나노MRI는 나노 규모 개체의 고해상도 3차원 영상을 생성하는 비파괴적인 스캐닝 기술이며, 이는 인체 내 모든 조직 검사를 가능케 하는 오늘날의 임상용 MRI와 거의 같은 방법으로, 세포나 바이러스 같은 생물학적 물질의 기능, 그리고 모양 등을 연구하는 회사나 연구진에게 매우 강력한 도구가 될 잠재력이 있다. 그러나 원자 해상도에 가까운 영상을 산출하는 것은 상당히 어렵고 시간 소모적이다. 단일 나노MRI 검사는 이러한 검사를 완료하는 데 몇 주의 시간이 걸린다. 이러한 한계를 극복하기 위하여, 스위스 연방 공과 대학(ETH 취리히)의 연구진이 병렬 측정 기술을 개발했다. 이들의 연구 결과는 이번 주 Applied Physics Letters에 표지를 장식했다. 일반적으로 순차적(차례로 1 비트씩)으로 측정되는 정보가 단일 탐지기를 이용하여, 동시에 측정될 수 있다고 연구진이 밝혔다. “유사하게 표현한다면, 다른 수용체를 이용하여, 당신의 눈이 녹색과 파란색에 관한 정보를 동시에 인식했다고 가정하자. 그렇다면 당신 눈은 여러 색을 병렬로 측정한 것”이라고 ETH 물리학부의 박사후 연구원인 Alexander Eichler가 말했다.
병렬 측정은 복합적이라고도 할 수 있다. 검사 후에, 연구진은 마지막 결과물에 각 비트의 정보가 어디에 속해 있는지를 판별할 필요가 있다. 이러한 이유로, “다른 비트의 정보는 검출기에서 다른 위상을 이용하여 인코딩된다”고 그는 설명했다. “여기에서 ‘위상’은 주기 신호의 지연을 지칭한다. 눈에서 서로 다른 광신호를 구분하기 위하여, 색이 사용되는 것과 같은 방식으로, 주기 신호를 구분하기 위하여 위상은 사용될 수 있다”고 그는 말했다. 자기 공명 영상은 1H나 13C, 또는 19F와 같은 특정 원자가 작은 회전 자기와 같은 역할을 하는 핵을 가진다는 사실을 이용한다. 이러한 원자가 자기장을 가져오면, 그것들은 필드 축을 중심으로 회전한다. 이는 마치 그것의 수직축을 중심으로 균형을 유지하기 위하여 팽이가 도는 것과 같다. “이러한 회전을 ‘세차(precession)’라고 부른다. 이것은 ‘라모어 주파수(Larmor frequency)’라는 매우 정확한 주파수로 일어나는데, 이것은 원자 종류나 필드 강도에 따라 달라진다”고 Eichler가 말했다.
비균질 필드에서, 다른 위치의 원자는 다른 라모어 주파수를 가진다. 원자의 위치는 그것이 전진하는 주파수로 평가될 수 있으며, 모든 원자의 위치 영상도 구성된다. 임상용 MRI 사진을 볼 때, 당신은 원자 밀도(일반적으로 1H)가 높은 밝은 픽셀과 밀도가 낮은 어두운 픽셀을 볼 수 있다”고 그는 말했다. 단일 원자의 자기 강도는 사라져버릴 정도로 작아진다. “임상용 MRI는 단일 3차원 픽셀(복셀, voxel)이 약 1,018개의 원자를 담고 있어서 오직 가능하다. 나노MRI를 가지고, 우리는 오직 천 개나 그 이하의 원자를 가진 복셀을 감지하고자 한다. 이는 우리의 기술이 적어도 천 조(10^15) 이상 더 민감해야 함을 의미한다. 이를 위하여, 다양한 전략이 개발되었다. 연구진은 Degan 교수와 함께, “자기 공명력 현미경(MRFM)이라고 불리는 특별한 나노MRI 기술을 이용하여, 위상 다중화(phase multiplexing)를 시연하고자 한다. 이는 원자핵이 기계 검출기의 역할을 하는 캔틸레버로 전송되는 작은 자기력을 겪는 것이다. “우리의 연구는 실제 고해상도 나노MRI가 가진 주요 장애물 중 하나를 극복하기 위함이다. 즉, 연속 측정에서 요구하는 시간 규모를 피하려는 것”이라고 Eichler가 말했다. “이는 나노MRI의 상업적 구현를 좀 더 앞당길 것”이라고 그는 말했다.
다시 말해서, 연구진의 결과는 나노MRI의 측정 속도를 크게 올릴 수 있다. 6 기준점의 병렬 측정을 시연함으로써, 그들은 두 주가 걸리는 일반적인 검사를 이틀로 앞당길 수 있음을 보여주었다. “가속화는 스핀 반전이나 위상 감도 검출기의 안정성 등과 같은 기술적인 문제로 말미암아 제한되었다. 그러나 원칙적으로, 위상 다중화는 10에서 그 이상의 압축 비율을 허용할 것이다. 상업적 응용을 염두에 둔다면, 이러한 시간적 이득은 매우 중요하다. 왜냐하면, 만약 바이러스를 한 달이 아닌, 3일 안에 특징지을 수 있다면, 이는 다른 제약 회사와는 큰 차별화를 가져올 수 있기 때문”이라고 그는 말했다. 다음으로, ETH 연구진은 생물학적 시스템의 나노MRI 측정을 연구할 것이다. 특히, 그들은 1nm보다 더 나은 공간 해상도를 시연하고자 한다. “복셀 규모에서의 원자 수를 고려한다면, 이전 연구보다 상대적으로 100배 더 높은 감도를 이루어야 한다. 현재 기록 해상도는 약 5nm이다. 생물학적 개체의 저온, 고진공 측정은 특히 도전이 된다. 왜냐하면, 만약 진공으로 전송될 때, 정상적인 세포는 압력 불균형으로 파괴될 수 있기 때문이다. “세포가 물의 빙점 이하로 냉각될 때, 그 내부의 액체는 결정화되고, 세포막을 파괴할 수 있다. 우리는 이러한 문제를 극복할 전략을 개발하기 위하여, 세포나 바이러스를 어떠한 파괴 없이, 우리의 측정 설비로 전송할 수 있는 연구를 하고 있다”고 그는 말했다.
