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광학 현미경의 해상도는 수백 년에 걸쳐 빛의 회절에 의한 제한을 받아왔으며, 약 200 nm가 XY 해상도의 대략적인 한계로 여겨져 왔습니다. 이는 단일 세포나 세포 수준 이하의 구조를 관찰하기에는 충분할 수 있지만, 세포소기관 이하 크기의 미세 구조나 나노 단위의 생체 단분자를 관찰하기에는 충분하지 않습니다.
최근에는 이 회절 한계를 극복하기 위한 다양한 기술을 활용한 '초해상도' 광학 이미징 기술이 다수 개발되고 있습니다. 초해상도 이미징의 중요성은 2014년 노벨 화학상에서도 인정받았으며, 축삭의 주기적 스캐폴드 구조 등 이미 다양한 발견에 기여하고 있습니다.
형광 표지된 액틴을 포함한 신경세포 배양의 3D-STORM 이미지(Z 위치를 색으로 표시). 니콘 N-STORM 시스템을 사용하여 Prof. Christophe Leterrier(CR1 CNRS)가 촬영.
초해상 현미경 N-STORM은 니콘 현미경 시스템 중 가장 높은 해상도를 달성하며, 광시야 에피 형광 현미경 대비 XYZ 해상도를 약 10배까지 향상시킬 수 있습니다. N-STORM이 탑재되는 도립 현미경 Ti2-E는 퍼펙트 포커스 시스템(PFS)을 통해 높은 안정성을 제공합니다. 이를 통해 Z 스택 STORM 모드에서 축 방향의 미세한 제어가 가능해지며, 최대 5 µm 두께의 이미지를 취득할 수 있습니다. N-STORM을 사용하여 기존의 전반사 형광(TIRF) 이미징을 수행하는 것도 가능합니다.
초해상 공초점 레이저 현미경 시스템 AX/AX R with NSPARC는 넓은 시야, 고해상도, 고속 취득이라는 AX/AX R의 특징을 살리면서 미세 구조를 더 밝고 선명하게 관찰할 수 있는 공초점 시스템입니다. NSPARC는 2차원으로 배열된 25개의 어레이 검출기를 통해 각 스캔 포인트의 공간 정보를 취득하여, XYZ 모든 방향에서 기존 공초점 이미지보다 높은 해상도와 높은 S/N비를 실현합니다. 레조넌트 스캐너를 사용하면 고해상도를 유지하면서 고속 이미지 취득이 가능하여 라이브 셀 이미징 및 타임랩스 관찰에도 적합합니다.
Yokogawa CSU-W1 SoRa 초해상 스피닝 디스크 공초점 시스템은 방출 마이크로렌즈 디스크를 통합하여 광학적 픽셀 재배치(optical pixel reassignment)에 의한 초해상을 실현하는 스피닝 디스크 공초점 장치입니다. CSU-W1 SoRa는 스피닝 디스크 방식을 채택하고 있어 이미지 취득 속도가 빠릅니다.
●: included, ⚬: option
|
초해상 현미경 시스템 |
Yokogawa CSU-W1 SoRa |
공초점 현미경 시스템 |
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|---|---|---|---|
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상대적 광학 해상도 한계 |
~20 nm (XY)* |
~120 nm (XY)* |
100 nm (XY) |
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상대적 이미징 심도 한계 |
~ 5 μm |
~ 50 – 100 μm |
~ 100 – 500 μm |
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지원 이미지 취득 속도 |
~0.1 FPS |
~30+ FPS |
~15 FPS(갈바노 스캐너, 512 x 64 픽셀) |
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지원 분광 채널 수 |
3채널 |
6채널 |
7채널 |
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최대 이미지 취득 범위 |
80 x 80 μm |
61 x 57 μm |
25 mm 대각선(정사각형) |
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호환 현미경 스탠드 |
N-STORM |
CSU-W1 SoRa |
AX/AX R NSPARC |
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도립 현미경 ECLIPSE Ti2-E |
yes |
yes |
yes |
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도립 현미경 ECLIPSE Ti2-A |
no |
yes |
no |
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도립 현미경 ECLIPSE Ti2-U |
no |
yes |
no |
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정립 현미경 ECLIPSE Ni-E |
no |
no |
yes |
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정립 현미경 FN1 |
no |
no |
yes |
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디지털 도립 현미경 ECLIPSE Ji |
no |
no |
yes |
*이 수치는 대략적인 참고 값으로 제공됩니다. 해상도 성능은 정확한 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 향상이 기대되지 않는 방향의 해상도 추정 값은 제공하지 않습니다.
AX NSPARC로 촬영한 미토콘드리아의 움직임
초해상 이미징은 회절 한계를 초월하여 해상도를 향상시킬 수 있지만, 각 기술에는 고유한 제한과 트레이드오프가 있습니다. 따라서 어떤 기술이 연구에 가장 적합한지 판단하기 위해서는 이를 충분히 이해하는 것이 필요합니다.
가장 중요한 점은 초해상 이미지의 취득 속도가 일반적으로 기존 관찰 방법보다 느리다는 것입니다. N-STORM을 이용한 이미징은 취득 속도가 비교적 느려 프레임당 1초 이상 소요되는 경우가 많아 라이브 셀 이미징에는 적합하지 않습니다. 또한 STORM 등의 SMLM 기술은 해상도를 최대한 향상시킬 수 있지만, 사용 가능한 형광 색소가 제한되어 있어 형광 색소 선택에 주의가 필요합니다.
공초점 현미경 AX/AX R에 장착 가능한 NSPARC는 고해상도와 고속 취득을 양립할 수 있습니다. 또한 사용 가능한 형광 색소 및 형광 프로브의 선택 폭이 넓어 라이브 셀 이미징에도 적합합니다.
Yokogawa CSU-W1 SoRa는 15 FPS 이상의 빠른 이미징 속도를 지원하고 특수 버퍼 시스템 없이 일반 형광 색소를 사용할 수 있어, 초해상 라이브 셀 이미징에 더욱 적합합니다.
도립 현미경 Ti2-E에 장착된 니콘 자동 보정 링 대물렌즈.
다른 이미징 기술과 마찬가지로 초해상 이미징에서도 광학 분해능을 최대화하기 위해서는 대물렌즈의 선택이 가장 중요합니다.
대물렌즈의 개구수(NA)는 적절한 침지 매체를 사용하면서 가능한 한 높은 것을 선택해야 합니다. 니콘 초해상 시리즈 현미경 대물렌즈에는 CFI SR HP Apochromat TIRF 100XC Oil(오일 침지, NA = 1.49), CFI SR HP Plan Apochromat Lambda S 100XC Sil(실리콘 침지, NA = 1.35), CFI SR Plan Apochromat IR 60XC WI(수침, NA = 1.27)가 포함됩니다. 이 대물렌즈들은 각각의 침지 방식에서 최고 수준의 NA를 실현하고 있습니다.
일부 초해상 시리즈 대물렌즈에는 자동 보정 링이 탑재되어 있어, 수동 조작 없이 구면 수차 보정을 전동으로 미세 조정할 수 있습니다. 이를 통해 최고 수준의 해상도와 3D 이미징 성능을 실현합니다.
달팽이관 섬모의 포인트 스캐닝 공초점 이미지. 향상된 해상도 설정 적용 전(왼쪽)과 적용 후(오른쪽)의 XY 및 XZ 뷰.
해결하려는 문제에 필요한 해상도가 기존 방법에서 크게 벗어나지 않는 경우, 초해상 방법이 요구하는 트레이드오프가 필요하지 않을 수 있습니다. 이러한 경우에는 '향상된 해상도(enhanced resolution)' 공초점 이미징의 가능성을 검토하시기 바랍니다.
향상된 해상도 공초점 이미징이란 무엇인가요? 기존 공초점 현미경은 이미 일반 광시야 현미경보다 어느 정도 해상도가 향상되어 있으며, 이론적 한계는 약 140 nm(XY)로 잘 알려져 있습니다. 그러나 이 한계에 도달하려면 무한히 작은 핀홀 조리개가 필요합니다. 실제로는 약 0.5 에어리 유닛(Airy Unit)의 핀홀 크기와 취득 후 3D 반복 디컨볼루션을 조합하여 이 한계에 근접할 수 있으며, 다양한 이미징 조건에서 약 160 nm(XY) 해상도가 현실적인 목표입니다.
니콘 AX / AX R 포인트 스캐닝 공초점 현미경은 향상된 해상도 이미징이 가능합니다. 가시광선 영역의 대부분의 형광 색소에 대해 검출을 정밀하게 조정할 수 있으며, 최대 4개의 분광 채널을 동시에 취득할 수 있다는 장점이 있습니다. 핀홀은 연속적으로 가변 가능하며 육각형 형태(정사각형이 아닌)로, 보다 정밀한 조정이 가능합니다. AX R 레조넌트 스캐닝 공초점 모델을 사용하면 향상된 해상도를 유지하면서 비디오 레이트(30 FPS)이상의 속도로 이미징할 수 있습니다.