[11강 화학 물질을 찾아서] 분광학과 MRI

1. 분광학

 태양이 내뿜는 빛은 지구에 도달하여 우리가 흔히 보고 있는 주변의 물체들을 비춘다. 하지만 모든 광선은 과학적 도구를 이용하지 않으면 볼 수 없는, 매우 복잡한 구조를 가지고 있다. 물론 우리가 볼 수 있는 가시광선도 있으나, 사람의 눈에 보이지 않는 빛 에너지는 서로 다른 물질을 식별하고 구분하는 데에 사용할 수 있다. 스펙트럼과 빛 에너지에 대한 연구를 분광학(spectroscopy)이라고 한다.

 빛은 파동의 형태로 이동하는데, 파도와 비슷하다고 생각하면 쉽다. 파동은 특정한 높이를 가지는데, 이를 진폭(amplitude)라고 한다. 파동은 특정한 진동수로 물체와 부딪히고 특정한 방식으로 작용한다. 또한 파동은 특정한 속도로 진행하는데, 파동의 마루와 마루 사이의 거리를 파장(wavelength)라고 한다. 빛은 결국 에너지의 한 형태이기 때문에, 전자기 스펙트럼을 통해 파장이나 에너지에 따라 빛의 종류를 구분할 수 있다. 파장이 길수록 에너지가 작고, 파장이 짧을수록 에너지는 크다.

진폭과 파장, 마루와 골

 물질은 빛을 흡수하기도 하고 방출하기도 한다. 사실 우주의 모든 화학 원소들은 특정한 파장의 빛을 방출하고 흡수하는데, 이는 각 원소의 고유한 성질이 된다. 예를 들어 산소 원자는 들뜨면 초록색 빛을 방출한다. 빛의 방출이나 흡수는 원자 수준에서 일어나는데, 원자 내의 전자들이 서로 다른 에너지 준위 사이를 이동하는 과정에서 에너지를 얻거나 잃는 것이다. 전자가 더 낮은 에너지 준위로 떨어져 핵과 더 가까워지면 에너지를 잃는 것이다. 잃은 에너지는 광자나 고유한 전자기 에너지의 형태로 방출되는데 이때 광자의 파장은 전자가 얼마만큼의 에너지 준위를 건너뛰었는지에 따라 달라진다. 전자가 하나의 에너지 준위만큼만 떨어진다면 파장이 길고 에너지가 적은 빛을 방출할 것이다. 하지만 전자가 두 개의 에너지 준위만큼 떨어지면 파장이 보다 더 짧고 에너지가 더 많은 빛을 방출할 것이다.

 분광학에서는 물질의 방출 및 흡수 패턴을 통해 얻을 정보를 이용해서 물질을 구성하는 요소를 식별하거나 연구한다. 그렇기에 분광학은 분석 화학에 유용하게 이용되며, 여러 천체의 구성요소와 성질을 밝혀내기 위해 천문학에서도 오랫동안 사용되어 왔다.

우리 눈에 보이는 빛은 극히 일부에 불과하다.

2. 핵자기공명(NMR)과 자기공명영상법(MRI)

(1) 핵자기공명(Nuclear Resonance Imaging)

 세포를 구성하는 원자 중 홀수 개의 양성자와 중성자를 갖는 원자의 원자핵은 일종의 자석처럼 자기장을 형성한다. 이 세포의 표본을 초전도성 자석 한가운데에 놓으면, 이 작은 원자 자석의 일부는 외부 자기장의 남-북 측에 따라 배열된다. 그 상태에서 과학자들이 원자에 적절한 진동수의 전파를 쏘면, 원자들이 에너지를 흡수해 들뜨게 되고, 일시적으로 자기장 방향에서 벗어난다. 원자들은 거대한 자석의 영향권 안으로 다시 들어오면서 전자기파를 방출하는데, 이때 검출기가 파동을 감지하여 공명을 기록한다. 모든 원자는 특정한 고유 진동수를 지니는데, 이 고유 진동수를 이용하여 과학자들은 세포에 어떤 원소가 존재하며 어떻게 분자를 이루는지, 분자의 구조가 어떠한지, 그리고 어떤 방식으로 세포 안에 들어있는 지를 알 수 있다. NMR은 수소, 탄소 직소와 같은 원소들의 특정한 동위 원소에만 작용하는데, 이 원소들은 신체에 풍부하게 존재하는 것들이다. (오늘날 쓰이는 NMR기기들은 인체에 가장 풍부한 수소를 많이 이용한다.)

 

(2) 자기공명영상법(Magnetic Resonance Imaging)

 NMR에 기초하여, 이후의 과학자들은 인체 전체를 촬영할 수 있는 거대한 자석을 개발할 수 있게 되었다. 최초의 자기공명 영상 스캐너가 사람을 검사한 것은 1970년대였는데, 무려 5시간이나 걸렸다. (오늘날에는 단 몇 초면 된다.) 환자가 자석 중심에 놓이면, 자석은 앞서 언급한 NMR 기기와 유사한 방식으로 작동한다. 자석은 한번에 몸의 얇은 한 단면씩을 차례로 검사한다. 환자 몸속의 수소 원자들은 환자의 생리 기능에 대한 정보를 알려주고, 이 정보는 컴퓨터에서 종합되어 의사가 보고 해석할 수 있는 2차원 또는 3차원 영상으로 만들어진다.

MRI기기. MRI 검사는 비용이 많이 들지만 영상이 매우 선명하여 병증을 알아내는데에 중요한 역할을 한다.