비정상적인 조직을 확대하거나 유약한 생물학적 시료를 스캐닝하는 것은 의학 및 생물학 연구에 매우 중요하다. 그러나 이것은 종종 두꺼운 조직층과 이미지를 흐리게 하거나 왜곡시킬 수 있는 다른 물질을 통해서 관측해야 한다는 문제점이 있다. 특정한 현대 현미경은 이를 보정할 수 있지만 단지 약한 수차 또는 안정적인 기준점을 제공하는 침습성 영상 도구를 이용해야만 한다는 문제점이 있다. 이제 프랑스 파리에 위치한 랑게빈 연구소의 연구진은 이런 가이드 영상 장비를 사용하지 않고 가장 불투명한 부분도 통과할 수 있는 레이저 빛을 집중시킬 수 있는 강력한 기술을 개발하였다. 이 혁신적인 기술은 적응 광학 현미경의 특수 버전으로서, 1/1000 밀리미터보다 더 작은 점도 분해할 수 있다.
논문의 공동 저자인 이스라엘의 Weizmann 과학 연구소의 연구원인 Yaron Silberberg는 작은 점을 보기 위해서 해상에 층운 모양으로 끼는 짙은 안개를 통해서 플래시 라이트를 비추는 것을 상상해 보라고 말하였다. 짙은 안개를 통해서 비추어진 빛은 안개를 통과해 가면서 너무 산란되어 작은 점까지 도달하지 못할 것이다. 그러나 주의 깊게 진행하는 빛의 모양을 바꾸면, 그것은 목적지에 도달할 수 있는 가능성이 있다. 이들 연구진은 이런 방식으로 이전에 누고도 해보지 못할 것을 달성하였다.
이들 연구진은 표준 2포톤 스캐닝 현미경을 개정하였다. 이것은 고분해능 파면 형성 디바이스를 사용하여 점에서 점으로 그다음 선에서 선으로 그림을 그려내는 레이저 광을 이용하는 것이다. 이런 시스템을 이용하면 현미경은 안개같이 뿌연 이미지를 발생시키는 시각적으로 혼탁한 층을 통해서 볼 수 있게 해준다. 파면 형성 방법은 과학과 의학 분야에 사용되고 있는 적응 광학에 기반하고 있다.
이것은 다른 물질을 통해서 빛이 통과할 때 빛 파동이 왜곡되는 정도를 분석함으로써 영상의 흐릿함을 보정하는 기술이다. 천문학의 경우를 예를 들면, 적응광학을 장착한 망원경은 마치 망원경이 우주에 있는 것처럼 선명하게 먼거리 물체를 볼 수 있도록 별빛의 깜박거림을 제거하여 준다. 적응 광학이 약간 왜곡된 영상을 보정하여 줄 수 있지만, 그것은 안개에 의한 산란과 같은 심각한 왜곡은 보정하여 줄 수 없다. 그럼에도 불구하고 최근에 적응광학 방법의 새로운 변형으로 그와 같은 문제를 극복할 수 있다는 것이 시연되었다. 왜곡의 완벽한 보정은 불가능하지만, 파면 형성은 선명한 영상을 만들어 낼 수 있다.
그러나, 파면 형성은 적응 광학처럼 목표를 선명한 초점에 맞추기 위해서 기준점을 필요로 한다. 이 기준점은 천문학에서 처음 사용되었기 때문에 가이드 스타라고 불린다. 이것은 연구되는 물체와 동일한 영역에 놓여져야만 한다. 천문학에서, 밝은 근처의 별 또는 강력한 레이저는 거의 완벽한 이미지를 만들기 위해서 망원경의 광학을 조절하는데 사용된다. 그러나 생물학 및 의학에서 가이드 스타는 형광 입자에 이식되었으며 물리적으로 영상을 얻고자 하는 시료 안에 삽입되어야 한다. 이런 프로세스는 연구되고 있거나 손상된 미세한 조직과 간섭될 수 있다. 이것은 껍질 안의 살아있는 배아를 연구하고자 할 때 문제가 될 수 있다.
지금까지, 매체 산란을 통한 전광학 포커싱은 점 같은 가이드 스타를 칩습적으로 이식할 필요가 있다고 프랑스 파리에 위치한 랑게빈 연구소의 과학자인 Ori Katz는 말하였다. 그는 처음으로 그들이 그와 같은 가이드 스타를 사용하지 않고 시각적으로 불투명한 장벽을 통해 빛을 포커스할 수 있게 하였다고 말하였다. 가이드 스타가 필요없는 영상을 얻기 위해, 이들 연구진은 표준 레이저 스캐닝 2 포톤 현미경을 사용하여 불투명한 산란층 뒤에 있는 단일점에 초점을 맞출 수 있었다.
레이저는 약 100펨토초 동안 지속되는 광펄스를 방출하였다. 그것은 불투명한 층을 통하여 목표물에 도달하였다. 현미경은 매우 작은 점에 초점을 맞출 수 있었다. 빛이 중간층을 통하여 지나갈 때, 그것은 매우 산란된다. 전통적인 적응 광학에서, 가이드 스타에서 되돌아오는 신호는 측정되고 원래 형태가 되기 위해서 보정되거나 재형성된다. 명확한 기준점 또는 가이드 스타가 없을 경우, 보통 그와 같이 높은 산란된 초점을 보정할 수 있는 방법은 없다.
연구진은 산란된 광 자체에서 방법을 발견하였다. 두 개의 포톤 형광이 이른바 비선형 방식으로 여기된 빛의 세기에 반응한다는 사실에 입각하여, 이들 연구진은 산란을 보정하는데 필요한 파면에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있었다. 전통적인 적응 광학 방법을 따르기 보다는, 이들 연구진은 불투명한 층 뒤에 감춰진 형광 물체의 영상을 생성하도록 스캔된 집중된 빔을 형성하기 위해 들어오는 원래 펄스 빛을 변경하였다.
가장 최근에, 다른 그룹들은 비슷한 포커싱이 음향 기반 가이드 스타에 의해서 가능하다는 것을 보였다. 그러나 연구진에 따르면 이런 광시스템과 음향시스템의 결합은 상당히 더 복잡하고 포커스가 거의 선명하지 않다고 한다. 연구진은 또한 그들의 기술이 이런 원리의 기본적인 시연이며 실질적인 사용을 위해서 더 많은 연구가 필요하다고 하였다. 이들 연구진은 그들의 연구 결과가 현미경 영상 기술에 유익할 수 있기를 희망하고 있다. 예를 들면 발아 발달의 직접적인 영상을 얻는 것과 같은 것이다.
이들 연구진의 다음 단계는 필요한 포커스를 얻는데 필요한 시간을 단축하는 기술을 개발하는 것이다. 이들 연구진은 이 프로젝트가 시각적으로 불투명한 시료를 통해서 볼 수 있는 새로운 방법을 새롭게 이해할 수 있는 기반을 제공하였기 때문에 매우 유망한 기술이 될 수 있을 것으로 내다보고 있다. 그들의 연구 결과는 "Noninvasive nonlinear imaging through strongly-scattering turbid layers"라는 제목으로 Optica 저널에 발표되었다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』