기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행)의 최원식 부연구단장(고려대 물리학과 교수)과 이예령 건국대 교수 공동연구팀이 현존하는 광학 현미경 중 생체조직 가장 깊은 곳까지 고해상도로 이미징할 수 있는 3D 현미경을 개발했다고 31일 밝혔다.
빛이 생체조직을 투과할 때는 직진광과 산란광이라는 두 종류 빛이 생긴다. 직진광은 생체조직 영향 없이 직진하는 빛이며, 이를 이용해 물체 이미지를 얻는다. 반면 세포나 세포소기관에 의해 진행 방향이 무작위 굴절되는 빛으로 이미지 획득을 방해한다.
생체조직 깊은 곳으로 빛이 전파될 수록 산란광이 강해지고, 이미지 정보가 흐려진다. 또 두꺼운 생체조직을 지날 때는 직진광 전파 속도가 각도와 파장에 따라 달라지는 ‘수차(빛 일부가 모이지 못하는 현상)’와 ‘색 분산(빛이 색깔별로 갈라지는 현상)’이 발생해 이미지 대조나 해상도를 더욱 떨어뜨린다.
연구진은 이미징 깊이와 해상도 한계를 모두 개선한 ‘입체 반사행렬 현미경’을 개발했다. 입사 빛 파장과 각도를 바꿔가며 산란된 모든 빛의 3D 정보를 수집, 수차와 색분산 문제를 고쳤다. 더 나아가 두 가지 새로운 알고리즘을 도입했다.
첫 번째 알고리즘은 얕은 깊이에서 얻은 수차 데이터를 깊은 곳까지 순차적으로 적용하는 기술이다. 이로써 직진광 세기를 약 32배 키울 수 있었다. 직진광이 세면 더 깊은 곳까지 관찰할 수 있다.
두 번째는 여러 깊이의 이미지를 한꺼번에 이용하는 기술이다. 덕분에 유용한 정보 크기가 늘어나, 직진광 세기를 약 5.6배 키울 수 있었다.
이예령 교수는 “기존 기술보다 더 선명한 이미지를 얻는 것은 물론, 기존에는 기존 불가능했던 깊이까지 이미징 가능하다”며 “불청객 취급받던 다중산란을 이미징에 활용할 수 있는 가능성을 제시한 것”이라고 말했다.
최원식 부연구단장은 “입체 반사행렬 현미경은 현존하는 현미경 기술 중 가장 광범위한 빛과 매질 간의 상호작용 정보를 수집해 활용한다”며 “산란매질 내부 이미지 복원에 대한 근본적인 이해가 가능해지며, 해당 분야 연구에서 중요한 이정표를 세웠다”고 말했다.
연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈 4월 4일자 온라인 판에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
