理化学研究所（理研），北海道大学，高輝度光科学研究センターらは，一連のデータ処理プログラムを開発し，X線自由電子レーザー（XFEL）施設「SACLA」を用いて，溶液中のナノ粒子の3次元観察を実証した（ニュースリリース）。

ナノ粒子の構造の観察には，電子顕微鏡やX線回折などが用いられるが，試料の結晶化や凍結などの操作が必要なため，自然に近い常温常圧の溶液環境下で観察する方法が望まれていた。

X線自由電子レーザー（XFEL）を用いれば，結晶化されていないナノ粒子の構造も観察できる。さらに，独自に開発した試料ホルダーMLEAを用いることで，常温常圧の溶液中で，試料を保持して測定することができる。

しかし，ナノ粒子に的確にXFELビームを照射することは困難で，ビームが試料に当たっていない測定データも多く含まれる。さらに，結晶化されていないナノ粒子からの信号は非常に弱く，ノイズとの区別も難しい。

そこで研究グループは，XFEL施設「SACLA」において，試料ホルダーMLEAを用いて，常温常圧下の溶液中の金ナノ粒子の単粒子解析を行なった。金属ナノ粒子は生体分子に比べて強い信号が得られ，XFELとMLEAを組み合わせた単粒子解析の基礎データの取得に適しているという。

溶液中の試料にXFELビームを照射して取得した多数の2次元パターン（XFEL回折パターン）の中には，XFELビームが試料に当たっていないものも多く含まれる。試料にビームが当たった（ヒットした）パターンを選別するために，統計学的な手法を用いて各測定パターンを数値的に特徴付け，ノイズパターンを判定した。

単粒子解析実験では，スライスマッチング法という計算アルゴリズムを開発し，各ヒットパターンから捉えた試料の向きとビーム強度を推定しながら，3次元での強度分布を組み立てた。この3次元強度分布から3次元ノイズ分布を除去することで，試料由来の3次元強度分布を推定した。

次に，推定した3次元強度分布から実空間での粒子の3次元構造の復元を試みた。その結果，ノイズを除去することで復元された金ナノ粒子から丸みが取れ，各面の平坦性も再現された。復元された粒子構造の解像度は，フーリエシェル相関（FSC）＝0.5の指標で約5nmだった。

XFEL測定データから復元された粒子の3次元構造は，走査電子顕微鏡画像とよく一致した。走査電子顕微鏡では，ナノ粒子の方向を指定した観察が難しいが，XFELによる測定では，溶液中でランダムな方向を向いているナノ粒子の3次元構造の復元に成功した。

研究グループはこの成果について，溶液環境下での触媒金属ナノ粒子の変化など，MLEAを用いたXFEL単粒子解析にも応用できるとしている。