単一チップ上に集積化されたX線エネルギー検出センサー
―放射光計測から分析・検査まで性能向上に貢献―

2026年3月16日
理化学研究所
高輝度光科学研究センター
株式会社ディーアンドエス
株式会社エイアールテック
株式会社MIST

理化学研究所（理研）放射光科学研究センター制御情報・データ創出基盤グループの初井宇記グループディレクターら、高輝度光科学研究センター、株式会社ディーアンドエス、株式会社エイアールテック、株式会社MISTの共同研究グループは、電荷増幅アンプとシリコン・ドリフト検出器(SDD)※1を単一チップ上に集積（モノリシック集積）する技術を世界で初めて実現しました。さらに本技術を基盤として、30素子を集積したセンサー「mxdCMOS」を開発しました。本センサーは、多素子SDDとしては世界最高となる単位面積当たり計数率（カウントレート）※277Mphotons/s/cm²※2を達成しています。 大型放射光施設「SPring-8」※3では、SDDを使用してナノメートル（10億分の1メートル）レベルで元素やその化学状態の分布を可視化できます。今回開発したmxdCMOSは、SDDの性能を大幅に向上させることで、マッピングの高精細化や、より微量な元素・化学状態の検出を可能にするなど、測定精度の向上に貢献すると考えられます。 また、SDDは放射光施設に限らず、X線・電子線分析装置や半導体・電池製造工程における検査装置など、幅広い分野で利用されています。本技術により、これらの用途においても計測効率および測定精度の向上が期待されます。 本研究は、放射線計測分野における国際学術誌『 IEEE Transactions on Nuclear Science 』オンライン版（2月24日付）に掲載されました。 高密度モノリシックX線エネルギー検出センサー「mxdCMOS」 論文情報 雑誌名：IEEE Transactions on Nuclear Science タイトル：Development of Monolithic Multi-Element Silicon Drift Detectors 著者：Togo Kudo, Ikuo Kurachi, Takafumi Ohmoto, Toshifumi Imamura, Tomoaki Maeda, Toshiaki Tosue, Yuji Matsuda, Kazuo Kobayashi, and Takaki Hatsui DOI：10.1109/TNS.2026.3667475

SPring-8などの大型放射光施設における計測では、X線の光子エネルギーを識別できるシリコン・ドリフト検出器(SDD)が重要な役割を担っています。SPring-8からのX線を試料に照射すると、試料から試料内の元素の種類やその結合状態に対応した光子エネルギーのX線（蛍光X線）が放出されます。この試料から放出される蛍光X線の各エネルギー成分の強度（光子数）をSDDで測定することで、元素分布や化学組成をナノメートルレベルで解析することが可能です。

近年、放射光源および光学系の高度化に伴い、試料に照射されるX線の強度は大幅に増加しています。その結果、より高い計数率のSDDが求められています。

そこで、複数のSDDを高密度に配置することにより計数率の向上を図る研究が進められてきました。しかし、SDDと外部に設置される電荷増幅アンプを接続する配線が制約となり、小型のSDDを高密度に配置することが困難でした。

共同研究グループは、半導体チップ内に回路層とセンサーを一体形成できるSOI(Silicon-On-Insulator)センサー技術に着目しました。本SOIセンサー製造技術は、高エネルギー加速器研究機構(KEK)とラピスセミコンダクタ株式会社が共同開発し、その後、理研も参画してX線用途向けに改良を重ねてきたものです。本研究では、このSOIセンサー技術をさらに発展させ、これまで実現が困難であったSDDと電荷増幅アンプを単一チップ上に統合する技術を実現しました。これにより、SDDと電荷増幅アンプを外部配線で接続する必要がなくなり、SDDの高密度集積が可能となりました。

本研究では、1.8mm四方の小型SDDを30素子配置したセンサー「mxdCMOS」を設計・製造しました。本センサーでは、各SDDの中央部に微小な電荷増幅アンプを配置し、その出力を周辺回路でさらに増幅して出力パッドへ伝送する構成としています。これらの機能はすべて単一チップ内に集積されています（図1）。

本センサーにおいて、信号処理時間を130ナノ秒（ns、1nsは10億分の1秒）に設定し、X線の光子エネルギー分解能^※4を評価したところ、光子エネルギー5.9キロ電子ボルト（keV、1keVは1,000電子ボルト）のX線に対して半値全幅(FWHM)^※4170eVを達成しました。これは、高計数率動作に必要な短い信号処理時間条件下においても、優れたエネルギー分解能が維持されていることを示しています。

次に計数性能を評価した結果、mxdCMOSセンサーは入力強度約75Mphotons/sで飽和することが分かりました。これは単位面積当たり77Mphotons/s/cm²に相当し、多素子SDDとして世界最高の性能です。また、入力強度約30Mphotons/sまでの範囲で良好な線形応答^※5を維持することを確認しました（図2）。

これにより、高強度放射光条件下においても高精度な定量測定が可能であることが示されました。

本研究ではセンサー開発にとどまらず、実利用可能な検出システムの構築まで行いました。そのため、SPring-8におけるオペランド測定^※6やX線吸収微細構造(XAFS)^※7解析、半導体・電池材料研究で求められる微量元素分析、高速元素マッピングなどの放射光実験に直ちに導入することが可能です。これにより、測定時間の大幅な短縮や実験効率の向上が早期に実現できることが期待されます。

現在SPring-8では、既存技術で作成された非集積SDDが7個搭載された実験システムが稼働中です。本研究のmxdCMOSセンサーを12個並列配置した場合、この既存実験システムと比較して、約50倍の計数率が得られます。これにより、現状6時間を要する広範囲の元素マッピングがmxdCMOSセンサーによって約7分まで短縮できると考えられます。さらに、化学反応のリアルタイム追跡においても、約50倍短い時間間隔での測定が可能となることで、これまで観測が困難であった高速現象の追跡が可能になると期待されます。

本センサーを利用した検出システムの高性能化に向けて、素子境界で生じる弾道欠損^※8を補正する高度信号処理技術の開発を進めます。これにより、素子間で発生する信号の不均一性を低減し、高計数率環境下においても安定したエネルギー分解能と高い定量精度を実現することを目指します。

また並行して、素子の量産化を進め、先端放射光分野へ広く展開するとともに、半導体・電池製造工程における高精度検査や分析装置への応用も図ります。これにより、放射光計測技術の高度化と産業分野への波及を同時に推進していきます。

理化学研究所　放射光科学研究センター
　初井宇記　（ハツイ・タカキ）
　東末敏明　（トウスエ・トシアキ）

高輝度光科学研究センター　研究DX推進室
　工藤統吾　（クドウ・トウゴ）
　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員）
　小林和生　（コバヤシ・カズオ）
　（理研　放射光科学研究センター　客員研究員）

株式会社ディーアンドエス
　倉知郁生　（クラチ・イクオ）

株式会社エイアールテック
　今村俊文　（イマムラ・トシフミ）
　大本貴文　（オオモト・タカフミ）
　前田智晃　（マエダ・トモアキ）

株式会社MIST　
　松田祐二　（マツダ・ユウジ）

【用語解説】

タンパク質の動きを捉える新しい試料導入システムを開発
－テープ搬送による試料導入で試料消費量を低減－

2026年2月16日
理化学研究所
高輝度光科学研究センター
東北大学
京都大学

理化学研究所（理研）放射光科学研究センタービームライン開発チームの姜正敏研究員、同SACLAビームライン基盤グループの矢橋牧名グループディレクター、高輝度光科学研究センターXFEL利用研究推進室の登野健介チームリーダー、東北大学多元物質科学研究所の南後恵理子教授、京都大学大学院医学研究科の岩田想教授らの国際共同研究グループは、X線自由電子レーザー（XFEL）施設「SACLA※1」において、タンパク質の動きを捉える連続フェムト秒結晶構造解析(SFX)※2のための試料を導入する新たなシステムを開発しました。 本研究成果により、わずかな量の試料で時分割の構造解析が可能となり、タンパク質の動きが原子レベルで明らかになることが期待されます。 生体の重要な構成成分であるタンパク質が機能する際、巧妙にその構造を変えて機能を発揮していることが知られています。その動きを動画のように可視化する技術として、XFELを用いた時分割連続フェムト秒結晶構造解析（時分割SFX）※2が利用されてきました。 今回、国際共同研究グループは、SACLAにおいて、結晶を含んだ微小液滴をテープの上に滴下し、ベルトコンベアのようにX線レーザーの照射領域に運ぶ手法を開発しました。結晶を含んだ微小液滴に反応分子などを含む別の微小液滴を重ねて滴下することにより、タンパク質が反応する過程を追跡する実験も可能となりました。 本研究は、科学雑誌『Journal of Applied Crystallography』（2月8日付）に掲載されました。 テープ搬送による試料導入システムでタンパク質の動的構造解析をわずかな試料で実現 論文情報 雑誌名：Journal of Applied Crystallography タイトル：Compact Tape-Driven Sample Delivery System for Serial Femtosecond Crystallography 著者：Jungmin Kang, Yoshiaki Shimazu, Fangjia Luo, Ayumi Yamashita, Tomoyuki Tanaka, Yuichi Inubushi, Kensuke Tono, Nipawan Nuemket, Allen M. Orville, So Iwata, Eriko Nango, and Makina Yabashi 掲載日：2026年2月8日 DOI：10.1107/S1600576726000063

ヒトの体の重要な構成成分であるタンパク質は、複雑に折り畳まれた構造を取っています。その立体構造と機能は深く関連しており、タンパク質が機能を発揮する際には巧みに構造を変えることが知られています。この動的な構造変化を原子レベルで解明することは、生命現象の理解や薬剤設計の上でも重要です。しかし、従来の方法ではタンパク質分子が素早く変化する過程を原子レベルで可視化することは困難でした。
X線自由電子レーザー(XFEL)を用いた「連続フェムト秒結晶構造解析（SFX）」は、この動的構造の解明に大きな進展をもたらしました。SFXは、フェムト秒（1,000兆分の1秒）単位の極めて短い発光時間を持つX線レーザーをタンパク質の微小結晶に照射し、生体温度に近い条件で立体構造データを取得する手法です。特に「時分割連続フェムト秒結晶構造解析（時分割SFX）」は、光、熱などの物理的刺激や、基質^※3、リガンド（配位子）^※4などの分子との結合によってタンパク質との反応が開始する時間を変えながら測定が可能であり、構造変化をリアルタイムに捉える唯一の手法として用いられてきました。
XFELを用いた実験では、高強度のX線レーザーによる照射後に試料が崩壊するため、新たな試料を次々と導入する必要があります。従来のSFX実験では、微小結晶を液体に混合してX線レーザーによる照射位置まで連続的に流す方法が使われてきました。しかし、X線レーザーは連続的に試料に照射されるのではなく、例えば1秒間に数十回程度の繰り返しで間欠的に照射されます。X線レーザーが照射されていない間も試料は流れ続けるため、その大部分がX線レーザー照射の実験に用いられず浪費されていました。タンパク質試料の調製には多大な時間とコストを要するため、この浪費を最小限に抑えることは重要な課題となっています。

タンパク質試料の浪費といった課題を解決するため、先行研究ではテープをコンベアベルトとして利用し、その上に滴下した液滴をX線レーザー照射位置まで運ぶ方法が提案されていました。国際共同研究グループは、この手法をさらに発展させ、よりコンパクトで実用性の高い試料導入システムを開発しました（図1）。

このシステムでは、ナノリットル（nL、1nLは10億分の1リットル）スケールの微小液滴を高速に吐出（としゅつ）する装置を2台、テープ送り方向に沿って直列に配置しました。テープは、耐久性などに優れた、厚さ約12マイクロメートル（µm、1µmは100万分の1メートル）のポリイミドフィルムを採用しました。それぞれの液滴吐出装置から、結晶を含む微小液滴と反応分子溶液の微小液滴をテープ面上に連続的に重ねて吐出します。その後、ベルトコンベアのようにX線レーザーの照射位置まで液滴を運び、液滴が載ったテープの裏面から垂直にX線レーザーを照射してデータを取得します。テープ面をX線に垂直に配置したことで、X線の焦点とテープ面上の液滴との位置合わせが飛躍的に簡便になり、測定の安定性が向上しました。また、液滴の吐出タイミングを、間欠的なX線レーザーの照射と同期させることで、高効率にデータを収集することができます。さらに、テープ送り速度や反応開始地点からX線照射位置までの距離を調整することで、約0.1秒から20秒弱までの範囲で、二つの微小液滴の混合時間を制御できるようにしました。

本システムの性能を実証するため、X線自由電子レーザー施設「SACLA」において、二液混合型の時分割SFX実験を実施しました。モデルタンパク質試料として、酵素であるニワトリ卵白由来のリゾチーム^※5の結晶と、その阻害剤であるN-アセチルグルコサミン^※6を使用しました。実験では、リゾチーム結晶を含む微小液滴と、N-アセチルグルコサミン溶液の微小液滴がテープ面上で重なった時からX線レーザーが照射されるまでの時間を数点設定し、反応過程における活性部位の変化を追跡しました。

この実験により、混合から一定時間経過後に、基質がリゾチームの活性部位に結合していく過程を原子レベルで捉えることに成功しました（図2）。さらに、各時点のデータセットを取得するために必要なリゾチームの消費量をわずか1～2mgに抑えることができました。これは、従来の実験方法に比べて、数十～数百分の1に当たる量となります。本システムでは、可視光レーザーを導入することで光励起型の時分割SFX実験も可能であり、これまで以上に多様なタンパク質に対して時分割SFX実験を適用することができます。

今回開発したシステムは、従来SFXで用いられてきた連続的な試料導入方法とは異なり、XFELを用いたX線レーザーの照射に同期した試料導入により試料消費量を削減するとともに、安定して高品質なデータを取得することを可能にしました。また、従来の方法に比べ、反応開始後から数十秒といった遅い反応を捉えることもできます。本技術の普及により、酵素などにおける反応過程の解明や、薬剤が標的タンパク質に結合する詳細なプロセスの可視化が加速されることが期待されます。

理化学研究所　放射光科学研究センター
　ビームライン開発チーム
　　研究員　　　　　　　　　　姜　正敏　　　　　（カン・ジョンミン）
　SACLAビームライン基盤グループ
　　グループディレクター　　　矢橋牧名　　　　　（ヤバシ・マキナ）

高輝度光科学研究センター　XFEL利用研究推進室
　　チームリーダー　　　　　　登野健介　　　　　（トノ・ケンスケ）

東北大学　多元物質科学研究所
　　教授　　　　　　　　　　　南後恵理子　　　　（ナンゴ・エリコ）
　　（理研　SACLA利用技術開拓グループ（研究当時）　チームリーダー（研究当時））

京都大学　大学院医学研究科
　　教授　　　　　　　　　　　岩田　想　　　　　（イワタ・ソウ）
　　（理研　SACLA利用技術開拓グループ（研究当時）
　　グループディレクター（研究当時））

Diamond Light Source UK XFEL Hub（英国）
　　グループリーダー　　　　　アレン・オルベイル（Allen M. Orville）

本研究は、理化学研究所放射光科学研究センター「SACLA/SPring-8基盤開発プログラム（研究代表者：岩田想）」、日本学術振興会(JSPS)科学研究費助成事業新学術領域研究（研究領域提案型）「高速分子動画法によるタンパク質非平衡状態構造解析と分子制御への応用（研究代表者：岩田想）」、同学術変革領域研究（A）「タンパク質機能のポテンシャルを解放する生成的デザイン学（研究代表者：林重彦）」、日本医療研究開発機構（AMED）「創薬等先端技術基盤プラットフォーム(AMED-BINDS)」による助成を受けて行われました。

【用語解説】

工業的金属加工プロセスの超高速レントゲン診断法が実現
――SPring-8が新開発した透過力の高い明るいＸ線を用いることで、 世界ではじめて金属の切削・放電加工現象の観察に成功――

2026年2月20日
東京大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

◆産業・工業で重要な金属加工プロセスの超高速レントゲン診断法が実現しました。
◆SPring-8が新開発したX線を用いて金属内部の変形や動作のスローモーション撮像に成功。
◆自動車、航空、船舶など広範な工業分野において、金属加工技術の問題点を明らかにします。

自動車、家電、航空、船舶などあらゆる工業分野において、切削加工に代表される金属加工技術はものづくりの根幹であり、20世紀後半から現在に至るまで日本が世界をリードしている分野です。
現在、工場現場での加工プロセスの改善は職人的な手法で行われており、理論的解明が難しく、シミュレーターの利用はほとんど行われていません。その主な理由は、金属の加工プロセスは、金属内部や冷却液などの中で行われるため直接観察できないためです。物質の内部を観察する手段としては、X線がありますが、通常のⅩ線では強度が弱く、高速で見ることができず、また、金属内部を透過するためには、より透過力の強い高エネルギーのⅩ線が必要でした。
一方、近年、SPring-8では厚い金属を透過する100keVのX線を､極めて明るい光量で供給する技術を新開発しました。図1は、X線のエネルギーと金属の透過する厚さになります。このグラフから、100 keVのX線を用いると鉄や銅などの工業分野で主となる金属を数ミリメートル以上の厚さでも透過することがわかります。

本研究では、図2に示すようにこの金属の透過力に優れたX線を、ドリル加工と放電加工の冷却液と金属内部を5000分の1秒の速さで観察、すなわち超高速レントゲン診断に用いました。
図3は、実際に銅合金をドリル加工した様子です。このように、鮮明に金属内部において工具により、金属が除去されていく様子を観察することに世界で初めて成功しました。さらに、ドリル工具の振動の様子もわかり、穴加工で防ぐべきバリの発生メカニズムも解明しました。本研究では、工業分野で重要な放電加工の観察にも成功しています。

本手法により、冷却水や金属の内部で起こっている、誰も見たことがない金属除去過程や、切りくず発生、工具振動などをダイレクトに観察することができます。2年後に実現するSPring-8-IIにより、新開発されるX線は、さらに性能が向上します。そうすれば、より高い空間分解能と時間分解能で、切削加工、放電加工、レーザー加工や3Dプリンタなど、あらゆる金属プロセスの超高速レントゲン診断が可能になります。
開発した金属加工プロセスの超高速レントゲン診断法は、工作機械^(注6)や工具開発を飛躍的に促進させ、日本がリードしている工作機械分野のさらなる発展に貢献することが期待できます。

東京大学 先端科学技術研究センター
　　三村秀和　教授
　　　兼：理化学研究所 放射光科学研究センター　チームリーダー

理化学研究所 放射光科学研究センター
　　矢橋牧名　グループディレクター

高輝度光科学研究センター ビームライン光学技術推進室
　　大橋治彦　室長

本研究は、科研費「高精度大型ウォルターミラーの開発とX線望遠鏡・X線顕微鏡への展開」
（課題番号：23H00156）の支援により実施されました。

【用語解説】

ビタミンB12を用いた光受容タンパク質の活性化メカニズムを解明
～SACLAが捉えた光化学反応と生命応答の関係～

2026年2月5日
兵庫県立大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

【研究の背景】
　CarHは細菌にみられ、ビタミンB₁₂を用いて光を感知し、カロテノイド^※6合成に関わるタンパク質の合成を制御する光応答型転写調節因子^※7です。CarHに結合したビタミンB₁₂が光を受容すると、CarHの構造が変化します。その結果、四量体を形成していたCarHが単量体になることで、DNAに結合する能力を失い、タンパク質の合成が制御されます（図1）。ビタミンB₁₂は、酵素の活性部位として機能し、生体内で様々な化学反応を行うことがよく知られています。一方で、CarH のような光受容タンパク質において、ビタミンB₁₂が利用される例はあまり知られていません。CarHがどのようにして「光」による機能制御を可能にしているのか、その要因は明らかになっていませんでした。この疑問に答えるために、CarHが光を受けた直後のナノ秒から、最終的にタンパク質の構造が大きく変化する数秒までの「姿」をみることが重要になります。

【研究内容と成果】
　研究グループは、主にXFEL施設SACLAでの時間分解構造解析を利用して、CarH の光活性化過程を詳細に解析しました（図2）。その結果、光照射によってビタミンB₁₂誘導体中のコバルト–炭素結合（Co–C結合）が切断された後、3マイクロ秒（マイクロ秒は百万分の1秒）で、これまで知られていなかった新しい反応中間体が形成されることを発見しました。この中間体では、光を受容する前にみられたビタミンB₁₂誘導体中のCo–C結合（Co–C5’結合）とは異なる新たなCo–C結合（Co–C4’結合）ができており（図2）、その後に起こる大きな構造変化を引き起こす鍵となっていることがわかりました。そして、CarH は四量体から単量体へ変化し、DNA結合能を失うことで転写制御が切り替わります。この仕組みは、ビタミンB₁₂をもつ酵素とは本質的に異なる光受容タンパク質特有のものであることが示されました。

【今後の展開】
　本研究は、光照射のナノ秒から数秒後のCarHの姿を捉えることで、ビタミンB₁₂を用いた光受容の仕組みを理解した成果です。この知見は、光による遺伝子制御の理解を深めるだけでなく、将来的にはオプトジェネティクス^※8への応用や、光をつかってタンパク質の働きを自在に操作する技術への応用が期待されます。

【謝辞】
　本研究は、理研が提供するSACLA大学院生研究支援プログラム及び二国間交流事業（フランス(MEAE-MESRI)との共同研究）による支援を受けて実施されました。

【用語解説】