국내 연구진이 위성에서 사람의 손바닥을 식별할 수 있을 정도의 해상도로 단백질 등 세포내에 있는 생체고분자 물질을 검출하고 분석할 수 있는 초고해상도 이미징 플랫폼을 개발했다.

연세대 전기전자공학과 최종률 박사(現 대구경북첨단의료산업진흥재단) 및 김동현 교수와 의과대학 신전수 교수, 부산대 김규정 교수 연구팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 광재료 분야 국제학술지 어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Optical Materials)지 1월 13일 표지논문으로 게재되었다.
(논문명 : Extraordinary transmission based plasmonic nanoarrays for axially super-resolved cell imaging)

기존 전반사 형광현미경은 수백 나노미터(1나노미터=10억분의 1미터) 크기 밖에 분별할 수 없었다.

하지만 신약후보물질 발굴 등에 이용하려면 현미경의 해상도를 수십 나노미터까지 높여 바이러스의 이동이나 단백질간 상호작용 같은 미세한 생체현상을 관찰할 수 있어야 한다.
* 전반사 형광현미경 : 경계면에서 굴절하지 않고 모두 반사되도록 특정 각도로 레이저광을 입사시켜 바닥표면에서 약 100nm 안에 존재하는 형광물질만을 활성화시켜 이미징할 수 있는 현미경.

연구팀은 광학현미경에 장착해 보다 선명하게 세포와 단백질간의 상호작용을 볼 수 있도록 돕는 금속나노칩을 개발했다. 이 나노칩을 이용하면 20 나노미터까지 최적 해상도를 높일 수 있다.

고가의 특수장비 대비 가격 경쟁력을 갖는 고해상도 생체분석시스템 개발 등에 기여할 것으로 기대된다.

해상도 향상의 비결은 바로 직경 200~400 나노미터의 구멍이 촘촘하게 배열된 금속 나노칩에 있다.

빛이 나노구멍을 투과하는 광투과 현상에 의해 만들어 내는 강한 전자기파가 마치 나노횃불처럼 작용해 위에 놓인 단백질이나 바이러스 내부를 통과하면서 만들어 내는 미세신호를 이용한다.
* 특이 광투과(Extraordinary optical transmission) : 빛이 금속표면에 있는 자기 파장보다 작은 크기의 구멍을 투과하는 현상. 빛과 금속표면 전자간의 공진현상 때문으로 고해상도 이미징, 고감도 바이오센서, 차단필터 등에 응용할 수 있다.

특히 크기가 제각각인 나노구멍으로부터의 신호를 비교하는 방식으로, 입체적인 세포나 바이러스를 깊이 500nm 까지 검출할 수 있다.

김동현 교수는 “금속 나노패턴의 특이 광투과 현상을 이용해 세포 안의 생체분자를 관찰하기 어려운 기존 광학현미경의 종축해상도 한계를 극복하고 해상도를 수십 나노미터까지 향상시켰다”고 밝혔다.

<청소년기자 황선영 hwangmachine@gmail.com>