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도쿄(東京)대학 대학원 이학계 연구과 연구그룹이 빛의 파면 제어 기술과 암시야현미경(dark field micro-scope) 기술을 이용하여 시료에 의해 발생하는 큰 위상 지연 분포와 작은 위상 지연 분포를 각각 측정함으로써, 검출 가능한 위상 범위를 확장하는 새로운 개념의‘정량 위상 현미경’을 개발, 위상 검출 한계를 뛰어넘는 데 성공함.

‘정량 위상 현미경’은 계측 시료에 의한 조명광의 위상 지연을 계측함으로써 세포 골격 및 세포 내 소기관 등의 형상을 비표식으로 시각화하는 기술임. 측정된 정보를 바탕으로 성장 속도 등의 세포 상태를 정량할 수 있는 기술로 널리 이용되고 있음. 그러나 검출 가능한 위상 범위는 이미지 센서로 검출 가능한 광량이 제한되어 광자 수가 불확실하여 지금까지 높은 검출 감도가 요구되는 곳에서 이용되지 못했음.

연구진은 첫 번째 계측에서, 기존의 정량 위상을 계측하고, 시료로부터 유래한 큰 위상 지연 분포를 갖는 위상 이미지를 검색함. 그 후, 파면 제어 기술을 사용하여 첫 번째 계측에서 얻은 위상 이미지와 역위상 파면을 갖는 조명광을 생성함. 역위상 파면의 조명광에 의해 시료로부터 유래한 큰 위상 지연 분포가 상쇄되기 때문에 암시야 광학계와 함께 사용하면 이미지 센서에 닿는 빛의 양을 현저하게 줄일 수 있음.

이로써 두 번째 계측에서는 첫 번째 계측시보다 높은 강도의 조명이 가능해져, 작은 위상 지연 분포만을 신호 증폭하여 고감도로 계측할 수 있음. 두 번째 계측에서 얻은 위상 이미지와 파면 제어 장치에 입력한 위상 이미지를 계산하여 더하면 다이내믹 레인지(dynamic range)를 확대한 정량적 위상 이미지가 됨.

본 연구 성과는 세포 내외의 입자 추적 및 세포 내 생체 분자의 동적 거동 관측 등 지금까지 측정할 수 없었던 미세한 위상 변화 계측에 적용할 수 있기 때문에, 정량 위상 현미경에 의한 새로운 단일 세포 분석 방법 창출로 발전할 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Light: Science& Applications (Adaptive dynamic range shift(ADRIFT) quantitative phase imaging)에 게재됨.