김동현 교수팀, 형광 입자의 고해상도 위치 보정 기술 개발

허초점 이미지 활용해 나노미터 수준의 왜곡 보정 기술 마련

광학 분야 최고 권위 학술지 ‘Light: Science & Applications’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 문귀영 제1저자, 손태황 공동저자, 유하준 공동저자, 김동현 교수]

공과대학 전기전자공학과 김동현 교수팀이 정확한 위치 측정이 어려웠던 형광 입자의 위치를 고해상도로 추정하고 나노미터 수준의 형광 신호 왜곡을 보정할 수 있는 기술을 개발했다. 연구 결과는 ‘빛: 과학과 응용(Light: Science & Applications, IF=19.4, JCR 상위 3%)’에 9월 18일 게재됐다.

생체 바이오 물질의 관찰을 통한 기질 특성 연구는 의공학 분야에서 중요한 역할을 하며, 높은 감도와 넓은 측정 범위를 가진 센서의 필요성은 더욱 커지고 있다. 

이에 따라 금속 나노구조를 이용한 형광 나노 입자의 관찰은 고감도·고해상도로 바이오센서 및 이미징 시스템에 활용될 수 있는 중요한 도구로 각광받았다. 그러나 금속 나노구조 근처에 있는 형광 입자의 위치는 금속 나노 입자에 의해 크게 왜곡되므로 실제 형광 입자의 위치를 정확하게 측정할 수 없다는 것이 큰 걸림돌로 작용했다.

연구를 수행한 문귀영 박사는 금속 나노구조 근처에 있는 형광 나노 입자의 위치를 높은 정확도 및 고해상도로 추정하기 위해 형광 입자의 허초점 이미지를 획득했다. 형광 나노 입자의 허초점 이미지는 렌즈의 초점거리로부터 입자를 벗어나게 위치시켜 측정할 수 있으며, 이는 카메라로 사진을 찍을 때 초점이 맞지 않으면 이미지가 흐릿해지는 것과 같이 형광 나노 입자의 흐릿한 이미지를 얻음으로써 관측할 수 있다. 

[그림 1. 형광 나노 입자 위치 추정 방법의 개략도. (a) 금속 나노 구조 근처에 있는 형광 나노 입자의 위치 추정을 위해, 허초점 이미지를 측정한 뒤 전자기장 시뮬레이션과 패턴 매칭을 수행함. (b) 금속 나노 구조 근처에 있는 형광 나노 입자의 허초점 이미지의 예시]

연구팀은 이러한 허초점 이미지로부터 형광 입자의 형광 방출 각도 분포에 대한 정보를 얻어, 전자기장 시뮬레이션 데이터와 비교해 형광 입자의 위치를 정확하게 추정했다. 이 새로운 기술은 기존 방법보다 정확도를 3배 이상 높였으며, 형광 입자의 위치를 더욱 정확하게 파악할 수 있게 한다.

[그림 2. 이미지 분석을 통한 위치 추정 결과. (a) 전자기장 시뮬레이션을 통해 얻은 금속 나노 구조 근처 다이폴의 허초점 이미지. (c) 제안하는 방법을 통해 형광 다이폴의 위치를 추정한 결과. 해당 거리 구간에서 약 3배의 정확도 향상을 얻을 수 있었음]

김동현 교수 연구팀은 “본 연구는 고가의 특수 영상 장비 없이 형광 입자의 위치를 더욱 정확하게 추정할 수 있다는 점에서 큰 의의를 갖는다.”며, “금속 나노구조와 형광 입자 간 상호작용 이해에 기여하고, 더 나아가 정밀한 단분자(單分子) 영상화 및 트래킹에 적용이 가능할 것”이라며 기대감을 나타냈다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구실지원사업 및 4단계 BK21 사업 ‘Y-BASE 지능정보 교육연구사업단’의 지원을 받아 수행됐으며, 전기전자공학과 문귀영 박사, 손태황 박사, 유하준 연구원이 공동으로 참여했다.

논문정보

● 논문제목: Defocused imaging-based quantification of plasmon-induced distortion of single emitter emission

● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41377-023-01237-9