투명해서 안 보이는 세포를, 위상차 현미경은 어떻게 보이게 할까?

투명한 시료가 빛을 늦추는 정도(위상)의 차이를 밝기의 차이로 바꿔 보여 주는 광학 현미경이다. 염색하지 않은 살아 있는 세포를 보는 데 쓴다. 프리츠 체르니커가 1930년대에 만들었고, 그 공로로 1953년 노벨 물리학상을 받았다.

부품은 고리 두 개다. 콘덴서의 링 조리개가 빛을 고리로만 들여보내고, 시료를 곧게 지난 빛(S)은 대물렌즈 안 위상판의 같은 크기 고리로 모인다. 세포에서 퍼진 빛(D)은 고리 밖을 지난다. 위상판의 고리 막이 S만 ¼파장 당기고 어둡게 하면, 원래 S보다 ¼파장 늦던 D와 반 파장 어긋나 상에서 서로 지워 세포가 어둡게 보인다.

다른 부품은 둘이다. 콘덴서 앞 초점면의 둥근 조리개 대신 고리 모양 구멍의 링 조리개를 쓰고, 뒤 초점면에 고리 막(위상판)이 든 위상차 대물렌즈를 쓴다. 두 고리는 짝이 되는 면에 있어 링 조리개의 상이 위상판의 고리 위에 맺힌다. 광원, 콜렉터 렌즈, 시야 조리개, 콘덴서, 튜브 렌즈, 카메라는 같고, 위상판에 맞춘 초록 필터를 권한다.

위상판의 고리에 폭이 있어서, 크고 매끈한 구조에서 퍼진 빛 일부도 곧게 간 빛과 함께 고리를 지나 당겨지고 어두워지기 때문이다. 그 빛은 지우는 일을 하지 못해, 큰 물체는 안쪽이 배경 밝기로 돌아가고(셰이드오프) 경계 바깥에 밝은 테(헤일로)가 생긴다. 고리 옆에 ND 고리를 더한 아포다이즈 위상판이 헤일로를 줄인다.

대물렌즈의 위상 고리 크기에 맞춘 콘덴서 링 조리개의 번호다. 보통 PhL은 4×·5×, Ph1은 10×·20×, Ph2는 40×·60×, Ph3는 100× 대물렌즈에 쓴다. 대물렌즈에 적힌 번호와 같은 링 조리개를 넣고, 위상 망원경이나 버트런드 렌즈로 보며 두 고리를 겹치고, 콘덴서 조리개는 완전히 연다.

위상판은 위상차 대물렌즈 안, 뒤 초점면에 붙어 있어서 보통 위상차 대물렌즈를 사서 쓴다. 나머지는 명시야 현미경 그대로다. 그 대물렌즈의 위상 고리에 맞는 링 조리개를 콘덴서 앞 초점면에 두거나(반지름 = NA × 콘덴서 초점 거리) 콘덴서 없이 LED 고리를 시료 위에 두고(Webb 2015), 위상 망원경으로 보며 크기와 중심을 맞춘다. 위상 고리가 없는 대물렌즈로 하려면 릴레이 렌즈로 만든 뒤 초점면의 짝이 되는 면에 위상판을 둔다(외부 위상차).

웰 속 배지가 표면장력으로 벽 쪽으로 휘어 렌즈처럼 빛을 꺾고, 링 조리개의 고리 상이 위상판의 고리에서 비켜나기 때문이다(메니스커스 효과). 한 측정에서 보통의 위상차로 위상차가 되는 면적은 96웰(10×)에서 웰의 2.3%, 6웰(4×)에서 25%였다. 웰 가운데에서 찍고, 큰 웰이나 액면이 평평한 용기를 쓰면 낫다.