본 연구실은 초고속 다차원 분광학을 기반으로 분자의 구조와 동력학을 실시간으로 관찰하는 첨단 연구를 수행하고 있습니다. 다차원 분광학은 전통적인 일차원 분광법과 달리, 여러 변수(시간, 파장, 극성 등)를 동시에 조절하여 분자의 다양한 측면을 다각도로 분석할 수 있는 혁신적인 방법입니다. 이를 통해 단백질, 핵산, 고분자 등 복잡한 생체분자 및 기능성 물질의 3차원 구조 변화와 그 시간적 진화를 나노초, 피코초, 펨토초 등 극초단 시간 단위로 추적할 수 있습니다. 특히, 본 연구실은 펨토초 레이저와 다차원 분광법을 결합하여 분자의 '움직임'을 마치 영화처럼 촬영하는 '분자 모션 픽처' 기술을 개발하고 있습니다. 이 기술은 단백질의 접힘, 효소 반응, 광합성 과정 등 생명현상의 근본적인 원리를 밝히는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 또한, 다양한 분광학적 기법(이차원 적외선 분광, 라만 분광, 광주파수 콤 분광 등)을 융합하여, 분자의 구조적 변화와 에너지 전달, 화학 반응의 메커니즘을 정밀하게 규명하고 있습니다. 이러한 연구는 기존의 정적 구조 분석을 넘어, 분자의 동적 변화와 상호작용을 실시간으로 관찰함으로써 신약 개발, 에너지 소재, 나노기술 등 다양한 분야에 혁신적인 응용 가능성을 제시합니다. 앞으로도 본 연구실은 초고속 분광학의 한계를 지속적으로 확장하며, 분자 세계의 미지의 영역을 개척해 나갈 것입니다.

본 연구실은 라벨 프리(비표지) 분자 이미징 및 생체분자 관찰 기술의 개발에 선도적인 역할을 하고 있습니다. 기존의 형광 표지 기반 이미징은 표지 분자의 광표백, 세포 내 환경 변화, 비특이적 결합 등 여러 한계가 존재하지만, 본 연구실은 간섭-산란 현미경(iSCAT), 적외선 포토써멀 현미경, 라만 분광 이미징 등 다양한 비표지 이미징 기법을 개발하여 생체 내 분자와 나노입자의 실시간 동적 관찰을 가능하게 하였습니다. 특히, iSCAT 현미경은 나노미터 크기의 입자와 단일 분자의 3차원 위치 및 질량을 빠르고 정확하게 측정할 수 있어, 세포 내 화물 운반, 단백질 복합체의 형성 및 해체, 세포 내 수송 네트워크의 실시간 추적 등 다양한 생명현상 연구에 활용되고 있습니다. 또한, 적외선 포토써멀 이미징은 세포 내 지질, 단백질, 미세소기관 등 다양한 생체분자의 분포와 동적 변화를 비파괴적으로 관찰할 수 있어, 암세포의 대사 변화, 신경세포의 신호 전달 등 생명과학의 난제 해결에 기여하고 있습니다. 이러한 비표지 이미징 기술은 생체 내 환경을 인위적으로 교란하지 않고, 자연 상태에서 분자 및 세포의 동적 변화를 고해상도로 관찰할 수 있다는 점에서, 차세대 바이오이미징 및 정밀의료, 신약 개발, 나노바이오센서 등 다양한 분야로의 확장 가능성을 지니고 있습니다. 본 연구실은 앞으로도 분자 이미징의 해상도와 감도를 극대화하고, 새로운 생명현상 규명 및 진단·치료 기술 개발에 앞장설 것입니다.