전자현미경

전자현미경(electron microscope)은 과학자들이 고해상도를 이용하여 미생물(microorganism)의 미세구조를 이해할 수 있도록 개발되었다. 인간이 육안으로 볼 수 있는 해상도(resolution)는 0.2 ㎜이지만 광학현미경(optical microscope)으로 관찰할 수 있는 해상도는 0.2 ㎛이다. 전자현미경은 광학현미경과는 달리 영상을 만들어내기 위하여 전자빔을 (electron beam)사용한다. 이 전자빔은 전자석 렌즈로 초점을 맞춘다. 빛 대신에 전자의 사용은 해상도를 약 0.1 ㎚, 광학현미경보다 약 1,000배 향상시킨다. 향상된 해상도는 생물학자들에게 시료의 미세구조를 관찰하기 쉽도록 해준다. 생물학자들은 생물체의 슬라이스를 연구하기 위하여 투과전자현미경(TEM)을 사용하는데, 이들 슬라이스는 세포의 내부 구조를 보여준다. 생물학자들은 시료의 표면을 연구하기 위하여 주사전자현미경(SEM)을 사용한다. SEM은 시료의 전체표면에 전자빔을 조사한 후 스캔하여 표면의 3차원 영상을 생성한다.

목차

전자현미경의 기원은 1929년 독일의 Ernst Ruska가 음극판을 연구하는 과정에서 직경 0.3 ㎜인 양극 조리개의 영상을 확대시킨 실험에서 시작되었다. 그 후 1931년에 Max Knoll과 Ernst Ruska는 전자빔을 사용하는 투과전자현미경을 제작하였다. Ruska 박사는 전자현미경의 발전에 커다란 공헌을 하였으며, 그 공로를 인정받아서 1986년에 노벨물리학상을 수상하였다. 1938년 독일의 Siemens 회사는 최초의 전자현미경을 상용화하였으며, 그 후 40년대에 미국(RCA), 일본(Hitachi), 네덜란드(Philips)에서 각각 상용화된 제품을 생산판매하면서 전자현미경은 널리 보급되었다.

전자현미경(electron microscope)은 세포나 세포 구조물을 관찰하기 위해 가시광선 대신에 전자를 사용한다. 전자현미경에서는 전자석이 렌즈의 기능을 하며, 전체 시스템은 진공에서 작동한다. 전자현미경은 전자영상(electron micrograph)이라 불리는 사진을 촬영하기 위해 사진기가 장착되어 있다. 투과전자현미경과 주사전자현미경의 두 가지 종류의 전자현미경이 일반적으로 사용된다.

투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)은 세포와 세포 구조를 매우 높은 배율과 해상력으로 관찰하는데 이용된다. TEM의 해상력은 광학현미경의 해상력보다 훨씬 커서 분자 수준도 관찰이 가능한데, 그 이유는 전자의 파장이 가시광선의 파장보다 훨씬 더 짧고, 파장이 해상력에 영향을 미치기 때문이다. 예를 들어, 광학현미경의 해상력은 약 0.2 ㎛ (10⁻⁹ m)이며, TEM의 해상력은 1,000배 정도 향상된 약 0.2 ㎚이다. 이러한 높은 해상도로 단백질이나 핵산 등의 개별 분자도 전자현미경에서는 관찰이 가능하다. 그러나 가시광선과 달리 전자는 투과성이 약하여 한 개의 세포조차도 전자가 투과하기에 너무 두껍다. 이에 따라 세포의 내부구조를 관찰하기 어렵기 때문에 세포의 얇은 박절편(thin sections)이 필요하고, 안정화 되어야하며, 영상화를 위하여 다양한 화학물질에 의해 처리되어야한다. 예를 들어, 한 개의 세균(bacterium) 세포는 아주 얇은 박편(20~60 nm)으로 잘라 TEM으로 관찰한다. 충분한 대비차를 얻기 위해, 시료를 오스믹산(osmic acid), 또는 과망간산(permanganate), 우라늄(uranium), 란타니움(lanthanium)이나 납의 염(lead salt) 등의 염료로 처리한다. 이러한 물질은 원자량이 큰 원자들로 구성되어 있어, 전자를 산란시키는 능력이 뛰어나 대비를 향상시킨다. 단순히 생물체의 외부구조를 관찰할 경우에는 얇은 박절편은 필요하지 않다. 음성염색법(negative staining)을 이용하여 TEM으로 온전한 세포 또는 세포내 소기관들을 직접 관찰할 수도 있다.

투과전자현미경 (Morgagni 268D) (출처: )

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(A) Aquaspirillum magnetotacticum의 투과전자현미경사진. (배율 x123,000) (출처: gettyimagesEDGE RM 145094114)

(B) Prevotella melaninogenica의 투과전자현미경 사진 (배율 x78,000) (출처: gettyimagesEDGE RM vis901039)

주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)은 세포의 3차원 영상을 관찰하기 위하여 사용한다. 주사전자현미경을 사용하기 위해서는 시료를 금과 같은 중금속의 얇은 막으로 코팅한다. 그 후, 전자빔이 시료를 전체적으로 스캔한다. 금속 코팅에서 산란된 전자를 모아 영상을 만들어 내기 위해 수상기 화면에 투사한다. SEM을 사용할 경우에는 상대적으로 큰 시료도 관찰할 수 있다. SEM은 최소 15배부터 10만배의 넓은 범위의 배율을 가지고 있을 수 있으나, 보통 물체의 표면만 영상화가 가능하다. TEM 또는 SEM의 전자현미경 영상은 본래 흑백 영상이다. 이 영상도 얻을 수 있는 최대한의 과학적인 정보를 가지고 있지만, 보통 컴퓨터로 조작하여 전자현미경 영상을 컬러화 한다. 그러나 이러한 인위적 컬러는 현미경 영상의 해상력을 향상시키지는 않는다. 단지 대중 매체를 통한 일반의 관심을 끌기 위한 영상의 예술적인 가치를 높이는 데 기본적인 목적이 있다.

주사전자현미경 (출처: gettyimagesEDGE RF 516392245)

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세균 Staphylococcus epidermidis 주사전자현미경 사진. (배율x12,330) (출처: gettyimagesEDGE RM 128617310)

Bacillus thuringiensis 주사전자현미경 사진. (배율 x 10,000)(출처: gettyimagesEDGE RM 128542330)

전자현미경은 광학현미경과 장치와 기능에서 광학현미경과 유사하지만, 3가지 주요 시스템으로 나눌 수 있다.

(1)  조사시스템(illumination system): 광선을 생성하여 시스템을 통해 통과하도록 한다:

①   전자발생기(source): 시료 영상을 형성하는데 사용되는 전자총(electron gun)에서 전자를 방출한다.

②   콘덴서 렌즈(condenser lens): 시료에서 조명의 강도를 조절한다.

(2)  영상시스템(imaging system) – 이 시스템은 시료의 확대 영상을 생성하는 렌즈를 포함한다.

①   대물렌즈(objective lens) – 이 렌즈는 중간크기로 확대된 영상을 형성한다.

②   프로젝션 렌즈(projection lens) – 최종 영상을 형성하기 위하여 대물렌즈의 영상을 확대한다.

(3)  영상기록(imaging recording) 및 관찰시스템(viewing system) – 이 시스템은 방사선을 볼 수 있는 정식 영상으로 전환시킨다.

①   관찰스크린(viewing screen): 시료를 관찰할 수 있도록 한다.

②   사진판(photographic plates): 영상을 오랜 기간 동안 기록한다.

투과주사전자현미경(TEM)을 사용한 생물시료의 관찰을 위해서는 시료가 평면이고 60~100 ㎚의 박절편(thin sections)을 만들어야 하지만, 주사전자현미경을 사용한 생물시료의 관찰은 표면과 내면을 입체적으로 보는 것으로 시료제작 방법이 다르다. TEM 시료의 제작방법은 광학현미경에서의 제작방법과 기본적으로 동일하다. 조직의 세절, 고정, 탈수, 침투, 포매, 다듬기, 박절, 염색 및 관찰에 이르기까지의 순서에 따른 차이는 없다. 다른 점은 광학현미경에서의 절편은 두께가 4 ㎛ 정도인데 비하여, 전자현미경에서의 절편은 60~100 ㎚의 박절편을 필요로 하는 점과 전자현미경의 해상력이 ㎚ 단위라는 것이다. 여기에서는 투과전자현미경에서의 시료준비에 대하여 간단히 알아보도록 한다.

전자현미경에서 수차현상(aberrations)은 전자현미경이 보여주는 확대의 범위에 따라 3차 오류(third-order errors), 5차 오류(fifth-order errors) 등으로 불린다. 3차 수차현상(third-order aberration)은 높은 차원의 수차현상보다 더 부담이 되기 때문에 전자현미경에서 중요하며 다음과 같이 구분된다.

미생물학은 전자현미경(EM)과 부가적으로 연관된 다양한 방법을 통해서 커다란 발전이 이루어졌다. 미생물 세계에 대한 우리의 이해를 변화시켰던 EM의 몇 가지 중대한 기여들이 아래에 열거되어 있다:

미생물(microorganism), 세균(bacterium), 진핵생물(eukaryotes), 원핵생물(prokaryote), 편모(flagella), 선모(pili), 염색체(Chromosome), 플라스미드(plasmid), 미토콘드리아(mitochondria), 효모(Yeast), 원생동물(protozoa), 바이러스(virus), 프리온(prion), 바이로이드(viroid), 초미세박편기(ultramicrotome), 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM), 음성염색법(negative staining), 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM), 광학현미경(optical microscope)

오계헌/순천향대학교

석영재/서울대학교

1.    권건영, 김영호, 장은숙 2004. 전자현미경 기법. 정문각.

2.    Bozzola, J.J. and Russel, L.D. 1999. Electron Microscopy (2nd ed.). Boston: Jones and Bartlett Publishers, Inc.

3.    Dillaman, R. and Gay, D.M. 2004. Electron microscopy lab manual. University of North Carolina Wilmington.

4.    Todd, W.J. and Scocolofsky, M.D. 1992. Electron Microscopy, Microbial. Encyclopedia of Microbiology. Vol. 3. Academic Press.