한국전자통신연구원(ETRI)이 세계 최초로 반도체 발광소자를 결합한 펨토초 레이저 기반 실시간 라만 분자 진동 영상 기술(CARS, coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy: 동시에 두 개의 서로 다른 빛을 샘플에 조사하여 표적이 되는 분자의 진동에 따른 빛 주파수 차이를 영상화하는 기술)을 개발했다.
기존 기술은 암과 같은 생체 조직에 형광 물질을 사용해 관찰 시간이 제한적인 데 반해, 본 기술은 세포 내 표적의 화학적 결합 종류에 따른 특정 영상을 실시간 제공이 가능해 향후 암의 진단이나 신약 개발 등에 유용할 것으로 보인다.
ETRI은 펨토초 레이저를 다이오드 결합 방식으로 제작해‘비선형 라만 분자 진동 영상 기술’을 개발했다. 외산 기술의 완전 국산화와 동시에 가격을 1/10 수준으로 낮춰 빠른 상용화가 가능할 전망이다.
펨토초 레이저 기반 라만 분자 진동 광학현미경은 1천조 분의 1에 해당하는 펨토초 단위로 분자의 움직임을 관찰하는 장비다. 특히, 형광 물질을 사용하지 않아 관찰 시간의 제한이 없고 형질 변화에 따른 부작용이 없다는 점이 큰 장점이다.
그동안 암을 비롯한 각종 질병 진단을 위해 CT와 MRI가 많이 사용됐다. 그러나 CT와 MRI는 비정상적 병변 조직이 발병된 이후에 활용한다. 병리학적 진단을 위해선 추가로 염색이 필수적인 광학적인 세포 조직 검사도 필요했다.
하지만, 연구진이 개발한 카스(CARS) 현미경은 병변 이전의 조기 진단에 목적이 있다. 아울러 염색 없이 세포 조직 내 암 표지자(CH2)와 같은 더 작은 특정 분자의 상태 영상을 볼 수 있어 발병 전 활용이 가능하다. 즉, 본 기술이 적용된 현미경으로 샘플을 관찰하면 정상 조직인지 암조직인지 쉽게 알 수 있다.
ETRI가 개발한 비선형 분자 진동 영상 기술은 ▲다이오드 기반의 펨토초 레이저 기술 ▲고정밀 광학계 기술 ▲현미경 자동화 기술 등이 적용됐다.
그동안 외산 CARS 현미경은 성능이 뛰어나지만 두 대의 레이저로 구성돼 가격이 10억 원대로 비싸고 책상 두 배 정도로 크다는 단점이 있었다.
연구진은 수백만 원대의 레이저 기술 개발로 상용화 가격을 10% 이내로 현저히 낮추고 레이저도 한 대로 해결 펨토초 레이저 제작 방식을 2개 이상의 다이오드 결합 및 직접 펌핑 방식으로 전환해 크기를 기존 절반 이하로 줄였다. 상용화 시, 노트북 두 배 정도의 크기로 줄일 수 있다고 설명했다. 아울러 본 영상 기술은 향후 내시경으로도 전환 준비 중이다.
연구진은 레이저 출력도 기존 실험실 수준(200mW)에서 1W로 5배 끌어올려 성능을 세계적 수준으로 유지하는 등 6개월 내 상용화 가능성을 높였다.
본 영상 기술은 1024x1024 픽셀 해상도에서 초당 7.5프레임 스캔 속도를 나타냈다. 외산 기술보다 4배 더 높은 해상도와 최대 4배 가까이 영상 해석이 빠르다. 1초에 7.5장의 영상 송출이 가능해 실시간 샘플을 즉시 볼 수 있고 끊김 없는 영상 분석이 가능한 수준이다.
또한, 외산 장비에서 적용한 갈바노-갈바노 스캔 거울보다 더욱 빠른 공진-갈바노 스캔 거울을 사용하여 세계에서 가장 빠른 라만 분자 진동 영상 획득 시간을 구현했다.
