기초과학연구원 분자 분광학 및 동력학 연구팀은 생체 조직 내부 깊이 위치한 물체에 빛 에너지를 기존 수준의 10배 이상 모을 수 있는 기술을 개발했습니다.
광 치료 분야는 빛을 이용해 질병을 진단하거나 치료합니다. 때문에 우리 몸 깊은 곳의 물체에 충분한 빛 에너지를 전달해 반사되는 신호를 읽는 것은 매우 중요하죠. 그러나 피부 조직은 많은 입자들로 이뤄져 매우 복잡합니다. 관찰하려는 대상이 깊숙이 위치하면 빛이 많은 입자에 부딪혀 제대로 관찰할 수 없죠. 그래서 기존의 광학 기술로는 조직 표층의 세포들을 관찰하는 데 그칠 수밖에 없었다고 해요.
IBS 분자분광학및동력학연구단 최원식 부연구단장 연구팀은 이를 해결하려 노력했어요. 그 결과 관찰하려는 물체에 빛 에너지를 모으는 방법을 개발했다고 합니다. 이 연구 결과는 국제 학술지 <Nature Photonics>에 게재됐습니다.
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 했다고 합니다.
연구의 공동 제1저자 이예령 박사는 이웃집과학자와의 인터뷰에서 시분해 측정 방법과 관련해 "이 빛들은 다른 경로를 경험하고 돌아오기 때문에 같은 위치에 있는 카메라에 도착하는 시간이 다 달라지게 됩니다. 시분해 측정법은 이 중 특정 도착시간을 갖는 빛만 골라서 측정하는 방법입니다."라고 설명했습니다.
단일 산란파는 물체와 단 한 번 부딪쳐 반사된 빛으로 물체에 대한 정확한 이미지 정보를 갖지만 피부 깊이 위치하는 곳은 빛이 매질을 통과하면서 많은 입자에 부딪치기 때문에 단일 산란파의 양이 급격히 감소합니다.
이에 연구진은 단일 산란파 대신 다중 산란파를 활용했습니다. 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 때문이라고 합니다.
실험은 이렇게 진행됐어요. 목표 물체인 얇은 형태의 은을 피부 조직과 유사하게 복잡한 입자로 구성한 폴리머 재질 내부 깊숙히 넣어 이를 현미경으로 관찰했습니다. 반사되는 신호를 시간별로 구별해 목표 물체에서 주로 발생하는 다중 산란파를 선택적으로 얻어냈죠.
이때 얻은 다중 산란파의 세기를 크게하는 빛의 패턴을 찾아 다시 매질에 입사한 결과 일반 현미경으로도 보이지 않는 물체에도 4배 이상의 빛 에너지를 모았다고 합니다.
나아가 생쥐 두개골 아래에 있는 물체에 대해서도 위와 같은 방법을 적용하면 두개골의 손상 없이 10배 이상 빛 에너지를 모을 수 있음을 확인했습니다.
공동 제1저자 정승원 연구원은 <이웃집과학자>와의 인터뷰에서 이 기술을 이용해 "피부 치료나 암세포 치료에 적용 가능할 것"이라고 전망했습니다. 이예령 박사는 <이웃집과학자>를 통해 "피부 조직 깊은 곳으로 효과적으로 빛 에너지를 전달할 수 있다"고 이 방법을 설명했는데요. 앞으로 "생체조직 내부에 있는 실제 신경 세포나 골수 세포에 빛 에너지 전달하여 광유전학 같은 연구에 적용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했습니다.
또한, 생체 조직 전체의 산란 특성에 따른 반사 신호의 시간과 실제 깊이에 대한 관계를 확인하면서 조직 내부 빛 에너지 분포 양상에 대한 연구를 지속할 계획이라고 밝혔습니다.
