차세대방사광과학 이흥수 구태영 임재홍 김태규 박재헌 이효철 저자약력 개 인류의문화와과학은끊임없이각개인이나국가간의전쟁이나교류를통하여발전과퇴보를거듭하면서진화해오고있다. 문화와과학은수레의양쪽바퀴와같이서로가짝이되어굴러가고있다. 산업혁명이후과학발전의속도는그이전어느시대에이루어왔던것보다빠르게진행되고있고현대에와서는그발전의속도가워낙빨라서지금의새로운것이하루이틀이지나면과거의것이되고있는실정이다. 이렇게과학이발전하더라도아직까지인류가자연을 이흥수박사는 1989년연세대학교에서뫼스바우어분광학으로황스피넬구조에서의초교환상호작용에대한연구로물리학박사학위를취득한후 2001년부터포항가속기연구소에서선형가속기마이크로웨이브도파관및가속관시스템을맡아건설을완료운영하였고 1998년부터는빔라인의건설및운영에참여하여건설및운영책임자로서고분자결정학빔라인 3 기를건설완료하였고현재는고분자결정학위글러빔라인을운영중에있다. (lhs@postech.ac.kr) 구태영박사는 POSTECH에서물리학박사학위 (1998) 를받고, 미국의 Lucent Technologies, Bell Labs에서박사후과정과 Rutgers University 에서연구원을거쳐, 2002년 11월부터포항가속기연구소에서 11A 공명X- 선빔라인매니저로근무하고있고, 2007년부터는포항공대물리학과겸직교수로재직중이다. (ktypmk@postech.ac.kr) 임재홍박사는 POSTECH에서구조생물학으로박사학위를취득한후 (2008) 2009년부터포항가속기연구소에서선임연구원으로재직중이며, X-선현미경빔라인을맡고있다. (limjh@postech.ac.kr) 김태규교수는 KAIST에서광분해동역학연구로박사학위를취득한후 (2004) KAIST에서박사후연구원을거쳐현재부산대학교화학과에서재직중이다. 현재극초단 X-선분광법을이용한반응동역학연구를하고있다. (tkkim@pusan.ac.kr) 박재헌박사는아이오와주립대학교에서펨토초레이저를이용한광생물광물리연구로물리화학박사학위를취득한후 (2001), 펜실베니아대학교연구원 (2001-2005) 을거쳐 2005년부터포항가속기연구소에서선임연구원으로재직중이며 fs-thz 분광빔라인건설을맡고있다. (jaehunpa@postech.ac.kr) 이효철교수는극초단회절을이용한구조동역학연구로캘리포니아공대에서박사학위를취득하였다 (2001). 미국시카고대학분자생물학및생화학과에서박사후연구원활동을거친후현재 KAIST 화학과에재직중이다. 현재시분해회절창의연구단의단장을맡고있으며, 극초단전자및 X-선회절법을이용한구조동역학연구를수행하고있다. (hyotcherl.ihee@kaist.ac.kr) 요 이해하기에는모르는것이너무도많은것이현실이다. 이소개의글에서는현재우리가하는연구는무엇이고, 앞으로왜 4세대자유전자레이저가필요한지및이것으로무엇을할수있는지간단히소개하고자한다. 자연의변화나현상을연구하는것은이런변화의원리와본질을더잘이해하고이용하여인류의삶을보다윤택하게하고사람들의지적호기심을만족시키며인류의생존을위해서일것이다. 우리가알고자하는연구대상은아마도인류를포함한하늘과땅에존재하는모든것이연구의대상일것이다. 그러면인류는무엇을통하여그런변화나현상을이해해왔을까? 그것은인간의오감인것이다. 이오감을통하여인간은세상의모든현상을이해하게된다. 사람은오감중특히눈을통하여대부분의변화나현상을이해하고있다. 이때빛은사람의눈에정보를전달하는매개체로서우리가생활하고주위로부터의현상을이해하는데가장중요한하나의필수요소라할수있다. 뿐만아니라빛은거의모든생명체에게는필수적인것으로현재빛없이살아갈수있는생명체는거의없다. 과학의발전은인간의호기심에서비롯되는데이호기심때문에인간은잘모르는어떤것들에대하여알고싶어하고그내부가어떻게생겼는지궁금하여그것을알기위해여러가지방법을동원하게된다. 내부를알기위해서는흔들어서소리를들어보거나아니면쪼개어서눈으로직접확인하는방법이있다. 사람들은정보의축적과인지가발달함에따라자연속에서 X-선이나감마선을발견하였고이것을이용하여물건을깨지않고내부를들여다볼수있는방법을알게되었다. 또한사람들은실험실에서사용하는 X-선발생장치를개발하여물질의내부를들여다보는데활용하게되었고, 더나아가오늘날의방사광가속기를만들게되었다. 우선가속기에대한이야기부터시작하면초창기의가속기는물질즉분자나원자핵을깨뜨리는것이목적이었다. 이렇게함으로써그물질이이루고있는근본적인입자를알아낼수있기때문이다. 그런데이런입자를가속시키기위해서는가속시키고자하는입자가전하를띠고있어야전기장을이용하여운동에너지를높일수있다. 그렇지만이렇게하전된입자가가속이될때에는반드시전자파가발생하기때문에 20 물리학과첨단기술 October 2009
이전자파는이런가속기에서는하나의방해요소이자골칫거리였다. 그러나과학자들은여기서발생하는전자파, 방사광의유용함을발견하고이것을활용하기시작하였다. 이것이발전하여이런빛을만들기위한가속기를만들게되었고이것이 2세대방사광가속기였다. 연구자들은물질의미소한현상을관측하기위해서더밝은빛을필요로하게되었고이런요구에따라더밝고강한빛을낼수있는삽입장치가들어갈수있는 3세대방사광가속기가탄생하게되었다. 현재전세계에널리건설되어활용되고있는대부분의방사광가속기가바로 3세대인것이다. 그러면가속기에서발생하는빛으로어떤연구가이루어지고있을까? 이것은물리, 화학, 생명과학, 재료과학, 기계, 반도체, 의학등에다양하게활용되고있다. 또한이빛은밝기가태양표면에서의빛의밝기의 10억배정도의밝기를내고있기때문에연구자들은지금까지실험실에서관측하지못했던수많은현상들을새롭게관측하여보다정확하게현상을이해할수있게되었다. 하지만이렇게밝은빛으로현재우리가볼수있는대부분의현상은정적인현상즉시간적으로평균적인현상이대부분이다. 현재 3세대방사광과레이저를이용하면나노초에서약백피코초정도의빠른시간에일어나는동적인현상의관측이가능하다. 그러나실제자연에서일어나는미시원자나분자세계의현상은수십피코초에서수펨토초사이에서일어나는경우가많이있다. 전세계의수많은연구자들이현재실시간구조동역학관찰을위해노력하고있지만, 펨토초가시광이나적외선을이용한간접적인구조의변화동력학이나계산을통한이해수준에머무르고있어아직까지는미지의세계로존재하고있는것이다. 이런현상에대한올바른이해를위해서해답으로제시된것이 4세대자유전자레이저이다. 이 4세대자유전자레이저의빛의밝기는지금의 3세대방사광가속기에비하여 10억배더밝고, 빛의펄스폭이 100펨토초이하가된다. 원자나분자수준의아주작은미시세계의아주빠른현상을보기위해서는이런정도의광원을필요로한다. 4세대광원의또다른특징중하나는결맞음빛이라는것이다. 이것은나노크기의물질과학연구에새로운길을열어줄것이고지금까지우리가볼수없었던살아있는세포내부를자세히들여다볼수있는길을열어놓게된다. 이로인해인류는생명현상을이해하고자연의본질을아는데한발더다가가게될것이다. 아래에서는이상에서소개된내용과같이 4세대광원으로우리가할수있는연구를크게세분야로나누어물질과학, 짧은시간에변하는동적인현상을관측하는동역학과생명과학의바이오이미징에대한응용연구에대하여기술한다. [ 이흥수 ] 그림 1. 처음으로위상복원알고리듬을이용해서결맞는 X- 선회절패턴 ( 위쪽 ) 으로부터구축된비결정성실공간이미지 ( 가운데 ) 와전자현미경으로관측한이미지 ( 아래쪽 ), Jianwei Miao et al., Nature 400, 342 (1999). 결맞는 X- 선을이용한물질과학연구 현대물질과학의풀리지않은다양한문제들을이해하고해결하기위해서우리는빛을사용해왔다. 특히최첨단의물질과학연구에서는빛의결맞음특성에초점을맞추고광범위한물질과학문제해결에결맞음특성을적용해서새로운물질이해의강력한도구로활용하려고노력해왔다. 방사광 X-선광원은 20세기과학기술의가장중요한성과가운데하나로, 이로써원자, 분자, 그리고응집물질과생체물질과학의구조연구를위한새로운길을열어놓았다. 하지만여기에머무르지않고더나아가서기존의제3세대방사광원보다무려 10 억배나더밝은차세대방사광원인 X-선자유전자레이저를개발해서새로운미지의세계에로의과학연구로 21세기의과 물리학과첨단기술 October 2009 21
그림 2. ( 위쪽 ) 결맞는 X- 선회절실험의개략도와 ( 아래쪽 ) Si wafer 위에증착된 Pb 나노결정체내부의변형장을보여주는 3 차원위상이미지, M. A. Pfeifer et al., Nature 442, 63 (2006). 학기술을주도해나가려는시도가현재많은연구자들에의해진행되고있다. 결맞음특성은 X-선자유전자레이저광원의가장두드러진특성이라할수있다. 결맞는 X-선은잘정의된 X-선파동의위상정보로인해간섭현상을일으킬수있는 X-선광원을말한다. 이는서로의위상이어떠한규칙적인관계도이루지못하고불규칙하게더해진일반광원으로부터나오는 X-선과는달리, 전파되는결맞는 X-선광원상에물질이놓여졌을때발생되는위상변화를관측할수있게되어이전에는불가능했던물질과학의나노구조및동역학적인변화를다양한각도에서쉽게연구할수있게해준다. 따라서 X-선의결맞음특성은물질의구조분석연구에새로운전환점을마련해줄것으로기대한다. 선형가속기기술에기반을둔차세대광원으로부터나오는 X-선은저장링에서발생되는제3세대방사광원과는달리발생되는광원이전파방향과수직한방향에서는 원리적으로거의완벽한결맞음특성을보여주게된다. 일반적인제3세대방사광가속기의언듈레이터광원에서발생되는 X-선의경우대략빔진행방향과수직한횡방향의결맞음특성이유지되는크기가수평방향으로는 10 µm, 수직방향으로는 100 µm 정도이며, 빔진행방향으로는대략 1 µm에달한다. 이에비해차세대광원의경우대개수 mm 2 에달하는빔단면적전영역에걸쳐결맞음특성이유지되고있다. 이는발생되는광원의상상을초월하는세기와결합되었을때이전에는한번도해본적이없는새로운실험과학의영역으로들어갈수있는꿈의광원이되는것이다. 특히광원발생특성상나타나는펨토초영역의펄스형태의 X-선광원은화학결합과같은매우짧은시간동안에일어나는전자동역학적현상을실시간으로살펴볼수있는가능성도아울러제시하고있다. 기존의제3세대방사광원에서나오는 X-선의여러가지제약조건에도불구하고 X-선의결맞음특성을이용해서다양한가능성을보여주는여러실험들이활발하게진행되어왔다. 여기에는일반적으로시간에따른변화여부에따라서정적인혹은동적인특성연구분야로나뉘어져서연구가진행되어왔다. 시간에따른변화가없는정적인경우에는결맞는 X-선이마이크로구조체와같은작은크기의물질의실공간이미지를직접관찰하기위한일종의현미경법으로주로사용되어왔다 (Coherent X-ray Diffraction Microscopy). 현재다양한종류의새롭게향상된현미경기법들이계속연구되어제안되고있다. 시료의표면만을관찰하는기존의여러다른종류의현미경법과는달리 X-선의높은투과특성때문에물질내부의미세구조까지확인해낼수있는 3차원현미경법이라는점에서확연히구분된다고하겠다. 그리고 X-선과물질과의약한상호작용으로인해전자현미경에비해다중산란의효과와시료자체에주는손상도매우적다는장점도가지고있다. 또한렌즈없이위상복구알고리듬을이용해서회절패턴으로부터직접실공간이미지를얻어내고있기때문에극히단순한광학장치의배열또한결맞는 X-선회절현미경법의또다른장점이라볼수있다. 결맞는 X-선을이용한이미징기법은대개두가지로구분되는데, 그첫번째가결정화된시료로부터산란된결맞는 X-선에의한 Bragg 회절피크를살펴서조그마한단결정의모양, 내부구조, 응력변형과같은정보를 3차원구조로살펴보는것이다. 기존의제3세대광원으로얻은해상도는대략 40 nm 정도인데차세대광원을이용하게되면해상도를한층더높일수있을것이다. 두번째로비결정화된시료혹은극단적인예로단분자시료에서나오는결맞는 X-선산란패턴연구를들수있는데, 이경우결정 22 물리학과첨단기술 October 2009
그림 3. 무질서하게구성된입자계로부터나오는 X- 선회절패턴. (a) 결어긋난 X- 선에의한산란은연속적인회절링을보여주고 (b) 결맞는 X- 선에의한산란은스펙클패턴을보여주고있다. F. van der Veen and F. Pfeiffer, J. Phys. Condens. Matter 16, 5003 (2004). 그림 4. 다양한실험법에의해다루어지는시료의에너지 - 운동량영역. 성의부재로인해전방산란부분에초점을맞추어서실험을하게된다. 전방산란단면적은전적으로시료의전자밀도분포에의해결정된다. 따라서시료를여러방향으로회전시켜얻은여러장의 2차원회절패턴으로부터시료의 3차원전자밀도지도, 즉실공간구조를밝혀낼수있는것이다. 이방법을통해서현재얻어지는해상도는대략 50 nm 정도이다. 특히이방법의경우는차세대광원을활용할경우에, 단일세포나혹은단일단백질분자의구조를푸는연구에직접활용할수있어생체물질연구에획기적인발전을야기시키게될것으로기대된다. 시간에따른변화가있는동적인시료의경우, 특히시료가내부적으로특성시간대를가지고움직이고있는경우에는결맞는 X-선이시료에조사되게되면시시각각변화하는간섭에기인하는스펙클패턴을관측할수있게되고, 특정스펙클의시간에따른거동을조사하게되면물질내부의동역학적정보를도출할수있게되어, 시간변수를직접이용하는 X-선광상관분광법으로이용할수있게된다 (X-ray Photon Correlation Spectroscopy). 특히결맞는 X-선은나노스케일에서의동역학을연구하기위한최적의도구로알려져있다. 일반적으로동역학이라함은시간에따른변화를살피는것인데, 대개빠른동역학 (t 1 µsec) 의경우에는직접시간의함수로실험을하는것이매우까다로워서역관계에있는에너지영역에서, 다시말해서비탄성실험기법을통해서연구되어진다. 하지만전례없이높은휘도와결맞음특성, 그리고펨토초의펄스형태의차세대광원은매우광범위한현상들을시간의함수로직접동역학을연구할수있게끔해준다. X-선광상관분광법은결맞는빛이무질서계에의해산란되어졌을때형성되는스펙클패턴의시간에따른변화를살펴보 그림 5. X-선광상관분광법 (XPCS) 의개략적인실험도. [2] 는실험방법이다. 오늘날의제3세대방사광원을이용했을경우에는단지낮은진동수영역 (10-3 10 6 Hz) 의동역학을 10-2 수십 nm -1 의운동량전달변수영역에서만주로연구가가능했었다. 중성자를이용하는비탄성산란혹은스핀에코나비탄성 X-선산란을통해서도제3세대광원을이용하는광상관분광법과유사한운동량전달영역에서 10 8 10 14 Hz 영역의높은진동수영역에서의동역학연구를해왔다. 만약차세대광원을활용하게된다면한층높은에너지영역혹은진동수영역 (10 13 Hz) 까지실험영역을확장할수있게될것이다. 이제차세대광원의두드러진특성을위에서제시한결맞는 X-선을활용하는대표적인연구에적용했을경우, 과연어떠한흥미로운물질과학의문제해결에실마리를줄수있는지몇가지대표적인예를들어서살펴보도록하자. 물리학과첨단기술 October 2009 23
1. 나노물질연구물질의크기가점차작아져서나노스케일이되면물질의특성이양자효과를통해서크기에영향을받게된다. 이경우새로운특성을발현하기위한한방법으로물질의구조제어가한층중요해지게되고, 나노스케일영역에서의구조분석이반도체, 자성, 광학, 바이오등과같은다양한분야에서의차세대과학기술을위해서필수적인요소가된다. 설사실제응용에서나노입자의특성들이일반적으로많은나노입자무리에의해발현된다고할지라도, 각각의단일구성나노입자의특성연구는수많은나노입자들의거시적인특성발현을이해하고제어하기위해서매우중요한일이될것이다. 집속된차세대방사광원을이용하게되면단한번의광펄스를 100 nm 단일나노입자에조사해서이로부터나오는회절패턴으로나노입자의구조를추정할수있게된다. 물질과학에서주로다루고있는금속합금, 반도체, 산화물세라믹, 나아가서 Clay 물질에이르기까지다양한종류의나노입자들을결정성이완벽한단결정뿐만아니라결정성이깨어져불규칙한원자배열을가진단일나노입자의경우까지도그구조연구가가능해질것으로예상된다. (a) (b) 2. 3 차원구조연구 현대물질과학에서다루는금속및세라믹시료에산재해있는다양한크기의구조, 특히낟알 (Grain) 구조, 어긋나기 (Dislocation), 혹은다양한상들이한데어우러져서복잡한 3 차원구조를이루고있는경우는어디에서나찾아볼수있는매우흔한현상이다. 하지만이경우에나타나는물성이해를위해서다양한조건하에서실시간으로 3차원적구조분석을할수있는예를찾기가아직까지는매우어려운실정이다. 차세대방사광원은물질내에서낟알이나어긋나기구조가어떻게나타나는지, 경계에서어떠한일이벌어지는지, 그리고어떻게변형되고성장하는지, 기저상태가여러개의상으로축퇴되어다양한상들이공존할때외부의조건과시간에따라서어떻게변화되어지는지와같은물질과학의산재되어있는근본문제해결을위한매우유용한 3차원구조분석의도구로활용될수있을것이다. 3. 응집물질동역학연구펨토초영역의펄스형태의차세대방사광원을활용하는결맞는 X-선회절이미징기법이펌프- 프로브기법과결합되게되면시간에따른변화를감지하기위한이전에는구현되지못했던매우훌륭한동역학적인도구가된다. 이는결맞는 X- 선과물질과의상호작용에따른변화를나노초혹은피코초 그림 6. 차세대방사광원을이용한단입자회절패턴으로부터구축된실공간이미지의전산모사예. (a) 200 nm 직경에집속된 10 12 개의광자로이루어진단일 X- 선펄스부터계산된단일 Cowpea Mosaic Virus 회절패턴과 (b) 무작위로선택된단일입자의여러방향으로부터나온회절패턴으로부터구축된 3 차원실공간이미지. H. N. Chapman, Nature Materials 8, 299 (2009). 시간영역대에서쉽게살펴볼수있게한다. X-선회절을통해서물질의구조를연구하는경우지금까지펨토초영역에서의강력한결맞는 X-선광원으로는회절실험을수행한적이없었다. 이경우이전에는무시되어한번도고려해보지않았던물질내의결맞는 X-선전파와이에따른열적인변형현상등과같이펨토초회절실험의해석에직접적인영향을주는여러문제들을심각하게고려해야할것으로본다. 다른한편으로비교적넓은영역에조사되어 X-선을단순한프로브의수단으로이용할경우에는특히물질의표면에서일어나는여러현상들을연구하는데매우유용하게이용할수있을것이다. 예를들어서에칭이진행됨에따른표면구조의변화관찰이나고체시료표면에서단결정이어떻게시간에따라서형성되는지, 온도와같은외부의자극에따라서결정체에서무질서도의동요가어떠한구조로나타나는지, 또는 24 물리학과첨단기술 October 2009
선속은나노표면광산관분광학의새로운가능성을보여주게될것이다. 6. 비평형동역학 그림 7. 펌프 - 프로브기법과결합된 X- 선광상관분광학실험의개략도. [2] 자성물질의자화나강유전물질의전기분극이레이저와같은외부의섭동원을통해서순간적으로교란되어졌을경우에이들질서인자가시간에따라서어떻게변화되어지는지와같은연구와관련된실험이구체화될수있을것으로기대한다. 4. 포논분광학 물질을구성하는원자는열적인진동을계속해서겪고있는데, 이들진동모드의양자화된형태가포논이다. 일반적으로포논분광학은중성자나 X-선비탄성산란을통해서연구되어져왔다. 하지만차세대방사광원을활용하게되면실시간동역학연구가피코초에서나노초시간영역에서가능해져서새로운포논분광학의기법으로자리잡을것이다. 또한전통적인비탄성산란실험을통해서얻게되는밀도- 밀도상관함수의제약조건에서벗어나서고차상관함수에관한정보를스펙클패턴의교차상관함수분석으로부터얻을수있게됨으로써, 함께어우러져서특정한상관관계를가지고서나타나는분자운동이중요해지는물질현상연구에새로운길을열게될것이라기대한다. 일반적으로물질은다양한종류의상을보여준다. 시간에따라서변화가없는평형상태에도달한상도있을수있고, 또한관측시간내에서계속변화를하고있는비평형상도있을수있다. 물질의거동을기술하는열역학과대부분의통계학적법칙은평형상태를가정하고있다. 하지만예를들어서균일한무질서계가갑작스럽게온도를급하게낮추어서섞임도갭 (miscibility gap) 아래로떨어뜨렸을때, 두개의서로다른상이공간적으로서로연결되어새로운미세구조가나타나고또한이들이아름다운패턴을이루며이러한패턴이계속해서요동치는현상은다양한물질군에서많이관측되어왔다. 비단화학적인복합상뿐만아니라응집물질의복잡계에서쉽게관측되는것처럼, 화학적으로는단일상을가진다고해도전자계의다양한여러복합상들이복잡한상호작용의결과로공존하여이들다중복합상내의각상들로인해나타나는비정상적인특이현상또한최근응집물질과학연구의주요연구과제가되어왔다. 특히외부에서인가한다양한변수들, 압력, 온도, 전기장, 자기장, 빛등에따른특정상의공간구조및시간에따른동역학적변화에관한연구는차세대결맞는 X-선광원을이용하는구조분석과분광학적기법의가장흥미있는응용분야가될것이다. [ 구태영 ] 자유전자레이저 X-선광원을이용한 Bio-imaging 연 X-선자유전자레이저 (X-ray Free Electron Laser, 이하 XFEL로표기 ) 인함부르크의 FLASH가 2005년부터운영중이고, 첫경 X-선 XFEL인 LCLS가올해초시험가동에들어가면서 XFEL을이용하여어떠한 Science를할것인지에대해전세계적으로논의가활발하다. 생명과학분야에서 X-선은생체내분자들의 3차원구조를규명하고세포를관찰하 5. 표면광상관분광제3세대방사광원을이용해서이미생체막이나폴리머필름혹은액체등과같은다양한물질에대해표면광상관분광의실험기법을적용해왔다. 특히 X-선정상파기법과결합해서표면으로부터묻혀있는계면의요동에관한연구도진행되어왔다. 하지만결맞는 X-선세기의제약조건으로인해나노스케일에서의표면동역학과관련된연구는많은어려움을가지고있었다. 따라서차세대방사광원의높은결맞는 X-선 참고문헌 [1] BASAC Report on Next-Generation Photon Sources for Grand Challenges in Science and Energy, U. S. DOE (2009). [2] The European X-ray Free-Electron Laser, Technical design report (2007). [3] SCSS X-FEL, Conceptual Design Report (2005). [4] Linac Coherent Light Source, Conceptual design report (2002). [5]Diamond Beamline Proposal on Coherent X-ray Diffraction and XPCS Beamline for the Diamond Light Source (2004). 물리학과첨단기술 October 2009 25
는용도 ( 이를 Bio-imaging이라고한다 ) 로이용되고있으며, XFEL도기본적으로는그러할것이다. 그러나 XFEL의차별적인특성으로인해현재 X-선광원보다훨씬효율적이고고분해능의 Bio-imaging이가능하리라기대된다. 본글에서는 X-선이생명과학에서어떻게활용되며현재의수준은어떠한지먼저설명하고, XFEL을 Bio-imaging에활용하는아이디어에대해기술하도록하겠다. 1. X-선을이용한 Bio-imaging 생명과학은지구상에존재하는다양한생물체들의생명현상을이해하고기능을연구하는학문이다. 모든생물체를이루는기본단위는세포이다. 그리고모든세포는 DNA를유전물질로활용하며이 DNA를복제하여다음세대로넘겨주는데, 이를세포분열이라한다. 세포가살고세포들나름의기능을할수있는것은세포가 DNA에기록되어있는유전정보에따라 RNA 분자들과단백질분자들을합성하여생명현상유지를위한실질적인기능들을담당시키기때문이다. 생물체는워낙복잡하여서, 생명과학의보편타당한접근방법은생물체의기본단위인세포의생명현상을세포에서의분자들간의상호작용으로설명하는것이다. 이는오늘날생명과학의가장중요한방법론이고, 더큰단위, 이를테면세포조직이나장기나생명체수준의연구를디자인하고결과를해석하는근거가된다. 생명과학에서도 X-선은의료분야못지않게 imaging에있어중요한역할을하고있다. 세포의크기는 1~10 μm 정도이다. 광학현미경의해상도는 200 nm 정도인데비해 X-선현미경학 (X-ray microscopy) 을이용하면 30~50 nm의해상도로세포를관찰할수있다. [6] 소각 X-선산란 (Small-angle X-ray scattering) 을통해서는 DNA, RNA, 단백질등생체고분자의크기와 3차원구조 ( 형태 ) 를 1 nm의해상도로알수있다. X-선결정학 (X-ray crystallography) 을이용하면분자의 3차원구조를원자수준의분해능인 0.1 ~ 0.3 nm 해상도로규명할수있다. 생체고분자의 3차원구조를아는것은그분자의세포에서의기능과기작을이해할수있기때문에매우중요하다. 이러한학문을구조생물학 (Structural biology) 이라고한다. X- 선결정학, 핵자기공명분광학 (NMR spectroscopy), 전자현미경학 (Electron microscopy) 등은원자수준분해능으로생체고분자의 3차원구조를규명할수있는구조생물학의주요방법들이다. 이중 X-선결정학이가장일반적이어서, Protein Data Bank에등록된 60,000여생체고분자구조들중 X-선결정학에의해규명된것이 86% 에이른다. [7] X-선결정학은결정에 X-선을조사하였을때각방향으로산란 [8] 되어나오는빛의세기를측정하여, 역으로그결정을구성하고있는분자의 3차원구조를계산을통해규명하는방법이다. X-선을검출할수있는스크린을갖다대면각방향으로산란되는빛의세기에따라점들의밝고어두운패턴을얻을수있는데, 이러한 X-선산란패턴은결정을구성하고있는분자의 3차원구조와수학적으로 Fourier transform의관계가있다. 결정은분자가일정하게차곡차곡쌓인것이다. 소금물에서소금결정이생겨나자라듯이생체고분자의결정도용액내에서용해도의한계를넘었을때자연히만들어진다. 생체고분자의 3차원구조를규명하기위해결정이필요한이유는다음과같다. 첫째, 생체고분자는 X-선에의해손상을잘받기때문에하나의분자에 X-선을조사하면금방분자가분해되어고유의 3차원구조를잃고만다. 그러나결정에대해 X-선을조사하면 X-선에의한손상이결정을구성하고있는생체고분자들에고루분산되어서개개의분자들이받는손상은미미하므로, 오래동안 X-선을노출시켜의미있는데이터를얻을수있다. 둘째, 하나의생체고분자로부터산란되어나오는빛은매우약하다. 그러나결정을이루고있으면산란되는빛이분자수의제곱에비례하여세어지므로선명한신호를얻을수있다. 방사광가속기 X-선광원을쓸수있게되면서지난 20년간 X-선결정학이대단한발전을이루었다. 방사광에서나오는 X-선의세기가일반 X-선생성기에서나오는것보다월등히세어서, 한결정에대한데이터를모으는데 3~6시간걸리던것이 6분이내에끝나면서효율적인실험이가능해졌고, 이를계기로결정생성, 단백질정제, 단백질발현, 유전자확보에이르기까지 X-선결정학과관련한일련의과정들이자동화되고효율이높아졌기때문이다. 또한, 방사광가속기에서는임의의파장의 X-선을얻을수있어서결정으로부터산란되어나오는빛의위상정보를알수있는방법이다양해진것도 X-선결정학이선호되는데기여했다. 한편, X-선결정학이발전하고널리쓰이면서 X-선결정학으로는답하기어려운새로운요구들도구조생물학내에서생겨나기시작했다. X-선결정학에서가장문제가되는것은결정을얻는과정이다. 그림 8-a는어느 Structural genomics 프로그램의진행상황을보여준다. 이프로그램은미생물유전자들을확보하고, 단백질을발현시키고, 그단백질분자의결정을얻어서 3차원구조를규명하는대규모연구프로젝트이다. 유전자확보와발현까지진행된단백질들에비해결정화에이른것은 8% 에못미친다. 이는다른과정들에비해결정화과정의효 26 물리학과첨단기술 October 2009
a b 그림 8. 단백질의 3 차원구조규명효율. (a) 단백질에대한 3 차원구조규명작업진행상황 (Joint Center for Structural Genomics). [10] (b) 구조가규명된단백질의수 ( 출처 : Protein Data Bank, 2007 년 7 월현재 ). 율이매우낮다는것을의미한다. 그리고결정화가된경우에도구조가규명된것은절반수준이다. 현재의방사광가속기 X-선광원으로는결정을단결정으로크기가최소한 20 µm 이상되게키워야하고또결정자체가 X-선을잘산란시키는성질이있어야구조를규명할수있다. [9] 더군다나, 게놈프로젝트 (genome project) 에의해많은수의유전자들이밝혀지면서세포내에서의단백질들간의네트워크또는상호작용을알기위해여러단백질들이결합한복합체 (complex) 에대한구조해석에관심이많은데, 복합체또는큰분자들은 X-선산란을잘하는좋은결정을만들기가더욱어렵다. 단백질과 DNA, 단백질과 RNA, 단백질과지질등의복합체도마찬가지이다. 예로써, 리보좀 (ribosome) 은 60 개정도의단백질과 RNA 분자들로구성된약 20 nm 크기의거대복합체인데, 이복합체는 1981년에처음결정이보고되었으나, [11] 결정구조를규명하는데무려 20년이걸렸다. [12] 막단백질 (membrane protein) 도결정화및구조규명이어렵다. 막단백질은세포막에존재하는단백질로서세포안팎으로의물질수송또는신호전달을담당하기때문에신약개발의주요타깃이다. 막단백질유전자수는일반수용성단백질의유전자수와비슷한수준이나그림 8-b에서보듯이매우적은수의막단백질에대해서만구조가밝혀져있다. 이는막단백질이친수성표면과함께넓은소수성표면도가지고있어서물에서안정하지않고, 결정화과정에서도막단백질분자들이균일하게쌓이는조건을잡기가어렵기때문이다. 마지막으로 X-선을이용하여세포에대해고해상도의 image를얻는것이다. 만약세포의 image를원자또는분자 수준의분해능으로얻을수있다면세포에서벌어지는생명현상들을이해하는데큰도움이될것이다. 전자현미경은 0.2 ~ 10 nm의우수한해상도를가지는데, 최근에는토모그라피 (tomography) 를구현하여 3~5 nm 해상도로세포내부의 3차원영상을얻는데성공하였다. [13] 이정도의분해능이면세포내소기관은물론단백질들의거대복합체들도볼수있다. 그러나전자현미경은시료를매우얇게준비해야하는문제가있다. 특히살아있는세포의구조를잘보존하기위해급속냉동법 (cryo technique) 을적용한다면시료를얇게준비하기가더어렵다. X-선은투과성이좋고분해능도우수해서세포수준의구조생물학을구현할수있으리라기대된다. 4세대광원으로일컬어지는 XFEL은이러한새로운요구들에대해부응할수있는광원으로여겨지고있다. 현재계획중인경 X-선 FEL들의성능 parameter들을요약하면다음과같다. XFEL에서나오는 X-선은 10~100 fs(10-14 ~10-13 초 ) 의짧은 pulse이며, 이는현재방사광가속기에서구현하는 pulse 보다 1/10,000~1/1,000배더짧기때문에시간적인분해능을대폭향상시킬수있다. 이한 pulse는 10 12 개의광자를갖고있으며그대역폭은 E/E ~ 10-2 이다. 이정도의빛의세기면하나의 pulse만으로작은결정 (< 10 µm) 에대해 X-선산란데이터를얻을수있고, 또이빛은결맞음성이매우우수하여위상정보를얻는데도유리하다. XFEL에서나오는빛은휘도 (brilliance) 가대단히좋아서광자의손실없이 100 nm 이하로집속시킬수있으리라기대되며, 이는매우강한빛이어서 (10 8 개광자 /nm 2 ) 생체고분자를순식간에 plasma 상태로분해할수있다. 이후로는이러한 XFEL 광원을이용하여생체고분자와세포에대한 3차원구조를규명하고자제안되어학계에서활발히논의중인아이디어들을소개하도록하겠다. 2. 순간노출 X-선나노결정학 (Flash X-ray Nano-crystallography) 크기가매우작은결정에대해 X-선산란데이터를모을때결정에조사하는 X-선광원의크기가클필요는없다. 결정에맞지않고지나가는 X-선은데이터에기여하지않기때문이다. 한편, 결정이작으면그만큼 X-선산란도약해서, 결정에맞는 X-선의세기가세어야노이즈레벨보다선명한신호를얻을수있다. 그래서크기가작은결정에대해 X-선산란패턴을얻을때는 X-선을집속 (focusing) 함으로써결정에대한 X-선조사효율을높인다. 현재최적화된방사광가속기기술로는 μm 단위의결정에 물리학과첨단기술 October 2009 27
그림 9. XFEL pulse 를단백질나노결정에순간노출하여 X- 선산란패턴을얻는개념도. [15] 대해실험이가능하여서이를 X-선마이크로결정학 (X-ray micro-crystallography) 이라고부르는데, XFEL은휘도가좋고빔이강해서 µm 이하의결정들에대해서도 X-선산란데이터를모을수있으므로 X-선나노결정학시대를열것이다. 이경우결정이작기때문에 Bragg peak 이외의지점에서도신호가보이는 X-선산란패턴을얻을것이고, 이를이용하면산란되어나오는빛의위상정보도알아낼수있다. 한가지고려할것은, 결정의크기가작으면 X-선노출에의한손상 (Radiation damage) 문제가심각하다는것이다. 만약 XFEL pulse의길이가길다면검출기스크린에기록된 X- 선산란패턴에는결정의생체고분자들이 X-선에의해손상되어가는과정까지도누적되어있어서해석하기가불가능할것이다. 그러나현재계획중인 XFEL pulse는 10~100 fs 정도로매우짧아서생체고분자들의손상이채진행되기전에이미결정을떠나검출기스크린에도달하므로, 검출기스크린에기록된 X-선산란패턴은결정이손상되기전의온전한상태에서의신호이다. [14,15] 이러한실험을순간노출회절실험 (Flash diffraction experiment) 이라고부르고, 연 X-선 FEL인 FLASH에서 25 fs의 pulse를이용한실험을통하여실현가능성이입증되었다. [16,17] XFEL을이용한순간노출회절실험을통해 1 μm 이하의작은결정에대해서도 X-선산란신호를극대화할수있으나빛이너무강해서결정이한 pulse 이상을견뎌내지못할것이다. 3차원구조해석을위해서는결정의각도를돌려가며여러 orientation에서 X-선산란패턴을모아야하는데, 결정이손상되어버려서 XFEL 실험에서는적용할수없다. 따라서수백개의결정에대해각각산란패턴을얻은뒤 ( 그림 9), 이들의 orientation을잘분류해서온전한데이터 set를재구성해야한다. [18] XFEL 광원을이용한순간노출 X-선나노결정학이가능해 지면생체고분자의 3차원구조규명에있어결정의크기에구애를받지않게되기때문에구조생물학의발전에획기적으로기여할것이다. 결정의크기가작은경우는물론, 어렵게결정이생겼으나그성질이좋지않은경우라하더라도작게나노결정으로부수어서구조규명이가능할것이기때문이다. 이는생체고분자의복합체나막단백질과같이현대생물학의중요현안들의 3차원구조연구를용이하게함으로써생명과학전반에지대한파급효과가있을것이다. 특히분자들이한겹으로성장하는막단백질의이차원결정들에대해서도 3차원구조를해석할수있으리라기대되며, [19] 이는신약개발연구를선도할것이다. 3. 단분자 (single molecule) 에대한 3차원구조규명생체고분자의결정을만드는것이어렵기때문에, XFEL을이용하여결정화과정없이도고분해능으로 3차원구조를규명하는방법에대해서활발히논의되고있다. 아예단분자에대해 X-선산란패턴을얻어서 3차원구조를밝히겠다는아이디어이다. 이때 X-선조사에따른생체고분자의손상이문제가되는데, 앞서설명한순간노출회절실험을통하여산란신호를극대화함으로써이를극복할수있다. 즉, 매우짧은 X- 선 pulse를조사하여생체고분자가손상되기전의온전한상태에서의산란패턴만검출하겠다는것이다. 그림 10은 lysozyme 단백질분자에대해 simulation한결과를보여준다. [20] 생체고분자에강력한 XFEL pulse를조사하면광전효과와 Raman 산란, Auger 효과에의해전자들이튕겨나가고, 생체고분자에남아있는원자들은정전기적인반발력에의해폭발하게된다. 그런데이과정은빛의속도에비해훨씬느리게이뤄지기때문에, XFEL pulse가충분히짧다면이 pulse가지나가는것과생체고분자가해체되어폭발하는것사이에는상당한시간지연이있게된다. 그림 10(a) 는 X-선 pulse의반폭이 2 fs일때이다. 이 pulse에노출되는동안 lysozyme에는거의변화가없다가빛이지나간이후에야분해가진행되는것을알수있다. 그림 10(b) 는 pulse의반폭이 5 fs일때이다. 빛이가장강한 t =0 fs때까지도거의변화가없다가모든빛이지나간무렵에 10% 가량의형태변화가생겼다. 이경우, X-선산란패턴에기여하는대부분의신호는 lysozyme 분자의형태가온전한때에나오므로검출기에기록되는산란패턴도 lysozyme 의 3차원구조를규명하기에유효하다. 그림 10(c) 는 pulse의반폭이 50 fs일때이다. 빛이가장강한 t =0 fs부터 50 fs에이르기까지 lysozyme 분자의분해가많이진전되어서, 이시간동안산란되어검출기에기록되는빛은오히려 lysozyme의 3차원구조해석에좋지않은 28 물리학과첨단기술 October 2009
그림 10. Lysozyme 분자에 XFEL pulse 를쬐었을때시간대별분자의구조변화에대한시뮬레이션결과. [20] 3 10 12 개의 12 kev 의광자를직경 100 nm 에집속시킴을가정함. (a) 반폭이 2 fs 인 Gaussian 형태의 pulse 에노출되었을때. (b) 반폭이 10 fs 인 Gaussian 형태의 pulse 에노출되었을때. (c) 반폭이 50 fs 인 Gaussian 형태의 pulse 에노출되었을때. 그림 12. X- 선산란패턴의 orientation 결정방법. [22] (a) Lysozyme 분자에 XFEL pulse 를조사하였을때의 X- 선산란패턴에대한시뮬레이션결과. (b) X- 선산란패턴들을공통된부분을겹치게하여공간상에배치. 그림 11. 단분자에대한 3 차원구조규명을위한실험장치의개략도. [21] 영향을준다. 즉, XFEL pulse가충분히짧다면, 매우강한빛으로산란신호를극대화하면서도온전한상태의생체고분자에대한 X- 선산란패턴을얻을수있는것이다. 이아이디어를어떻게실험적으로구현하는지를그림 11에나타내었다. 생체고분자한분자를 electrospray 방법으로진공중으로날려보내고, 이를 XFEL pulse로맞춰서산란패턴을얻어낸다. 하나의분자는하나의 orientation에대한 X-선산란패턴을줄뿐이므로, 분자의 3차원구조규명을위해서는많은분자에대해 X-선산란패턴을얻어서이들의 orientation을잘 분류하여온전한데이터 set를구성해야한다. 임의의두 X- 선산란패턴사이에는적어도한줄이상동일한산란패턴이존재하는데, 이부분이서로겹쳐지게끔공간상에배치하면산란패턴간의상대적인 orientation을알수있다 ( 그림 12). [22] 생체고분자의 3차원구조는앞서공간상에 mapping한 X- 선산란패턴데이터 set을역 Fourier transform하여얻는다. 단, 아직모르고있는것이각방향으로산란된빛의위상정보이다. 이를알아내기위해 X-선산란신호를생체고분자의크기에해당하는간격 (= 생체고분자의크기의역수 ) 보다더세밀한간격으로측정하고 ( 이를 oversampling이라고한다 ), 역 Fourier transform하였을때생체고분자의크기에해당하는부분에만생체고분자의전자밀도가보이게끔각산란된빛의위상정보를조정해주면서재귀적으로찾아나간다. [23] 경 X-선 XFEL이없는상태에서이런혁신적인개념의실험을할수있는방법이없기때문에컴퓨터시뮬레이션을통해그실현가능성을입증하고자한연구들을소개하겠다. 그림 13은한개의 Rubisco 단백질분자에대해 XFEL pulse를조사하였을때 X-선산란패턴들이어떻게나오는지 물리학과첨단기술 October 2009 29
그림 14. 단분자에대한 3 차원구조규명의실현가능성에대한시뮬레이션. [25] 72,000 장의생성한 X- 선산란패턴들에대해 orientation 에대한정보없이 3 차원구조를계산함. Chignolin 은 10 개의아미노산으로구성된펩타이드임 (PDB 고유번호 : 1UAO). 그림 13. 단분자에대한 3차원구조규명의실현가능성에대한시뮬레이션. 생성한 X-선산란패턴들의 orientation 은안다고가정함. [24] (a) Rubisco 단백질의실제 3차원구조 (PDB 고유번호 : 2RUS). (b) (a) 의활성중심확대그림. (c) 시뮬레이션으로생성된 300,000장의생성된 X-선산란패턴들에대해구조해석결과. (d) (c) 의활성중심확대그림. simulation한뒤, 역으로위의알고리즘을써서단백질의 3 차원구조를다시계산한결과이다. [24] Rubisco 단백질은분자량이 106 kda인데, 300,000개의동일한분자로부터 0.25 nm 해상도로 X-선산란패턴을얻었다고가정하였고, 또각산란패턴의 orientation도알고있다고가정하고서 oversampling 을하여 3차원구조를계산하였다. 그림 14는 Chigonin이라는 10개의아미노산으로구성된펩타이드에대하여 0.18 nm 해상도로 72,000장의 X-선산란패턴을얻었다고가정하고서, 각 X-선산란패턴에대해 orientation까지도결정한뒤분자의 3차원구조를규명한것이다. [25] 결정화없이생체고분자의 3차원구조를밝히는것은환영받을일이고또 simulation 결과들도그가능성을뒷받침하고있으나, 이를구현하기위해서는아직많은연구가선행되어야한다. 첫째, 단분자의 X-선산란신호는매우약해서이방법을적용하려면분자량이 100 kda 이상이어야한다. [26] 분자량이작은생체고분자는결정을만들거나, 또는구조를알고있는거대한생체고분자에융합시켜서전체크기를키워주어야해석할만한 X-선산란패턴을얻을수있다. 둘째, Electrospray를통해생체고분자를진공중으로쏘 아보낼때생체고분자가물분자를잃어버리면서 3차원구조에변화가일어날수있다. [27] 컴퓨터시뮬레이션결과에의하면단백질분자는물이두분자이상의두께로둘러쌓고있어야원래의형태를유지한다. 단백질분자가진공으로들어가면서분자와상호작용이강한위치에있는물분자들은계속붙들고있겠지만그외의분자들은잃어버리게될것인데, 그결과 3차원구조에어느정도변화가생긴다. 이변화된상태에대해 3차원구조를얻으면, 시뮬레이션을통하여물속에들어있을때의 3차원구조를재계산해야할것이다. 셋째, 쏘아보낸생체고분자가 X-선광원의집속지점을정확히지나가게해주어야한다. 최근보고에의하면 Electrospray 를이용하여 100 nm 크기의시료를 150 m/s의속력으로날려서직경 250 µm, pulse 길이 15 fs의연 X-선에맞춰 X-선산란패턴을얻는데성공하였다. [28] 그러나단분자에대한 3차원구조규명을위해현재계획중인 XFEL의광원의직경은 100 nm이어서, 아직이목표치와차이가많이난다. 4. 세포에대한고해상도 imaging 세포에대해고해상도 image를얻는방법도앞서의두실험과다르지않다. 즉, 세포시료에대해 XFEL pulse를조사하고, 거기서나오는 X-선산란패턴을읽어서계산을통해세포의 image를알아내는것이다. 다만, 생체고분자는같은조건에서 3차원구조가서로동일하나세포는성장하고운동하고각기환경에적응해야하기때문에같은종류라하더라도서로형태와내부구조가같을수없다. 따라서세포에대한 imaging은생체고분자와는달리단하나의시료에대해서한번의 XFEL pulse의조사만으로이뤄져야한다. 30 물리학과첨단기술 October 2009
선실험을하는사람들에게너무나매력적인광원인동시에, 빛의세기가너무센것이오히려제약이된다고생각될수있다. 왜냐하면기존의광학장치로는이렇게강한빛을견뎌낼방법이없고, 시료도 1회조사만으로손상될것이기때문이다. 3세대방사광가속기를사용하여실험하는연구자들은에너지스캔을하는실험을제외하고모두 XFEL을이용하여실험을할수있다. 그러나각자의실험에맞게빛의세기를약화시킬필요가있을것이며, 이를위해불활성기체로채운관을 100 m 길이로만들어두어빛이기체를통과하는동안 참고문헌 그림 15. 결맞는 X- 선을이용한세포이미징. (a) E. coli 박테리아에대한이미지. [30] (b) 효모에대한이미지. N 은세포핵, V 는액포, M 은세포막을각각나타냄. (c) (b) 시료에대한주사투과 X- 선현미경이미지. [29] 가장단순한활용은시료에대해 2차원 image를얻는것이다. 현재방사광가속기의언듈레이터에서나오는결맞는 X- 선을이용하여 30 nm 해상도로세포의이미지를얻고있다 ( 그림 15). [29,30] XFEL의 pulse를이용한순간포착회절실험을통하여서는해상도를극대화시킬수있을것이며, 1 nm 보다좋은분해능을구현할수있으리라예상된다. [31] XFEL에의한실험이 1회로제한될수밖에없기때문에, 3 차원 imaging을위해서는여러방향으로부터 XFEL pulse가들어와시료에동시에조사되게실험장치를꾸며야한다. 이렇게하면 X-선조사에의한손상이진행되기전의산란패턴들을각방향에대해얻을수있다. 이산란패턴들은또한중첩되어간섭을일으키는데, 위상정보를갖고있으므로 image 를규명하는데도움이될수있다. 5. 맺음말 지금까지 4세대방사광가속기로일컬어지는 XFEL을이용하여생명과학에서가장중요한연구수단인 imaging을구현하는방법을살펴보았다. XFEL은생체고분자들의형태와세포에서의행동양식, 그리고세포의구조를고분해능으로관찰하는또다른차원을엶으로써생명과학과신약연구발전에획기적인기여를하게될것이다. 강한빛, 고휘도, 결맞음성, pulse로대표되는 XFEL은 X- [6] Le Gros, M. A., G. McDermott and C. A. Larabell, Curr. Opin. Struct. Biol. 15, 593 (2005). [7] Protein Data Bank 는규명한생체고분자의 3 차원구조를등록하는데이터베이스이다. http://www.rcsb.org. [8] 본글에서는산란 (scattering) 과회절 (diffraction) 을구별하지않겠다. [9] P. Sliz, S. C. Harrison and G. Rosenbaum, Structure 11, 13 (2003). [10] http://www.jcsg.org/. [11] K. Appelt, et al., J. Biol. Chem. 256, 11787 (1981). [12] M. Selmer, et al., Science 313, 1935 (2006). [13] R. McIntosh, D. Nicastro and D. Mastronarde, Trends Cell. Biol. 15, 43 (2005). [14] http://fel.web.psi.ch/public/xfel/science/berne_workshop_ April_2007/Talks/Schiltz.pdf. [15] http://fel.web.psi.ch/public/xfel/science/coherent%20dif fraction%20workshop/talks/coh_diff_pfeiffer.pdf. [16] H. N. Chapman, et al., Nature Physics 2, 839 (2006). [17] H. N. Chapman, et al., Nature 448, 676 (2007). [18] R. Neutze, et al., Radiation Physics and Chemistry 71, 905 (2004). [19] http://fel.web.psi.ch/public/xfel/science/coherent%20dif fraction%20workshop/talks/coh_dif_kewish.pdf. [20] R. Neutze, et al., Nature 406, 752 (2000). [21] http://xray.bmc.uu.se/molbiophys/experiment/images/ experim2.png. [22] G. Huldt, A. Szoke and J. Hajdu, J. Stru. Biol. 144, 219 (2003). [23] J. Miao, et al., Annu Rev Phys Chem. 59, 387 (2008). [24] J. W. Miao, K. O. Hodgson and D. Sayre, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 6641 (2001). [25] R. Fung, et al., Nature Physics 5, 64 (2009). [26] R. Henderson, Quar. Revi. Biophysics 28, 171 (1995). [27] A. Patriksson, E. Marklund and D. van der Spoel, Biochemistry 46, 933 (2007). [28] M. J. Bogan, et al., Nano Letters 8, 310 (2008). [29] D. Shapiro, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 15343 (2005). [30] J. Miao, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100, 110 (2003). [31] M. Bergh, et al., Quarterly Reviews of Biophysics 41, 181 (2008). 물리학과첨단기술 October 2009 31
XFEL pulse의다른성질들은유지하면서빛의세기만약해지게해주어야한다. 문제는 XFEL의광원의세기를조절하여마치 3세대방사광가속기의연장으로서사용하는것이합당한지, 그리고세기를조절하기위한장치를유지보수하는것이경제적으로현실성이있는지하는것이다. XFEL은 3세대방사광가속기와는달라서설치할수있는빔라인의수가대단히적다. 3세대방사광가속기가저장링주위에 40여기의빔라인을설치할수있는반면에 XFEL은기껏 3개정도이다. XFEL에서할수있는실험은다른방사광가속기에서는수행할수없을뿐만아니라그실험들이지닌가치가매우높다. 왜냐하면인류가아직그렇게극단적으로강한빛을경험해본적이없어서이로인한 science는어떤물리적현상이발견될지어떤응용이있을지모르는전인미답의처녀지이기때문이다. 따라서합리적인안은 XFEL은그고유의응용실험들을수행하고, 3세대방사광가속기는성능을최적화시키고삽입장치들을설치하여빛의세기가 XFEL보다는약한상태에서안전하게우수한실험결과를낼수있게하는것이다. XFEL과 3세대방사광가속기는공통적으로 X-선 science 를하지만접근방법이다르고고유의영역이있으므로서로상호보완적으로활용되어야함을첨언하며이글을마친다. [ 임재홍 ] 를어떻게관찰할수있을까? 현대의레이저기술의발달로아주짧은시간폭을가지는펄스형태의빛을쉽게만들어내는것이가능하게되었고이를반응메커니즘연구에응용할수있게되었다. 캘리포니아공대의 Zewail 교수는짧은시간폭을가지는두레이저펄스를이용하여이원자분자의진동현상을실험적으로관찰하였고이러한펨토화학을개척한공로로 1999년노벨화학상을수상하였다. [32] 일반적으로자외선및가시광선영역의레이저펄스가사용되는이기술은간단한분자에적용되어화학반응의반응메커니즘에대한많은정보를제공해주었지만가시광선및자외선영역의레이저펄스를이용해서분자구조에대한직접적인정보를알아내기는힘들다. 이러한제한점을극복하기위해서최근에는짧은시간폭을가지는엑스선펄스를레이저펄스대신사용하여빠른시간에변하는분자구조변화를관찰하고측정하는연구가진행되고있다. 이연구는최근급속하게발전한짧은시간폭을가지는극초단엑스선펄스생성기술과밀접한관련이있으며엑스선자유전자레이저가현실화된다면지금까지연구되지못했던많은현상들이연구될수있을것이다. 본총설에서는현재연구되고있는엑스선펄스를이용한구조동역학 (structural dynamics) 연구결과와이와관련된여러가지제한점을기술하고엑스선자유전자레이저의설치등이가져올관련분야의기대효과등을조명해보고자한다. 엑스선자유전자레이저를이용한구조동역학연구 (Structural Dynamics Using X-ray Free Electron Laser) 우리가일상에서마주치는많은현상들은물질이다른물질로변화되는화학반응과밀접한관련이있다. 화학반응에참여하는분자들은화학반응중에구성원자들사이의결합의분해, 형성, 재배치등을통하여새로운구조를가진분자들로변화하게된다. 만일화학반응에서일어나는구조변화를관찰하고이를제어할수있게된다면새로운물질을합성하거나생명현상에서일어나는반응을이해하고이용하는데큰도움이될것이다. 반응메커니즘은반응물로부터생성물이이루어지는반응경로중에나타나는중간체 (intermediate) 들의분자구조에의해서결정된다. 그러나원자들의작은크기 ( 10-10 m) 와원자들사이에서일어나는결합의분해및형성에관련되는시간 ( 10-12 s, 피코초 ) 을고려할때실험적으로이를관찰하는것은매우어렵고도도전적인연구주제이다. 그러면매우빠른시간스케일에서변하는분자구조변화 1. 구조동역학연구의원리및엑스선펄스의소스엑스선펄스를이용한구조동역학연구는들뜸- 탐색방법 (pump-probe method) 을기본으로하고있다. 연구대상인분자시스템에극초단레이저펄스 ( 들뜸 ) 를사용하여화학반응을시작시키면여러가지구조변화가나타난다. 이변화의시간대는빠르게는펨토초에서느린것은피코초, 나노초, 더나아가서밀리초가걸리는데이러한구조변화를직접적으로관찰하기위해서엑스선펄스 ( 탐색 ) 를반응이일어나는분자시스템에보내어분자구조에대한직접적인정보를담고있는엑스선회절신호나엑스선흡수신호를잡아내게된다. 반응을시작시킨레이저펄스와구조를탐지하는엑스선펄스사이의시간차 (time-delay) 를바꾸어주면서신호를얻게되면그신호는각시점에서의분자구조에대한직접적인정보를담고있어실시간으로변하는분자구조변화를관찰할수있다. 탐색펄스로사용되는엑스선펄스의시간폭이시간분해능 (time-resolution) 을결정하기때문에엑스선펄스를이용한구조동역학연구는극초단엑스선생성기술과매우밀접한관련이있다. 현재구조동역학연구에사용되는엑스선펄스는고차조화파 (high harmonic generation), [33] 32 물리학과첨단기술 October 2009
10 13 10 12 XFEL X ray pulse flux (photons/0.1 % bandwidth) 10 11 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 3 rd synchrotron Plasma source 10 0 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 X ray pulse temporal width (s) SPPS Slicing 그림 16. 구조동역학연구에적합한극초단강엑스선펄스를발진할수있는방법들의엑스선펄스강도비교. 레이저플라즈마방법, [34] 그리고 3세대방사광가속기에서주로얻어진다 ( 그림 16). 고차조화파 (soft X-ray) 생성기술을이용하면펨토초시간폭을가지는 500 ev 이하의에너지를가지는연엑스선이주로얻어진다. 이엑스선펄스를이용하여원자내의전자동역학에대한연구결과가보고되었지만 2 20 kev 영역의강엑스선 (hard X-ray) 펄스가필요한구조동역학연구에는적합하지않다. 펨토초레이저펄스가고체표면에조사될때생성되는플라즈마로부터수 kev의영역의펨토초엑스선펄스가발생되며이펄스를이용한구조동역학연구가보고되어있지만다른방법들에비해서상대적으로광자밀도가작고발생되는엑스선펄스의안정성등의문제로다양한시스템의구조동역학연구에응용되기에는한계가있다. 반면에 3세대방사광가속기에서얻어지는엑스선펄스는다른방법들에비해탁월한안정성, 높은광자밀도, 변환가능한넓은파장범위등의특성을가지고있어서다양한구조동역학연구에응용되고있다. 그러나일반적인 3세대방사광가속기에서얻어지는엑스선펄스는다른엑스선펄스보다는큰약 30 100피코초정도의시간폭을가진다. 다음섹션에서는 3세대방사광가속기의엑스선펄스를이용한다양한상태에있는분자구조동역학연구들을기술하고자한다. 그림 17. (A) 시분해엑스선라우에결정법으로얻어진카복시미오글로빈단결정의광분해전 ( 분홍색 ) 및광분해후 ( 녹색 ) 의전자밀도함수. [36] (B-G) 넓은시간범위 (100 피코초 - 3.16 마이크로초 ) 에서의발색단의전자밀도함수맵. 2. 엑스선펄스를사용한다양한구조동역학연구 엑스선회절방법은일반적으로반복적인구조적규칙성을가진여러종류의결정들의 3차원구조를규명하는데널리사용되어왔다. 예를들면미오글로빈단백질의엑스선결정구조규명에서비롯된다양한종류의생체분자의 3차원구조에대한연구는 1950년대시작된이후로지금까지도계속생체분자의작용및기능에대한중요한정보를제공하고있다. 최근에는전술한바와같은들뜸- 탐색방법을사용하여정지상태의안정한단백질구조뿐만아니라단백질이고유의기능을수행하는화학반응의역동적인메커니즘을연구하고있다. 좋은회절패턴을나타내는단백질단결정에레이저를사용하여반응을시작시키고 3세대가속기의엑스선을조사시켜얻어진회절패턴을정지상태의회절패턴과비교분석하게되면단백질단결정의구조변화를실시간으로추적할수있다. 이와같은방법으로광활성노란단백질 (photoactive yellow protein), [35] 잔톱신, 미오글로빈 [36] 과같은단백질단결정의구조변화가나노초이상의시간스케일에서연구되었다. 가장대표적인연구업적으로는카복시미오글로빈의시분해라우에회절 (time-resolved Laue Crystallography) 결과를들수있다. 극초단레이저를사용하여서카복시미오글로빈에서일산화탄소분자를광분해시키고시간차를조절하면서 100피코초시간폭을가지는엑스선펄스로부터얻어지는회절패턴을분석하여서그림 17에나타낸것과같은카복시미오글로빈에서일산화탄소가이동할때변화하는분자구조를얻어내었다. [36] 광분해후미오글로빈안에서의일 물리학과첨단기술 October 2009 33
그림 18. 액체 상태의 구조 동역학 연구를 위한 시분해 엑스선 회절 기 술 개요. 산화탄소 궤적을 영상화한 결과라고 할 수 있다. 단백질 단결정에 비해서 액체에서 일어나는 화학 반응의 구조 변화를 시분해 엑스선 회절(time-resolved X-ray dif- fraction) 기술을 이용하여 추적하는 것은 기술적으로 더 어 렵다. 그 이유는 결정과는 달리 액체에서는 분자 사이의 배열 의 규칙성이 사라지고 무질서하게 끊임없이 움직이고 있기 때문이다. 또한 액체상에는 우리가 관심 있는 용질 분자 외에 그림 19. 시분해 엑스선 회절 연구로 규명된 메탄올에 녹아 있는 C2H4I2 [38] 분자의 광분해의 구조동역학. (A-B) C2H4I 라디칼의 구조 결정, (C) C2H4I2 분자의 광분해 구조 동역학. 수많은 용매 분자가 존재하여 용질-용매 복합체를 형성하기 때문에 그 해석이 더 어렵다. 그러나 최근 발표된 연구 결과 구조의 대칭형 중간체를 직접적으로 관찰하는데 처음으로 성 에 따르면 시분해 엑스선 회절 기술을 사용하여서 액체 상태 공하였으며 일련의 반응에서 일어나는 구조 변화를 관찰하였 에서 존재하는 분자 구조의 변화 관찰이 가능하다는 것이 보 다(그림 19). 그 후 시분해 엑스선 회절 기술은 액체 상태에 [37,38] 고되었다. 그림 18은 액체 상태의 구조 동역학을 연구하 서 일어나는 다양한 반응에 적용되어서 기존의 시분해 분광 는데 사용되는 시분해 엑스선 회절 기술의 개요를 나타낸다. 법으로 관찰할 수 없었던 구조 동역학 연구에 성공적으로 적 이 연구에서는 마찬가지로 들뜸-탐색 방법을 사용하는데 펨토 용되었다. 초 레이저를 사용하여 액체 내의 용액에 원하는 반응을 시작 위에서 언급된 시분해 엑스선 회절 기술이 액체 상태에 존 시키고 3세대 방사광가속기의 엑스선 펄스를 일정한 시간 뒤 재하는 단백질의 구조 동역학 연구에 적용될 수 있지 않을 에 조사시켜 원하는 회절 패턴을 얻는다. 레이저를 조사시키 까? 하는 의문이 된다. 이는 위의 경우와 같은 간단한 분자의 지 않는 회절 패턴을 특정한 시간에서의 회절 패턴에 빼게 경우보다 실험적으로 훨씬 도적적인 과제이다. 왜냐하면 일반 되면 그 시각에서의 구조 정보를 직접적으로 담고 있는 회절 적으로 단백질과 같은 큰 분자는 용액 중에 아주 작은 농도 패턴을 얻을 수 있다. 이 실험은 매우 높은 정밀도와 정확성 (수 mm)로 존재하기 때문에 구조 변화에 의한 회절 신호를 을 요구하는데 이는 용질 분자의 회절 신호가 수많은 용매 측정하기 매우 어렵고 큰 분자 사이즈에 대한 구조적인 분석 분자에 의한 회절 신호에 묻혀 버리기 때문이다. 모델 시스템 도 힘들기 때문이다. 그러나 최근에 발표된 결과는 액체 상태 으로 1,2-diiodoethane(C2H4I2) 분자의 광분해에 적용하였 로 존재하는 단백질의 구조 동역학을 시분해 엑스선 회절 기 [37] 다. 얻어진 회절 신호 차이를 분석하기 위해서는 용질 분 술을 사용하여 연구할 수 있다는 것을 보여준다. [39] 이 결과 자의 구조 변화에 의한 회절 신호, 용질-용매 분자의 상호 작 에서는 시분해 엑스선 회절을 카복시헤모글로빈의 리간드 광 용에 의한 회절 신호, 그리고 마지막으로 용질 분자의 여기로 분해에 적용하였다. 나노초 레이저 펄스가 카복시헤모글로빈 인한 에너지 전달로 말미암은 용매 분자 자체의 열적 팽창에 의 리간드를 광분해시키고 조사된 엑스선 펄스에 의한 회절 의한 회절 신호를 모두 고려해야 한다. 이를 위해 범밀도 함 신호가 리간드 광분해 후 일어나는 단백질의 3, 4차 구조 변 수 이론 계산과 분자동역학 이론 계산을 수행하고 용질 분자 화에 대한 정보를 포함하고 있다는 것을 보여주었으며 일련 의 구조 변화로부터 얻어지는 시각에 따른 에너지를 용매의 의 분석을 통해서 구조 변화의 시간 스케일이 기존의 시분해 열적 팽창 이론과 연관시켜서 분석하였다. 그 결과 유기화학 분광법의 결과보다 훨씬 짧은 수 마이크로초라는 것을 보여 에서 입체 반응 선택성을 설명하는데 매우 중요한 삼원자 링 주었다(그림 20). 또한 이 연구 결과에서는 카복시헤모글로빈 34 물리학과 첨단기술 October 2009
그림 20. 시분해엑스선회절연구로규명된단백질수용액의구조동역학연구. [39] (A) 헤모글로빈, 카복시헤모글로빈, 마오글로빈및물의회절패턴계산결과. (B) 시분해엑스선회절로얻어진카복시헤모글로빈리간드광분해의신호변화크기. (C) 회절패턴계산에사용된분자들의구조. 의리간드광분해와같은가역적인구조변화뿐만아니라사이토크롬씨단백질분자의접힘과정과같은비가역적인변화에수반되는구조변화도실험적으로관찰할수있다는것을보여주고있다. 비록분자수준의구조변화분석은이루어지지않았지만이결과는단백질과같은거대분자의구조변화에대한처음으로수행된시분해엑스선회절실험으로시분해엑스선회절기술의넓은확장성과범용성을보여주는것이라생각할수있다. 전술된바와같이 3세대방사광가속기의엑스선펄스를이용하는시분해엑스선회절기술은결정상태및액체상태로존재하는분자시스템의구조동역학연구에매우유용하다. 시분해엑스선흡수분광법 (time-resolved X-ray absorption spectroscopy) 은엑스선회절과는약간다른개념으로엑스선펄스에의한핵심부전자의전이에기인한다. 엑스선흡수분광법은원소마다다른흡수끝머리 (absorption edge) 로결정되는데흡수끝머리근처의 XANES(X-ray nearedge structure) 와 EXAFS(extended X-ray absorption fine structure) 의두영역으로표현된다. 이러한엑스선흡수곡선의특징은원자가엑스선을흡수한뒤발생되는광전자파와이웃원자에의해서반사된광전자파사이의중첩에의한것으로흡수원자주변의구조에대한정보를담고있다. 일반적으로엑스선회절신호는분자시스템전체의구조에대 그림 21. 시분해엑스선흡수분광법으로규명된 Fe II 스핀교차화합물의구조동역학. [41] (A) Fe II 스핀교차현상의포텐셜에너지곡선, (B) 50 피코초및 300 펨토초시간에서의 Fe K-edge 엑스선에너지흡수곡선, (C) (B) 그림의 B 에너지의시간에따른흡수차이. 한정보를포함하지만엑스선흡수분광법은원소선택적인신호로주변에대한구조를주로포함하고있다. 이러한특성때문에시분해엑스선흡수분광법은주로액체상에존재하는전이금속을포함하는분자시스템의구조동역학연구에주로이용되었다. 시분해엑스선분광법의대표적인응용예는 Fe 2+ 를포함하는분자시스템의스핀교차현상에서일어나는구조동역학을들수있다. [40,41] 이러한분자시스템의대표적인화합물로 iron-tris-bipyridine ([Fe II (byp) 3 ] 2+ ) 이있는데이화합물은바닥상태에서저스핀상태로존재하게되며가시광선레이저펄스에의해전하 -이동이일어나는들뜬상태로전이되어빠른시간안에고스핀상태의중간체로이완되게된다. 그림 21에나타낸것처럼펨토초레이저로들뜬상태로전이된후 70피코초의펄스폭을가지는엑스선을조사해엑스선흡수곡선을측정하고구조분석을통해고스핀상태의 Fe-N 사이의결합길이가 0.20 A 증가한다는것을밝혀내었다. 시분해엑스선흡수분광법은금속- 포피린화합물 [42] 과같은액체상태로존재하는다양한금속화합물의구조동역학연구에응용되었으며최근에는수화된이온주변의용매껍질의구조변화도실시간으로관찰하는데이용되었다. 물리학과첨단기술 October 2009 35
3. 엑스선자유전자레이저의구조동역학에의응용 지금까지수행된 3세대방사광가속기의엑스선펄스를이용한구조동역학연구는전섹션에서기술한바와같이기존의시분해분광법으로는관찰할수없었던다양한분자시스템의구조변화를관찰하는데어느정도의성공을가져왔다. 그러나전술한바와같이 3세대가속기는기술적인특성으로인하여약 100피코초정도의시간폭을가지는엑스선펄스를제공하며이를사용한시분해엑스선회절및분광법은제한된약 100피코초정도의시간분해능을가지게된다. 이에비해선형전자가속기기반의엑스선자유전자레이저는자연방출된빛의자가증폭 (self amplification of spontaneous emission) 에의해피크광채와결맞음 (peak brilliance and coherence) 에서 100펨토초의시간폭을가지는엑스선펄스를제공할것이라예상된다. [43] 또한예상되는펄스당광자밀도도 3세대방사광가속기보다뛰어난약 10 12 (photons/pulse) 정도가될것이라예상된다. 이러한엑스선펄스의특성은광학레이저와결합하여기존의시분해엑스선회절및분광법의시간분해능을획기적으로개선시킬것이며지금까지관찰할수없었던매우빠른시간안에일어나는결합의분해및형성, 이성질화, 분자진동등과같은과정에대한구조동역학연구를가능하게할것이다. X-선분광학의선택성은단순매트릭스 (passive matrix) 로부터주위의수많은원자들로부터오는배경신호가없는선택된활성부위의시간적변화의관찰을가능하게하여콜로이드나불균질촉매같은분산시스템에접근할수있게된다. 또한높은피크광채를이용하여 x-선에의해유도된동역학이처음으로가능하게되는데이로성간먼지 (interstellar dust) 에서방사광에의해유도되는일련의과정들이나상층대기권에서일어나는입자의화학반응에대한새로운조사법을제공할수있다. 엑스선자유전자레이저에서얻어지는엑스선펄스의특성을다른방법과함께그림 16에비교하였다. 본섹션에서는엑스선자유전자레이저의엑스선펄스의응용과관련된기초실험결과등을기술하고엑스선자유전자레이저의구조동역학연구에의응용을예상해보고자한다. 엑스선자유전자레이저의응용과관련된기초결과는 3세대방사광가속기에서약 200펨토초정도의시간폭을가진엑스선을얻어내는펨토- 슬라이싱방법 [44] 의응용에서찾아볼수있다. 이방법은펨토초레이저를방사광가속기내의전자뭉치 (electron bunch) 와함께진행시켜그일부분을추출해서결과적으로펨토초엑스선을생성하는방법이다. 이때추출되는전자뭉치는전체의극히작은부분으로펨토초엑스선의광자밀도도매우작다 ( 10 4 photons/s). 그러나이방법으로얻은펨토초엑스선을이용하여구조동역학연구가 그림 22. SPPS 의엑스선펄스를사용한구조동역학연구의예. [46] 극초단시간에서의 Bi (111) 엑스선회절신호의변화. 성공적으로수행되었다. [41] 하나의예로전술한액체상태의 [Fe II (byp) 3] 2+ 에대한시분해엑스선흡수분광법의연구를들수있다. 이연구에서는 Fe-N 사이의결합길이에대한정보를포함하고있는 XANES 영역의엑스선흡수세기를펨토초시간영역에서관찰하였다 ( 그림 16). 결과는고스핀상태 ( 5 T) 가금속 -리간드전하이동 (metal-to-ligand charge transfer, 3 MLCT) 들뜬상태로부터이완되며약 150펨토초정도의시간스케일에서일어난다는것을보여주고있다. 이러한시간스케일은고스핀상태의 Fe-N 결합의진동모드와밀접한관련이있다는것을시사하고있다. 이결과는기존의 100피코초엑스선펄스를사용한시분해엑스선흡수분광법결과로부터얻을수없는정보로서펨토초엑스선펄스를이용한구조동역학연구의중요성을알수있다. 이연구와더불어서 VO 2 결정의 rutile 형태에서 metallic 형태로의상전이구조동역학연구도펨토- 슬라이싱방법을이용하여연구되었다. [45] 또다른기초결과는엑스선자유전자레이저의테스트시설중하나인 Stanford Linear Accelerator Center(SLAC) 의 Sub-Picosecond Pulse Sourse(SPPS) 의최근결과들에서볼수있다. [46-48] SPPS에서발진되는짧은시간폭과높은광자밀도를가지는엑스선펄스가 InSb 반도체의비열적녹음 (nonthermal melting) 현상의연구에이용되었다. 극초단레이저펄스를 InSb 표면에조사시키면원자들사이의퍼텐셜에너지가변하게되고이로인해서원자들의움직임이일어난다. 결국에는결정성고체에서무질서한액체의형태로상전이가일어난다. 이러한과정의구조동역학이 SPPS의펨토초엑스선펄스를이용한시분해엑스선회절법으로연구되었다 ( 그림 22). [46] 비슷한방법이 Bi 결정의결합연화동역학및레이저기화의 nucleation 현상에응용되었다. [47,48] 전술된펨토 -슬라이싱방법및 SPPS에서얻어지는펨토초 36 물리학과첨단기술 October 2009
엑스선펄스를이용한구조동역학연구는그동안관찰되지않는극초단영역의구조동역학연구가가능함을보여주고있다. 그러나두방법에서생성되는엑스선펄스의상대적으로낮은광자밀도로인해현재까지의응용은상대적으로회절신호가큰결정상태의분자시스템에제한되었고, 액체상태의시분해엑스선흡수분광법결과는상대적으로그신호의변화가매우큰신호만검출하였다. 그러나테스트실험을마치고곧펨토초엑스선펄스를제공할예정인 SLAC의 Linac Coherent Light Source(LCLS) 는테스트시설인 SPPS 에비해서매우강한광자밀도를가지고있는펨토초엑스선펄스를발생시킬것이라기대된다. 이러한펨토초엑스선펄스의특성은특히상대적으로신호대잡음비 (signal-to-noise ratio) 를나타내는액체상태의구조동역학연구에있어서적용분자시스템을획기적으로넓힐것이라생각된다. 또한단일펄스회절및이미징이가능해서상대적으로샘플이쉽게변형되는거대분자에의적용이가능할것이라생각된다. 그러나선형가속기특성으로인한레이저펄스와펨토초엑스선펄스사이의시간차를고정시키는문제는실험상으로극복해야할하나의과제이다. 이를해결하기위한방법이최근에독일의 FLASH 가속기에서시도되었는데펨토초극자외선 FEL 펄스 (39.5 ev, 50 fs, 16 µj) 로 GaAs를여기시킨후광학레이저펄스로광학반사율의순간변화 (ΔR/R) 를보여주어 ( 그림 23) [49] 앞으로 X-선 / 가시광교차상관관계 (cross correlation) 를얻기위한이상적인방법을제공하였다. 또한기존의액체상태분자들의시분해엑스선회절기술에이용되는분석방법또한더이상유효하지않으므로새롭게고려해야할문제이다. 그림 23. (A) X-선에의해유도된순간광반사율 (ΔR/R) 측정의개요도 (B) 펨토초 x-선 / 가시광지연시간에따른반사율변화. 다고생각되었던화학반응에서매우빠른시간동안에일어나는화학결합의형성및분해에대한구조변화도관찰할수있을것이다. 극초단엑스선펄스를이용한구조동역학연구는최근에들어와많은관심을받고있으며선진국들은이에발맞추어엑스선자유전자레이저의건설및시분해빔라인확충에최선을다하고있다. 그예로미국의 LCLS 및독일의 FLASH 등이빠른시간안에극초단엑스선펄스를제공할예정이다. 아직국내에서시분해엑스선회절및흡수분광법을실험할수있는연구설비및빔라인이없지만연구자의관심여부에따라서얼마든지외국의첨단설비를사용할수있다. 이번물리학과첨단기술의엑스선자유전자레이저를이용한연구관련특집을계기로국내에서극초단엑스선펄스를이용한구조동역학연구에많은연구자들이관심을가질수있기를기대한다. [ 김태규, 박재헌, 이효철 ] 4. 맺음말극초단엑스선펄스를이용하는시분해엑스선회절및흡수분광방법은다양한과정에서의분자구조변화를관찰할수있는실험방법이다. 현존하는가장안정적인엑스선소스인 3세대가속기를이용한시분해엑스선회절및흡수분광법은다양한상태에존재하는많은분자들의구조동역학연구에이용되어지금까지관찰할수없었던많은현상들을규명하였다. 그러나사용되는엑스선의시간폭및광자밀도등과같은특성으로인하여지금까지개발된시분해엑스선회절및흡수분광법은그한계및제한점이있는것도사실이다. 이러한실험상의한계들은빠른시간안에제공될엑스선자유전자레이저에서발진되는펨토초엑스선펄스가사용된다면극복될수있다. 엑스선자유전자레이저를이용하면구조동역학연구관련기술의적용범위를혁명적으로넓힐수있을것이라예상되며이를이용하여지금까지불가능하 참고문헌 [32] A. H. Zewail, Angew. Chem. 112, 2688 (2000). [33] J. Itatani et al., Nature 432, 867 (2004). [34] A. Casvalleri et al., Phys. Rev. Lett. 87, 237401 (2000). [35] H. Ihee et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 102, 7145 (2005). [36] F. Schotte et al., Science 300, 1944 (2003). [37] H. Ihee et al., Science 309, 1223 (2005). [38] J. H. Lee et al., J. Am. Chem. Soc. 103, 5834 (2008). [39] M. Cammarata et al., Nat. Methods 5, 881 (2008). [40] W. Gawelda et al., Phys. Rev. Lett. 98, 057401 (2007). [41] C. Bressler et al., Science 323, 489 (2009). [42] L. X. Chen et al., J. Am. Chem. Soc. 129, 9616 (2007). [43] R. Tatchyn et al., Nucl. Instrum. Methods A375, 274 (1996). [44] R. W. Schoenlein et al., Science 287, 2237 (2000). [45] A. Casvalleri et al., Phys. Rev. Lett. 95, 067405 (2005). [46] D. M. Fritz et al., Science 315, 633 (2007). [47] A. M. Lindenberg et al., Science 308, 392 (2005). [48] K. J. Gaffney et al., Phys. Rev. Lett. 95, 125701 (2005). [49] C. Gahl et al., Nat. Photonics 2, 165 (2008). 물리학과첨단기술 October 2009 37