How big is 광학 현미경으로 볼 수 있는 가장 작은 크기?
200 奈米!
가시광선과 유리 렌즈로 상을 만드는 일반적인 광학 현미경은 약 200나노미터, 즉 0.2마이크로미터보다 작은 세부 구조를 보여 줄 수 없다. 나노미터는 10억분의 1미터이고, 마이크로미터는 100만분의 1미터이다. 이 한계는 빛이 파동으로 행동하는 방식에서 비롯되며, 대략적인 값이다.
크기
이 한계는 분해능에 대한 것이다. 분해능은 현미경이 두 점을 여전히 따로 떨어진 점으로 보여 줄 수 있는 가장 짧은 거리이다. 그보다 가까운 두 점은 하나로 흐려져 보인다. 이 한계는 배율과 관계가 없다. 배율이 약 1,000배를 넘으면 상을 더 확대해도 상이 커질 뿐 더 많은 세부 구조가 보이지는 않는다.
1873년에 현미경학자 에른스트 아베는 분해능이 빛의 파장에 따라 달라진다는 것을 보여 주는 식을 발표했다. 가장 좋은 경우 분해능은 파장의 약 절반이다. 계산의 흔한 형태 하나는 파장을 개구수의 2배로 나누는 것이다. 개구수는 렌즈가 빛을 얼마나 모으는지를 나타내는 수이다.
가장 좋은 렌즈는 기름 한 방울을 통해 들여다보며, 개구수가 약 1.4에 이른다. 파장이 550나노미터인 녹색광에서는 약 0.2마이크로미터 떨어진 세부 구조를 구분할 수 있다. 파장이 700나노미터인 붉은색 빛에서는 같은 종류의 계산이 더 거친 한계를 주고, 보라색 빛에서는 더 고운 한계를 준다.
크기 비교
- 적혈구는 지름이 약 7.5마이크로미터로 한계의 약 37배이므로 모양이 뚜렷하게 보인다.
- 미미바이러스 입자는 지름이 약 750나노미터로 한계의 4배에 가깝다. 광학 현미경으로 볼 수 있을 만큼 크며, 바이러스로서는 드문 경우이다.
- HIV 입자는 지름이 약 145나노미터로 한계보다 작아서, 광학 현미경으로는 모양을 볼 수 없다.
- 사람 머리카락의 굵기는 80~100마이크로미터이며, 그 안에 한계 크기의 세부 구조 약 400~500개가 들어간다.
- 한계를 미터법 자의 가장 작은 눈금인 1밀리미터 크기로 확대한다면, 사람 머리카락은 굵기가 40~50센티미터일 것이다. HIV 입자는 지름이 약 0.7밀리미터로, 자의 눈금 하나보다 작을 것이다.
모양은 보지 못해도 점은 볼 수 있다
이 한계는 세부 구조에 대한 것이며, 무언가가 있다는 것 자체를 감지하는 일에 대한 것은 아니다. 빛을 내는 분자 하나는 다른 어떤 발광 분자와도 0.2마이크로미터보다 멀리 떨어져 있다면 일반 현미경에서 빛의 점으로 나타날 수 있다. 이 점은 한계 크기만큼 번져 보이므로, 분자가 어디에 있는지는 알려 주지만 어떻게 생겼는지는 알려 주지 않는다.
파장이 짧을수록 더 미세한 세부 구조를 볼 수 있다. 근자외선을 쓰는 현미경은 가시광선을 쓰는 현미경보다 더 작은 세부 구조를 구분할 수 있다. 전자 현미경은 훨씬 더 멀리 나아간다. 전자 현미경이 쓰는 전자는 파장이 약 0.005나노미터인 파동처럼 행동하며, 이는 빛의 파장보다 훨씬 짧다.
한계를 넘어서기
20세기 대부분의 기간 동안 과학자들은 광학 현미경이 약 0.2마이크로미터보다 작은 것은 결코 보여 줄 수 없다고 믿었다. 슈테판 헬은 1994년에 이 한계를 피해 가는 방법을 제안했고, 2000년에 그 방법이 실제로 작동함을 보여 주었다. 그의 방법은 빛 펄스 하나로 분자가 빛을 내게 하고, 고리 모양의 두 번째 레이저 빔으로 아주 작은 한 점에 있는 분자만 남기고 나머지는 모두 끈다.
W. E. 머너와 에릭 베치그는 또 다른 방법을 개발했다. 이 방법은 한 번에 빛을 내는 분자 몇 개만 켜고 여러 장의 영상을 합친다. 세 사람은 “초고해상도 형광 현미경의 개발”의 공로로 2014년 노벨 화학상을 함께 받았다. 이 상을 수여하는 스웨덴 왕립과학원의 표현으로는, 이들의 연구 덕분에 “현미경학이 나노스코피가 되었다”.
출처
- How the optical microscope became a nanoscope. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
- The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
- Resolution. Nikon MicroscopyU.
- Numerical Aperture. Nikon MicroscopyU.
- Instruments of Microscopy. In Microbiology. OpenStax, 2016.
- Erythrocytes. In Anatomy and Physiology, 2nd edition. OpenStax, 2022.
- Structural Studies of the Giant Mimivirus. Xiao et al., PLoS Biology, 2009.
- Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology. Legendre et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014.
- Structural organization of authentic, mature HIV-1 virions and cores. Briggs et al., The EMBO Journal, 2003.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.