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빛 에너지 모아 피부 속 꿰뚫어본다
  • 시분해 다중산란파 이용 기존보다 10배 이상 빛 모으는 데 성공 
  • 광유전학 연구나 광열‧광역학 치료에 활용될 것으로 기대


기초과학연구원(IBS) 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 매질이다. 보려는 대상이 조직 깊숙이 위치한다면, 빛이 많은 입자에 부딪혀 발생하는 다중 산란 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.

■논문명
Focusing of light energy inside a scattering medium by controlling the time-gated multiple light scattering
(Nature Photonics, In Press)

저자정보
Seungwon Jeong, Ye-Ryoung Lee, Wonjun Choi, Sungsam Kang, Jin Hee Hong, Jin-Sung Park, Yong-Sik Lim, Hong-Gyu Park and Wonshik Choi*

■연구내용

○ 연구는 복잡한 매질에서 발생하는 반사 신호 중 특정시간에서의 반사율만 높일 수 있는 빛의 패턴을 찾아 매질 내부 깊은 곳에 있는 물체에 대해서만 선택적으로 빛 에너지를 집속시킬 수 있는 방법을 개발하였다.
○ 연구진은 단일 산란파만을 이용해 다중 산란을 효과적으로 줄이는 CASS현미경(단일 산란 집단 축적 현미경, Collective accumulation of single-scattering microscope)을 개발한 바 있다.
○ 목표 물체 은 조각(Ag disk)을 피부 조직과 유사하게 복잡한 입자로 구성한 폴리머 매질 내부에 깊이 넣는 방식으로 실험을 수행했다. 이는 피부 조직 속 관찰하려는 특정 세포를 실험으로 구현한 것이다. 

■연구이야기

○ 연구 배경

생체 조직과 같이 복잡한 구조를 가진 매질에서 발생하는 다중 산란으로 인해 이미지도 왜곡되지만 깊이에 따른 빛 에너지 감소도 발생하여 광학 기술을 적용하는데 큰 문제가 된다. 이를 극복하기 위해 산란 매질에 빛 에너지를 효율적으로 전달하는 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 매질 내부의 목표 물체에서 발생하는 반사 신호를 효율적으로 사용할 수 있는 빛의 패턴을 찾아 다시 입사시킴으로써 생체 조직 내부에서도 목표로 한 물체에 효율적으로 빛 에너지를 모았다.

○어려웠던 점

목표 물체가 조직 내부에 놓이는 위치가 깊어짐에 따라 반사로 측정할 수 있는 신호의 크기가 작아진다는 점과 물체에 전달되는 빛 에너지의 양을 실험적으로 직접 확인하기가 쉽지 않았다는 점이다. 이러한 어려움을 극복했기 때문에 인체에 바로 적용할 수 있다는 장점을 확보하였다.

○성과 차별점

복잡한 매질 내부로 빛 에너지 전달을 증대시키는 기존의 방법은 대부분 매질에서 발생하는 투과나 반사 신호를 모두 활용하여 매질 전체의 빛 에너지가 한꺼번에 조절되는 한계가 있었다. 본 연구는 매질에서 발생하는 반사 신호를 시간별로 구별하여 특정 깊이의 물체에서 발생하는 신호를 주로 이용하여 목표로 하는 물체에만 효율적으로 빛 에너지를 모을 수 있었다.

○향후 연구계획

본 연구에서는 생체 조직 내부 깊게 위치한 물체에 대해서 다중 산란파를 활용하여 빛 에너지 전달을 증대시켰고, 앞으로 이를 발전시켜 실제 생체 조직 내부 뇌 조직의 신경 세포나 골수 세포 등에도 적용할 계획이다. 또한 생체 조직 전체의 산란 특성에 따른 반사 신호의 시간과 실제 깊이에 대한 관계를 확인함으로 조직 내부 빛 에너지 분포 양상에 대한 연구를 지속할 계획이다.


■그림설명

[그림 1] 빛 에너지의 집속

연구진은 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 검증

일반적인 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 집속

연구진은 (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.

< 최원식 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장, 교신저자 >

1. 인적사항
 ○ 소 속 : IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단,         고려대학교 물리학과
 ○ 전 화 : 02-3290-3118
 ○ e-mail : wonshik@korea.ac.kr

2. 학력
  1993~1997  서울대학교 물리학과 학사
  1997~1999  서울대학교 물리학과 석사
  1999~2004  서울대학교 물리학과 박사

3. 경력사항 
  2004~2005  서울대학교 물리학과 연구원
  2006~2009  Massachusetts Institute of Technology 연구원
  2009.09~2012.08  고려대학교 이과대학 물리학과 조교수
  2010~2016  Associate Editor, Biomedical Optics Express
  2012.09~2017.08 고려대학교 이과대학 물리학과 부교수
  2016.07~현재 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장
  2017.02~현재 Editorial Board Member, Scientific Reports
  2017.09~현재 고려대학교 이과대학 물리학과 교수

4. 전문 분야 정보
  - Nature Methods 논문(2007년), The Economist, printed edition
  - Physical Review Letters 논문(2011년), New Scientist 올해의 10대 뉴스
  - Nature Photonics 논문(2012년), KBS, YTN 등 뉴스 방영
  - Physical Review Letters 논문(2012년), Research highlight in Nature
  - Nature Photonics 논문(2015년), 동아일보 등에 소개

<정승원 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구원, 공동 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학연구단
 ○ 전 화 : 02-3290-3591
 ○ e-mail : justone.won@gmail.com

2. 학력
  2005~2011  고려대학교 물리학과 학사
  2011~2018  고려대학교 물리학과 박사

3. 경력사항 
  2016.07~현재 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구원

 

<이예령 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구위원, 공동 제1저자>
 

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학연구단
 ○ 전 화 : 02-3290-3591
 ○ e-mail : yeryoung@gmail.com
 
2. 학력
  2001~2005  서울대학교 물리학과 학사
  2005~2012  Massachusetts Institute of Technology 물리학과 박사
 
3. 경력사항 
  2013~2016 삼성전자 종합기술원 책임연구원
  2016~현재 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구위원
  2016~현재 고려대학교 물리학과 연구교수
< 최원준 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구위원, 공동 제1저자 >

1. 인적사항
 ○ 소    속 : 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및          동력학 연구단
 ○ e-mail : cptb@korea.ac.kr

2. 학력
 1998 - 2005  학사, 고려대학교 물리학과
 2005 - 2012  박사, 고려대학교 물리학과
 
3. 경력사항 
 2012 - 2015  고려대학교 물리학과, 연구원
 2015 - 2016  Exeter university, UK 방문 연구원
 2016 - 현재  기초과학연구원 (IBS) 연구원, MIT Spectroscopy Lab 방문 연구원

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