[논문]Super-continuum generation 현상을 이용한 Solid-immersion lens 기반 공초점 현미경

이원섭; 문형배; 임건; 최국종; 박노철

doi:10.9797/tsiss.2015.11.2.022

Super-continuum generation 현상을 이용한 Solid-immersion lens 기반 공초점 현미경
Solid-immersion lens based confocal microscopy using super-continuum generation effect 원문보기

정보저장시스템학회논문집 = Transactions of the society of information storage systems, v.11 no.2, 2015년, pp.22 - 25

이원섭 (Mechanical engineering, Yonsei university) , 문형배 (CISD, Yonsei university) , 임건 (Mechanical engineering, Yonsei university) , 최국종 (Mechanical engineering, Yonsei university) , 박노철 (Mechanical engineering, Yonsei university)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we demonstrate solid-immersion lens based confocal microscopy using super-continuum generation effect. Using super-continuum generation effect, we could diversify the excitation wavelength of confocal microscopy. Further, high refractive index of solid-immersion lens would increase the resolution of confocal microscopy. As a result, by applying the super-continuum generation effect and solid-immersion lens to confocal microscopy, some problems of confocal fluorescent microscopy, the excitation wavelength and the resolution, could be overcome. To verify it, we made home-built solid-immersion lens based confocal microscopy using super-continuum generation effect, and evaluate the performance of the system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

4 이상의 고개구수 달성이 어렵다는 한계가 존재한다. 이 논문에서는 super-continuum generation 현상[4]과 반구형의 soild-immersion lens[5]를 이용하여 공초점 현미경의 파장과 해상도 문제에 대한 해결 방안을 제시하고자 한다. Super-continuum generation 현상을 이용하여 레이저 광원의 파장을 분화시키고, dichroic filter 를 이용하여 분화된 파장 중 형광 물질의 여기 파장만을 선택하여 사용하는 시스템을 구축하는 것이 가능하다.
이 논문에서는 공초점 형광 현미경들이 갖는 고질적 문제인 광원과 개구수의 문제를 해결하기 위한 방법을 제시하였다. 형광물질을 여기 시키기 위한 광원 형성을 위해 super-continuum generation 현상을 통한 파장 획득에 대한 연구와 고굴절율을 갖는 SIL 을 이용한 고개구수 광학계를 구성하여 고해상, 다파장 공초점 형광 현미경에 대한 연구를 수행하였다.
이 연구에서는 super-continuum generation 현상을 이용한 공초점 현미경의 가능성을 확인하기 위하여 780 nm 펨토초 레이저를 이용하여 supercontinuum generation 현상을 일으키고, 이를 이용한 SIL 기반 고해상 공초점 현미경을 구성하였다.

제안 방법

이 때 SIL 은 일반적인 현미경과는 달리 SIL 바닥면에서 초점을 형성하기 때문에, SIL 과 SIL 에 빛을 집광시키기 위한 대물렌즈 간의 광축 정렬을 추가로 수행할 필요가 있다. SIL 과 대물렌즈 간의 광축정렬 상태를 평가하기 위해, BS 와 mirror, CCD 를 이용하여 Twyman-Green 간섭계를 구성하였으며, 이를 통해 실시간으로 광축정렬 상태를 평가하는 것이 가능하였다. Twyman-Green 간섭계를 통해 획득한 이미지는 그림 4 와 같다.
SIL 의 특성상 시료가 SIL 과 접촉한 상태를 유지하여야 하기 때문에 cover slip 과 slide glass 내부에 시료를 위치시키지 않고 외부로 노출시키는 방법으로 시료를 준비하였다.
Super-continuum generation 현상을 통해 형성된 광원과 S-LAH79 SIL 을 이용한 공초점 형광 현미경을 통해 STAR 635P 형광물질이 염색된 HEK 293 microtubule 에 대한 이미징을 수행하였으며, 이를 통해 기존 광학 현미경들이 갖는 문제점들에 해결 방안을 제시할 수 있었다.
실험 셋업은 크게 super-continuum generation 현상을 이용해 여기 파장을 발생시키는 광원 파트와 SIL 을 이용한 공초점 이미징 파트의 두 부분으로 구성된다. 광원 파트와 공초점 이미징 파트의 광축 정렬시 발생할 수 있는 간섭을 피하기 위해 fiber 를 통해 각 파트를 분리하였다. 이에 대한 개략도는 그림 1 에 나타나있다.
위의 실험 셋업을 이용하여 형광 물질이 염색된 시료를 측정하는 실험을 진행하였다.
이 연구에서는 630 ± 10 nm 의 파장을 여기 파장으로 선정하여 필터링하였기에 염색된 형광물질을 효율적으로 여기할 수 있으며, 685 ± 28 nm 의 파장만을 필터링하여 방출파장을 효율적으로 감지할 수 있도록 세팅하였다.
핀홀 역할을 수행하는 multi-mode fiber 의 core size 는 62.5 μm 로 선정하여 SIL 의 초점 외의 부분에서 일어나는 형광반응을 효율적으로 차단할 수 있도록 하였다.
이 논문에서는 공초점 형광 현미경들이 갖는 고질적 문제인 광원과 개구수의 문제를 해결하기 위한 방법을 제시하였다. 형광물질을 여기 시키기 위한 광원 형성을 위해 super-continuum generation 현상을 통한 파장 획득에 대한 연구와 고굴절율을 갖는 SIL 을 이용한 고개구수 광학계를 구성하여 고해상, 다파장 공초점 형광 현미경에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 super-continuum generation 현상에 의한 생성된 백색광을 형광물질의 여기 파장에 맞춰 필터링함으로써 여러 종류의 형광물질에 대응 가능한 광원으로써 사용 가능함을 확인할 수 있었으며, 이 중 630 ± 10 nm 파장을 사용하여 이 연구에서 구성한 공초점 형광현미경의 광원으로 이용하였다.

대상 데이터

8 대물렌즈와 반구형 SIL 로 구성되어 있다. SIL 의 재질은 ~2.0 의 굴절율을 갖는 S-LAH79 로 선정하여, ~1.6 의 고개구수를 획득할 수 있었다. SIL optical head 의 간략한 구조는 그림 3 에 표현되어 있다.
공초점 형광 이미징을 위하여 HEK 293 microtubule 바이오 시료를 STAR 635P 형광물질로. 염색하였다.
먼저 super-continuum generation 현상에 의한 생성된 백색광을 형광물질의 여기 파장에 맞춰 필터링함으로써 여러 종류의 형광물질에 대응 가능한 광원으로써 사용 가능함을 확인할 수 있었으며, 이 중 630 ± 10 nm 파장을 사용하여 이 연구에서 구성한 공초점 형광현미경의 광원으로 이용하였다.
이 연구에서는 Abberior 사의 STAR 635P 형광물질을 이용하기 위해 630 ± 10nm 의 파장을 여기 파장으로 필터링하여 사용하였다.

성능/효과

먼저 super-continuum generation 현상에 의한 생성된 백색광을 형광물질의 여기 파장에 맞춰 필터링함으로써 여러 종류의 형광물질에 대응 가능한 광원으로써 사용 가능함을 확인할 수 있었으며, 이 중 630 ± 10 nm 파장을 사용하여 이 연구에서 구성한 공초점 형광현미경의 광원으로 이용하였다. 또한 고굴절율을 갖는 S-LAH79 재질을 이용해 SIL 을 제작하여 고개구수 광학계를 구성, 고해상 형광 이미지를 획득하는 것이 가능하였다.
또한 그림 6 의 표시된 부분에서 microtubule 다발이 분해되는 것을 확인할 수 있다. 이 이미지를 통해 1.6 개구수를 갖는 SIL optical head 를 이용한 고해상 형광 이미지에 대한 성능을 검증할 수 있었다.
Twyman-Green 간섭계를 통해 획득한 이미지는 그림 4 와 같다. 측정된 간섭계 이미지를 통해 SIL 과 대물렌즈 간의 광축 정렬 상태가 양호한 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이 결과는 기존 공초점 형광 현미경이 갖는 여기 파장 및 해상도 문제에 대한 해결책이 될 수 있을 것이라 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공초점 형광 현미경은 무엇인가?	공초점 형광 현미경은 3 차원 바이오 이미지 분야에서 가장 유용한 기술 중 한가지로 자리매김 했다. 일반적인 형광 현미경은 레이저 광원을 이용해 형광물질을 여기시키고, 여기된 형광물질에서 방출하는 빛을 감지하여 이미지를 취득한다. 공초점 형광 현미경의 경우, 이에 더해 디텍터의 앞에 핀홀을 배치하여 초점 이외의 부분에서 여기된 형광물질에 의한 빛을 차단, 백그라운드 노이즈를 감소시킬 수 있는 기술이다.[1] 그러나 형광물질을 이용한다는 특수성으로 인해 사용 형광물질의 특성을 고려한 레이저 광원을 사용해야 한다는 점, 광학 현미경의 특성상 회절한계 이하의 해상도를 취득할 수 없다는 점[2]은 공초점 형광 현미경의 고질적인 문제이다.
	공초점 형광 현미경의 고질적인 문제를 해결하기 위하여 렌즈의 개구수를 높여 해상도를 증가시키는 방법이 가진 한계는 무엇인가?	이러한 문제를 해결하기 위하여 많은 형광 현미경에서는 둘 이상의 레이저 광원을 사용하여 다양한 여기 파장을 확보하고 있으며[3], water-immersion lens 와 oil-immersion lens 를 이용하여 렌즈의 개구수를 높여 해상도를 증가시키고 있다. 그러나 여러 종류의 레이저 광원을 사용하는 것은 광축 정렬 과정에 있어 어려움이 있으며, oil-immersion lens 의 경우 oil 의 굴절율 문제로 1.4 이상의 고개구수 달성이 어렵다는 한계가 존재한다. 이 논문에서는 super-continuum generation 현상[4]과 반구형의 soild-immersion lens[5]를 이용하여 공초점 현미경의 파장과 해상도 문제에 대한 해결 방안을 제시하고자 한다.
	공초점 형광 현미경의 고질적인 문제는 무엇인가?	공초점 형광 현미경의 경우, 이에 더해 디텍터의 앞에 핀홀을 배치하여 초점 이외의 부분에서 여기된 형광물질에 의한 빛을 차단, 백그라운드 노이즈를 감소시킬 수 있는 기술이다.[1] 그러나 형광물질을 이용한다는 특수성으로 인해 사용 형광물질의 특성을 고려한 레이저 광원을 사용해야 한다는 점, 광학 현미경의 특성상 회절한계 이하의 해상도를 취득할 수 없다는 점[2]은 공초점 형광 현미경의 고질적인 문제이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 많은 형광 현미경에서는 둘 이상의 레이저 광원을 사용하여 다양한 여기 파장을 확보하고 있으며[3], water-immersion lens 와 oil-immersion lens 를 이용하여 렌즈의 개구수를 높여 해상도를 증가시키고 있다.

참고문헌 (5)

J. G. White, W. B. Amos, and M. Fordham, J. Cell Biol. 105, 41 (1987)

상세보기
Raoul Kopelman and Weihong Tan, Science 262, 1382 (1993).

상세보기
Hiroshi Kano, Stefan Jakobs, Matthias Nagorni, Stefan W. Hell, Ultramicroscopy 90, 207 (2002)

상세보기
Alexander M. Heidt, Alexander Hartung, Gurthwin W. Bosman, Patrizia Krok, Erich G. Rohwer, Heinrich Schwoerer, and Hartmut Bartelt, Opt. Express 19, 3775 (2011).

상세보기
Wan-Chin Kim, Yong-Joong Yoon, Hyun Choi, No-Cheol Park, and Young-Pil Park, Opt. Express 16, 13933 (2008).

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증