다색 편광 현미경: 무색의 세계에 색을 더하다

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 17340(2015) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

두 개의 결합된 백색 광선의 간섭은 광선 중 하나가 다른 광선에 비해 400 nm에서 2000 nm까지 지연되는 경우 뉴턴 색상을 생성합니다. 이 경우 해당 간섭 스펙트럼 구성 요소는 빔 조합에서 두 개의 스칼라로 추가됩니다. 지연이 400 nm 미만인 경우 2개 빔 간섭으로 인해 회색 음영만 생성됩니다. 간섭 색상은 광물학에서 복굴절 샘플을 분석하는 데 널리 사용됩니다. 그러나 많은 생물학적 구조의 지연은 100 nm 미만입니다. 따라서 일반 편광현미경으로 보면 세포와 조직은 특정 방향에서 대비가 사라지는 회색 영상으로 보입니다. 여기서 우리는 복굴절 구조의 방향에 따라 색상이 결정되는 수 나노미터의 지연에서 전체 스펙트럼 색상이 생성되는 편광의 벡터 간섭을 사용하여 처음으로 제안합니다. 이전에는 무색이었던 세포 소기관, 세포 및 조직의 복굴절 이미지가 선명한 색상으로 변합니다. 이 접근법은 약한 복굴절 구조를 가진 생물학적 표본 연구, 다양한 질병 진단, 낮은 복굴절 결정의 이미징 및 광선의 색상 제어를 위한 새로운 방법 생성에 대한 새로운 가능성을 열어줄 수 있습니다.

자연 백색광은 380 nm ~ 700 nm 범위의 파장을 갖는 단색파의 혼합으로 구성됩니다1. 광선이 두 부분으로 분산된 다음 재결합되면 간섭을 관찰할 수 있습니다. 각 단색파는 고유한 간섭 패턴을 생성합니다. 일부 파동은 상쇄 간섭을 경험하고 강도가 감소합니다. 보강 간섭으로 인해 다른 파동의 강도가 증가합니다. 결합된 빔은 뉴턴 간섭 색상을 나타냅니다. 색상은 상쇄 간섭으로 인해 스펙트럼에서 누락된 파장에 의해 결정됩니다.

간섭 색상에는 두 가지 유형이 있습니다. 하나는 두 간섭 빔 사이의 초기 제로 위상 변이(흰색 무색 무늬, 보강 간섭)이고 다른 하나는 초기 반파장 위상 변이(검은색 무색 무늬, 상쇄 간섭)입니다2,3,4,5 . 이는 뉴턴의 색상 척도로 설명되는 보색 색상 시퀀스를 생성합니다. 두 번째 유형의 간섭 색상은 비누 방울, 두 개의 가까운 구형 및 평면 유리 표면(뉴턴 색상 링), 웅덩이의 기름 자국 또는 젖은 아스팔트의 기름 얼룩 등에서 반사되는 동안 나타납니다. 이러한 유형의 간섭은 간섭 및 편광 현미경은 낮은 지연 변화에 더 민감하고 샷 노이즈가 적기 때문입니다. 지연이 작은 경우(<200 nm), 상쇄 간섭은 모든 파장에 대해 동시에 완화되고 영역의 밝기는 먼저 백색 스펙트럼 구성으로 증가합니다. 그러나 지연이 400nm에 가까워지면 스펙트럼의 파란색 부분이 억제되고 표본이 노란색으로 변한 다음 빨간색으로 변합니다. 지연이 600 nm에 도달하면 스펙트럼의 빨간색 부분이 차단되고 표본이 파란색으로 변한 다음 녹색으로 변합니다. 지연이 2000nm에 도달할 때까지 이 순서로 색상이 3번 더 변경됩니다. 그러면 간섭 색상이 흰색으로 바뀌고 해당 지역의 스펙트럼 구성을 사용하여 지연을 더 이상 확실하게 결정할 수 없습니다. 편광 착색은 수년 동안 광물학 및 암석학에서 널리 사용되었습니다6,7,8,9,10,11,12. 그러나 이전에는 많은 생물학적 표본이 수십 nm 이하의 지연을 나타내어 무색이었기 때문에 이 현상을 생물학에 활용할 수 없었습니다.

우리는 수 nm의 지연율에서 간섭색을 생성하는 새로운 다색 편광 현미경(다색 폴스코프)을 개발했습니다. 전통적인 뉴턴 색상에서는 동일한 편광 상태와 빔 진폭을 갖는 간섭 빔이 두 개의 스칼라로 추가되어야 합니다. 간섭 색상을 생성하는 접근 방식에서는 두 개의 벡터로 추가되는 간섭 빔의 빔 편광과 진폭을 활용합니다. 다색 폴스코프에서 색상은 지연이 아니라 복굴절 구조의 방향에 따라 결정됩니다. 따라서 훨씬 낮은 지연에서 전체 스펙트럼 색상을 얻을 수 있습니다. 다색 폴스코프는 디지털 계산 없이도 방향에 무관한 복굴절 이미지를 보여줍니다. 눈이나 카메라는 지연에 해당하는 밝기와 느린 축 방향에 해당하는 색상을 사용하여 안구를 통해 실시간으로 컬러 편광 이미지를 직접 볼 수 있습니다. 이전에는 무색이었던 세포 소기관, 세포 및 조직의 복굴절 이미지가 선명하게 착색됩니다.