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레이저 잡음을 이용한 초고해상도 형광현미경 개발

- 흔히 사용하는 형광물질로도 초고해상도 영상획득 가능 -

국내 연구진이 레이저의 간섭무늬를 이용하여 기존 광학현미경 보다 3배 이상 높은 해상도의 초고해상도 형광현미경* 기술을 개발했다. 생물실험에서 흔히 사용하는 형광물질로도 전자현미경 해상도에 근접하는 수준으로 상용성이 높아 주목받고 있다.

  * 초고해상도 형광현미경 :  빛의 회절을 이용하는 광학현미경과 달리 형광물질의 깜빡임 같은 광학적인 비선형성을 이용해 수십 나노미터의 구조를 영상화 하는 기술

 KAIST 바이오 및 뇌공학과 예종철 교수가 주도하고 민준홍 박사과정 연구원?장재덕 박사(공동 제1저자) 등이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지(Scientific Reports) 6월 25일자에 게재되었다.

기존 초고해상도 형광현미경의 경우 해상도를 높이기 위해 레이저의 세기를 높이거나 깜빡일 수 있는 형광 표지물질 등을 새로 디자인하는 과정이 필요하기 때문에 물체에 손상을 입히거나 흔히 사용하는 일반적인 형광 표지물질이나 단백질을 사용할 수 없는 것이 단점이었다.

 시약을 이용해 형광물질을 깜빡이게 하거나 주기적인 패턴의 조명을 주는 방식이 있었으나 범용으로 이용되기는 어려웠다.

연구팀은 기존 형광현미경에 간단히 스페클* 조명을 적용하여 깜빡이는 형광물질을 새로이 만드는 번거로움 없이 80nm의 분해능을 얻을 수 있는 형광현미경을 고안해냈다.

  * 스페클 : 불규칙한 표면에 레이저가 부딪혀 반사될 때 나타나는 빛의 간섭무늬로 정보를 담을 수 있다.

 영상처리에서 제거해야 할 잡음으로만 간주되어 온 간섭무늬에 담긴 정보를 수집하여 해상도를 높이는 데 이용한 것이다.

형광현미경으로 물체를 관찰하기 위해 기존에는 형광물질이 점멸하도록 하는 방식이 많이 사용됐다.

 하지만 연구팀은 물체 대신 조명이 어두워졌다 밝아졌다 하는 방식을 채택함으로써 대상물체에 따라 다르게 형광물질을 디자인해야 하는 번거로움을 극복했다.

 스페클 조명이 반복되는 동안에도 형광물질은 제자리에 있고 형광물질의 분포는 전체 영상에서 적은 영역을 차지한다는 사실에 착안하여 신호가 희소할수록 더 좋은 해상도를 얻을 수 있는 압축센싱* 알고리즘을 이용했다.

   * 압축센싱(Compressive Sensing) 기술 : 신호획득의 기본원리인 나이퀴스트 (Nyquist) 한계에서 논의되는 샘플보다 훨씬 적은 샘플로부터도 신호를 복원할 수 있다는 이론으로 바이오 및 의료영상에서 시공간적 분해능의 한계를 극복하고 영상을 복원할 수 있다.

한편 연구팀은 이번 연구와 관련하여 미국에 특허를 출원 중에 있다.

 

 예 교수는 “기존 생물실험 프로토콜과 현미경 장비를 그대로 사용하여 광학해상도를 극복하는 방식으로 그 응용분야가 넓다”면서, “ICT 분야의 최첨단 신호처리 기법을 이용하여 바이오 영상에서의 난제를 해결한 융합연구의 쾌거라고 할 수 있다”고 밝혔다.

< 미래창조과학부 기초연구진흥과 02-2110-2373 >

2013.6.26. 미래창조과학부

2013.06.26 미래창조과학부
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