생체신호전달 기체 및 pH 측정을 위한 전기화학적 미세 센서의 제작 및 생물학적 응용 연구

Abstract

생명체는 다양한 생체 조절 물질들을 통해 신호를 주고 받으며 자극에 반응하고 생명을 유지한다. 산소와 일산화질소, 일산화탄소 등의 생체 내 신호전달 기체 또한 생체 내에서 세포의 생존에 필수적인 물질임과 동시에 혈관 확장, 신경 전달 등 생체 균형을 유지하는 데 핵심적인 역할을 수행한다. 생체의 항상성을 유지함에 있어 또 하나의 필수적인 요소는 pH의 조절이다. 각 기관들이 정상적인 역할을 수행할 수 있도록 pH를 유지하기 위하여 생체 내에는 다양한 장치들이 존재한다. 전기화학적 미세센서를 이용하면 이러한 생체 물질들을 실시간으로 직접 측정하여 이들의 변화 양상이나 상호 작용을 연구할 수 있다. 전기화학적 미세센서는 측정물의 형태에 거의 영향을 주지 않으면서 아주 적은 양도 측정할 수 있어 저농도 생체 물질의 연구에 적합하다. 특히, 마이크로 단위 이하의 작은 면적으로 높은 민감도와 안정성을 지니는 미세센서는 특정 위치에서 물질의 정교한 흐름을 효과적으로 감지 할 수 있다. 제 1장에서는 산소 측정 시 센서의 기체 선택성을 향상시키기 위한 막 제작에 대하여 다루었다. 높은 안정성을 가지는 소수성 소중합체가 입혀진 소형전극의 자외선 경화 표면 처리로 불소가 풍부한 센서 표면 환경을 만들어 산소를 더욱 효과적으로 측정하는 연구를 진행하였다. 제 2장에서는 1장에서 개발한 막을 이용하여 산소-pH 동시 측정 센서 개발에 대한 연구를 기술하였다. 산소 측정 전극은 백금 마이크로 포어 전극 표면에 백금 나노입자를 증착시켜 산소 기체에 대한 민감도를 증가시키고 소수성 고분자 막을 이용하여 산소에 대한 선택성을 더욱 높였다. pH 측정 전극은 백금 마이크로 포어 전극 표면에 이리듐옥사이드 입자를 증착시켜 전극 표면에서 접점전위(junction potential) 차이에 의한 수소 이온의 농도를 감지했다. 이 센서를 이용하여 쥐(rat)의 신장 단면 피질과 수질에서의 산소와 pH를 동시에 측정하여 위치 의존도를 확인하였다. 제 3장에서는 일산화질소-일산화탄소 동시 측정 센서를 이용하여 쥐(rat)의 대뇌에 간질 유도 약물을 주입했을 때 두 기체의 변화 양상에 대해 연구한 것을 다루고 있다. 제 4장에서는 산소와 일산화질소 단일 센서를 이용하여 사람의 손 및 손목 피부 위에서 산소와 일산화질소 농도를 측정함으로써 이들 기체의 피부 표면 농도가 위치에 따라 달라짐을 연구하였고 이를 경혈 점과 비경혈 점의 위치와 관련하여 설명하고 있다.;Precise measurements of oxygen, nitric oxide, carbon monoxide, and pH are commonly required for various areas such as environmental and biological areas. The development and biological applications of electrochemical microsensors for the measurements of these target materials are discussed in this thesis. Chapter I presents the synthesis and characterization of hydrophobic polymer membrane (partially fluorinated epoxy diacrylate, poly-FED) possessing high content of fluorine. A Pt microdisk electrode (25 µm in diameter) coated with poly-FED shows improved sensitivity to O2 gas in amperometry. This sensitivity enhancement is attributed to more favorable transport of homodiatomic nonpolar O2 through highly hydrophobic poly-FED membrane. In Chapter Ⅱ, the development and characterization of an O2/pH dual sensor is demonstrated. The developed sensor is composed of a dual working electrode possessing two Pt microdisks and a Ag/AgCl reference/counter electrode. Two Pt disks of the working electrode are modified independently with the electrodepositon of Pt nanoparticles and IrO2 for analyzing O2 concentration in amperometry and pH in potentiometry, respectively. For an application, the current and potential in response to O2 concentration and pH respectively, are measured simultaneously while the sensor is scanned over a rat kidney surface using scanning electrochemical microscope (SECM). Nitric oxide (NO) and carbon monoxide (CO) are known to play similar roles to control physiological functions, e.g. vasodilation, neurotransmitter, and inflammation. However, their exact interaction is not fully understood. Chapter 3 describes the simultaneous measurements of NO and CO over rat brain in seizure using a NO/CO dual amperometric microsensor. The dual sensor is fabricated with a glass sealed 76 µm Pt disk and Ag/AgCl reference/counter electrode immersed in an internal solution and covered with a gas-permeable PTFE membrane. 4-aminopyridine (4-AP), which induces epileptic seizure, was applied to a rat cerebral cortex and the sensor measurement is performed to monitor the NO and CO concentration variation and their co-relationship. Chapter IV presents the application of NO or O2 single amperometric microsensor to analyze skin partial nitric oxide pressure (pNO) and partial oxygen pressure (pO2) levels depending on locations. Acupuncture points are possibly associated with body oxygen and nitric oxide supply. The distribution of pO2 and pNO are analyzed for the left hand and wrist with an amperometric O2 or NO microsensors composed of a small planar Pt disk-sensing area (diameter = 25 µm for oxygen; 76 µm for nitric oxide). The pO2 and pNO levels are measured to be higher near acupoints compared to non-acupoints. The used O2, NO microsensors are sensitive enough to detect the pO2, and pNO variations depending on the location.