현미경 (편집) - 시드위키

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顯微鏡 / Microscope

육안으로 관찰이 불가능한 물체를 확대하여 관찰하는 도구이다. 현미경의 발명과 발전은 [[생물학]], 의학, 재료과학, 나노기술 등 수많은 학문 분야에서 혁명적인 발견과 진보를 이끌어냈으며, 현대 과학 연구에 없어서는 안 될 핵심 도구로 자리매김하고 있다.

== 역사 ==
* 네덜란드의 안경 제작자 한스 얀센과 그의 아들인 자카리아스 얀센이 1590년대에 여러 개의 렌즈를 조합해 최초의 복합 현미경을 만들었다고 알려져 있다. 단 구체적인 제작 시기나 관련 증거가 부족하다는 의견도 존재한다.
* 안토니 판 레이우엔훅은 단일 렌즈를 정교하게 연마해 최대 270배의 현미경을 제작하였다. 이를 통해 미생물이나 적혈구, 정자 등을 관찰하고 기록하였다. 
* 로버트 훅은 자신이 개량한 복합 현미경으로 코르크 조각을 관찰하여 작은 방 모양의 구조를 발견하고 이를 수도원 방(cell)을 닮았다고 '세포(cell)'라고 명명했다. 그의 저서 마이크로그라피아(Micrographia)(1665)는 현미경 관찰을 통한 다양한 발견을 담고 있다.
* 19세기가 되자 렌즈의 색수차와 구면수차를 줄인 고품질 대물렌즈가 개발되었고, 에른스트 아베는 광학 현미경의 해상력 한계에 대한 이론(아베의 회절 한계)을 정립하여 현미경 설계에 큰 영향을 미쳤다.
* 1931년 독일의 에른스트 루스카와 막스 놀이 빛 대신 전자선을 이용하는 최초의 투과전자현미경(TEM)을 개발하여 광학 현미경의 해상력 한계를 뛰어넘는 길을 열었다.
* 1930년대 네덜란드의 프리츠 제르니커는 염색하지 않은 살아있는 세포를 관찰할 수 있는 위상차 현미경을 발명하여 1953년 노벨 물리학상을 수상했다.

이후 주사전자현미경(SEM), 공초점 현미경 등 다양한 현미경 기술이 등장했으며, 2014년 노벨화학상을 수상한 초고해상도 형광 현미경 기술(STED, PALM, STORM 등)은 기존의 회절 한계를 극복하고 나노미터 수준의 분자 관찰을 가능하게 했다.

== 종류 ==
=== 명시야 현미경 ===
Bright-field microscope

기초 생물학이나 미생물학 연구에서 가장 널리 이용되는 현미경이다. 대물렌즈와 접안렌즈의 두 렌즈로 이루어져 있는 표준적인 명시야 현미경은 시료를 100배, 400배, 1,000배로 확대할 수 있다. 복합 광학현미경의 배율은 대물렌즈와 접안렌즈의 배율을 곱한 값이다. 시료는 시료와 배경간의 대비차(contrast)를 이용해 관찰되며, 대비차는 시료가 빛을 흡수하거나 분산하여 일어난다. 대부분의 미생물은 주위 배경과 대비차가 부족해 명시야현미경으로 관찰하기 어렵다. 따라서 대비차를 높이기 위해 시료에 염색을 한다.

=== 암시야 현미경 ===
Dark-field microscope

특수한 집광렌즈를 사용해 렌즈의 빗각에서 시료에 빛을 집중시켜 시료에 의해 산란된 빛만 대물렌즈를 통과해 보이도록 하고, 시료를 통과하지 않은 빛은 대물렌즈 속으로 들어가지 않게끔 설계되어 있다. 따라서 암시야 현미경에서 시료는 어두운 배경에서 밝게 빛나 보인다. 암시야 현미경은 염색하기 어려운 스피로헤타(Spirochaeta)와 같은 투명한 균체를 관찰할 때나 크기가 너무 작아 관찰이 어려울 때, 살아있는 미생물의 운동성을 관찰할 때 주로 사용된다. 또한, 대비차를 높이기 위해 염색할 필요가 없다.

=== 위상차 현미경 ===
Phase-contrast microscope

염색하지 않은 상태에서 살아있는 세포를 볼 수 있도록 세포와 주위와의 대비차를 높이기 위해 개발된 현미경이다. 시료를 투과하는 빛의 굴절율과 주위 빛의 굴절율의 차이를 이용한다. 세포 분열, 운동성, 세포 내 소기관의 변화 등 살아있는 세포의 동적인 과정을 연구하는 데 유용하다. 요즘 현미경은 단순한 명시야 기법, 위상차, 차등간섭 대조가 가능하도록 갖춰져 있다.

=== 형광 현미경 ===
Fluorescence microscope

시료가 형광염료로 염색되고 한 파장의 빛으로 조사될 때 다른 파장의 빛을 방사해 관찰되게끔 고안된 현미경이다. 두 쌍의 필터를 통해 광원의 빛이 통과한다는 것 외에는 광학현미경과 유사하다. 첫 번째 필터는 빛이 표본에 도달하기 전에 특정 형광염료를 여과시킬 수 있는 파장의 빛만 통과할 수 있도록 여과한다. 두 번째 필터는 첫 번째 필터를 통과한 빛을 막고 형광염료가 방출하는 파장의 빛만 통과시킨다. 형광으로 혐색된 물체는 어두운 바탕에 밝은 색을 나타낸다. 형광색소 플루오레세인이소티오시안산염(fluorescein isothiocyanate)은 청색광으로 조사될 때 녹색광을 방사한다. 형광현미경은 주로 임상진단 미생물학, 면역학, 미생물생태학에 이용된다.

=== 전자 현미경 ===
Electron microscope

전자 빔을 이용하는 것으로, 전자선의 파장은 가시광선보다 훨씬 짧기 때문에 광학현미경보다 고해상도, 고배율의 영상을 얻을 수 있으며, 세포의 상세한 구조를 연구할 때 널리 사용된다. TEM(Transmission electron microscope)과 SEM(Scanning electron microscope)이 있다. TEM을 사용하기 위해선 시료를 극도로 얇게 써는 마이크로톰(ultramicrotome)이 필요하다. SEM은 생물학적 구조에 대해 많은 것을 알려준다.

=== 초고해상도 현미경 ===
Super-resolution microscopy

광학 현미경은 빛의 회절 현상 때문에 약 200nm 이하의 두 점을 구분할 수 없는 해상력 한계를 가진다. 초고해상도 현미경은 이러한 회절 한계를 극복하거나 우회하여 수십 나노미터 수준의 해상도를 구현하는 다양한 형광 현미경 기술들을 통칭한다. 대표적인 기술로는 다음과 같은 것들이 있다.

* STED(Stimulated Emission Depletion) 현미경: 레이저와 함께 도넛 모양의 소모(depletion) 레이저를 사용하여 형광 영역의 크기를 회절 한계보다 작게 줄인다.
* PALM(Photoactivated Localization Microscopy) / STORM (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy): 특수한 형광 분자를 사용하여 한 번에 소수의 분자만 무작위적으로 활성화시킨 후, 각 분자의 정확한 위치를 찾아내어 이미지를 재구성한다.

이러한 기술들은 살아있는 세포 내에서 단일 분자 수준의 동적 과정을 관찰하는 것을 가능하게 하여 생명과학 연구에 새로운 지평을 열었다. 이 공로로 에릭 베치그, 슈테판 헬, 윌리엄 머너는 2014년 노벨화학상을 수상했다.

== 해상력 ==
광학현미경의 해상력은 빛의 파장(<math>\lambda</math>)과 구경수(numerical aperture, NA)라 불리는 대물렌즈의 성질에 따라 달라진다. 이를 수식화하면

>해상력(R) = 0.5λ/NA

로 나타낼 수 있다. NA는 렌즈에 들어갈 수 있는 빛의 양을 나타내며, 시료와 대물렌즈 앞쪽 사이에 있는 매질의 굴절률과 대물렌즈에 들어가는 빗광의 각도에 영향을 받는다. NA를 계산하는 공식은 아래와 같다.

>NA = v X sinθ

광학현미경의 해상력 한계는 가시광선의 물리적 성격에 의해 규정되어 있는데, 이를 해상력 한계(limit of resolution)라 한다. 가시광선의 파장 범위가 400-700nm이고 이론적인 해상력 한계가 <math>\lambda/2</math>이므로 해상력의 한계는 약 200-350nm이다.

== 영상 ==
[youtube(psQbiEy1Pcw)]

[Include(틀:가져옴2,O=오메가, C=[[https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/deed.ko|CC BY-NC-SA 3.0]])]

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