단일 레이저 조사로 재료의 세 가지 특성을 동시에 측정하는 광학 기법 개발

세 가지 산란 신호를 하나의 측정으로

빛이 물질과 상호작용할 때 발생하는 산란 스펙트럼에는 성격이 서로 다른 세 신호가 공존한다. 브릴루앙(Brillouin) 산란은 재료의 기계적 경도 정보를 전달하고, 극저주파 라만(ultra-low-frequency Raman) 신호는 분자 배향과 구조 정보를 담으며, 일반 라만 신호는 화학 조성을 반영한다. 문제는 기계적·구조적 정보가 실린 극저주파 신호가 강한 레이저 산란광 아래 묻혀, 기존 장비로는 나머지 신호와 동시에 포착하기가 매우 어렵다는 점이었다.

Specto Photonics가 독자 개발한 BIPD(Birefringence-Induced Phase Delay) 필터는 이 배경 산란광을 효과적으로 억제함으로써 세 신호를 동일 지점에서 동시에 기록하는 것을 가능하게 했다. 연구팀은 이를 '완전 진동 분광법(full vibrational spectroscopy)'이라 명명하며 다중 모달 분광 이미징의 새로운 프레임워크로 제안한다.

의약품 분석에서의 실증

연구팀은 인도메타신(indomethacin), 이부프로펜(ibuprofen), 파라세타몰(paracetamol) 등 범용 활성 의약 성분에 이 기법을 적용해 성능을 검증했다. 주목할 만한 성과는 동일 약물이라도 서로 다른 제조 공정을 거쳐 생성된 비정질(amorphous) 형태를 구별하는 데 성공했다는 점이다. 기존 방법으로는 이 구분이 쉽지 않은 경우가 많다. 또한 이부프로펜 정제 전체에 걸쳐 기계적·구조적·화학적 분포를 한꺼번에 지도로 작성하는 데도 활용됐다.

약물의 고체 상태 형태—결정형이냐 비정질이냐—와 제조 방식은 용해도, 안정성, 유통기한, 생체 내 흡수율에 직접 영향을 미친다. 비정질 제형은 활용 빈도가 높아지고 있는 반면 특성 규명이 까다로운 것으로 알려져 있어, 이번 기법은 제제 설계, 안정성 시험, 제조 중 실시간 품질 관리에 기여할 수 있는 잠재적 도구로 평가된다.

바이오의학 및 재료과학으로의 적용 가능성

연구팀은 의약품 영역을 넘어 생체 세포 내부 구조의 역학 및 조직 연구, 재료과학에서의 복합 물성 동시 분석을 추가 적용 분야로 제시한다. 이 기법이 비접촉 전광학 방식이며 3차원 공간에서 회절 한계 분해능으로 작동한다는 점은, 살아있는 세포나 민감한 시료를 다루는 연구에도 잘 맞는다.

연구에는 Specto Photonics, 밀라노비코카대학교(University of Milano-Bicocca), 폴리테크니코 디 밀라노(Politecnico di Milano), CNR-IFN, 코펜하겐대학교(University of Copenhagen), 모나시대학교(Monash University) 등 이탈리아·덴마크·호주 연구 기관이 참여했다.

한계와 향후 과제

이번 성과는 특정 의약품 성분을 대상으로 한 개념 증명 단계에 해당한다. 연구팀은 서브 마이크론 분해능에서 3차원 기계·구조·화학 지도를 동시에 획득하는 완전 광학 장비 구현을 장기 목표로 삼고 있으나, 다양한 재료 유형과 생체 환경에서의 실용성 검증, 측정 속도 및 신호 처리 최적화 등은 후속 연구 과제로 남는다.