日本东京大学研究生院新领域创成科学研究科的佐佐木裕次教授和茨城大学学术研究院应用理工学科的仓持昌弘讲师（兼任东京大学讲师）等人组成的研究团队，开发出了一种通过X射线视频捕捉高分子树脂内微观分子运动的全新动态测量方法“透射X射线闪烁法（Transmitted X-ray Blinking：TXB）”。通过解析X射线强度的微小时间波动，成功检测出既往X射线透射摄影无法区分的微观分子动态差异。佐佐木教授表示：“我们能够分辨出既往透射X射线摄影无法区分的高分子材料是晶态还是非晶态的差异。由于可以观察到物质硬度的不同，未来希望能将其发展成一种能够在β-淀粉样蛋白刚开始发生纤维化阶段就进行无创成像的技术。”研究成果已发表在《Optics Express》上。
图1 出席记者会的东京大学佐佐木裕次教授（右）和茨城大学仓持昌弘讲师（供图：科学新闻社）
图2 开发成功的X射线光源（供图：科学新闻社）
由于热波动，构成物质的分子始终处于运动状态。使用X射线进行高速连续拍摄时，它们看起来会发生闪烁，但这对许多研究人员而言，被视为噪声，因此X射线成像基本上一直使用静止图像。
佐佐木教授等人提出了衍射X射线跟踪法（DXT）、衍射X射线闪烁法（DXB）和小角X射线闪烁法（SAXB）三种方法，并在世界上首次成功高精度地捕捉了物质原子分子的内部运动。此次，研究人员还验证了在临床使用的X光检查（X射线透射区域）的X射线强度下，也能观察到类似的X射线强度闪烁现象。
研究团队自制了手掌大小的X射线光源，并将其用于实验。他们将X射线光源发生点、样品位置和探测器之间的距离拉近至毫米级别，在不引入X射线光学系统的情况下，实现了高亮度的X射线照射。由此，单张图像能够在900纳秒内被检测，从而实现了高速连续拍摄。
TXB的样品使用了两种X射线吸收系数几乎相同的高分子树脂（晶态高分子树脂聚醚醚酮PEEK和非晶态高分子树脂聚醚酰亚胺PEI）。
针对这两种样品，研究人员重复进行了5000次单张图像曝光时间为900纳秒的高速拍摄，并比较了其总和累积强度（静止图像），确认两者几乎无差别。之后利用自相关分析（ACF）对这5000张连续图像组成的视频进行解析后发现，PEEK的运动幅度比PEI更大。
此外，将获得的自相关分析数据（4096像素）应用于主成分分析（PCA）后，成功地将其归纳成了20种运动模式（主成分）。之后对这些模式应用线性判别分析法（LDA）这一机器学习方法后，发现能够以超过90%的精度对PEEK和PEI进行判别。
至此，研究人员全球首次证实了，通过解析X射线透射区域的X射线强度波动，有可能判别出各种样品之间的差异。仓持讲师表示：“虽然需要针对每个样品进行学习，但随着数据的积累，未来有可能从更少的图像中进行解析。”
尽管目前处于原理验证阶段，TXB不仅可以作为材料评估方法，还有可能推广应用于基础医学领域，并作为取代临床现场X光检查的次世代X光检查方法。作为日本自主发展的全新技术，其未来发展备受期待。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Optics Express
论文：Sub-microsecond Molecular Motion Analysis of Polymer Resins via Transmitted X-ray Blinking
DOI：10.1364/OE.573497
