광학 현미경과 3차원 작은세상 경험

[find souls in the tree of life]

광학(光學, optics)은 빛의 특성을 연구하는 학문이다.

거울에 반사되는 빛의 입사각과 반사각

역사
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인류 문명의 초기부터 빛은 물리학, 철학, 의학, 신학 등 여러 학문에 걸쳐 언급되었고 연구되었다. 유클리드는 그의 저서를 통해 빛의 직진성과 반사법칙 등을 언급하였고 아리스토텔레스, 프톨레마이오스 등도 빛의 성질을 다루었으며 중세의 베이컨, 비텔로 등의 철학자들 또한 빛의 성질에 관심을 보였다. 중세 이슬람의 과학자 알하이탐은 《광학의 서》에서 직접 관찰한 빛의 직진, 분산, 반사, 굴절 등과 같은 현상을 기록해 놓았다.[1] 알하이탐의 《광학의 서》는 1270년 라틴어로 번역되어 유럽의 과학 연구에 많은 영향을 주기도 하였다.

그러나 광학이 체계적으로 연구되기 시작한 것은 17세기 이후의 일로써, 안경 제작자였던 한스에 의해 망원경이 세상에 알려지면서 갈릴레이, 요하네스 케플러, 데카르트 등이 이를 발전시켰다. 당시에는 빛이 에테르(ether)라는 가상의 매질을 통해 전파된다는 에테르 설이 지배적이었다. 이후 아이작 뉴턴은 태양광을 프리즘에 통과시켰을 때 굴절률에 따라 색상이 분해된다는 것을 관찰하였고[2], 1704년 《광학》을 출판하면서 빛을 일종의 입자로 설명하였다.[3] 한편, 크리스티안 하위헌스는 빛을 파동으로 여겼고, 이를 바탕으로 빛의 반사와 굴절을 완벽하게 설명하는 수리 모형을 수립하였다.[4]

빛이 입자인지 파동인지에 대한 논란은 이후에도 20세기 초까지 계속되었다. 뉴턴이 입자설을 제기하였으나, 빛은 파동의 성질을 갖는 것이 명확했기 때문이다. 토머스 영은 이중 슬릿 실험으로 간섭 효과를 확인하여 빛이 파동이라는 것을 뒷받침하였고[5], 에드몽 베크렐의 전기에 의한 발광 실험, 패러데이의 자장에 의한 빛의 편광 실험 등에서 나타난 바를 토대로 맥스웰은 빛 역시 전자파의 일종이라는 사실을 밝혀내었다.[6] 그러나, 아인슈타인은 광전 효과 실험을 통하여 빛이 입자라는 것을 뒷받침하였다.[7] 빛이 입자로서의 성질과 파동으로서의 성질을 모두 갖고 있다는 것을 모순 없이 설명하는 것은 양자 역학이 수립된 이후에야 가능하였다. 현대 물리학에서는 빛이 맥스웰 방정식을 만족하는 전자파의 성질을 갖는 동시에, 다른 물질과 상호 작용할 때에는 양자화된 에너지의 특성이 나타나 입자적 성질을 보여준다고 설명하고 있다.[8]


광학의 세부분야로 기하광학, 파동광학, 분광학, 양자광학, 비선형광학, 광유전학 등이 있다. 기하광학은 빛의 입자성에 바탕을 두고 진공과 매질 속에서 빛이 지나가는 경로에 관심을 두고 기술하는 분야이고, 파동광학은 빛의 파동성에 바탕을 두고 호이겐스의 원리를 기본으로 회절, 간섭 등의 특성을 기술한다. 분광학은 빛이 매질을 통과하면서 나타나는 여러 현상들을 분석하여 물질의 특성을 연구하는 분야이고, 비선형 광학은 매질 속에서 강한 세기의 빛이 반사 혹은 투과될 때 그 진동수가 두배 혹은 그 이상의 정수배에 해당하는 빛이 나오는 현상을 바탕으로 분광학과 함께 물성연구 등의 다양한 응용이 기대되는 분야이다. 양자광학은 양자 역학에 의해 밝혀진 빛알(혹은 광자, photon)로서의 빛의 성질을 기술하는 분야로 최근 각광받고있는 양자컴퓨터와 관련하여 활발한 연구가 진행 중인 분야이다. 광유전학은 빛으로 뇌를 조종하는 분야다. 이 밖에도 색채론 등이 있다.

일반적으로 광학적 현상을 설명하는 방법으로는 빛을 전자파, 즉 전자기의 파동으로 보아 맥스웰의 방정식에 기반하여 설명하는 방식인 파동광학, 즉 물리 광학과, 빛을 직진하는 광선으로 파악하여 기하학적 도형으로 설명하는 기하 광학이 사용된다. 물리 광학은 빛의 위상이나 편파와 같은 복잡한 현상을 감안하여 빛의 운동을 정확히 기술할 수 있으나, 매우 복잡한 수학을 사용하여야 한다는 단점이 있다. 빛을 받는 물체의 크기가 파장보다 충분히 크면 기하학적 모형으로도 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있기 때문에 간단한 예측에서는 기하 광학이 많이 사용되지만, 기하 광학은 간섭 효과나 회절, 위상과 같은 것은 무시하기 때문에 정밀한 계산 작업에서는 사용되지 않는다.[9]



https://ko.m.wikipedia.org/wiki/%EA%B4%91%ED%95%99

신문은 선생님
[재미있는 과학] 광학·전자 현미경 합쳐… 살아있는 세포 속까지 3D로 본다
입력 : 2020.02.06 03:05
[현미경 촬영 기술]

광학현미경으로는 미세한 것 못봐 세포 내부 구조는 관찰할 수 없어
전자현미경은 확대율이 크지만 죽은 세포 단면, 구조만 관찰 가능
두 현미경 기능 모으는 기술 개발… 신경세포인 뉴런 활동 등 관찰

지난달 17일 국제학술지 '사이언스' 표지에는 바닥의 회색 물체와 그 위에 올려진 세포 사진이 등장했어요. 세포 안을 보면 푸른색 물결이 이는 듯한 모습을 볼 수 있는데, 이는 세포 내부의 생생한 모습을 포착한 거예요. 이 사진은 세포를 특수하게 고안된 기법으로 촬영한 뒤, 3D(3차원)로 합성한 결과입니다. 바닥의 회색 물체 역시 이 기법으로 촬영한 세포의 단면도입니다.

이렇게 살아 있는 세포의 내부를 생생하게 들여다볼 수 있게 된 것은 이번이 처음입니다. 미국 하워드휴스 의학연구소의 에릭 베치그 교수와 헤럴드 헤스 교수 공동 연구팀이 광학현미경과 전자현미경을 조합하는 기술을 개발한 결과죠. 광학현미경과 전자현미경은 각각 무엇이며, 기존 두 현미경의 한계는 무엇이었는지 살펴볼까요?

◇광학현미경으로는 아주 미세한 물질은 볼 수 없어

먼저 광학현미경에 대해 알아볼게요. 광학현미경은 태양빛 중 우리 눈에 보이는 빛을 뜻하는 가시광선과 볼록렌즈의 원리를 이용해 물체를 최대 2000배까지 확대합니다. 가시광선의 파장 범위는 400~700나노미터(㎚·10억분의 1m)로 보통 우리가 무지개 색채로 인식하는 빛이죠.

광학현미경의 장점은 살아 있는 세포를 볼 수 있을 뿐 아니라 세포 전체를 빠르게 볼 수 있다는 것입니다. 하지만 기존의 광학현미경은 빛의 회절 때문에 렌즈가 아무리 발달해도 200㎚ 이하 물질은 볼 수 없다는 한계가 있었어요. 즉 광학현미경으로는 바이러스(크기 100㎚)나 단백질(10㎚)을 구별할 수 없었습니다. 19세기 독일 물리학자 에른스트 아베가 제시한 이 회절 한계는 이후 100년이 넘도록 극복할 수 없는 한계로 여겨졌습니다.


신문은 선생님
[재미있는 과학] 광학·전자 현미경 합쳐… 살아있는 세포 속까지 3D로 본다
입력 : 2020.02.06 03:05
[현미경 촬영 기술]

광학현미경으로는 미세한 것 못봐 세포 내부 구조는 관찰할 수 없어
전자현미경은 확대율이 크지만 죽은 세포 단면, 구조만 관찰 가능
두 현미경 기능 모으는 기술 개발… 신경세포인 뉴런 활동 등 관찰

지난달 17일 국제학술지 '사이언스' 표지에는 바닥의 회색 물체와 그 위에 올려진 세포 사진이 등장했어요. 세포 안을 보면 푸른색 물결이 이는 듯한 모습을 볼 수 있는데, 이는 세포 내부의 생생한 모습을 포착한 거예요. 이 사진은 세포를 특수하게 고안된 기법으로 촬영한 뒤, 3D(3차원)로 합성한 결과입니다. 바닥의 회색 물체 역시 이 기법으로 촬영한 세포의 단면도입니다.

이렇게 살아 있는 세포의 내부를 생생하게 들여다볼 수 있게 된 것은 이번이 처음입니다. 미국 하워드휴스 의학연구소의 에릭 베치그 교수와 헤럴드 헤스 교수 공동 연구팀이 광학현미경과 전자현미경을 조합하는 기술을 개발한 결과죠. 광학현미경과 전자현미경은 각각 무엇이며, 기존 두 현미경의 한계는 무엇이었는지 살펴볼까요?

◇광학현미경으로는 아주 미세한 물질은 볼 수 없어

먼저 광학현미경에 대해 알아볼게요. 광학현미경은 태양빛 중 우리 눈에 보이는 빛을 뜻하는 가시광선과 볼록렌즈의 원리를 이용해 물체를 최대 2000배까지 확대합니다. 가시광선의 파장 범위는 400~700나노미터(㎚·10억분의 1m)로 보통 우리가 무지개 색채로 인식하는 빛이죠.

광학현미경의 장점은 살아 있는 세포를 볼 수 있을 뿐 아니라 세포 전체를 빠르게 볼 수 있다는 것입니다. 하지만 기존의 광학현미경은 빛의 회절 때문에 렌즈가 아무리 발달해도 200㎚ 이하 물질은 볼 수 없다는 한계가 있었어요. 즉 광학현미경으로는 바이러스(크기 100㎚)나 단백질(10㎚)을 구별할 수 없었습니다. 19세기 독일 물리학자 에른스트 아베가 제시한 이 회절 한계는 이후 100년이 넘도록 극복할 수 없는 한계로 여겨졌습니다.

▲ /그래픽=안병현
그런데 베치그 교수는 지난 2007년 이 한계를 극복하고 수십㎚까지 자세히 볼 수 있는 초분해능 광학현미경을 개발했습니다. 특정 파장의 빛을 쏘면 빛나는 형광 분자를 단백질에 붙여 여러 번 찍은 다음, 이를 합쳐 세포 안 단일 분자들을 선명하게 볼 수 있게 했습니다. 이 공로로 그는 2014년 노벨화학상을 받았습니다. 하지만 베치그 교수의 광학현미경은 1만 개가 넘는 단백질을 가진 세포 속에서 형광 분자를 붙인 몇 개의 단백질만 볼 수 있다는 한계가 있습니다.

◇전자현미경, 작은 물질 볼 수 있지만 죽은 세포만 관찰 가능

한편 전자현미경도 나노 세계를 볼 수 있습니다. 전자현미경은 가시광선 대신 전자선(전자빔)과 전자기렌즈를 사용해 확대 이미지를 만듭니다. 가시광선보다 10만 배 파장이 짧은 전자선(0.0037㎚)을 사용하기 때문에 100만 배 이상의 높은 배율로 원자의 배열까지 관찰할 수 있죠.

하지만 전자선은 공기 중의 입자와 부딪히면 산란을 합니다. 그래서 전자가 지나가는 통로와 관찰하는 물질이 놓이는 공간은 고진공 상태로 유지해야 합니다. 그래서 세포와 같은 생물 시료는 반드시 건조해야 합니다. 즉, 전자현미경으론 죽은 세포만 관찰할 수 있다는 뜻입니다.

또 전류가 흐르지 않는 동식물 같은 비전도체는 전자가 드나들 수 있도록 물질 표면에 전자가 움직이기 쉬운 전도성 좋은 금속으로 미리 코팅을 해야 합니다. 이를테면 세포를 얇게 잘라낸 후 전기가 잘 통하는 물질로 코팅하고, 그 위에 전자를 쏘아 세포의 특성을 파악하죠. 이때 세포를 일일이 잘라내는 과정에서 세포가 망가지기 쉽다는 단점이 있어요. 전반적인 세포 구조를 관찰할 수는 있지만, 이런 구조들이 어떤 기능을 하는지는 관찰할 수가 없죠.

◇두 현미경의 기능 모아 한계 극복

그런데 베치그와 헤스 교수 공동 연구팀은 두 현미경의 기능을 하나로 모으는 기술을 개발했습니다. 우선 연구팀은 살아 있는 세포를 고압에서 급격하게 냉동시킨 뒤 절대 영도(영하 273.15도·이론상 가능한 가장 낮은 온도)에 가까운 영하 263도의 극저온 상태를 유지했어요. 세포가 녹거나 변형이 생겨 관찰에 방해되지 않도록 한 것이죠. 이 같은 극저온 상태에서도 세포를 살아 있는 상태로 유지한 것이 이번 연구의 핵심 성과 중 하나입니다. 이런 환경은 특히 세포 표면에 수분이 있으면 관찰이 어려운 전자현미경에 중요합니다. 얼린 세포는 얇게 잘라내기도 쉬워 관찰이 더 쉽습니다. 생 삼겹살보다 냉동 삼겹살이 기계로 자르기 훨씬 쉬운 것처럼요.

연구진은 광학현미경으로 살아 있는 전반적인 세포의 모습을 우선 관찰한 뒤, 새로 개발한 전자현미경에 세포를 놓고 한 층씩 깎아가며 각 층을 촬영한 뒤 이를 다시 합성해 3D로 구현했습니다. 특히 이 전자현미경은 전자빔 대신 파장이 더 짧은 이온빔을 사용해 기존 전자현미경보다 더 높은 해상도로 촬영이 가능했습니다. 이렇게 두 현미경으로 촬영한 결과를 합쳐 살아 있는 세포의 생생한 3차원으로 구현해낼 수 있었죠.

그러면 광학현미경과 전자현미경을 조합한 이 기술은 대체 어디에 쓰일까요? 세포 내 수송로 역할을 하는 '엔도솜(endosome)'의 움직임이나 신경세포인 '뉴런(neuron)'이 생기면서 서로 달라붙는 과정 등 기존 현미경들만으로는 볼 수 없었던 모습을 관찰할 수 있지요. 이런 다양한 세포의 작용을 이해하면 우리 몸 질환을 연구하는 데 더욱 도움이 됩니다.





어벤져스 앤트맨처럼 '작은 세상' 경험하려면?

http://www.astronomer.rocks/news/articleView.html?idxno=87651

어벤져스 앤트맨처럼 '작은 세상' 경험하려면? - 이웃집과학자

독일의 물리학자 에른스트 루스카(Ernst Ruska)와 막스 크놀(Max Knoll). 출처: 유튜브/Brian Markowski

이 사진은 에버딘대학교(University of Aberdeen)의 케빈 매켄지(Kevin Mackenzie)가 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 찍은 신장 결석 사진입니다. 결석의 크기는 2mm 정도라고 하는데요. 참고로 신장 결석은 소변의 염분, 무기물, 화학 물질(칼슘옥살레이트, 요산)이 응집하고 굳어지며 만들어서집니다. 이 사진은 주사전자현미경(SEM)과 미세단층촬영기(Micro CT)로 촬영된 후 어도비 포토샵(Adobe Photoshop)을 통해 인위적으로 색을 넣어줬다고 합니다.



그렇다면 다음 사진은 무엇일까요? 참고로 아래 사진도 주사전자현미경을 통해 본 모습입니다.


일반적으로 미시적인 세계를 들여다 볼 때 광학현미경부터 떠올리는 게 상식입니다. 광학현미경은 광원으로 가시광선 영역대를 사용하는데요. 대물렌즈에서 확대한 상을 접안렌즈에서 다시 확대하는 방식으로 시료를 관찰합니다. 광학현미경은 해상도가 약 0.2μm인데요. 참고로 1μm는 10-6m입니다. 광학현미경의 최대 배율은 약 1,500배~2,000배 정도라고 하는데요. 그렇다면 광학현미경으로 관찰할 수 없는 더 작은 미시적인 세계를 보려면 어떻게 해야 할까요?
광학현미경은 가시광선의 파장보다 작은 물체를 분석할 수 없습니다. 그런데 1931년 독일의 물리학자 에른스트 루스카(Ernst Ruska)와 막스 크놀(Max Knoll)은 전자현미경을 만들었고 에른스트는 그의 업적으로 1986년 노벨 물리학상을 받았습니다.



전자현미경은 광학현미경과 달리 전자선을 사용합니다. 전자는 원자 안에서 음전하를 띤 입자들입니다. 광학현미경에서 광자는 유리렌즈를 통해 초점을 맞추지만 전자현미경에서 광원인 전자선은 유리를 통과하지 못하기 때문에 전자현미경은 전자렌즈를 사용합니다. 참고로 전자렌즈는 전자석으로 자기장이나 전기장을 만들어 전자선을 굴절시켜 전자선을 작은 한 점에 모이게 하거나 발산시키는 장치입니다.

사진 속의 노란색으로 보이는 대상은 페스트균(Yersinia pestis)입니다. 페스트균은 흑사병을 일으키는 것으로 유명한 병원균입니다. 주로 쥐벼룩(rat flea)을 통해 전염되는데요. 위 사진 속 보라색으로 보이는 것이 쥐벼룩의 척추입니다. 일반적으로 쥐벼룩의 성충 몸 길이가 1~6mm인 것을 감안한다면 이 사진이 얼마나 미시적인 세상을 보여주는지 알 수 있습니다.

전자현미경은 투과전자현미경(TEM)과 주사전자현미경(SEM)으로 나뉘는데요. 투과전자현미경(TEM)은 얇게 자른 시료의 단면에 전자를 투과시키는 방식으로 단면의 2차원 영상을 얻는데요. 세포의 내부 구조를 자세히 연구하는데 효과적이라고 합니다. 해상도는 약 0.2nm로(0.0002μm)이며 최대배율은 100만 배에 이른다고 합니다.

반면 주사전자현미경(SEM)은 금속으로 코팅한 시료 표면에 전자를 주사해 시료 표면의 3차원 입체 영상을 얻습니다. 따라서 세포의 표면이나 외부 형태를 자세히 연구하는 데 효과적입니다. 해상도는 약 5nm(0.005μm)로, 최대배율은 수십만 배까지 가능하다고 합니다. 이미지가 상당히 3차원 적으로 보이긴 하지만 주사전자현미경은 광원이 샘플에 침투하는 것을 최소화했기 때문에 샘플의 표면만을 자세히 보여줍니다. 단, 전자현미경은 상이 흑백이기 때문이 색깔 구별이 되지 않습니다. 위의 사진 속 색은 모두 인위적으로 색을 입혀준 모습입니다.

주사전자현미경(SEM)은 전자선을 사용해 이미지를 확대하는데요. 전자선은 샘플의 표면을 일정한 패턴으로 스캔하게 되고 샘플에서 나온 전자는 이미지를 생성합니다. 쉽게 설명하자면, 주사전자현미경(SEM) 방식은 벽에 있는 물체를 스캔하기 위해 손전등을 들고 어두운 방에 혼자 서 있는 사람과 비교할 수 있습니다. 손전등을 이용해 체계적으로, 좌우로 서서히 벽을 따라 내려가며 그 물건의 이미지를 만들 수 있습니다. 주사전자현미경(SEM)은 손전등 대신 전자선을 사용하는 것뿐이죠.

출처: MICRPSCOPY AUSTRALIA
전자선은 샘플의 표면을 일정한 패턴으로 스캔해 샘플에서 나온 전자를 이용해 이미지를 만듭니다. 출처: MICRPSCOPY AUSTRALIA

과학자들은 전자현미경을 통해 그동안 광학현미경의 세상 속에서는 보이지 않던 세상을 보여줬는데요. 광학현미경으로는 핵, 엽록체 등 세포 소기관의 대략적인 구조만 볼 수 있었던 것에 반해 전자현미경은 세포의 내부 구조까지 살필 수 있게 됐으니 엄청난 발전이라고 할 수 있겠습니다.



한편, 이 전자현미경을 누구나 직접 보고 관찰할 수 있는 곳이 있는데요. 바로 서울시립과학관입니다. 2017년 노원구에 둥지를 튼 서울시립과학관에는 다양한 체험 전시물이 있는데요.

노원구에 위치하고 있는 서울시립과학관. 출처: 서울시립과학관
노원구 서울시립과학관. 출처: 서울시립과학관
그중에서도 전시실에 있는 주사전자현미경(SEM)은 호기심을 자아냅니다. 이곳에서는 체험할 수 있는 주사전자현미경(SEM)이 있어 직접 질병을 일으키는 균들을 볼 수 있습니다.

직접 전자현미경으로 균을 관찰해봐요! 출처: 서울시립과학관
전자현미경으로 직접 균을 관찰해봅니다. 출처: 서울시립과학관
전자현미경은 빛 대신 음극선을 사용하는 기구이기 때문에 진공 상태에서만 작동되는데요. 그래서 주사전자현미경(SEM)을 체험할 때 가장 먼저 해야 할 일은 주사전자현미경(SEM)을 진공 상태로 만들어 주는 겁니다. 이후 모니터에 진공 상태가 표시되면 고전압을 가해주는데요. 체험판 보드에 있는 배율과 초점을 조정하면 원하는 세균의 이미지를 볼 수 있습니다.

포도송이처럼 붙어있는 이 세균은 스타필로코쿠스 호미니스(Staphylococcus hominis)입니다. 이는 포도상구균에 속하는 박테리아의 일종인데요. 전자현미경 체험을 하면 이 균에 관한 내용도 함께 제공됩니다.


마치 치즈볼처럼 생긴 이 세균은 페렴연쇄상구균인데요. 소아 폐렴의 원인균이라고 합니다. 이밖에도 장내 세포에 침투해 복통과 설사 등의 식중독 증상을 일으키는 병원성 대장균 O157, 방광염을 일으키는 프로테우스 미라빌리스균 등의 모습도 확인할 수 있습니다.



##참고자료##



THE CONVERSATION, Startling images show strange and beautiful science up close

Tag#전자현미경#광학현미경#현미경#앤트맨#TEM#SEM#세균

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샘플 중심의 상관 관계 환경에서 포괄적인 다중 스케일, 다중 모달 이미지를 생성합니다. Atlas 5는 ZEISS 주사 전자 현미경(SEM) 및 집중 이온빔 SEM(FIB-SEM)의 용량을 확장하는 강력하면서도 직관적인 솔루션입니다. 광선 및 X선 현미경과 같은 모든 소스의 이미지를 효율적으로 탐색하고 연관시킵니다. 모듈식 구조를 통해 나노패터닝 또는 어레이 단층 촬영과 같은 재료 또는 생명 과학 연구의 일상적인 요구에 맞게 Atlas 5를 조정할 수 있습니다.



https://www.zeiss.com/microscopy/en/products/software/zeiss-atlas-5.html