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광학 현미경의 발달

얀센 부자가 현미경을 발명한 후 4백년 동안 거듭 개량을 해온 현미경은 이제 더이상의 성능은 이론상 바람직하지 않을 정도에 도달했다.

현미경의 성능을 나타낼 때 분해능(分解能)이라는 용어가 쓰인다. 분해능은 '식별할 수 있는 두 점 사이의 최소 거리'라고 정의된다. 분해능에는 한계가 있다는 것을 이론적으로 나타낸 사람은 아베였다(1873년).

d＝0.61λ/n sinαd는 분해능, λ(lambda)는 빛의 파장, n은 대물 렌즈와 물체 사이의 매질(媒質)의 굴절률, α는 대물 렌즈에 입사(入射)하는 빛과 광축(光軸)이 이루는 최대 각도를 각기 나타낸다. 또 n sinα를 대물 렌즈의 개구수(開口數)라고 한다. 현미경의 분해능을 좋게 한다는 것은 d를 최대한 작게 한다는 것이다. 그러기 위해서는 λ를 작게 하거나 α를 크게 해야 한다. 그런데 가시광선에는 파장 0.4-0.5μm이라는 범위가 있으며, λ는 작아도 0.4μm이 한계이다. 또 α는 입사광과 광축이 이루는 각도이므로 sin α는 1을 넘는 일이 없다(실험적으로는 0.94까지 가능하다). n은 공기에서 1, 물에서 1.33, 세다유에서 1.51이다. λ, sin a, n의 최대치를 취하여 분해능을 계산하면 d

0.172μm가 된다. 즉, 광학 현미경의 분해능은 약 0.2μm약(弱)으로, 이 이상 접근한 두 점은 광학 현미경에서는 두 점으로 인정할 수가 없다.

현미경은 사물을 확대해서 보는 장치이기 때문에 몇 배까지 확대할 수 있는가 하는 요소도 중요하지만 분해능, 즉 어느 정도 세밀한 것을 찾을 수 있는가 하는 요소는 더욱 중요하다.

현미경의 성능을 나타낼 때 해상력(解像力)이라는 용어도 자주 쓰인다. 분해능과 같은 의미로 생각하는 사람이 많은데, 둘은 각기 다른 정의를 갖고 있다. 예를 들어 인간의 정상적인 눈은 75μm 간격을 식별할 수 있기 때문에 분해능은 75μm이 된다. 그러나 보려고 하는 물체가 약간 어두운 곳에 놓여 있을 경우에는 75μm의 간격은 분간할 수 없고, 예를 들어 100μm의 간격이 없으면 판별할 수 없게 된다. 이런 경우 이 눈은 75μm의 분해능을 갖지만 100μm의 해상력밖에 발휘할 수 없다고 한다. 바꾸어 말하면 분해능은 가장 좋은 조건하의 해상력을 의미하며, 이 둘은 항상 같다고는 할 수 없다.

여러 가지 특수 현미경

보통 광학 현미경 외에 다음과 같은 특수 현미경이 있다.

위상차현미경

位相差顯微鏡

예를 들어 아주 큰 물체이지만 명암이 없어 보이지 않는 것이 있다. 이 같은 물체를 관찰하려고 네덜란드의 제르니케가 1935년에 고안한 것이 위상차 현미경이다. 살아 있는 세포는 보통 무색 투명에 가깝기 때문에 내부 구조의 식별이 곤란하다. 그래서 광학 현미경의 집광기를 빼고 그 대신 위상판이 든 대물 렌즈와 집광기를 부착하여 관찰하면 살아 있는 세포내의 구조를 알 수 있다. 위상판은 그곳을 통과하는 직접광이나 회절광의 한쪽 파장을 빗나가게 하여 직접광을 적당히 흡수하고, 물체의 광학적 두께(물체의 굴절률과 두께의 제곱)의 차를 명암의 차로 바꾼다. 이리하여 위상차 현미경은 생세포 연구에 불가결한 것이 되었다.

형광현미경

螢光顯微鏡

형광 현미경은 자외선을 광원으로 하여 세포내의 형광 물질을 관찰하는 현미경이다. 비타민 A·클로로필·리보플라빈 등 형광성 물질은 자외선을 받으면 강한 형광을 발하기 때문에 이들의 세포내 분포를 알 수 있다. 또 형광성 색소로 생체 염색을 하여 세포 기관의 변화나 물질의 이동 등을 관찰할 수도 있다. 최근에는 특수한 형광성 색소를 항체와 결합시켜 세포나 조직의 프레파라트 위에서 항원 항체 반응을 일으켜 이것을 형광 현미경으로 관찰하여 항원의 존재나 분포 등을 알 수 있다. 이 방법을 형광 항체법이라 하며, 면역학에서는 중요한 연구 수단이다.

한외현미경

限外顯微鏡

물체를 조명할 때 대물 렌즈의 개구수보다 작은 중심부의 빛을 모두 차단하고 주변부의 빛으로만 물체를 조명하면 물체 속의 미립자는 빛을 회절하여 밤하늘의 별처럼 암흑의 시야 속에 빛나 보인다. 이 방법을 사용하면 보통 현미경으로는 보이지 않는 미소한 것(0.2-0.004μm)의 존재를 인식할 수 있다. 이런 현미경을 한외 현미경이라 하며, 그 조명법을 암시야 조명법이라고 한다. 가장 간단한 암시야 조명법은 보통 집광기 렌즈 윗면에 렌즈보다 약간 작은 검은 종이를 붙이기만 하면 된다. 또 보통 현미경에는 중심 차단판이라는 것이 붙어 있는데, 이것을 집광기 렌즈 밑에 삽입하면 된다. 한외 현미경은 미소한 입자의 존재는 알 수 있어도 그 형태를 정확히 볼 수는 없다.

이상 소개한 현미경 외에도 예를 들어 가시광선을 광원으로 하는 편광 현미경, 비가시광선을 광원으로 하는 자외선 현미경과 적외선 현미경 등이 있다.

전자 현미경

전자 현미경 발명의 배경에는 전자선에 관한 많은 기초 연구가 있다. 전자 현미경 개발에 직접 착수한 것은 베를린 공과대학의 루스카 등을 중심으로 한 연구팀이다. 1933년에는 대물·촬영 두 렌즈로 이루어진 전자 현미경을 조립하고, 약 1만 배의 상(像)을 얻어 광학 현미경의 분해능보다 뛰어나다는 것을 실증했다. 그 후 독일의 지멘스사를 중심으로 하여 전자 현미경의 개량이 추진되어 1939년에 세계 최초로 전자 현미경이 시판되었다. 그 후에도 전자 현미경의 개량 연구는 끊임없이 계속되어 독일은 말할 것도 없고 미국, 영국, 네덜란드 등이 앞을 다투어 연구 개발을 하여 오늘날의 기초를 만들었다.

전자 현미경은 원리적으로나 구조적으로나 광학 현미경과 근본적으로 다르다. 가장 큰 차이점은 전자 현미경은 광선 대신 전자선을 사용한다는 것이다. 광학 현미경은 유리렌즈를 사용하여 상을 만드는데, 전자선은 유리를 통과하지 못하기 때문에 전자 렌즈를 쓴다. 전자 렌즈는 전자석으로 자계를 만들어 이것으로 전자선을 수렴 또는 발산시키는 장치이다. 고성능 전자 현미경은 대물·중간·촬영 세 개의 렌즈가 삽입되어 있어 각 렌즈로 상을 확대하여 최종상(像)은 50만 배나 된다.

전자는 매우 가볍기 때문에 분자에 충돌하면 튕겨나간다. 그 때문에 경통(鏡筒) 내에 공기가 있으면 전자가 활발하게 움직일 수가 없다. 따라서 광학 현미경에서는 볼 수 없는 커다란 배기계(系)가 있으며, 전자 현미경의 경통 내에는 10－4-10－mmHg이라는 진공도가 유지된다.

또 전자 현미경에는 복잡하고 큰 전자계가 있다는 점도 광학 현미경과 다르다. 전자계의 중요한 점은 전자를 가속시키기 위해 고전압을 발생시키는 장치와 각 전자 렌즈의 강도(强度)를 바꾸기 위한 전원 부분 등이다. 보통 전자 현미경은 5-10만 볼트로 전자를 가속한다. 전자선의 파장은 가속 전압의 평방근에 반비례하여 짧아지는 성질이 있다. 예를 들어 10만 볼트를 사용했을 때의 전자선의 파장은 약 0.0039nm(나노미터)이다. 또 아베의 이론에서 현미경의 분해능은 파장에 반비례하여 좋아진다. 따라서 전자 현미경의 분해능이 광학 현미경에 비해 매우 뛰어나다는 것을 알 수 있다. 그런데 현재 가장 뛰어난 전자 현미경의 분해능은 약 0.12nm(광학 현미경으로는 200nm＝0.2μm)이다.

앞에서 설명한 것은 투과형 전자 현미경인데, 최근 주사형(走査型) 전자 현미경이 개발되어 영국(1964년) 및 일본(1965년)에서 시판되었다. 주사형 전자 현미경은 텔레비전이나 전송 사진과 비슷한 원리로 만들어진다. 즉, 아주 가늘게 묶은 전자선 다발로 시료(試料)를 주사하여 시료면에서 나오는 2차 전자나 반사 전자 등을 전류로 바꾼다. 그리고 그것을 전기 신호에 동조하여 텔레비전의 브라운관 위의 주사선의 휘도(輝度)를 변조시켜 상(像)을 만든다. 전자선 다발로 조사(照射)된 시료면에서 발생하는 전자는 시료의 모양이나 구성 물질 등으로 변화한다. 또 주사 전자 현미경의 초점 심도(深度)는 상당히 크기 때문에 요철이 많은 시료를 관찰할 때에도 입체감있는 선명한 상을 얻을 수 있다.

최근 전자 현미경은 미세한 것을 확대해서 보는 현미경 본래의 기능 외에 세포내에 존재하는 미량 물질의 고정, 분포 상태, 분자의 입체 구조의 분석 등 분석 기계로서의 성능이 계속 증대하고 있다.