– 뉴런 실시간 관찰 가능한 초고해상도 이미징 모듈 개발
– 나노임프린팅으로 도장 찍듯 렌즈 배열해 마이크로미터의 작은 물체도 쉽게 관찰
포스텍(총장 김도연) 기계공학과 박사과정 이다솔 씨와 노준석 교수팀이 세계 최초로 살아있는 뉴런을 관찰하는데 성공했다.
연구팀은 도장을 찍듯 손 쉽게 찍어낼 수 있는 나노임프린팅(각인) 기술을 기반으로 하이퍼렌즈를 나란히 정렬해 4인치 크기의 대면적 하이퍼렌즈를 제작했고, 이를 활용해 세계 최초로 회절한계 이하의 살아있는 세포를 관찰하는데 성공했다. 광학 현미경의 성능을 대폭 향상한 이번 연구 성과는 국제학술지 ACS포토닉스(ACS Photonics)에 실렸다.
그동안 눈에 보이지 않는 작은 물체를 좀 더 밝고 정밀하게 보기 위한 과학계의 시도는 계속됐다. 현미경은 빛을 이용하는 광학현미경과 전자빔을 사용해 사물을 관찰하는 전자현미경으로 구분되는데, 일반 광학현미경에 손 쉽게 붙여 초고해상도 이미지를 볼 수 있는 하이퍼렌즈가 국내 연구진에 의해 개발돼 살아있는 뉴런을 관찰하는 데 성공했다.
광학현미경으로 물체를 보기 위해서는 물체가 반사한 빛이 눈까지 들어와야 한다. 하지만 물체의 크기가 빛 파장보다 작으면 빛을 멀리까지 반사하지 못해 물체를 볼 수 없다. 이를 회절한계라고 부르는데, 그동안 회절한계보다 작은 물체는 이러한 원인으로 광학현미경으로 볼 수 없었다. 하지만 하이퍼렌즈를 이용하면 회절한계를 극복할 수 있다. 하이퍼렌즈를 사용해 멀리 오지 못한 빛을 먼 거리까지 변환시켜 작은 물체도 현미경으로 관찰할 수 있게 된 것이다.
하지만 기존의 하이퍼렌즈는 크기가 수 나노미터에 불과해 관찰을 위해 정확한 위치에 샘플을 올려놓는 것조차도 어렵다는 문제점이 있었다. 이를 쉽게 관찰하려면 하이퍼렌즈를 크게 만들어야 하는데 기존의 공정으로는 하나하나 공들여 만들어 붙여야 해서 시간도 오래 걸리고 비용도 비쌌다.
연구팀은 렌즈를 대량 생산할 수 있는 나노임프린팅 기술을 이용해 하이퍼렌즈를 쉽고 빠르게 찍어내 서로 붙여 주기적으로 배열했고, 4인치 크기의 새로운 디바이스로 만들었다.
기존의 하이퍼렌즈로는 렌즈 안쪽에 새겨진 홈과 같은 인공적인 샘플을 관찰하는 것이 대분이었지만, 연구팀은 새로운 하이퍼렌즈 디바이스로 151nm(1나노미터는 10억분의 1m)의 해상도로 살아있는 신경세포를 실시간 관찰하는 데 처음으로 성공했다.
연구를 주도한 노준석 교수는 “새로운 하이퍼렌즈 디바이스는 쉽게 탈부착할 수 있고 적은 비용으로 일반 광학현미경에 사용할 수 있어서 광학 현미경의 성능을 크게 향상시켰고 바이오, 병리학, 의학과 나노과학 분야에서 다양하게 활용될 수 있을 것이다”고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 신진연구자사업, 선도연구센터 사업(ERC), 글로벌프론티어사업, 미래융합기술파오니아사업, 전략연구사업의 지원으로 진행됐다.
최혜영 커뮤니케이터