나노광학현미경의 0.5㎜ 렌즈

인간은 얼마나 더 작은 것을 볼 수 있을까.

17세기 중반 네덜란드의 안톤 판 레벤후크가 최초로 대물렌즈와 오목렌즈를 이용해 배율 300배의 현미경을 만들었다. 이후 현미경은 과학 연구와 의학 분야에서 없어서는 안 될 장비로 눈부신 발전을 거듭해왔다. 하지만 살아있는 생물이나 세포를 관찰하는 광학현미경은 빛을 이용한다는 점이 한계로 작용해 왔다. 최근 영국 연구진은 기존 광학현미경의 한계를 극복해 수십 나노미터 단위까지 관찰할 수 있는 현미경을 개발했다.

■바이러스 움직임 실시간 관찰

통상적인 광학현미경의 이미지 분해능은 가시광선 스펙트럼의 파장에 따라 200㎚ 이상만 가능했다. 영국 맨체스터대 연구진은 50㎚(1㎚는 10억분의 1m) 크기의 물체를 볼 수 있는 최초의 광학현미경을 개발했다고 네이처 커뮤니케이션스지에 발표했다. 영국 연구진에 앞서 올해 초 미국 UC 버클리대 연구진도 은과 티타늄옥사이드로 만든 메타물질을 이용해 160㎚까지 관찰할 수 있는 광학현미경을 만들었다.

기존 광학현미경의 한계를 뛰어넘는 것은 최근 메타물질 렌즈와 분자 형광현미경 기술을 이용한 '광학 나노현미경' 기술의 발전으로 가능해졌다. 연구진은 이산화규소(SiO₂)로 만든 2~9㎛ 지름의 광학적으로 투명한 초소형 구체, 즉 마이크로 크기의 유리구슬을 사용해 50㎚ 해상도의 현미경을 개발했다.

400~700㎚인 빛의 파장 절반 이하로는 초점을 맞출 수 없는 '회절 한계' 때문에 관찰 대상 물체가 빛 파장의 절반보다 작으면 광학현미경으로 직접 관찰할 수 없었다. 하지만 물체의 표면에서 형성되는 빛의 소멸파를 포착하면 이론적으로 높은 해상도의 영상을 얻을 수 있다는 점이 알려졌다. 소멸파는 물체의 경계면에서 거리가 멀어짐에 따라 급격히 사라지지만 회절 한계가 없다는 특성이 있다. 연구진은 초소형 유리구슬을 관찰할 물체 위에 올려놓아 회절 한계를 역전시키는 방법을 사용했다.

나노현미경으로 지금까지 전자현미경으로 간접적으로만 관찰할 수 있었던 물체를 직접 볼 수 있게 됐다. 연구진은 레이저를 이용한 광디스크인 블루레이 디스크의 미세한 홈을 영상으로 포착해 종전 광학현미경의 기록을 깼다. 나노현미경은 지금까지 살아있는 상태로 관찰할 수 없었던 바이러스와 생체분자를 실시간으로 관찰할 수 있어 생물학과 의학 연구에 큰 진전을 가져올 것으로 기대된다.

■세포 3차원 영상도 가능

나노광학현미경으로 본 블루레이 디스크 표면

독일 헬름홀츠 재료에너지연구소와 미국 국립암센터는 공동으로 세포의 3차원 영상을 실시간으로 얻을 수 있는 새로운 X선 현미경을 개발해 네이처 메소드지에 발표했다. 기존에 세포 관찰 때는 형광현미경의 경우 형광표지가 있어야 시각적으로 나타낼 수 있다. 또 전자현미경으로 입체 영상을 얻으려면 수많은 박편으로 나눠 관찰한 뒤 이를 조합해야 해 단 하나의 세포에 대해 3차원 영상을 얻는데도 수 주일이 걸렸다.

연구팀은 새 현미경을 이용해 생쥐의 선암 세포를 3차원으로 재구성했다. 그 결과 세포핵의 이중 막, 미토콘드리아의 내부, 리소좀과 같은 세포 소기관의 세부 모습을 고해상도로 보여줬다. 고해상도 3차원 영상은 살아있는 세포를 급속도로 동결시킨 뒤 부분 간섭광을 쬐어 얻어졌다. 새로운 X선 현미경은 세포의 초미세 구조의 영상을 지금까지 가장 정밀한 30㎚ 수준에서 보여준다.