ビームラインおよび新型検出器の 特性を生かした...
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ビームラインおよび新型検出器の特性を生かしたデータ収集法
12016年6月24日 （金） 東京医科歯科大学 湯島キャンパス
第1回 タンパク質結晶構造解析ビームライン中級者向け講習会
Contents
• 各ビームラインの特徴
• 新型検出器の特性とデータ収集法
3
Photon Factory
PF(2.5GeV)
BL‐17A
PF‐AR(6.5GeV)
AR‐NW12A
BL‐5A
AR‐NE3A
BL‐1A
Macromolecular crystallography beamlines
Direct injection line to PF‐AR is under construction
Micro FocusBL‐17A
2006
2003～2004High‐throughputBL‐5A and NW12A
A
A
～2002
high‐throughputNE3A
Micro FocusBL‐1A
20092010
ビームライン建設の歴史
2005
Ring upgradeTop‐up injection
1.00E+14
1.00E+15
1.00E+16
1.00E+17
1.00E+18
1.00E+19
1.00E+20
1.00E+21
1.00E+22
0 5000 10000 15000 20000
Energy (eV)
brillia
nce (
phto
ns/
sec/m
rad2
/m
m2/0.1
%bw
)
-4
-2
0
2
4
anom
alous
sign
al (
ele
ctr
ons)
Se
S
NW12A, NE3A3rd
BL-17A5th
BL-17A3rd
BL-5AMPW
NW12A, NE3A1st
BL-1A3rd
BL-1A1st
P
光源性能
ビームサイズとフラックスBL‐1A BL‐5A BL‐17A NW12A NE3A
Horizontal (μm)
13 (50) 50 ‐ 200 10 ‐ 40 150 ‐ 200 100 ‐ 200
Vertical (μm)
13 (50) 50 ‐ 150 20 50 ‐ 130 50 ‐ 80
Photon flux (phs/s)
0.9 x [email protected]Å
2 x [email protected]Å
3.1 x [email protected]Å
3.9 x [email protected]Å
12 x [email protected]Å
仮想光源スリットや試料直前のスリットによりビーム整形
ビームサイズを小さくすれば、光子フラックスも減少（例外： BL‐1Aの縦はデフォーカスによるため変化なし）
13x13µm(BL‐1A)
13x50µm(BL‐1A)Beam profile (V)
@BL‐5A
Beam size (h x v, um) 13 x 13 13 x 50 50 x 50 13 x 13
Transmittance (%) 2 2 0.5 2
ISa 17.36 17.12 15.14 17.41
BphA4 crystal, 300µmλ = 1.1 ÅOscillation width: 0.1degExposure time: 0.1secNumber of frames: 1800
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0
5
10
15
20
25
30
35
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
Rmeas
I/sigI
1/d2
I/sigI(13x13um)
I/sigI(13x50um)
I/sigI(50x50um)
I/sigI(13x13um)_2nd
Rmeas(13x13um)
Rmeas(13x50um)
Rmeas(50x50um)
Rmeas(13x13um)_2nd
結晶サイズとビームサイズ
Ｘ線検出器
Beamline BL‐1A BL‐5A BL‐17A NW12A NE3A
Detector DectrisEiger X4M
ADSC Quantum 315r
DectrisPilatus3 S6M
ADSC Quantum 270
DectrisPilatus 2MF
Type PAD CCD PAD CCD PAD
Active area (mm) 155.2 x 162.5 315 x 315 424 x 435 270 x 270 254 x 289
Pixel size (μm) 75 102 (51) 172 63 172
Number of Pixels 2070 x 2167 3072 x 3072
(6144 x 6144) 2463 x 2527 4096 x 4096 1475 x 1679
Gain (e‐/1 Å photon) ‐ 7.3 ‐ > 22 ‐
Readout time (msec) 0. 003 250 (900) 2.03 1100 2.3
Max. frame rate (Hz) 750 < 1 25 < 1 60
可能な波長範囲と分解能
Beamline BL‐1A BL‐5A BL‐17A NW12A NE3A
Wavelength range (Å)
0.96 – 1.12.7 – 3.3 0.75 – 1.9 0.9 – 2.1 0.75 – 1.9 0.75 – 1.9
Detector distance (mm) 60 – 450 60 – 950 185 – 750 60 – 950 80 ‐ 500
Detector offset (mm) ‐ 0 ‐ 150 0 ‐ 150 0 – 120 0 ‐ 150
Detector dimension
(mm)162.5 315 434.6 270 289
Max. resolution (Å) (with offset)
1.07(0.67)*
0.66 (0.59)
1.07(0.86)
0.69 (0.60)
0.74 (0.62)
* Double detector setup
その他ビームラインの特徴Beamline BL‐1A BL‐5A BL‐17A NW12A NE3A
同軸観察系 Yes No Yes Yes No
シャッターレスデータ収集
Yes No Yes No Yes
In‐situ測定 No No Yes No No
室温測定 Yes（予定） Yes Yes Yes Yes
カセット（最大設置数）
Unipuck (9) Unipuck (12) SSRL (3)
Unipuck (12) SSRL (3)
Unipuck (12) SSRL (3)
Unipuck (16) SSRL (6)
手マウント No Yes Yes Yes Yes
アニーリング No Yes Yes Yes Yes
ヘリウム環境 Yes No No No No
ミニカッパゴニオメータ
Yes No No No No
Native SAD Yes No Yes No No
高圧測定 No No No Yes No
BL‐17AでのIn‐situ データ測定
ソフトウェアにて制御ユーザーが自由に変更可
クライオピンモード プレートモード
新回折計の試料周り水平ゴニオ: クライオ実験用鉛直ゴニオ: プレート実験用
対応プレートSBS規格• In‐Situ01• CrystalQuick X• KEK• MRC‐2• Violamo• Intelli plate• …
回折スキャンの流れ
スキャン範囲の指定
回折スキャンの実行
結果の表示（試料は元の位置へ）
X‐ray beam
BL‐1A, 17A（シャッターレス）NW12A
NE3A（シャッターレス）BL‐5A
Exp. Time: 1.0 secTransmittance: 100%Max. no. of peaks: 539
Exp. Time: 1.0 secTransmittance: 1%Max. no. of peaks: 57
Exp. Time: 0.2 secTransmittance: 1%Max. no. of peaks: 12
Exp. Time: 0.1 secTransmittance: 10%Max. no. of peaks: 50
Exp. Time: 0.1 secTransmittance: 100%Max. no. of peaks: 287
ラインスキャンによるセンタリングBL‐1A, スキャンビームサイズ：13μm
ω = 0 deg ω = 90 deg ω = 90 deg
ω = 90 degω = 90 degω = 90 deg
迅速なスクリーニング
データセット測定HEW Lysozyme Glucose Isomerase Thaumatin
Crystallization plate In‐Situ KEK KEK
Wavelength (Å) 0.9800 0.9800 0.9800
Flux (ph/s.) 3.2 x 109 3.2 x 109 3.2 x 109
Osc. width (deg./frame) 1.0 0.2 0.2
Exp. time (sec./frame) 1.0 0.2 0.2
Osc. range (deg.) ‐15 to +15 ‐10 to +10 ‐3 to +3 (approx.)
Number of crystals 10 10 15
Space group P43212 I222 P41212
Resolution (Å) 39.6 – 1.66(1.69 – 1.66)
41.1 – 1.42(1.44 – 1.42)
41.4 – 1.90(1.99 – 1.90)
Rmerge 0.063 (2.11) 0.053 (0.496) 0.144 (0.841)
I/sigma(I) 37.1 (2.4) 16.2 (3.0) 8.8 (2.4)
Completeness (%) 100 (100) 99.4 (99.3) 99.6 (99.8)
Multiplicity 20.8 (21.3) 3.7 (3.7) 5.9 (6.0)
Reducing systematic error due to X-ray absorption by sample
ミニカッパ―ゴニオメータ@BL-1A (Feb. 2016 - )
0.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%
80.00%
90.00%
100.00%
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Rmeas
I/sigI
1/d2
I/sigI(Double Eiger)
I/sigI(Single Eiger)
Rmeas(Double Eiger)
Rmeas(Single Eiger)
二台の検出器による高分解能データ収集
高角の反射は斜め入射の影響でスポットが伸びる
新型検出器によるデータ収集
• 微小振動角測定（ファインφスライス測定）
• High frame rate 測定
Pilatus(Eiger) ‐ 計数型検出器の特徴
https://www.dectris.com
Still images measurement
Data set 1 2
Wavelength (Å) 2.066
Flux (phs/s) 3 x 109
Sample – detector (mm) 40
Frame rate (fps) 1 800
Eiger 1M prototype at X10DA, SLS
1
10
100
1000
1 10 100 1000
spot intenisy
for 1
.25m
sec e
xposure
summed
800
times
spot intensity for 1sec exposure
1 sec exposure 1.25 msec exposure x 800 (summed)1.25 msec exposure
Diffraction from BphA4 crystal
ファインφスライス測定
※ＣＣＤ検出器ではメリットが小さい
暗電流、読出しノイズの蓄積 dead timeの増大
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0.1度以下 0.1 ‐ 0.5度 0.5度 0.5 ‐ 0.9度 1.0度 1.0度超過 トータル
Ｒｕ
ｎｓ回
数
BL‐1ABL‐5ABL‐17ANW12ANE3A
データ収集時に実際に使用された振動角
2015年5月～2016年6月
BL‐1A
0.1度以下
0.1 ‐ 0.5度
0.5度
0.5 ‐ 0.9度
1.0度
1.0度超過
BL‐5A
0.1度以下
0.1 ‐ 0.5度
0.5度
0.5 ‐ 0.9度
1.0度
1.0度超過
データ収集時に実際に使用された振動角
RESOLUTION NUMBER OF REFLECTIONS COMPLETENESS R-FACTOR R-FACTOR COMPARED I/SIGMA R-meas Rmrgd-F
LIMIT OBSERVED UNIQUE POSSIBLE OF DATA observed expected
4.48 9616 2851 2866 99.50% 2.50% 2.40% 9550 41.18 3.00% 2.10%
3.17 17291 5040 5052 99.80% 2.70% 2.60% 17232 38.31 3.20% 2.30%
2.59 22594 6479 6501 99.70% 4.40% 4.30% 22476 23.96 5.20% 4.20%
2.25 25502 7640 7674 99.60% 6.20% 6.30% 25338 16.78 7.40% 6.70%
2.01 29318 8619 8642 99.70% 8.80% 9.10% 29160 11.89 10.50% 9.90%
1.84 32667 9575 9608 99.70% 14.90% 15.50% 32404 7.31 17.60% 17.50%
1.7 34292 10358 10391 99.70% 25.90% 26.10% 34021 4.34 30.90% 32.50%
1.59 37701 11146 11177 99.70% 42.00% 39.80% 37386 2.9 50.00% 51.40%
1.5 37479 11674 11816 98.80% 64.70% 63.00% 37042 1.73 77.70% 86.00%
total 246460 73382 73727 99.50% 7.00% 7.00% 244609 11.77 8.40% 15.40%
RESOLUTION NUMBER OF REFLECTIONS COMPLETENESS R-FACTOR R-FACTOR COMPARED I/SIGMA R-meas Rmrgd-F
LIMIT OBSERVED UNIQUE POSSIBLE OF DATA observed expected
4.48 9619 2856 2867 99.60% 2.40% 2.30% 9553 43.51 2.80% 2.00%
3.17 17282 5041 5055 99.70% 2.50% 2.40% 17222 41.18 3.00% 2.10%
2.59 22680 6497 6510 99.80% 3.80% 3.70% 22564 27.04 4.50% 3.40%
2.25 25517 7642 7687 99.40% 5.20% 5.10% 25353 19.54 6.20% 5.30%
2.01 29382 8629 8656 99.70% 7.10% 7.10% 29230 14.43 8.50% 7.40%
1.84 32742 9575 9608 99.70% 11.00% 11.30% 32482 9.32 13.00% 12.10%
1.7 34528 10380 10406 99.80% 17.50% 18.30% 34253 5.87 20.90% 20.80%
1.59 38066 11164 11197 99.70% 27.40% 27.00% 37758 4.12 32.40% 32.00%
1.5 37663 11673 11834 98.60% 43.00% 41.20% 37255 2.59 51.60% 54.10%
total 247480 73458 73820 99.50% 5.50% 5.40% 245670 13.72 6.60% 10.70%
Oscillation width: 1deg, time: 1sec, frames: 180
Oscillation width: 0.2deg, time: 0.2sec, frames: 900
Data collection with fine‐phi slicing using Pilatus detector at BL‐1A
0.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%
80.00%
90.00%
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Rmeas
I/sigI
1/d2
I/sigI(1d/1s)
I/sigI(0.2d/0.2s)
I/sigI(0.1d/0.1s)
I/sigI(0.05d/0.05s)
I/sigI(0.02d/0.02s)
Rmeas(1d/1s)
Rmeas(0.2d/0.2s)
Rmeas(0.1d/0.1s)
Rmeas(0.05d/0.05s)
Rmeas(0.02d/0.02s)
1d/1s 0.2d/0.2s 0.1d/0.1s 0.05d/0.05s 0.02d/0.02s
Total Number of frames 180 900 1800 3600 9000
Total file size of H5 (CBF)
323MB(777MB)
802MB(3.8GB)
1.2GB(7.6GB)
1.8GB(16GB)
3.1GB(38GB)
Estimated mosaicity 0.075 0.051 0.048 0.046 0.044
ISa 49.2 46.3 40.68 37.87 29.47
BphA4 crystal, 300µmλ = 1.1 ÅBeam size: 13μmTransmittance: 5%
ファインφスライス測定
0.1d/0.1s 0.1d/0.01s 0.1d/0.002s 0.1d/0.002s
Data collection time 180sec 18sec 3.6sec 180sec
Transmittance (%) 2 20 100 2
Number of data sets 1 1 1 50
ISa 19.94 18.86 16.79 17.78
0.00%
20.00%
40.00%
60.00%
80.00%
100.00%
120.00%
0
5
10
15
20
25
30
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Rmeas
I/sigI
1/d2
I/sigI(0.1d/0.1s)
I/sigI(0.1d/0.01s)
I/sigI(0.1d/0.002s)
I/sigI(0.1d/0.002s, summed)
Rmeas(0.1d/0.1s)
Rmeas(0.1d/0.01s)
Rmeas(0.1d/0.002s)
Rmeas(0.1d/0.002s, summed)
BphA4 crystal, 300µmλ = 1.1 ÅBeam size: 13μmOscillation range: 180 degTotal number of frames: 1800
High frame rateデータ収集
0.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%
80.00%
0
5
10
15
20
25
30
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
Rmeas
I/sigI
1/d2
I/sigI(0.1d/0.1s)
I/sigI(0.1d/0.0014s)
I/sigI(0.1d/0.1s)_2nd
Rmeas(0.1d/0.1s)
Rmeas(0.1d/0.0014s)
Rmeas(0.1d/0.1s)_2nd
714Hzでの測定0.1d/0.1s 0.1d/0.0014s 0.1d/0.1s
Data collection time 180sec 2.52sec 180sec
Transmittance (%) 1.4 100 1.4
ISa 20.15 14.52 20.6
BphA4 crystal, 300µmλ = 1.1 ÅBeam size: 13μmOscillation range: 180 degTotal number of frames: 1800
超高速データ収集
0.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%
80.00%
90.00%
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09
Rmeas
I/sigI
1/d2
I/sigI(0.5d/0.1s)
I/sigI(0.5d/0.002s)
I/sigI(0.5d/0.1s)_2nd
Rmeas(0.5d/0.1s)
Rmeas(0.5d/0.002s)
Rmeas(0.5d/0.1s)_2nd
BphA4 crystal, 300µmλ = 2.7 ÅBeam size: 13μmOscillation rage: 180 degTotal number of frames: 360
0.5d/0.1s 0.5d/0.002s 0.5d/0.1s
Data collection time 36sec 0.72sec 36sec
Transmittance (%) 2 100 2
ISa 12.18 12.14 12.46
まとめ
結晶のモザイク角程度の振動角でのファインΦスライス測定は有効。PilatusやEigerで「1度測定」は避けましょう。
Pilatus やEigerは非常に弱いシグナルを測定するのに適してい
る。低線量で多数回収集したデータをマージすることで、質を落とさずS/Nを上げることが可能。高線量でのデータ収集と比べ、放射線損傷を一様にできる。
露光時間やビーム強度の調整に悩むなら低線量でデータ収集を始めましょう。データは無駄にはなりません。
高速測定によりフレームあたりの線量を落とすことも可能。