[미리보는 '금요일에 과학터치'] 광학 분자영상법 개발, 나노 세계로 도전

나노격자를 이용한 횃불 및 이를 기반으로 한 분자영상의 모식도.

분자와 같이 아주 작은 것들을 볼 수 있을까? 16세기 이래 400여 년간 인류는 광학 분야에서 눈부신 발전을 지켜보고 있다. 특히 눈에 보이지 않는 작은 것들을 관찰하기 위한 인류의 열망이 많은 기술적 진보를 가져왔다. 예를 들면 고대 그리스 시대에 물질을 구성하는 원자 또는 분자는 사람의 마음속에만 존재하는 가설에 불과했으나, 산업혁명에 이은 과학 발전으로 이를 간접적으로 관찰하게 됐다. 급기야 분자와 같이 작은 것들을 직접 눈으로 확인하려는 열망은 더 이상 꿈이 아닌 현실로 다가오고 있다.

이와 같은 방법이 가능하다면, 박테리아나 바이러스가 움직이는 모습을 이해하는 것은 물론 사람의 몸을 이루는 세포 내에서 DNA가 어떻게 분포하고 어떤 식으로 다른 분자들과 상호작용하는지를 이해할 수 있다. 나아가 세포 내의 어떤 것들이 잘못돼 암세포로 전이되는지, 세포들이 어떤 방식으로 왜 사멸하는지, 세포의 노화 또는 변이가 이루어지는 과정은 어떠한지 혹은 줄기세포의 분화가 어떻게 이뤄지는지를 이해해 질병 치료에 도움이 될 수 있다. 의료생명 분야뿐만 아니라 점점 작은 모양을 만들어 내는 것이 중요해지고 있는 반도체 기술 및 이를 기반으로 한 IT 기술에 있어서도 작은 것들을 보는 기술이 대단히 중요하다. 따라서 현대사회의 발전에 있어 작은 것들을 볼 수 있도록 하여 주는 기술이 필수적이라고 할 수 있다.

연세대 전기전자공학부 김동현 교수 연구팀은 2004년부터 교육과학기술부의 나노메디컬 국가핵심연구센터 및 2011년 이후 중견연구자 도약지원사업의 지원으로 '고감도 광 기반 바이오센서 및 초고분해능 광학영상시스템 개발' 연구를 수행하고 있다. 이러한 연구사업의 결과로 현재 나노섬, 나노격자 등을 이용한 광학 기반 분자영상법의 개발에 성공했고 이를 이용해 나노 광학 소자의 응용 및 이를 의료생명 분야에 융합하는 새로운 연구영역의 발전 가능성을 열었다. 앞으로 기존 연구 결과의 폭을 더욱 넓히는, 새로운 개념의 나노 기반 광학영상 기법에 관한 연구를 수행할 예정이다.

이번 강연에서는 현미경을 이용한 광학 영상의 기원 및 최근 등장하고 있는 다양한 영상법의 원리에 대해서 살펴보고자 한다. 특히 빛의 기본 특성 및 광학영상의 광원으로 사용되는 레이저의 원리를 설명할 것이다. 그리고, 광학 영상에 많이 사용되는 형광물질을 소개하고 형광이 여기되는 방식과 다양한 형광물질들, 최근 개발된 형광물질도 알아본다.

현미경의 척도로 사용되는 분해능의 정의 및 분해능에 영향을 미치는 다양한 요인들에 대해 탐색하고, 분해능을 높이기 위해 역사적으로 시도된 여러 가지 기술적 접근방법들을 이해한다. 일반적인 영상으로 구현할 수 있는 한계를 규정하는 회절한계에 대하여 알아보고, 이러한 회절한계를 극복하기 위하여 사용된 기술들을 개관하는 한편 최근 눈부신 도약을 보여주고 있는 몇 가지 광학영상법을 살펴본다.

아울러 나노 구조에 기반한 초분해능 광학영상법도 소개한다. 나노 구조란 머리카락보다 1천 배 정도 작은 크기의 구조를 의미한다. 이러한 나노 구조를 사용하면 나노 크기로 대단히 작은 횃불을 제작할 수 있는데, 이와 같이 만들어진 횃불을 사용해 분자 크기의 물체를 영상화할 수 있는 광학영상법을 탐색해 볼 예정이다. 다양한 초분해능 광학영상법의 한계와 앞으로의 가능성도 알아볼 것이다.