빛 파면제어 영역 줄여 효율성 개선·광치료,광유전자 변형에 응용가능
광학분야 국제 학술지 '옵티카' 4월호 출판 예정
생물조직에 의한 산란 왜곡을 상쇄시키는 파면을 생체조직에 조사함으로써 파면왜곡제어를 구현한다. 조절 가능한 조리개를 부착해 개구수 줄여 기존의 파면개구수를 모두 사용하는 방식과 달리 효율적이다. /이미지=UNIST 제공
국내 연구팀이 빛의 투과 한계를 뛰어넘어 생체조직 너머 또 다른 조직을 투시해 또렷이 관찰하는 데 성공했다.
산란되는 빛 자체를 제어할 수 있는 파면 왜곡제어 기술이 등장한 이후 생물 조직 내의 세포나 단백질 등에 의해 왜곡된 빛 마저도 한 지점으로 모아 활용할 수 있게 되었지만, 긴 시간 조직에 입사하는 파면을 바꾸면서 결과를 측정해야 하는데 비해 동 시간 대비 더 높은 효율을 얻을 수 있는 새로운 방법을 개발한 것이다.
울산과학기술원(UNIST) 바이오메디컬공학과 박정훈 교수 연구팀은 현미경 대물렌즈 중앙 영역을 통과하는 빛의 경로를 선택적으로 수정하여 또렷한 초점을 만드는 새로운 파면제어 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.
이번 연구는 광학 분야 국제 학술지 옵티마(Optica) 4월호에 논문명 'Limiting the incident NA for efficient wavefront shaping through thin anisotropic scattering media'로 출판될 예정이다.
실제 효율적인 파면 왜곡제어로 쥐 뇌 속 신경세포를 이미징 했을 때 보이는 차이. /이미지=UNIST 제공
생체조직은 보통 100μm(마이크로미터, 10-6m) 두께가 되면 광학현미경 투과 관찰이 힘들다고 한다. 그 이유는 생체조직의 구성 물질이 단백질과 지질 등으로 다양해서 빛의 산란이 많기 때문이다. 빛의 산란은 초점이 맞지 않게 되고 이미지는 흐릿하게 보인다.
연구팀은 산란된 빛의 경로를 수정해 원래 관찰하려 했던 초점으로 보내는 파면제어 기술을 개발했으며, 이 기술로 710μm 두께의 쥐 뇌 조직 뒤에 숨겨진 형광비즈(구슬)를 또렷이 관찰하는 데 성공했다고 한다.
빛은 입자인 동시에 파동의 성질을 지니고 있는데, 파동의 위상(골 또는 마루 등)이 같은 지점을 이으면 파면(wave front, 波面)을 얻는다. 파면 위상(모양)이나 세기를 조절해 빛을 원하는 방향으로 이동시키는 기술을 파면 왜곡 제어 기술이라 하며, 파면 왜곡 제어기술은 빛이 한 초점에 모일 수 있도록 왜곡된 파면을 상쇄 하는 복잡한 파면을 새로 만드는 기술이다.
이 파면 제어법은 대물렌즈 가장자리를 통과하는 저에너지 빛은 버리고 중심 영역을 통과하는 고에너지 빛만 선택적으로 골라 초점으로 보내 초점 세기를 강화하는 방식인데 실제 동일한 파면제어 시간을 소모한 경우, 기존 기술 대비 형광신호 세기가 8.9배의 효과를, 형광비즈와 주변 배경 간 신호 대비는 2.1배가 상승하는 효과를 얻을 수 있었다고 연구팀은 설명했다.
연구팀에 따르면 이 기술은 이미지 해상도와 비례하는 값인 개구수(NA)를 줄였음에도 고품질 이미지를 얻었다는데서 기존 이론과 대비되는 결과다.
진형원 연구원(제1저자)은 "생체 조직과 같은 매질(빛이 통과하는 물질)에서는 기존의 방식을 벗어나 고에너지 빛만 선택적으로 파면제어 하는 것이 훨씬 효율적인 이미징 방식이라는 사실을 입증한 것"이라고 밝혔다.
박정훈 교수는 "생체조직내로 빛을 투과시켜 병변을 치료하는 기술이나 생체 조직의 세포를 조절하는 광유전학 기술 등으로 확장 가능할 것"이라고 말했다.
광유전학은 특정 파장을 가진 빛에 반응해 생물의 유전적인 변화를 일으키는 기술을 의미하며, 빛에 반응해 계폐가 조절되는 이온 채널을 세포나 생물체에 발현시킨 후 세포나 조직을 활성화시켜 관찰하는 방법이 이에 해당한다.
이번 연구로 기존에는 신호가 너무 미약해 관찰이 불가능했던 두께의 생체샘플에서도 가시광선을 사용해 이미지를 얻는 것이 가능해졌으며, 광선치료법이나 광유전학과 같이 조직내부에 전달되는 빛 에너지 기반 기술 등의 확장이 기대되고 있다.
연구팀원들의 사진 속 미소가 유난히 아름답다.
케미컬뉴스 유민정 기자
