빛을 이용해 질병을 진단하거나 치료한다는 이야기를 들어본 적이 있는가? 광열이나 광 역학 치료 분야를 말하는 것이다. 광역학 치료는 빛을 흡수하는 광과민제를 투여한 뒤 레이저 광선을 쏘아 암세포만 골라 죽이는 암 치료법이며, 광열 치료는 암 조직에 나노입자를 전달한 후 근적외선 레이저를 비춰 열을 이용해 암 세포를 괴사시키는 치료 방법이다. 우리 몸의 조직 내부 깊은 곳에 심긴 어떤 물체에 충분한 빛 에너지를 모아서 비춘 뒤, 반사된 빛의 신호를 읽는 원리다.

빛을 잘 반사하는 물체로는 금속 물질이 있고, 생체 조직 중에서는 지방이 속한다. 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 부딪쳐 발생하는 다중 산란 현상에 의해 대상을 볼 수 잇는 빛 에너지가 급격히 감소한다. 단일 산란파는 물체와 단 한 번 부딪쳐 반사된 빛으로 물체에 대한 정확한 이미지 정보를 갖기 때문에 물체의 관찰에 용이하다. 하지만 빛이 매질을 통과하면서 많은 입자에 부딪치기 때문에 단일 산란파의 양이 급격히 감소한다. 단일 산란파만을 이용하기에는 역부족인 것이다.

이에 따라 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장 연구팀은 단일 산란파 대신 물체에서 반사되는 다중 산란파를 활용하기로 했다. 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. 연구진은 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.

▲ 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.

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.

▲ 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 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.

IBS 커뮤니케이션팀
김주연