형광 현미경

형광현미경(영어: Fluorescence Microscope)은 레이저광, 초고압 수은등이나 크세논 램프를 광원으로 사용하여 대상물 내의 형광물질의 형광을 관찰하는 장치입니다. 일반 광학 현미경은 할로겐 램프 등의 가시광선을 광원으로 대상물에 조사하여 반사광이나 투과광을 관찰합니다.

형광현미경은 현미경의 일종으로, 형광을 발산하는 물질인 생체 조직, 세포 등을 주 대상으로 합니다. 현미경의 해상도는 사용하는 빛의 파장에 따라 달라지기 때문에 파장이 짧은 빛을 사용하는 형광현미경은 공간해상도와 시간해상도가 뛰어난 것이 특징입니다.

따라서 정량성이 높은 정보를 얻을 수 있습니다. 형광 현미경은 공초점 레이저 현미경, 다광자 현미경 등 고기능화가 진행되고 있어 그 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

형광현미경의 사용 용도

형광 현미경은 주로 바이오 이미징에 사용됩니다. 구체적인 대상은 세포나 조직이며, 살아있는 상태로 관찰할 수도 있습니다. 대상을 형광으로 표지하기 위해서는 다음과 같은 기술을 조합하여 사용합니다.

유전자 변형 등을 통해 특정 단백질을 형광표지하는 기술
형광표지된 화학물질을 이용하여 핵산 등을 표지하는 기술
형광을 내는 단백질을 특정 세포에 발현시키는 기술

이러한 기술을 통해 표적 단백질이나 발현 유전자의 국소화 등을 관찰할 수 있습니다. 또한, 특정 물질에 반응하여 형광을 발산하는 약물이나 단백질이 개발되어 신경의 활동이나 세포 내 물질 동태를 가시화할 수 있습니다.

최근에는 크리스퍼 (CRISPR) 기술의 등장으로 유전자 변형 생물의 생성이 훨씬 쉬워져 그 응용 범위가 급속도로 넓어지고 있습니다.

형광현미경의 원리

형광현미경은 형광을 관찰하는 장치입니다. 형광은 형광물질이 특정 빛을 에너지로 흡수(여기광)하여 다시 에너지를 방출할 때 발산됩니다.

여기광을 조사하면 빠른 발광이 일어납니다. 형광의 파장은 여기광의 파장보다 길며, 이 파장은 형광 물질에 따라 다릅니다. 형광현미경은 특정 형광을 관찰하기 위해 다음과 같이 구성된 필터 유닛을 가지고 있습니다.

광원으로부터의 여기광을 투과시키는 필터
방출된 형광을 투과시키는 필터
형광에 여기광이 간섭하지 않도록 하는 거울

필터 유닛을 바꾸거나 조합하여 다양한 형광 물질을 동일한 시료에서 관찰할 수 있습니다.

형광 현미경의 기타 정보

1. 형광 현미경의 해상도

현미경의 분해능은 ‘근접한 두 점을 서로 다른 점으로 구분할 수 있는 최소 거리’를 의미합니다. 현미경은 렌즈를 이용하여 대상물을 확대하여 관찰하는데, 렌즈를 조합하면 원리적으로 무한대로 배율을 높일 수 있습니다.

하지만 빛을 이용해 시료를 관찰하는 광학현미경의 경우, 빛의 특성인 회절로 인해 빛의 파장의 약 절반 크기가 분해능의 한계가 됩니다. 이것이 현미경의 해상도의 이론적 한계로 여겨졌지만, 이 한계를 뛰어넘는 기술이 개발되어 개발자는 2014년 노벨 화학상을 수상했습니다.

이 기술이 바로 ‘초해상도 현미경법’이라는 기술입니다. 초분해능 현미경법이 개발되기 전까지 형광현미경의 해상도 한계는 약 250nm였지만, 초분해능 현미경법을 이용하면 전자현미경에 버금가는 15~100nm까지 고해상도를 얻을 수 있습니다. 초해상도 현미경은 다양한 기술을 통해 해상도를 제한하는 요인을 피하고 높은 해상도를 실현하고 있습니다.

해상도를 획기적으로 향상시켜 노벨 화학상을 수상한 초해상도 현미경법에는 ‘PALM’과 ‘STED’와 같은 기법이 있습니다. ‘PALM’과 ‘STED’는 특수 광학계와 특수 염료를 이용하여 형광 현미경 해상도의 한계를 뛰어넘는 것을 실현했습니다. 이 외에도 다양한 기술을 이용한 초해상도 현미경이 만들어지고 있으며, 각 업체에서 제품화를 진행하고 있습니다.

2. 형광현미경의 장점

형광현미경의 장점은 분자의 거동이나 세포의 구조 등을 시각적 정보로 자세히 관찰할 수 있다는 점입니다. 목적에 따라 적절한 형광 현미경을 사용하면 시간적, 공간적으로 높은 해상도로 대상을 관찰할 수 있습니다.

여러 가지 색소를 이용하여 대상물을 관찰하는 것도 가능합니다. 예를 들어, 두 개의 서로 다른 단백질을 적색과 녹색의 형광물질로 표지하여 관찰했을 때, 노란색으로 표시된 부분이 있다면 이 두 단백질이 세포 내 같은 위치에 존재할 가능성을 나타냅니다.

목적과 용도에 따라 다양한 형광물질과 형광현미경이 개발되고 있으며, 생명과학 연구와 임상연구에서 그 중요성이 점점 더 커지고 있습니다.