We have developed an experimental apparatus named KOTOBUKI-1 for use in coherent X-ray diffraction imaging experiments of frozen-hydrated non-crystalline particles at cryogenic temperature. For cryogenic specimen stage with small positional fluctuation for a long exposure time of more than several minutes, we here use a cryogenic pot cooled by the evaporation cooling effect for liquid nitrogen. In addition, a loading device is developed to bring specimens stored in liquid nitrogen to the specimen stage in vacuum. The apparatus allows diffraction data collection for frozen-hydrated specimens at 66 K with a positional fluctuation of less than 0.4 μm and provides an experimental environment to easily exchange specimens from liquid nitrogen storage to the specimen stage. The apparatus was developed and utilized in diffraction data collection of non-crystalline particles with dimensions of μm from material and biological sciences, such as metal colloid particles and chloroplast, at BL29XU of SPring-8. Recently, it has been applied for single-shot diffraction data collection of non-crystalline particles with dimensions of sub-μm using X-ray free electron laser at BL3 of SACLA.
REFERENCES
1.
J.
Miao
, D.
Sayre
, and H. N.
Chapman
, J. Opt. Soc. Am. A
15
, 1662
(1998
).2.
J.
Miao
, P.
Charalambous
, J.
Kirz
, and D.
Sayre
, Nature (London)
400
, 342
(1999
).3.
J.
Miao
, T.
Ishikawa
, Q.
Shen
, and T.
Earnest
, Annu. Rev. Phys. Chem.
59
, 387
(2008
).4.
J.
Miao
, T.
Ishikawa
, E. H.
Anderson
, and K. O.
Hodgson
, Phys. Rev. B
67
, 174104
(2003
).5.
J. R.
Fienup
, Appl. Opt.
21
, 2758
(1982
).6.
I. K.
Robinson
, I. A.
Vartanyants
, G. J.
Williams
, M. A.
Pfeifer
, and J. A.
Pitney
, Phys. Rev. Lett.
87
, 195505
(2001
).7.
J.
Miao
, T.
Ishikawa
, E. H.
Johnson
, B.
Lai
, and K. O.
Hodgson
, Phys. Rev. Lett.
89
, 088303
(2002
).8.
J.
Miao
, K. O.
Hodgson
, T.
Ishikawa
, C. A.
Larabell
, M. A.
LeGros
, and Y.
Nishino
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
100
, 110
(2003
).9.
J.
Miao
, Y.
Nishino
, Y.
Kohmura
, B.
Johnson
, C.
Song
, S. H.
Risbud
, and T.
Ishikawa
, Phys. Rev. Lett.
95
, 085503
(2005
).10.
M. A.
Pfeifer
, G. J.
Williams
, I. A.
Vartanyants
, R.
Harder
, and I. K.
Robinson
, Nature (London)
442
, 63
(2006
).11.
C.
Song
, H.
Jiang
, A.
Mancuso
, B.
Amirbekian
, L.
Peng
, R.
Sun
, S. S.
Shah
, Z. H.
Zhou
, T.
Ishikawa
, and J.
Miao
, Phys. Rev. Lett.
101
, 158101
(2008
).12.
I. K.
Robinson
and R.
Harder
, Nature Mater.
8
, 291
(2009
).13.
Y.
Nishino
, Y.
Takahashi
, N.
Imamoto
, T.
Ishikawa
, and K.
Maeshima
, Phys. Rev. Lett.
102
, 018101
(2009
).14.
H.
Jiang
, C.
Song
, C.-C.
Chen
, R.
Xu
, K. S.
Raines
, B. P.
Fahimian
, C.-H.
Lu
, T.-K.
Lee
, A.
Nakashima
, J.
Urano
, T.
Ishikawa
, F.
Tamanoi
, and J.
Miao
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
107
, 11234
(2010
).15.
Y.
Takahashi
, N.
Zettsu
, Y.
Nishino
, R.
Tsutsumi
, E.
Matsubara
, T.
Ishikawa
, and K.
Yamauchi
, Nano Lett.
10
, 1922
(2010
).16.
M. C.
Newton
, S. J.
Leake
, R.
Harder
, and I. K.
Robinson
, Nature Mater.
9
, 120
(2010
).17.
D.
Nam
, J.
Park
, M.
Gallagher-Jones
, S.
Kim
, S.-N.
Kim
, Y.
Kohmura
, H.
Naitow
, N.
Kunishima
, T.
Yoshida
, T.
Ishikawa
, and C.
Song
, Phys. Rev. Lett.
110
, 098103
(2013
).18.
J.
Miao
, R. L.
Sandberg
, and C.
Song
, IEEE J. Sel. Top. Q.
18
, 399
(2012
).19.
M.
Nakasako
, Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. B
359
, 1191
(2004
).20.
E.
O’Toole
, G.
Wray
, J.
Kremer
, and J. R.
McIntosh
, J. Struct. Biol.
110
, 55
(1993
).21.
N.
Shimizu
, K.
Hirata
, K.
Hasegawa
, G.
Ueno
, and M.
Yamamoto
, J. Synchrotron Radiat.
14
, 4
(2007
).22.
J.
Dubochet
, M.
Adrian
, J.-J.
Chang
, J.-C.
Homo
, J.
Lepault
, A. W.
McDowall
, and P.
Schultz
, Q. Rev. Biophys.
21
, 129
(1988
).23.
B. E.
Bammes
, J.
Jakana
, M. F.
Schmid
, and W.
Chiu
, J. Struct. Biol.
169
, 331
(2010
).24.
R. B. G.
Ravelli
and E. F.
Garman
, Curr. Opin. Struct. Biol.
16
, 624
(2006
).25.
G.
Schneider
, Ultramicroscopy
75
, 85
(1998
).26.
J.
Maser
, A.
Osanna
, Y.
Wang
, C.
Jacobsen
, J.
Kirz
, S.
Spector
, B.
Winn
, and D.
Tennant
, J. Microsc.
197
, 68
(2000
).27.
T.
Beetz
, M. R.
Howells
, C.
Jacobsen
, C.-C.
Kao
, J.
Kirz
, E.
Lima
, T. O.
Mentes
, H.
Miaoa
, C.
Sanchez-Hanke
, D.
Sayre
, and D.
Shapiro
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
545
, 459
(2005
).28.
X.
Huang
, J.
Nelson
, J.
Kirz
, E.
Lima
, S.
Marchesini
, H.
Miao
, A. M.
Neiman
, D.
Shapiro
, J.
Steinbrener
, A.
Stewart
, J. J.
Turner
, and C.
Jacobsen
, Phys. Rev. Lett.
103
, 198101
(2009
).29.
T.-Y.
Teng
, J. Appl. Crystallogr.
23
, 387
(1990
).30.
E.
Lima
, L.
Wiegart
, P.
Pernot
, M.
Howells
, J.
Timmins
, F.
Zontone
, and A.
Madsen
, Phys. Rev. Lett.
103
, 198102
(2009
).31.
E.
Lima
, A.
Diaz
, M.
Guizar-sicairos
, S.
Gorelick
, P.
Pernot
, T.
Schleier
, and A.
Menzel
, J. Microsc.
249
, 1
(2013
).32.
M.
Born
and E.
Wolf
, Principles of Optics
, 7th (expanded) ed.
(Cambridge University Press
, Cambridge
, 1999
).33.
G.
Martínez-Criado
, R.
Steinmann
, B.
Alén
, A.
Labrador
, D.
Fuster
, J. M.
Ripalda
, A.
Homs
, S.
Labouré
, J.
Susini
, Rev. Sci. Instrum.
78
, 025106
(2007
).34.
L. E.
Delong
, O. G.
Symko
, and J. C.
Wheatley
, Rev. Sci. Instrum.
42
, 147
(1971
).35.
Y.
Fujiyoshi
, T.
Mizusaki
, K.
Morikawa
, H.
Yamagishi
, Y.
Aoki
, H.
Kihara
, and Y.
Harada
, Ultramicroscopy
38
, 241
(1991
).36.
A. W.
Robards
and U. B.
Sleytr
, Low Temperature Methods in Biological Electron Microscopy
(Elsevier
, Amsterdam
, 1991
).37.
Y.
Takayama
and M.
Nakasako
, Rev. Sci. Instrum.
83
, 054301
(2012
).38.
H.
Iwamoto
, J. Synchrotron Radiat.
16
, 336
(2009
).39.
R.
Xu
, S.
Salha
, K. S.
Raines
, H.
Jiang
, C.-C.
Chen
, Y.
Takahashi
, Y.
Kohmura
, Y.
Nishino
, C.
Song
, T.
Ishikawa
, and J.
Miao
, J. Synchrotron Radiat.
18
, 293
(2011
).40.
Y.
Takahashi
, A.
Suzuki
, S.
Furutaku
, K.
Yamauchi
, Y.
Kohmura
, and T.
Ishikawa
, Appl. Phys. Lett.
102
, 094102
(2013
).41.
K.
Tamasaku
, Y.
Tanaka
, M.
Yabashi
, H.
Yamazaki
, N.
Kawamura
, M.
Suzuki
, and T.
Ishikawa
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
467–468
, 686
(2001
).42.
T.
Ishikawa
, H.
Aoyagi
, T.
Asaka
, Y.
Asano
, N.
Azumi
, T.
Bizen
, H.
Ego
, K.
Fukami
, T.
Fukui
, Y.
Furukawa
, S.
Goto
, H.
Hanaki
, T.
Hara
, T.
Hasegawa
, T.
Hatsui
, A.
Higashiya
, T.
Hirono
, N.
Hosoda
, M.
Ishii
, T.
Inagaki
, Y.
Inubushi
, T.
Itoga
, Y.
Joti
, M.
Kago
, T.
Kameshima
, H.
Kimura
, Y.
Kirihara
, A.
Kiyomichi
, T.
Kobayashi
, C.
Kondo
, T.
Kudo
, H.
Maesaka
, X. M.
Maréchal
, T.
Masuda
, S.
Matsubara
, T.
Matsumoto
, T.
Matsushita
, S.
Matsui
, M.
Nagasono
, N.
Nariyama
, H.
Ohashi
, T.
Ohata
, T.
Ohshima
, S.
Ono
, Y.
Otake
, C.
Saji
, T.
Sakurai
, T.
Sato
, K.
Sawada
, T.
Seike
, K.
Shirasawa
, T.
Sugimoto
, S.
Suzuki
, S.
Takahashi
, H.
Takebe
, K.
Takeshita
, K.
Tamasaku
, H.
Tanaka
, R.
Tanaka
, T.
Tanaka
, T.
Togashi
, K.
Togawa
, A.
Tokuhisa
, H.
Tomizawa
, K.
Tono
, S.
Wu
, M.
Yabashi
, M.
Yamaga
, A.
Yamashita
, K.
Yanagida
, C.
Zhang
, T.
Shintake
, H.
Kitamura
, and N.
Kumagai
, Nat. Photonics
6
, 540
(2012
).43.
H.
Yumoto
, H.
Mimura
, T.
Koyama
, S.
Matsuyama
, K.
Tono
, T.
Togashi
, Y.
Inubushi
, T.
Sato
, T.
Tanaka
, T.
Kimura
, H.
Yokoyama
, J.
Kim
, Y.
Sano
, Y.
Hachisu
, M.
Yabashi
, H.
Ohashi
, H.
Ohmori
, T.
Ishikawa
, and K.
Yamauchi
, Nat. Photonics
7
, 43
(2013
).44.
H. M.
Quiney
and K.
Nugent
, Nature Phys.
7
, 142
(2011
).45.
S. P.
Hau-Riege
, A.
Graf
, T.
Döppner
, R. A.
London
, J.
Krzywinski
, C.
Fortmann
, S. H.
Glenzer
, M.
Frank
, K.
Sokolowski-Tinten
, M.
Messerschmidt
, C.
Bostedt
, S.
Schnob
, J. A.
Bradley
, A.
Luttman
, D.
Rolles
, A.
Rudenko
, and B.
Rudek
, Phys. Rev. Lett.
108
, 217402
(2012
).46.
T.
Hatsui
, T.
Kameshima
, S.
Ono
, Y.
Kirihara
, T.
Kudo
, K.
Kobayashi
, M.
Omodani
, K.
Ozaki
, Y.
Joti
, A.
Tokuhisa
, T.
Horigome
, M.
Yamaga
, Y.
Furukawa
, A.
Kiyomichi
, T.
Sugimoto
, T.
Hirano
, T.
Ohata
, A.
Amselem
, and R.
Tanaka
, J. Jpn. Soc. Synchrotron Rad. Res.
25
, 82
(2012
) (in Japanese).47.
C. H.
Kuo
, C. H.
Chen
, and M. H.
Huang
, Adv. Funct. Mater.
17
, 3773
(2007
)48.
W.
Kodama
and M.
Nakasako
, Phys. Rev. E
84
, 021902
(2011
).49.
T.
Oroguchi
and M.
Nakasako
, Phys. Rev. E
87
, 022712
(2013
).50.
S.
Marchesini
, H.
He
, H. N.
Chapman
, S. P.
Hau-Riege
, A.
Noy
, M. R.
Howells
, U.
Weierstall
, and J. C. H.
Spence
, Phys. Rev. B
68
, 140101
(2003
).51.
J.
Miao
, K. O.
Hodgson
, and D.
Sayre
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
98
, 6641
(2001
)52.
Y.
Yoshida
, H.
Kuroiwa
, O.
Misumi
, K.
Nishida
, F.
Yagisawa
, T.
Fujiwara
, H.
Nanamiya
, F.
Kawamura
, and T.
Kuroiwa
, Science
313
, 1435
(2006
).53.
Y.
Yoshida
, T.
Fujiwara
, Y.
Imoto
, M.
Yoshida
, M.
Ohnuma
, S.
Hirooka
, O.
Misumi
, H.
Kuroiwa
, S.
Kato
, S.
Matsunaga
, and T.
Kuroiwa
, J. Cell Sci.
126
, 2392
(2013
).54.
A. V.
Martin
, N. D.
Loh
, C. Y.
Hampton
, R. G.
Sierra
, F.
Wang
, A.
Aquila
, S.
Bajt
, M.
Barthelmess
, C.
Bostedt
, J. D.
Bozek
, N.
Coppola
, S. W.
Epp
, B.
Erk
, H.
Fleckenstein
, L.
Foucar
, M.
Frank
, H.
Graafsma
, L.
Gumprecht
, A.
Hartmann
, R.
Hartmann
, G.
Hauser
, H.
Hirsemann
, P.
Holl
, S.
Kassemeyer
, N.
Kimmel
, M.
Liang
, L.
Lomb
, F. R. N. C.
Maia
, S.
Marchesini
, K.
Nass
, E.
Pedersoli
, C.
Reich
, D.
Rolles
, B.
Rudek
, A.
Rudenko
, J.
Schulz
, R. L.
Shoeman
, H.
Soltau
, D.
Starodub
, J.
Steinbrener
, F.
Stellato
, L.
Strüder
, J.
Ullrich
, G.
Weidenspointner
, T. A.
White
, C. B.
Wunderer
, A.
Barty
, I.
Schlichting
, M. J.
Bogan
, and H. N.
Chapman
, Opt. Express
20
, 13501
(2012
).55.
S.
Ikeda
and H.
Kono
, Opt. Express
20
, 3375
(2012
).56.
J. M.
Rodenburg
, A. C.
Hurst
, A. G.
Cullis
, B. R.
Dobson
, F.
Pfeiffer
, O.
Bunk
, C.
David
, K.
Jefimovs
, and I.
Johnson
, Phys. Rev. Lett.
98
, 034801
(2007
).57.
Y.
Takahashi
, A.
Suzuki
, N.
Zettsu
, Y.
Kohmura
, Y.
Senba
, H.
Ohashi
, K.
Yamauchi
, and T.
Ishikawa
, Phys. Rev. B
83
, 214109
(2011
).58.
R. L.
Owen
, E.
Rudino-Pinera
, and E. F.
Garman
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
103
, 4912
(2006
).59.
M. R.
Howells
, T.
Beetz
, H. N.
Chapman
, C.
Cui
, J. M.
Holton
, C. J.
Jacobsen
, J.
Kirz
, E.
Lima
, S.
Marchesini
, H.
Miao
, D.
Sayre
, D. A.
Shapiro
, J. C. H.
Spence
, and D.
Starodub
, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
170
, 4
(2009
).60.
H.
Murakami
, G.
Ueno
, N.
Shimizu
, T.
Kumasaka
, and M.
Yamamoto
, J. Appl. Crystallogr.
45
, 234
(2012
).61.
D.
Giannakis
, P.
Schwander
, and A.
Ourmazd
, Opt. Express
20
, 12799
(2012
).62.
K. S.
Raines
, S.
Salha
, R. L.
Sandberg
, H.
Jiang
, J. A.
Rodriguez
, B. P.
Fahimian
, H. C.
Kapteyn
, J.
Du
, and J.
Miao
, Nature (London)
463
, 214
(2010
).© 2013 AIP Publishing LLC.
2013
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
