Optical diffraction tomography (ODT) is a technique for quantitatively measuring the three-dimensional (3D) refractive index distribution of a sample. Based on a quantitative phase imaging (QPI) technique, the two-dimensional (2D) optical fields are measured at various angles to reconstruct the three-dimensional refractive index distribution. Becasue the QPI technique quantitatively measurement of the optical field through an interferometer, the high contrast quantitative images of the transparaent samples can be obtained non-invasively through the phase information. In particular, the ODT have the potential to be utilized in various biological studies as the technique provide qauntitative information about the physical and biochemical characteristics as well as the morphological information of live biological samples.
In this thesis, we introduce non-invasive quantitative measurement of 3D images of living biological samples using ODT, and quantitative investigation of the shape and contents of internal cellular materials. We focus on the optical measurement and quantitative analysis of internal substances of microorganisms that accumulate the biosynthesized products in the body. Although existing other imaging techniques have difficulty in quantitative live cell imaging of the biosynthesizing microorganisms, ODT enables to nondestructively reconstruct the 3D RI distribution of individual living cells. In particular, we investigate microalgae that produce lipids and bacteria that produce biodegradable plastics. We characterize the size, cell growth and accumulation rate from the reconstructed 3D refractive index distribution, and also examine the correlation between various characteristics.
Real-time 3D imaging and qauntitatvie invesitagtion of living single cells is available with unique capabilities of ODT, which is label-free and quantitative 3D imaging. The capability allows to study the mechanisms underlying accumulation process of biomaterials or alteration of the cells due to the external environment. We expect that the present approach provides unprecedented oppertuninty to study biophysical processes happened in various microorganisms via non-invasive quantitative 3D imaging.
광 회절 단층 촬영 기술은 시료의 3차원 굴절률 분포를 정량적으로 측정하는 기술이다. 광학장을 정량적으로 측정하는 이차원 정량위상현미경 기술을 기반으로, 여러 각도에서의 광학장을 측정하여 3차원 굴절률 분포를 재구성하여 영상화 한다. 기반으로 사용되는 정량위상이미징 기술은 광학장을 간섭계를 통해 정량적 측정하기 때문에 투명한 미소 시료의 경우에도 위상정보를 통해 비침습적으로 시료의 광학적인 특성을 관측할 수 있다. 특히 광 회절 단층촬영 기술을 활용하여 측정되는 영상은 살아있는 생체 시료의 형태뿐만 아니라 물리적 및 생화학적 특성들을 정량적으로 해석할 수 있는 정보를 제공하기 때문에 다양한 생물학적 연구에 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
본 학위 논문에서는 광 회절 단층촬영 기술을 사용하여 살아있는 미소 생체시료들의 3차원 영상이미지를 비침습 비파괴적으로 측정하고 정량적으로 형태나 내부 물질의 총량 등을 분석하는 연구를 소개한다. 특히 생체합성을 통해 체내에 생산물을 저장하는 미생물들의 내부 물질의 광학적 영상화 및 정량 분석에 관한 내용을 집중적으로 서술한다. 기존 미생물의 생합성물 이미징 및 연구에는 살아있는 개별 세포들의 영상화와 동시에 정량 분석이 어려웠지만, 광 회절 단층촬영기술을 통해 비파괴적으로 개별셀들을 굴절률을 이용해 영상화함은 물론 얻어낸 이미지로부터 세포의 특성을 정량적으로 분석 할 수 있음을 보인다. 지질을 생산하는 미세조류나 생분해성 플라스틱을 생산하는 박테리아 등을 측정하고, 측정된 3차원 굴절률 분포에서부터 크기, 축적된 생산물의 량, 축적률 등을 정량하며, 각 특성들간의 상관관계를 살펴본다.
광 회절 단층촬영 기술을 활용하면 살아있는 단일 세포의 실시간 3차원 이미징이 가능하고, 각 개별세포별로 정량적 분석이 가능하다. 단순히 개별세포의 정량적인 측정뿐만 아니라, 3차원 영상 자체가 주는 공간적, 형태적인 정보를 통해 세포들의 여러 생체기작을 직관적으로 이해할 수 있다. 기존 기술로는 측정이 제한되던 생체합성물의 축적 과정이나 외부 환경에 의한 세포 변화 등을 실시간으로 정량적으로 시각화 할 수 있기 때문에 관련 원리 규명을 밝힐 수 있는 새로운 접근법으로로서의 가능성도 제시한다.