현미경 위 '나노등대'...생체물질 관찰 용이해진다

관찰 면적 25%→90%..."특정 세포·단분자 영상화 기여"

광학 현미경에 장착, 빛을 다방향으로 비춰 금속 나노칩 위 생체물질을 보다 자세히 관찰할 수 있도록 하는 '나노등대' 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 김동현 연세대학교 전기전자공학과 교수 연구팀이 빛의 다방향 입사를 이용해 극소 부피의 빛이 금속 나노칩 위의 모든 물질에 비추는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

일반적인 전반사 형광현미경은 수백 나노미터 크기까지 밖에 분별할 수 없는 물리적 한계가 있다. 이 같은 해상도는 바이러스 이동이나 암세포 형태 변화 등을 구체적으로 분석하기 어려웠다.

최근 현미경에 부착하는 금속 나노칩이 개발돼 극소량의 빛을 형성함으로서 해상도를 높일 수 있게 됐다. 하지만 빛의 위치가 고정돼 있어 관찰 대상이 특정 위치에 놓이지 않으면 관찰할 수 없는 단점이 있다.

연구팀은 금속 나노칩의 거의 모든 부분에 빛을 쪼이는 다채널 광변조 시스템, 이른바 '나노등대'를 구축했다. 마치 바닷가의 등대가 전등을 회전시키며 어둠 속에서 바다의 곳곳을 비추듯, 나노등대는 입사광의 각도와 방향을 변조해 금속 나노칩 위의 다양한 위치에 극소 부피의 빛을 형성한다.

다방향 입사광 변조 시스템과 유도된 극소 부피 빛의 개략도. 유리기판 위에 제작된 금 나노섬 구조를 활용해 나노미터 크기의 극소 부피 빛이 유도된다. 하나의 입사조건에서는 빛의 분포가 특정 위치에 고정되지만, 다방향 입사 변조 시스템을 이용해 극소 부피 빛의 위치를 이동이 가능하게 한다.

나노등대는 금속 나노칩 위의 관찰 가능한 영역을 획기적으로 확대해준다. 측정 결과, 한 방향 입사조건에서는 나노칩 표면의 25%만 빛이 드는 반면 여러 방향 입사조건에서는 나노칩의 90%를 관찰할 수 있게 됐다.

다방향 입사광 변조 시스템에 의한 극소 부피 빛의 이동 결과. (a) 개별의 나노섬 중심으로 극소 부피 빛의 위치가 입사방향과 일관성을 가지며 이동한다는 것을 수치적으로 확인함. (b) 다채널의 입사조건을 이용했을 때가 단채널 입사조건을 이용했을 때보다 나노섬 주변의 대부분의 면적에 빛이 위치할 수 있어 더 많은 물질을 관찰이 가능하다는 것을 수치적으로 확인함.

이 기술은 일반 현미경에 접합해 활용할 수 있기 때문에 고가의 특수 장비가 필요하지 않으며, 쉽고 간편하게 바이러스와 단백질 등을 관찰하고 영상화할 수 있다.

김동현 교수는 “이 연구는 전반사 형광 현미경에 금속 나노칩을 접목해 잉여공간 없이 나노칩 상의 모든 물질을 관찰할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가진다”며 “암세포를 비롯한 특정 세포와 세포 내에서 움직이는 기질 및 단분자를 영상화하는 데 기여할 것”이라고 설명했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스’ 5월 22일 표지논문으로 게재됐다.