[초고해상도 가시영역 광활성 원자간력 현미경 개발]

우리가 무언가를 보기 위해서는 물체에서 반사한 빛이 눈으로 들어와야 한다. 그런데 물체의 크기가 빛 파장의 절반보다 작으면 빛은 반사되지 않고 뒤로 돌아가 물체로 보여 주지 않고 통과해 버린다. ‘회절한계’라고 부르는 이 현상 때문에 독감 바이러스 등 수 나노미터(nm)에 불과한 바이러스는 실험에서 흔히 사용하는 광학현미경에서는 관찰할 수 없었다. 이러한 빛의 한계를 뛰어넘는 새로운 개념의 현미경이 국내연구팀에 의해 개발돼 관심을 끌고 있다.

창의IT융합공학과 김철홍 교수팀․성균관대학교 김윤석 교수 공동연구팀은 원자간력 현미경(Atomic Force Microscopy; AFM)에 레이저 시스템을 결합, 8나노미터(nm)의 해상도로 시료의 고유 빛 흡수 특성을 관찰할 수 있는 초고해상도 가시영역 광활성 원자간력 현미경(pAFM)을 개발했다.

새로운 반도체를 개발하는 소재 분야나, 암을 이겨낼 신약 분야에는 머리카락 10만분의 1에 불과한 나노미터 크기의 물질에 대한 연구가 이미 필수적이 되었지만, 실험실에서 쉽게 접할 수 있는 광학현미경은 회절한계 때문에 여기에 활용되지 못했다. 바이러스의 존재를 밝혀낸 것 역시 광학현미경이 아닌 전자를 이용한 전자현미경이 있었기 때문에 가능했다.

2014년 노벨화학상의 주인공이었던 초고해상도 형광 현미경의 경우, 해상도를 수십 나노미터(nm)까지 끌어올렸지만 특정한 형광 물질에 국한되거나 생체시료^*1에 적절치 않은 형광 조영제를 사용해야 했다. 또, 수 나노미터(nm)의 해상도를 가진 전자 현미경은 진공 상태를 유지하기도 어려울 뿐 아니라 시료의 특수 처리도 번거롭고 비용이 비싸 실험에 활용하기 쉽지 않았다.

연구팀은 이러한 기존 현미경들의 단점을 해결하기 위해, 물질의 표면 높이를 측정하는데 사용하는 원자간력 현미경에 레이저 시스템을 결합, 빛의 특성을 이용해 나노미터 크기의 물질을 관찰하는데 성공했다. 특히 이미 상용화되어 있는 원자간력 현미경을 그대로 활용해 비용은 저렴하면서도 시스템을 설계하기 간단한 데다 특수 처리나 조영제가 따로 필요치 않다는 점도 크게 주목을 모으고 있다.

김철홍 교수는 “이 현미경을 이용하면 금 나노 입자, 나노선, 흑색종 세포, 애기장대 세포 등의 이미지를 나노미터 크기의 해상도로 얻을 수 있다”며 “향후 소형 반도체, 신약 개발 등 신소재, 생물학, 화학 분야 연구에 활발하게 활용될 것”이라고 의의를 설명했다.

한편, 광학 분야 국제학술지인 ‘빛 : 과학과 응용’(Light : Science and Applications)을 통해 발표된 이번 연구는 미래창조과학부 IT명품인재양성사업, 선도연구센터육성사업과 미래창조과학부와 한국연구재단에서 지원하는 미래유망융합기술파이오니어사업, 글로벌 박사 펠로우십 사업, 그리고 보건복지부 보건의료기술연구개발사업의 지원으로 수행됐다.

1. 생체시료
생물 기원의 시료. 혈액, 소변, 조직 등, 생물에서 유래하는 것을 지칭하지만, 동물, 식물, 미생물 등의 생체 그 자체를 의미하기도 한다