料ビームダンプ 集束磁気レンズ ビームスキャナ 照射位置 X 線検出器 X 線 γ 線 γ 線検出器 電流計 PIXE/PIGE 分析 多元素同時分析 高感度 大気中分析 イオンマイクロビーム 局所照射 スキャン 大気マイクロ PIXE/PIGE 分析 微量元素分布測定 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 4

5 大気マイクロ PIXE/PIGE 分析の感度 イオン交換樹脂に Al Ca Mn Fe Co Ni Cu Zn Sr およ Pb を一定量含む標準物質を開発 元素 感度 [Counts / pg nc] Al (Kα) 80 ± Ca (Kα) 60 ± Mn (Kα) 27 ± 7 9 Fe (Kα) 25 ± 6 8 Co (Kα) 16 ± 7 8 Ni (Kα) 13 ± 3 8 Cu (Kα) 11 ± 3 8 Sr (Kα) 8.0 ± Pb (Lα) 1.4 ± Y. Iwata et. al, JAEA-Review (2011) 118 様々な元素の含有量を pg オーダで定量可能 N 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 5

6 分析例 1 培養細胞の分析 Bromodeoxyuridine (BrdU) Mitotic phase DNA に取り込まれる BrdU を含有する培養液を使用 Bovine aortic endothelial (BAE) cell Synthesis phase Cell cycl e 60µm 60µm Br S. Matsuyama et al., Int. J. PIXE 8 (1998) 203. P 単一の細胞内の微量元素分布を可視化 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 6

7 分析例 2 アスベスト ( 石綿 ) の分析 Si Fe Mg 針状 青石綿 髪の毛の5 千分の1(1μm 以下 ) の細さ 種類 毒性 特徴 使用禁止年 青石綿 強 直線的な繊維 1995 年 茶石綿 中 やや柔軟 1995 年 白石綿 弱 柔軟 2004 年 綿状 60 μm 茶石綿 白石綿 Y. Shimizu et al., IJIPP 21 (2008) 567. 元素の種類と分布からアスベストの種類を特定 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 7

8 分析例 3 肺ガンの病理組織切片の分析 分析結果 20μm 粒状 中皮腫の X 線写真 名称 アスベスト肺アスベストによるじん肺 肺ガン肺にできる悪性腫瘍 悪性中皮腫胸膜にできる悪性腫瘍 mmhe2j/sec04/ch049/c h049d.html 潜伏期間 15~20 年 15~40 年 20~50 年 SI Fe Mg Si と一致 繊維 SI Fe Mg 状上段 : アスベスト暴露歴の無い肺ガン下段 : アスベスト暴露歴の有る肺ガン Y. Shimizu et al., IJIPP 21 (2008) 567. アスベスト暴露の診断が可能 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 8

9 分析例 4 土壌から農作物への元素移行を調査 イネ葉身の分析 イネ (Oryza sativa L.) 青 : ケイ素 緑 : カルシウム 赤 : 亜鉛 植物が吸収した金属元素は組織の中でどこに局在しているのか? T. Yamamoto et al., JAEA-Review (2014) 94. 植物組織中の元素局在を可視化 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 9

10 分析例 5 土壌中のセシウムの農作物への移行の解明 Cs 2 CO 3 (200 ppm) を散布後 34 日間栽培したコメの分析 Si P S K Cs 顕微鏡写真 K Cs 胚乳胚芽胚乳糠 胚乳 K Cs K Cs 800μm 800μm 糠及び胚芽にセシウムが多く集積 X-ray Count 0 Max S. Koshio et al., Int. J. PIXE 24 (2014) 17. コメの特定の部位へのセシウム集積を可視化 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 10

11 分析例 6 リチウムイオン電池の構造 リチウムイオン電池内部のリチウム分析 正極断面の元素分布 厚い正電極 (105μm) 電解質側 集電極側 薄い正電極 (35μm) 電解質側 リチウムイオン電池の性能はリチウムイオンの動き易さに依存 濃度分布 (Li) 濃度分布 (Ni) Li/Ni 比 ( 横方向に積算 ) 集電極側 K. Mima et al., NIMB 290 (2012) 79 電極の厚み 充電速度 の違いによるリチウムの分布に違いを可視化 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 11

12 イオン照射研究施設加速器群とマイクロビーム装置 TIARA (Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application) AVF サイクロトロン (K=110) 3 MV シングルエンド加速器 3 MV タンデム加速器 集束方式高エネルギー 重イオンマイクロビーム 軽イオンマイクロビーム コリメート方式高エネルギー重イオンマイクロビーム 重イオンマイクロビーム 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 12

13 3MV シングルエンド加速器 TIARA 3MV シングルエンド加速器 (ΔE/E = 10-5 ) 利用可能イオン種イオンエネルギー [MeV] H 0.4~3 D 0.4~3 He 0.4~3 e 0.4~3 + 0V イオン MV RF イオン源 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 13

14 イオンマイクロビーム形成装置 軽イオンビーム オブジェクトスリット 発散制限スリット 磁気レンズ 焦点 8 m 磁気レンズでイオンビームを 1μm 以下に集束 数 10 数 100pA( 個 / 秒 ) の照射が可能 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 14

15 新技術の想定される業界 用途 システムの特徴 多元素同時分析 高感度 高空間分解能 大気中測定 簡便な試料調整 医療 創薬培養細胞組織切片病理切片 環境モニタリングエアロゾル河川水土壌粒子 材料開発不純物分析 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 15

16 企業への期待 元素比や元素分布を知りたいものはありませんか? 外部ユーザーが高崎研照射施設を利用するには 先端研究基盤共用 プラットフォーム形成事業 施設供用制度 放射線照射施設 & 実験装置等の提供 + 技術指導員による技術支援 3 つの戦略分野 : 遺伝子資源創成研究 分析技術利用 材料開発トライアルユース : 初めての利用者は 2 回まで無償で施設利用が可能 一般枠 優先枠 原子力機構が窓口となり 民間企業や大学等が施設を利用する制度 東京大学が窓口となり 大学 高専等が施設を利用する制度 機構内共同研究制度 ( 研究費は当事者負担 ) 連携重点研究 原子力機構と東京大学原子力専攻が協力して行う制度で 原子力機構と大学及び民間企業等が行う共同研究 共同研究 原子力機構の研究グループ等と大学や民間企業が個別に契約する研究開発 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 16

17 高崎研照射施設利用制度の比較 先端研究基盤共用プラットフォーム形成事業 施設供用 機構内共同研究 ( 連携重点研究 ) ( 共同研究 ) 募集時期 年 2 回 ( 緊急課題は随時 ) 年 2 回 ( 緊急課題は随時 ) 随時 成果の取扱い公開 / 非公開公開 / 非公開契約内容による 費用 有償無償 (2 回まで ) 有償無償 ( 優先枠 ) 無償利用可能 技術支援専任の指導員機構内職員 - 課題審査 有り無し ( 非公開 ) 有り ( 優先枠は東大で実施 ) 無し ( 非公開 ) 有り 料金の詳細 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 17

18 産学連携について 原子力機構 連携重点研究 H18 H20 年度 マイクロ PIXE 画像技術の精緻化とその生命の精緻化とその生命科学科学への応用 (JAEA 5 大学 その他 1 機関 ) H21 H23 年度 マイクロビーム医学画像技術画像技術の高度化とそのの高度化とその応用 (JAEA 9 大学 2 企業 その他 2 機関 ) H24 H26 年度 マイクロ PIXE 分析法の臨床医療医療技術化 (JAEA 9 大学 1 企業 その他 2 機関 ) H27 H29 年度 イオンマイクロビームによる微量元素による微量元素イメージング技術の高度化とそのとその応用 (JAEA 8 大学 1 企業 その他 3 機関 ) 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 18

19 問い合わせ先 日本原子力研究開発機構研究連携成果展開部高崎駐在 高崎市綿貫町 1233 TEL ( 内線 9513) FAX 担当 : 産学連携コーディネータ三田隆志 mita.takashi@jaea.go.jp 2016 年 2 月 19 日日本原子力研究開発機構新技術説明会 19

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