필터 큐브: 형광 현미경의 핵심 구성 요소 및 기능

형광 현상

• 형광은 형광체가 여기 파장의 빛을 흡수하고 더 긴 방출 파장에서 다시 방출할 때 발생합니다.

• 예를 들어, 생물학적 응용 분야에서는 특정 단백질이나 세포 구조를 형광단으로 표지할 수 있습니다. Cy5는 관심 분자를 표지할 수 있는 널리 사용되는 형광단입니다. Cy5는 약 649nm에서 빛을 흡수하고 670nm에서 빛을 방출하며, 여기되면 원적외선 형광을 생성합니다.

조명 및 감지

• 형광 현미경은 여기(excitation)를 위해 고강도 광원을 사용합니다. 전통적으로 수은, 할로겐 또는 제논 램프가 사용되었지만, 현재는 LED 기반 광원이 선호됩니다. LED 기반 광원은 더 긴 수명, 더 높은 여기 효율, 그리고 소형 집적도를 제공합니다.

• 형광체가 여기되어 형광을 방출하면, 현미경은 이 방출된 빛을 감지해야 합니다. 이 부분에서 광학 부품, 특히 필터 큐브가 중요한 역할을 합니다.

필터 큐브의 구성 요소

형광현미경의 일반적인 필터 큐브는 여기 필터, 이색 거울, 방출 필터라는 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.

• 여기 필터 : 이 필터는 사용 중인 형광체의 여기 파장과 일치하는 특정 파장 범위의 빛만 투과시키도록 설계되었습니다. 광원에서 나오는 다른 모든 파장의 빛은 차단합니다. 예를 들어, 청색광(약 450~490nm)으로 여기되는 형광체를 사용하는 경우, 여기 필터는 이 청색광만 통과시키고 자외선, 녹색광, 적색광 및 기타 파장은 차단합니다. 이를 통해 형광체를 여기시키는 데 적합한 빛만 시료에 도달합니다.

• 다이크로익 거울 : 다이크로익 거울은 짧은 파장(여기 영역)의 빛을 반사하고 긴 파장(방출 영역)의 빛을 투과하는 핵심 부품입니다. 여기 필터에서 나온 빛이 다이크로익 거울에 도달하면 거울은 여기된 빛을 시료 쪽으로 반사합니다. 시료의 형광체가 여기되어 더 긴 파장의 형광을 방출하면, 다이크로익 거울은 방출된 빛이 방출 필터로 가는 길을 통과하도록 합니다.

• 방출 필터 : 방출 필터는 검출기에 도달하는 빛을 더욱 정밀하게 정제합니다. 이 필터는 형광체에서 방출되는 형광만 투과시키고, 이색성 거울을 통과했거나 시스템 내에서 산란된 나머지 여기광은 차단하도록 설계되었습니다. 잔류 여기광은 배경 잡음을 유발하고 형광 이미지의 대비를 감소시킬 수 있으므로 이 필터는 중요합니다. 예를 들어, 형광체가 녹색광(약 500~550nm)을 방출하는 경우, 방출 필터는 이 녹색광 영역만 검출기(예: 카메라 또는 현미경의 접안렌즈)로 통과시킵니다.

필터 큐브 전체의 기능

• 필터 큐브는 원치 않는 방사선을 최소화하면서 형광 신호를 극대화하도록 설계되었습니다. 여기 필터, 이색성 거울, 방출 필터의 특성을 신중하게 선택함으로써 현미경을 다양한 형광단에 최적화할 수 있습니다. 현미경 제조업체는 다양한 광학 특성을 가진 다양한 필터 큐브를 제공하므로, 연구자는 적절한 큐브를 선택하여 특정 형광단을 표적으로 삼을 수 있습니다. 예를 들어, 다색 형광 현미경 실험에서 다양한 필터 큐브를 사용하여 다양한 세포 구성 요소에 표지된 여러 형광단을 개별적으로 검출할 수 있습니다.

• 경우에 따라 맞춤형 필터 큐브를 제작할 수 있습니다. 예를 들어, 형광 현미경을 통해 InGaN/GaN 발광 다이오드(LED)의 특성 분석에서 청색 및 자색 스펙트럼 영역에 접근하기 위해 변형된 광학 필터 소자를 제작했습니다. GaN과 InGaN 층의 밴드갭 에너지가 비슷하기 때문에 여기광과 발광광을 분리하는 것이 어려웠지만, 맞춤형 필터 큐브는 이전 연구와 유사한 결과를 얻고 발광 특성을 이해하는 데 도움이 되었습니다.