Multiple Electrochemical Microsensors for Simultaneous Measurements of Closely Linked Signaling Gas Molecules in Biological System

Abstract

This thesis is composed of two chapters: chapter 1 deals with a subject on the fabrication and characterization of a CO/NO dual electrochemical microsensor with improved sensing response time and chapter 2 describes thefabrication and biological applications of a CO/NO/O2 triple sensor for simultaneous CO, NO and O2 measurement. In chapter 1, a planar-type amperometric CO/NO dual microsensor was fabricated in an effort to reduce response time. The sensor (overall diameter < ~ 300 μm) consists of two platinum micro-disks : one (76 μm in diameter) is for CO detection based on CO electrochemical oxidation and the other (25 μm in diameter) is for NO detection based on NO electrochemical oxidation. Instead of the PTFE (polytetrafluroethylene) gas permeable membrane employed for previous CO/NO dual sensor, this dual sensor used silanization as a hydrophobic selective coat. As a result, the new CO/NO dual sensor showed excellent performance in selectivity and response time and thus verified potential ability to be applied for scanning measurement. Scanning analysis of location-dependant CO and NO levels at the surface of rat kidney was conducted using the developed dual sensor. The concentrations of CO and NO were definitely location-dependent over the cross section of kidney tissue, which was correspondent with results of previous researches. Chapter 2, as an advanced research, an amperometic CO/NO/O2 triple microsensor was developed and various biological experiments measuring three gases were demonstrated. The fabrication of the triple sensor was possible by combining the technical skills of the CO/NO dual sensor in chapter 1 and the amperometric O2 sensor reported by Y. Ha et al. In order to test feasibility of the triple sensor, the prepared sensor was employed in simultaneous measurements of basal concentrations of CO, NO and O2 in renal medulla and cortex. In addition, a simultaneous and real time monitoring of three gases’ alterations during the NOS inhibition was conducted. Finally, for the more elaborate experiments for monitoring in-vivo changes of CO, NO and O2 levels as a function of time were investigated simultaneously and quantitatively at the surface of a rat neocortex under hypoxia state induced by electrical stimulations. Therefore, the tight correlation between tissue oxygenation and CO and NO release was identified.;본 논문은 실시간으로 생체 내 가스를 측정할 수 있는 전류측정방식의 전기화학적 미세 센서를 개발하는 기술들 및 이를 이용한 생물학적 응용연구에 대해 기술하고 있으며 이는 센서의 종류에 따라 크게 두 주제로 나뉜다. 제 1장에서는 일산화탄소와 일산화질소를 동시 측정할 수 있는 이중센서의 응답 시간과 선택성을 개선하는 기술 및 이를 응용한 생물학적 연구에 대해 기술하고 있으며, 제 2장에서는 1장의 연구 내용을 바탕으로 개발된 일산화탄소, 일산화질소 및 산소를 동시 측정하는 삼중미세센서의 생물학적 응용연구에 대해 집중 기술하였다. 제 1장에서는 여러 종류의 silanizing agent을 섞은 용액을 이용하여 유리 표면을 silanization함으로써 소수성화 하였고, 이는 기존 센서에 적용되던 PTFE기체 투과성 막과 비교하여 전극의 응답시간을 크게 개선시켰다. 또한 각 전극에 대해 일정속도 전위훑기법 (linear sweep voltammetry)을 이용하여 목적하는 기체에 대해 최대로 선택성을 갖도록 하는 전압을 적용 (작업전극 1 에는 +0.05 V, 작업전극 2 에는 +0.8 V), 센서를 최적화 하였다. 따라서 작업전극 1에는 CO의 산화만, 작업전극 2에는 NO의 산화만 선택적으로 이루어졌다. 따라서 개발된 이중미세센서를 이용하여 쥐 신장조직에서의 두 물질의 농도 분포를 확인하는 생체 외 (in vitro) 주사 측정을 실행하였다. 제 2장에서는 1장에서의 일산화탄소 및 일산화질소 이중미세센서 개발 기술을 바탕으로 기존의 전기화학적 Clark type 산소 센서 기술을 융합하여 일산화탄소, 일산화질소 및 산소를 동시 측정할 수 있는 삼중미세센서를 최초로 개발하였다. 생체 내 혈류역학에 있어서 세 가지 기체가 긴밀히 연결되어 있다는 기존 연구들에 기반하여 생체 실험을 다양한 각도로 진행하였다. 우선 생체 외 (in vitro) 신장조직의 수질 및 피질에서 세 가지 물질의 농도 차를 기존 연구 결과들과 일치하도록 확인함으로써 센서의 성능을 증명하였다. 그 다음으로, 생체 외 신장 조직의 수질 부분에 NOS inhibitor (L-NAME)을 처리했을 때 세 가지 기체의 변화를 실시간으로 측정하였다. 이를 통하여 일산화질소가 L-NAME에 의해 억제될 때 수질 내의 세관 및 혈관의 항상성 유지를 위해 일산화 질소가 증가하며, 혈류역학을 단적으로 보여주는 산소는 일정하게 유지된다는 것을 확인하였다. 마지막으로 생체 내 (in vivo) 실험으로써 쥐 두뇌 신피질 (neocortex)에서 전기자극에 의한 세 가지 기체의 변화를 삼중 미세 센서를 이용하여 관찰하였다. 전기자극은 일시적인 뇌의 신경세포를 급격히 활성화시켜 산소소모량을 증가시켜 저산소증을 유발하며, 이는 산소농도가 감소되는 것이 관찰됨으로써 확인된다. 따라서 생체 내 증가된 산소요구량을 충족시키기 위해 혈관확장을 야기하는 일산화탄소 및 일산화 질소의 발생량이 증가되는 것이 센서 측정으로 확인되었다.