[헬로티]

라이다는 레이저를 광원으로 하기 때문에 분광학적 방법과 궁합이 좋다(본래 레이저는 분광학에서 탄생했다). 분광학에서는 물질과 빛의 각종 상호 작용(산란, 흡수, 발광)을 조사해 원자나 분자의 이해를 시도한다. 라이다도 어떤 상호 작용을 이용하느냐에 따라 산란측정형, 흡수측정형, 발광측정형으로 분류된다.

이 글에서는 발광 중에서도 특히 형광 검출에 의해 물질의 화학 반응과 생리 활성 정보 등의 취득을 목적으로 하는 형광 라이다에 대해 설명한다.

 

형광 라이다의 원형은 이미 1971년에 보고된 예가 있다. 해수 표면 유막 검출장비인 (노이즈원으로 여겨지고 있었다) 유형광 제거 기술이 그 원형으로, 형광 센서(Fluorosensor)라고 부르고 있었다. 당시는 레이저와 광검출기를 포함한 광 기술이 지금처럼 발달하지 않았고, 형광 단면적이 큰 유막이 알맞은 대상물이었다. 최근에는 미세 전기기계 시스템(MEMS)형 소형 분광기기와 이미지 인텐시파이어 증폭형 CCD 센서와 멀티 채널 광전자 증배관 포톤 카운팅을 조합한 다파장 동시 분광 검출기 등의 하드웨어 장치 개발이 추진되고 있으며, 이와 함께 형광 물질의 성분 분석 데이터와 형광 스펙트럼 데이터베이스 등 해석/이용의 관점에서 데이터 제공도 이루어져 다방면으로 이용법이 계속 확대되고 있다.

원리

형광법은 생물․식품․의료․자원․재료․예술․기타 많은 분야에서 이용되고 있다. 그 이유는 대부분의 물질이 광 조사에 응답해 많든 적든 자가 형광을 발하기 때문이다. 자가 형광으로 한정한 것은 형광 라이다로는 손이 닿지 않는 장소에 있는 물질을 측정 대상으로 하기 때문으로, 이 때에는 의료 분야 등에서 자주 이용되는 형광 마커로 염색하는 등의 작업은 불가능하다. 이후, 이 글에서 형광은 자가 형광을 의미하는 것으로 한다.

그림 1에 형광 라이다에 관련된 측정 대상, 분자의 형광 발광 과정, 형광 라이다 장치에 관한 기본 사항을 정리해 나타냈다. 측정 대상은 각종 지구 환경의 구성 물질이다. 구성 물질의 분자는 광 조사에 의해 상준위로 이동한다. 어떤 준위로 이동할지는 조사광이 가지는 포톤 에너지로 결정된다. 여기 상태는 매우 불안정하므로 에너지 내부 전환, 다른 분자와의 충돌, 열에너지 전환 등의 결과, 기저 상태로 되돌아간다. 이 이동 과정에서 방출되는 것이 형광이다. 형광 라이다는 먼 곳에 있는 물질을 레이저로 조사(여기), 그 (약한) 형광을 광학망원경으로 모아 분광검출기로 검출한다.

형광 라이다 계측의 트렌드

형광 라이다가 자가 형광을 가진 물질만을 대상으로 하는 것을 설명했는데, 이것은 측정할 수 있는 물질을 한정하는 것은 되지 않는다. 그것은 실제로 많은 물질이 레이저 조사에 대해 형광을 발하기 때문이다.

이하에서는 형광 라이다의 자연 환경 측정 사례에 대해, 필자의 연구실에서 실시한 사례를 소개한다. 형광 스펙트럼을 측정한다는 의미에서 LIFS(Laser-Induced Fluorescence Spectrum) 라이다라고 부르고 있다.

1. 생물권 정보 계측

온난화가 식생 환경에 미치는 영향이 현실화되고 있다. 사과나 포도의 착색 부족과 쌀알이 영글지 못하고 쌀이 하얗게 변하거나 쌀알에 균열이 생기는 등 농산물의 생육 불량과 품질 저하, 가시나무의 식생 범위 확대에 의한 산림 환경 변화 등이 보고되어 있다. 생물권의 대표로서 식물 생육 상황을 조사하는 LIFS 라이다를 개발했다. LIFS 라이다는 식물을 샘플화하지 않고, 또한 화학 분석 등의 분쇄나 약품 처리를 하지 않고 지속적인 조사를 할 수 있다.

식물 생육 측정용 LIFS 라이다의 실험 모습과 느티나무 생잎 형광 스펙트럼의 생육 과정 변화를 그림 2에 나타냈다. 미약한 형광 스펙트럼을 낮 동안에도 측정할 수 있게 동기 검출법을 생각했다. 레이저에 의해 조사된 대상물의 형광이 LIFS 라이다 검출기에 도달하는 순간에 형광 발광 시간 정도의 짧은 시간 동안만 CCD의 게이트를 연다. 이 시간 내에서는 형광 강도는 배경광 강도보다 크다.

식물 형광 스펙트럼은 크게 나눠 청록형광(450nm 부근에 피크를 갖고 스펙트럼 폭 100nm 정도의 부분), 적형광(685nm 부근에 피크를 갖고 스펙트럼 폭 20nm 부분)과 근적외형광(740nm 부근 피크로 스펙트럼 폭 20nm 부분) 등 3가지로 나눌 수 있다. 청록형광은 생육 필수 분자와 광합성 2차대사 산물, 적 및 근적형광은 엽록소 a분자의 형광(엽록소 형광)이다.

갓 핀 잎의 형광은 강도가 작고 생육 필수 분자의 청록형광만이 측정됐다. 성장이 진행됨에 따라 엽록소 형광이 서서히 커진다. 성숙한 잎에서는 적형광과 근적외형광의 강도가 역전, 엽록소 형성이 충분히 되어 있는 것을 시사한다. 광합성에 의한 2차대사 산물의 생산이 진행되기 때문에 청록 성분도 커진다. LIFS 라이다 측정에 의해 손이 닿지 않는 장소에 있는 살아있는 그대로의 상태로 식물의 지속적인 생육 조사가 가능해졌다.

2. 수권 정보 계측

일본 나가노현의 거의 중앙에 위치하는 스와호 주변 지역은 풍광이 아름다운 고원지로서 인기 있는 관광지이다. 한편, 내륙성 부영양호로 알려져 여름철에 녹조(남조)의 이상 발생이 반복되어 왔다. 관광 자원이면서, 또한 덴류강의 원류이기도 하기 때문에 그 수자원 이용에 대해서는 호수 주변 및 유역 주변 거주자에게 높은 관심 사항이기도하다.

일반적인 화학 분석을 이용한 물 분석에서는 물을 채취해 분석하고 싶은 물질마다 다른 약품을 준비해 처리를 한다. 물질에 따라 결과가 나올 때까지 몇 시간 이상 배양 시간이 필요하고, 정밀 해석을 할 수 있다는 장점은 있지만 즉시성이라는 점에서는 어려움이 있다. 수자원을 이용하고 싶을 때에 그 성분을 알 필요가 있다.

LIFS 라이다의 구성과 동작 방식은 그림 1과 같지만, 야외 관측을 실시함에 있어 전체 시스템을 스트레처 상에 배치함으로써 이동을 쉽게 했다(그림 1 참조). 또한, 그대로의 구성으로 소형 경량 밴 차량에 탑재할 수 있고, 소용량(900VI) 발전기로 동작 가능한 라이다가 완성됐다.

수질 측정 실험 상황과 덴류강 하천수 형광 스펙트럼 예를 그림 3에 나타냈다. 형광 스펙트럼을 성분 분해 해석하고 수용성 유기 성분, 피코시아닌(녹조 형광 성분 물질), 엽록소 등 3가지 성분의 농도를 구했다. 데이터를 현장에서 해석한 후, 농도 속보값으로서 대학 연구실 서버를 통해 개인의 스마트폰에 전달했다. 측정에서 약 2분 후에 전달이 완료된다. 예를 들면 가마구치 수문에서 약 4km 하류에 농지용 취수구가 있는데, 덴류강 평균 유속이 1m/s인 것을 감안하면 약 1시간에 취수구에 도달한다. 수자원 이용자는 그 이전에 농도 정보를 입수할 수 있어 작업 준비 등에 유효하다.

3. 대기권 정보 계측

대기 중에 부유하는 미세 입자(에어로졸)은 작기 때문에 호흡기 등에 악영향을 미친다. 일반적인 측정에서는 에어 샘플러로 장치 주변의 대기를 흡인하기 때문에 최종 도달 지점의 값이라는 것이 된다. LIFS 라이다는 대기 중에 부유한 상태의 보다 능동적인 정보를 제공할 수 있다.

그림 4는 삼나무 꽃가루의 LIFS 라이다 측정 모습과 측정 결과이다. 대상으로 한 수림은 삼나무종을 중심으로 하는 혼합림으로, 20m 앞의 수림 지대가 끊기는 곳을 횡단하도록 레이저를 통과시켜, 대기 중에 부유하는 꽃가루의 형광 측정을 시도했다.

13시 33분에는 형광 스펙트럼 강도에 명백한 증대를 볼 수 있었고, 그 전후에도 강도에 변화를 볼 수 있었다(덧붙여 12시 26분의 것은 태양 배경광이다). 강도 변화에는 풍향의 영향이 강하게 반영됐다고 생각된다.

미리 측정해 둔 삼나무, 아까시나무, 노송나무, 해송의 각 꽃가루 형광 스펙트럼 형상과 비교함으로써 삼나무 꽃가루의 형광인 것을 확인했다. 꽃가루가 대기 중에 부유한 상태로 낮 동안에 종류를 식별하고 농도 변화를 구한 형광 라이다 측정 예는 이번 계측이 처음이라고 생각된다. 가을의 화분증 원인 물질 중 하나인 돼지풀 꽃가루 형광 검출에도 성공했다.

형광 라이다 측정의 전개

새로운 전개를 우리의 생활과 활동에 보다 가까운 관계에 있는 사물(그림 1 생활권(Livingsphere) 참조), 또한 다른 방식의 라이다로는 측정이 어려운 물질 측정으로 추진해 가고 싶다.

1. 마이크로 플라스틱

마이크로 플라스틱 문제는 해양 영역만의 것은 아니다. 도시 지역에 의한 플라스틱 폐기가 원래의 발생원이라고도 알려져 있다. 피레네 산맥의 대기나 로키 산맥의 빗물에서도 발견되고 있다.

플라스틱 소재와 그 첨가제에도 형광을 발하는 것이 있다. 덧붙여 필자 등이 하천 부지에서 실시한 플라스틱 폐기물의 형광 스펙트럼 측정 예를 그림 5에 나타냈다. 측정에는 시판의 분광 형광 광도계에 자체 제작 샘플 헤드를 장착, 야외 현장 측정을 실시했다. 자연 유래 물질과 플라스틱을 구별할 수 있을 것 같다. 형광 라이다에 대한 전개를 서두르고 있다.

이외에도 예를 들면 분해하지 않고 해저에 퇴적된 상태의 마이크로 플라스틱을 ‘심해’에 탑재한 형광 라이다로 조사, 플라스틱 형광을 인간 활동(생활권)의 지표로 삼는 것은 불가능할까. Corcoran 등은 하와이섬 Kamilo 해안에서 발견된 (캠프파이어의 불에서) 용해 플라스틱과 암석의 집합체를 PLASTIGLOMERATE라고 부르고, 인류세(Anthropocene epoch)의 지표가 된다고 하고 있다.

2. 유적․역사적 건조물․문화재

이탈리아 NRC, Nello-Carrara 연구소와 스웨덴 룬드대학의 연구진은 콜로세움 유적을 포함한 역사적인 건조물의 벽 표면을 형광 라이다로 쓸어서 조사했다. 석재의 산지 추정과 건설 당시 그대로인가 또는 보수된 것인가 등의 구별을 할 수 있게 했다. 2000년 전후의 연구 성과이지만, 흥미로운 것은 이미 생물 열화의 문제를 제기하고 있는 점이다. 특히 독립 영양 생물(해초, 남조, 식물)의 영향을 지적했다.

일본의 습윤하고 온난한 기후는 곰팡이의 생육에 적합한 환경이라고 하는데, 최근의 온난화와 대량 강우 등은 이들의 증식에 더욱 박차를 가할 것으로 예상되며, 문화재 등의 열화를 더 앞당길 위험이 있다. 덧붙여 그림 6은 젠코지 조왕신상의 머리 부근에서 수집한 먼지의 형광 스펙트럼 매트릭스이다. 건축 당시의 재료 추정에서부터 장래의 보존 기술을 위한 정보를 제공할 수 있을 가능성이 있다. 문화재 등은 샘플을 채집하고 파괴적으로 조사하는 방법은 최대한 피해야 하며, 형광 라이다에 의한 비파괴․비접촉 측정 기술이 적당하다.

3. 생물 입자

생물 입자는 NADH와 리보플라빈, 트립토판 등 형광을 발하는 것이 많아, 형광법에 의해 생물 입자와  비생물 입자를 구별할 수 있다. 신호 강도를 조합해 세균(크기 몇 백 nm 정도)를 판별하는 장치도 시판되어 있으므로 원리나 방법은 이미 확립되어 있기 때문에 형광 라이다에 대한 전개는 충분히 가능하다. 예를 들면 버섯이 세슘을 섭취하고 포자와 함께 배출됨으로써 방사능 오염 농도가 높아지는 것으로 보고되어 있지만, 위험 부위에 접근하지 않고 떨어진 장소에서 측정할 수 있는 형광 라이다가 도움이 된다. 버섯 포자가 형광 특성을 가지는 것은 필자 등에 의해 보고되어 있다.

4. 수증기

호우 재해에 도움이 되기 위한 라만 형광 라이다가 계획되고 있다. 기본은 수증기의 라만 산란 신호로부터 그 양을 구하는 것이지만, 동시에 측정되는 형광 스펙트럼을 이용해 백그라운드 보정을 하면, 보다 정확한 수증기량을 산출할 수 있다. 선형 강수 지대를 조기에 예측하는 것을 기대할 수 있고, 기온이나 습도와 같은 기상 정보로서 그 성과가 절실히 요구된다.

맺음말

형광 라이다는 산란형과 흡수형 라이다와 비교해 아직 보고 예가 적다. 이것은 스펙트럼 폭이 100nm 이상이나 되는 형광 스펙트럼 형상을 레이저 펄스마다 전 영역 동시에 측정할 수 있는 좋은 장비가 없었기 때문이라고 추찰한다. 최근 개발이 진행되어 출현한 분광형 멀티 채널 검출기는 형광 라이다의 대기 에어로졸 측정을 가능하게 했다.

ILRC(International Laser Radar Conference)는 2년에 한번 개최되는 라이다 관련 연구에서는 최대의 국제회의이다. 제28회(2017년 개최)에서는 구름 내부의 형광 물질의 검출에 대해 최우수 발표상이, 형광 스펙트럼 데이터베이스 개발에 학생 우수 포스터상이 주어졌다. 또한 제29회(2019년)에서는 라만 형광 라이다의 초청 강연이 구성되는 등 형광 라이다에 대한 관심이 급속하게 높아지고 있는 것을 느낄 수 있었다.

지구 환경을 구성하는 물질 중에서 아직 발견되지 않은 형광 물질은 무수히 존재한다. 인간의 생활 환경이 풍족해짐에 따라 그 물질도 더욱 다양해질 것이다. 지속가능한 사회의 구축이 강조되는 가운데, 형광 라이다 장치는 자연 환경과 인공 환경(생활권)의 상호 관계를 형광이라는 공통의 지표를 통해 권(환경)마다의 영역을 초월한 조사가 가능한 종합적인 기술 방법을 제공한다. 앞으로 형광 라이다에 거는 기대가 매우 크다.

齊藤 保典, 신슈대학 대학원 학술연구원 공학계