과일의 최고 성숙기를 알아내는 바이오스페클 레이저

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=253780&cont_cd=GT
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-09
사과나 토마토와 같은 과일은 먹기에 가장 좋은 시기가 비교적 짧다. 그 시기를 수확하기에 가장 좋은 시기에 정확에 맞출 수 있다고 상상해보자. 새로운 레이저 기술을 이용하며 이제는 그것이 가능하다. 레바논의 세인트조셉대(Saint Joseph University)와 프랑스의 웨스턴브르타뉴대(University of Western Brittany) 연구팀이 레이저 바이오스페클 기술을 개발함으로써, 여러 과일들 중에서도 사과, 바나나, 배, 멜론 및 토마토와 같은 전환성 과일(climacteric fruit)들의 최고 성숙기를 비침습적으로 알아낼 수 있게 되었다. 이번 연구에서 연구진은 레이저 빔, 편광기, 그리고 4분파장판을 이용하여 서로 다른 입사편광을 발생시켰다. 또한 매질에 의해 산란된 광자가 입사 광학장과 간섭할 때 생기는 스페클 패턴을 CMOS 및 CCD 카메라를 이용하여 기록했다. “스페클 알갱이(speckle grains)라는 밝고 어두운 알갱이들의 집단이 이 패턴을 구성한다. 만약 매질이 생체라면, 스페클 패턴은 시간에 따른 변화를 보여줄 것이다. 그리고 이 패턴은 매질의 산란 특성과 매질 자체의 고유한 특성에 의존한다”고 두 대학의 박사후 연구원인 라나 나시프(Rana Nassif)는 말했다. “저온과 실온 환경에서 익고 있는 수확된 두 묶음의 골든(Golden) 사과들을 모니터링하여 스페클 매개변수를 측정하였고 방출된 에틸렌 농도를 기체 크로마토그래피(gas chromatography)를 참조 기술로 이용하여 측정했다”고 저자들은 연구논문에서 기술했다. 연구진은 스페클 알갱이 크기를 통해 사과의 확산 특성과 내부의 활동 상태를 조사했고, 서로 다른 편광의 빛으로 찍은 일련의 영상들 사이의 시간적 상관관계를 기록했다. 그리고 연구팀은 스페클 알갱이의 크기 변화가 실온에 저장된 사과의 최고 성숙기에 대응된다는 것을 발견했다. 연구진은 형광 측정과 생화학 측정으로 영상을 보충함으로써, 포도당 성분이 증가함에 따라 원형 편광이 감소한다는 것을 증명했다. “스페클 알갱이 크기의 감소도 확인했다. 알갱이 크기의 감소는 포도당의 증가 때문이거나 영양흡수의 감소 때문일 것”이라고 나시프는 말했다. 농부들이 과수원과 밭에서 과일의 성숙도를 비침습적으로 평가하여 최적의 수확시기를 알아낼 수 있도록 연구진은 이 기술을 휴대용 도구로 개발하는 연구를 하고 있다. “오늘날 사용되는 대부분의 검사 기술들은 파괴적이거나 시각적 기준을 기반에 의거하여 가끔씩 틀린 결과를 보여주고 있기 때문에, 이 연구는 과일 농부들이 큰 관심사”라고 나시프는 말했다. 이번 연구는 ‘Applied Optics’에 발표되었다. *그림 1 : 과일에 빛을 비춰 생긴 스페클 패턴을 기록하는데 쓰인 디지털 카메라 *그림 2 : 레이저 빔, 편광기, 사분파장판이 사과 위에 스패클 패턴을 만든다. REAS_apple_1.jpg REAS_apple_2.jpg http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=56956