가시광선과 유리 렌즈로 상을 만드는 일반적인 광학 현미경은 약 200나노미터, 즉 0.2마이크로미터보다 작은 세부 구조를 보여 줄 수 없다. 나노미터는 10억분의 1미터이고, 마이크로미터는 100만분의 1미터이다. 이 한계는 빛이 파동으로 행동하는 방식에서 비롯되며, 대략적인 값이다.

크기

이 한계는 분해능에 대한 것이다. 분해능은 현미경이 두 점을 여전히 따로 떨어진 점으로 보여 줄 수 있는 가장 짧은 거리이다. 그보다 가까운 두 점은 하나로 흐려져 보인다. 이 한계는 배율과 관계가 없다. 배율이 약 1,000배를 넘으면 상을 더 확대해도 상이 커질 뿐 더 많은 세부 구조가 보이지는 않는다.

1873년에 현미경학자 에른스트 아베는 분해능이 빛의 파장에 따라 달라진다는 것을 보여 주는 식을 발표했다. 가장 좋은 경우 분해능은 파장의 약 절반이다. 계산의 흔한 형태 하나는 파장을 개구수의 2배로 나누는 것이다. 개구수는 렌즈가 빛을 얼마나 모으는지를 나타내는 수이다.

가장 좋은 렌즈는 기름 한 방울을 통해 들여다보며, 개구수가 약 1.4에 이른다. 파장이 550나노미터인 녹색광에서는 약 0.2마이크로미터 떨어진 세부 구조를 구분할 수 있다. 파장이 700나노미터인 붉은색 빛에서는 같은 종류의 계산이 더 거친 한계를 주고, 보라색 빛에서는 더 고운 한계를 준다.

크기 비교

적혈구는 지름이 약 7.5마이크로미터로 한계의 약 37배이므로 모양이 뚜렷하게 보인다.
미미바이러스 입자는 지름이 약 750나노미터로 한계의 4배에 가깝다. 광학 현미경으로 볼 수 있을 만큼 크며, 바이러스로서는 드문 경우이다.
HIV 입자는 지름이 약 145나노미터로 한계보다 작아서, 광학 현미경으로는 모양을 볼 수 없다.
사람 머리카락의 굵기는 80~100마이크로미터이며, 그 안에 한계 크기의 세부 구조 약 400~500개가 들어간다.
한계를 미터법 자의 가장 작은 눈금인 1밀리미터 크기로 확대한다면, 사람 머리카락은 굵기가 40~50센티미터일 것이다. HIV 입자는 지름이 약 0.7밀리미터로, 자의 눈금 하나보다 작을 것이다.

모양은 보지 못해도 점은 볼 수 있다

이 한계는 세부 구조에 대한 것이며, 무언가가 있다는 것 자체를 감지하는 일에 대한 것은 아니다. 빛을 내는 분자 하나는 다른 어떤 발광 분자와도 0.2마이크로미터보다 멀리 떨어져 있다면 일반 현미경에서 빛의 점으로 나타날 수 있다. 이 점은 한계 크기만큼 번져 보이므로, 분자가 어디에 있는지는 알려 주지만 어떻게 생겼는지는 알려 주지 않는다.

파장이 짧을수록 더 미세한 세부 구조를 볼 수 있다. 근자외선을 쓰는 현미경은 가시광선을 쓰는 현미경보다 더 작은 세부 구조를 구분할 수 있다. 전자 현미경은 훨씬 더 멀리 나아간다. 전자 현미경이 쓰는 전자는 파장이 약 0.005나노미터인 파동처럼 행동하며, 이는 빛의 파장보다 훨씬 짧다.

한계를 넘어서기

20세기 대부분의 기간 동안 과학자들은 광학 현미경이 약 0.2마이크로미터보다 작은 것은 결코 보여 줄 수 없다고 믿었다. 슈테판 헬은 1994년에 이 한계를 피해 가는 방법을 제안했고, 2000년에 그 방법이 실제로 작동함을 보여 주었다. 그의 방법은 빛 펄스 하나로 분자가 빛을 내게 하고, 고리 모양의 두 번째 레이저 빔으로 아주 작은 한 점에 있는 분자만 남기고 나머지는 모두 끈다.

W. E. 머너와 에릭 베치그는 또 다른 방법을 개발했다. 이 방법은 한 번에 빛을 내는 분자 몇 개만 켜고 여러 장의 영상을 합친다. 세 사람은 “초고해상도 형광 현미경의 개발”의 공로로 2014년 노벨 화학상을 함께 받았다. 이 상을 수여하는 스웨덴 왕립과학원의 표현으로는, 이들의 연구 덕분에 “현미경학이 나노스코피가 되었다”.

출처

How the optical microscope became a nanoscope. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
Resolution. Nikon MicroscopyU.
Numerical Aperture. Nikon MicroscopyU.
Instruments of Microscopy. In Microbiology. OpenStax, 2016.
Erythrocytes. In Anatomy and Physiology, 2nd edition. OpenStax, 2022.
Structural Studies of the Giant Mimivirus. Xiao et al., PLoS Biology, 2009.
Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology. Legendre et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014.
Structural organization of authentic, mature HIV-1 virions and cores. Briggs et al., The EMBO Journal, 2003.
Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.

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