페삭 벤슨 기자 • 2025년 6월 3일
예루살렘, 2025년 6월 3일 (TPS-IL) — 획기적인 발전으로 이스라엘과 독일 과학자들이 분자 하나 안의 개별 원자를 영상화할 수 있을 만큼 미세한, 10억분의 1미터만큼 작은 특징을 분해할 수 있는 MRI 장치를 개발했습니다. 이 획기적인 성과는 상온 조건에서 자기 공명 영상이 나노미터 수준의 해상도에 도달한 최초의 사례입니다.
기존 병원 MRI 기기는 약 0.1밀리미터의 해상도로 작동하며, 이는 인체를 단면으로 영상화하기에는 충분하지만 분자 구조를 시각화하기에는 너무 거칩니다. 나노 스케일로 MRI를 축소하려는 이전의 노력들은 극저온과 같은 극한 조건에 의존하거나 개별 원자를 구별하는 데 필요한 민감도와 해상도가 부족했습니다.
와이즈만 과학 연구소의 아미트 핑커 박사 연구실에서 박사 과정 학생인 리오라 셰인 루보미르스키가 주도한 이 획기적인 연구는 동료 검토를 거친 Communications Physics 저널에 게재되었습니다.
핑커 박사는 “이 장치는 이전에는 불가능했던 단일 분자의 구조를 분해할 수 있는 능력을 우리에게 제공합니다. 이것은 단순한 개선이 아니라 MRI가 할 수 있는 것의 재정의입니다.”라고 말했습니다.
연구에는 독일 슈투트가르트 대학의 라이너 슈토르 박사와 안드레이 데니센코 박사, 그리고 텔아비브 대학의 야든 마조르 박사도 참여했습니다.
장벽을 극복하기 위해 과학자들은 여러 혁신을 결합했습니다. 첫째, 새로운 종류의 자기장 생성기를 개발했습니다. 석영 팁 위에 헤링본 패턴으로 성형된 금 전도체를 사용하여, 전기 전류가 가해지면 매우 가파른 자기 구배를 생성합니다. 이 구배는 표준 MRI 기기의 미터당 0.1 테슬라에 비해 미터당 1,000 테슬라로 10,000배 더 강력하여, 장치가 10억분의 1미터만큼 떨어진 원자들을 구별할 수 있게 합니다.
핑커 박사는 “핵심은 자기장의 절대적인 강도를 높이는 것이 아니라 거리에 따라 얼마나 날카롭게 변하는지를 높이는 것이었습니다. 이 구배 덕분에 원자들이 매우 가까이 있어도 각 원자에 고유한 공명 주파수를 할당할 수 있습니다.”라고 설명했습니다.
또한 팀은 합성 다이아몬드 내의 질소-공극(NV) 센터 사용에 있어 상당한 발전을 이루었으며, 이는 초민감 양자 센서 역할을 합니다. 이전에는 NV 센터가 근처 원자의 존재를 감지할 수 있었지만, 원자들을 구별하지는 못했습니다. 즉, 신호를 평균화했을 뿐입니다. 새로운 자기 구배는 이를 변화시켜, 각 원자에 NV 센터가 읽을 수 있는 고유한 ‘서명’을 효과적으로 부여합니다.
루보미르스키는 “이전에는 분자 내의 다른 수소 원자들의 신호를 분리할 수 없었습니다. 이제 각 수소 원자는 위치에 따라 다른 주파수로 나타나, 분자의 고해상도 이미지를 재구성할 수 있습니다.”라고 말했습니다.
이 시스템의 또 다른 새로운 측면은 자기장이 전자적으로 제어되고 스위칭 가능하다는 것입니다. 자기장이 고정된 자석이 아닌 전류에 의해 생성되기 때문에, 0.6마이크로초 만에 켜고 끌 수 있습니다. 이러한 온디맨드 제어는 스캔 중 간섭을 줄이고 더 정확한 측정을 가능하게 합니다.
중요하게도, 이 시스템은 많은 경쟁 방법과 달리 상온에서 작동합니다. 핑커 박사는 “우리가 제안한 방법을 사용하는 나노MRI 장치는 실제 세계에서 사용되는 것과 동일한 조건에서 재료를 검사할 수 있을 것입니다. 이는 기초 과학과 산업 응용 모두에 있어 엄청난 발전입니다.”라고 말했습니다.
이러한 함의는 특히 제약 및 재료 산업에 유망합니다. 오늘날 자기 공명 기술은 이미 약물의 순도와 구성을 확인하는 데 사용되고 있지만, 대량 샘플에 한해서입니다. 새로운 나노MRI는 연구자들이 단일 분자를 테스트할 수 있게 하여 샘플 요구 사항을 크게 줄이고 개발 일정을 가속화할 수 있습니다.
제약 산업에서 개별 분자를 스캔하는 것은 연구자들이 의약품 활성 성분의 정확한 구조, 배열 및 순도를 확인할 수 있게 합니다.
초전도체, 촉매 또는 나노 물질과 같은 첨단 재료의 경우, 개별 원자가 어떻게 배열되는지 이해하는 것이 중요합니다. 이 장치는 전례 없는 수준의 세부 정보로 원자 수준에서 구조적 검증을 가능하게 합니다.
또한, 단일 분자를 감지하고 구별할 수 있는 능력은 법의학 또는 보안 응용 분야에서 폭발물, 약물 또는 독소와 같은 미량 화합물을 감지하는 데 유망한 기술입니다.
핑커 박사는 “이것은 분자 영상의 새로운 장의 시작입니다. 우리는 이제 원자 규모로 물질을 매핑할 수 있는 경로를 확보했습니다. 빠르고, 깨끗하며, 상온에서 말입니다.”라고 말했습니다.