발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존의 라만 현미경은 라만 산란 신호의 세기가 매우 약해 영상을 얻는 데 오랜 시간이 걸리는 한계가 있습니다.

• 이를 극복하기 위해 개발된 가간섭성 반스톡스 라만산란(CARS) 현미경은 측정 감도와 영상 취득 속도는 높지만, 회절 한계로 인해 공간 분해 능력에 명확한 한계를 가집니다.

기술의 필요성

• 살아있는 생체 시료의 동적 특성을 관찰하기 위해서는 표지자를 사용하지 않고, 빠르고, 높은 분해능으로 이미징하는 기술이 필수적입니다.

• 따라서 기존 CARS 현미경의 회절 한계를 극복하여 비표지 방식의 초고분해 이미징을 가능하게 하는 혁신적인 기술 개발이 시급한 상황입니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 3개의 빔(펌프, 스톡스, 고갈)을 이용한 경쟁적 유도라만 산란(SRS) 과정을 통해 특정 CARS 신호를 선택적으로 억제하는 원리를 사용합니다. 이를 통해 기존의 회절 한계를 넘어선 초고분해능 이미징을 구현합니다.

• 펌프 빔과 스톡스 빔이 만나 목표 분자 진동 모드에 해당하는 '제1 CARS 신호'를 생성합니다.

• 동시에 펌프 빔과 고갈 빔이 만나 다른 분자 진동 모드와 관련된 '제2 CARS 신호'를 생성합니다.

• 이 두 CARS 신호는 각각 SRS 과정을 유발하며, 두 SRS 과정이 서로 경쟁하게 됩니다.

• 이때 고갈 빔의 강도를 조절하여 제2 SRS 과정을 지배적으로 만듦으로써, '제1 CARS 신호'의 생성을 효과적으로 억제합니다.

구체적인 구현 방법

1. 빔 입사: 주파수가 다른 3개의 빔(펌프 빔, 스톡스 빔, 고갈 빔)을 샘플에 입사시킵니다. 이때 고갈 빔은 도넛 형태로 만들어 중앙 영역의 신호 발생을 억제합니다.

2. CARS 신호 발생: 입사된 빔들에 의해 제1 CARS 신호(펌프+스톡스)와 제2 CARS 신호(펌프+고갈)가 동시에 발생합니다.

3. SRS 과정 유발: 발생된 두 CARS 신호는 각각 독립적인 SRS 과정을 유발합니다.

4. 경쟁 및 억제: 두 SRS 과정 간의 경쟁을 통해 목표하던 제1 CARS 신호를 선택적으로 억제하여 초점 주변의 신호만을 효과적으로 제거합니다.

이러한 방법을 수행하기 위한 장치는 아래 표와 같이 구성됩니다.

기술의 장점

• 초고분해능 달성: 기존 CARS 현미경의 공간 분해능 한계를 극복하여 더 정밀하고 상세한 분자 영상을 얻을 수 있습니다.

• 높은 억제 효율: 실험 결과, 250nJ의 고갈 펄스 에너지에서 최대 97%의 CARS 신호 억제 효율을 달성하여 기술의 우수성을 입증했습니다.

• 비표지/비파괴 측정: 형광 표지자 없이 물질 고유의 특성을 이용하므로 살아있는 세포나 조직을 자연 상태 그대로 관찰할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험의 목적은 제안된 3빔 경쟁 SRS 기반의 선택적 CARS 신호 억제 방법의 효과와 효율성을 정량적으로 검증하는 것입니다. 특히 고갈 빔의 강도 변화가 CARS 신호 억제에 미치는 영향을 확인하고자 했습니다.

실험 방법 및 과정

1. 펨토초 재생 증폭기(RA)를 광원으로 사용하여 펌프 빔(781nm), 스톡스 빔(842nm), 고갈 빔(1026.5nm)을 생성했습니다.

2. 고갈 빔의 펄스 에너지를 0nJ에서 250nJ까지 변화시키며 억제 효율을 측정했습니다.

3. 액체 벤젠 샘플을 대상으로, 벤젠의 특정 분자 진동 모드(링 호흡 모드, C-H 스트레칭 모드)를 이용하여 CARS 신호 발생 및 억제를 관찰했습니다.

4. 생성된 CARS 신호는 분광계와 고감도 CCD 카메라를 통해 검출 및 분석했습니다.

실험 결과

실험 결과, 고갈 펄스 에너지를 증가시킴에 따라 p-s-p CARS 신호 강도가 급격하게 감소하는 것을 확인했습니다. 특히 고갈 펄스 에너지가 250nJ에 도달했을 때 CARS 신호 억제 효율은 97%에 달했으며, 이는 본 기술이 매우 효율적으로 CARS 신호를 억제할 수 있음을 의미합니다. 아래 그래프는 고갈 펄스 에너지에 따른 억제 효율의 변화를 시각적으로 보여줍니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 차세대 초고분해능 현미경 개발: 본 기술을 적용하여 기존의 한계를 뛰어넘는 상용 CARS 현미경 시스템을 개발할 수 있습니다.

• 생명과학 및 의학 연구: 살아있는 세포 내 소기관의 움직임, 약물 전달 과정, 질병 진단 등 다양한 생명 현상을 분자 수준에서 정밀하게 관찰하는 데 활용될 수 있습니다.

• 고감도 센서 기술: 표면증강 라만분광법(SERS)과 결합하여 극미량의 물질을 검출하는 고감도 센서 개발에 기여할 수 있습니다. (출처: http://his.pusan.ac.kr/sites/bk21four-mse/atchmnfl/docViewer/398/temp_1724898365208100.pdf)

기대효과

• 기술적 파급효과: 본 기술은 광학 이미징 기술의 한계를 한 단계 끌어올려, 관련 연구 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것입니다.

• 산업적 기대효과: 고성능 바이오 이미징 장비 시장에서 국산 기술의 경쟁력을 확보하고, 신산업 창출에 기여할 수 있습니다.

• 사회적 기대효과: 질병의 조기 진단 및 치료법 개발을 가속화하여 인류의 건강 증진과 삶의 질 향상에 기여할 것으로 기대됩니다.