기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장 연구팀은 생체 조직 내부 깊이 위치하는 물체에 빛 에너지를 기존 수준의 10배 이상 모을 수 있는 기술을 개발했다. 광유전학 연구나 광열‧광역학 치료에 활용될 것으로 기대된다.

빛을 이용해 질병을 진단하거나 치료하는 광학 이미징 및 광 치료 분야에서는 생체 조직 내부 깊은 곳의 물체에 충분한 빛 에너지를 전달해 반사 신호를 읽는 것이 매우 중요하다. 빛을 잘 반사하는 물체로는 금속 물질이나 생체 조직 중 지방 등이 있다. 체내 조직 속에 이식된 의료 장치를 빛으로 충전하거나 암 조직 내부에 삽입된 금(Au) 입자의 반사 신호로 암 조직을 추적 관찰하는 등의 광열 치료에서는 물체까지 빛 에너지가 도달되도록 하는 일이 필수다.

그러나 피부 조직은 많은 입자로 이루어진 복잡한 매질¹⁾이다. 보려는 대상이 조직 깊숙이 위치한다면, 빛이 많은 입자에 부딪혀 발생하는 다중 산란²⁾ 현상에 의해 대상을 볼 수 있는 빛 에너지가 급격히 감소한다. 때문에 기존의 광학 기술로는 조직 표층의 세포들을 관찰하는 데 그칠 수밖에 없었다.

IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장 연구팀은 다중 산란파를 활용해 관찰하려는 물체에 빛 에너지를 모으는 방법을 개발했다. 시분해 측정 방법을 활용, 물체에서 반사된 다중 산란파의 세기를 극대화하는 빛의 패턴을 찾고, 이 패턴의 빛을 다시 물체에 비춰 기존보다 약 10배 이상의 빛 에너지가 목표 물체에만 모이도록 한 원리다.

단일 산란파는 물체와 단 한 번 부딪쳐 반사된 빛으로 물체에 대한 정확한 이미지 정보를 갖지만, 매질 깊이 위치하는 물체는 빛이 매질을 통과하면서 많은 입자에 부딪치기 때문에 단일 산란파의 양이 급격히 감소한다. 이에 따라 연구진은 단일 산란파 대신 물체에서 반사되는 다중 산란파를 활용했다. 다중 산란파는 물체에서 반사돼 나오는 빛과 물체와는 닿지 않은 빛으로 나뉠 수 있는데, 물체에서 반사되는 다중 산란파는 단일 산란파에 비해 세기가 훨씬 크면서 물체의 정보도 갖고 있기 때문이다.

실험은 목표 물체인 은 박막(Ag disk)을 피부 조직과 유사하게 복잡한 입자로 구성한 폴리머 재질의 매질 내부 깊이 넣어 이를 현미경으로 관찰하는 방식으로 진행됐다. 연구진은 다중 산란파 중에서도 물체에서 반사되는 다중 산란파를 걸러내기 위해 시분해 측정 방법을 활용했다. 매질에서 나오는 반사 신호를 시간별로 구별해, 목표 물체에서 주로 발생하는 다중 산란파만을 선택적으로 얻는 방식이다. 이때 얻은 다중 산란파의 세기를 극대화하는 빛의 패턴을 찾아 다시 매질에 입사시킨 결과, 다중 산란의 정도가 매우 심해 일반 현미경으로는 보이지 않는 물체에도 4배 이상 빛 에너지를 모을 수 있음을 확인했다.

더 나아가 생쥐 두개골 아래에 있는 물체에 대해서도 위와 같은 방법을 적용하면 두개골의 손상 없이 10배 이상 빛 에너지를 모을 수 있음을 확인하였다. 연구진이 개발한 빛 에너지 집속 기술은 광유전학이나 광 자극 기술과 같은 연구 분야에도 접목이 가능하며, 광 치료 기술 및 체내 의료용 이식 장치의 광 충전 등 다양한 바이오 기술에 응용 가능할 것으로 기대된다.

최원식 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장은 “생체조직과 같은 산란매질의 내부에 묻혀서 보이지 않는 물체에 빛 에너지를 효율적으로 모을 수 있는 획기적인 방법으로 향후 그 응용 가능성이 기대된다”라고 밝혔다. 이번 연구결과는 국제학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics, IF 37.852)에 미국 동부시간으로 3월 26일 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 빛 에너지의 집속연구진은 복잡한 매질 속 목표 물체에 대해 빛 에너지를 모으는 기술을 컴퓨터 시뮬레이션으로 검증하였다.
(a) 복잡한 매질 속 목표 물체가 깊이 있는 경우 반사 신호는 단일산란파(빨간색), 목표 물체에서 반사되는 다중산란파(파란색), 목표 물체에 도달하지 못하는 다중산란파(연두색)로 구분할 수 있다.
(b) 시분해 측정을 통해 목표 물체의 깊이에 해당하는 특정 시간 t0에서 측정하는 반사 신호는 대부분 물체에서 반사되는 다중산란파이며, 이 다중 산란파의 세기를 극대화하는 입사광의 패턴(Eighenchannel)을 찾아 다시 매질에 입사시키면 특정 시간 t0 에서만 빛 에너지가 매우 큰 세기(빨간색)로 반사되는 것을 확인할 수 있다.
(c), (d) 다중 산란파의 세기를 극대화하는 입사광의 패턴 즉 Eigenchnnel로 빛을 입사하는 경우(d), 무작위한 패턴으로 빛을 입사하는 경우(c)에 비해 목표 물체가 있는 방향으로 빛을 보다 강하게 보낼 수 있다.

▲ [그림 2] 특정 시간 반사되는 빛 에너지의 극대화 구현(a)와 같이 산란 매질에 원형 모양의 은 박막 샘플(b)이 깊게 위치한 경우, 다중 산란의 정도가 매우 심하면 여러 입사각에 대한 이미지의 세기를 단순 누적하는 방법(c)이나 단일 산란파 집단 누적 방법(d)을 사용하여도 반사이미지를 획득하기 힘들다. 이때 (e)와 같이 전체 매질에 대한 시간별 반사도(파란색)에서 전체 반사 신호를 올리던 방법(초록색)과 달리 은 샘플의 깊이에 해당하는 시간(검정 화살표)에 대해서만 반사도를 높일 수 있는 방법(빨간색)을 구현하였다.

▲ [그림 3] 산란 매질 내부 깊은 위치의 물체에 대한 빛 에너지 집속 검증일반적인 입사패턴(a)에 대해서 은 박막 샘플에 대한 시분해 반사 이미지(b)와 샘플 뒤편의 투과 이미지(c)를 얻게 된다. [그림 2]의 (e) 그래프의 빨간색 선과 같이, 은 샘플의 깊이에 해당하는 시간에서 반사도를 높일 수 있는 입사패턴(d)을 사용하는 경우 (e)와 같이 해당 시간 반사도가 높아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, (f)와 같이 샘플 뒤편 투과 이미지로부터 샘플에 빛 에너지가 집속이 되어 밝게 빛나는 것을 확인할 수 있다.

▲ [그림 4] 생쥐 두개골 아래 물체에 대한 빛 에너지 집속연구진은 (a)에서와 같이 은 박막 샘플 위에 쥐 두개골을 덮어두고 샘플에 대해 빛 에너지 집속 실험을 수행했다. (b)에서 보듯이 쥐 두개골 아래의 샘플 깊이에 해당하는 시간에 대해서만 선택적으로 반사도가 높아지는 것을 확인하였다. (c), (d)와 같이 단일 산란파 집단 누적 방법으로는 샘플의 반사이미지를 확인할 수 없고 (e), (f)와 같이 일반적인 입사패턴에 대해서는 투과이미지에서 쥐 두개골에 의한 빛의 산란과 확산이 발생한다. 샘플 깊이에서의 해당시간에 반사도를 높일 수 있는 입사패턴을 찾아 샘플에 다시 입사시킨 결과, (g), (h)와 같이 박막 샘플에 빛 에너지가 집속되어 투과이미지에서 해당 샘플이 선명하고 밝게 보이는 것을 확인할 수 있다.