일산화질소 및 칼륨 이온의 실시간 동시 측정을 위한 이중미세센서 제작 및 생물학적 응용 연구

Abstract

본 논문은 실시간으로 일산화질소와 칼륨 이온을 측정할 수 있는 이중미세 센서를 개발하는 기술들 및 이를 이용한 생물학적 응용 연구에 대해 크게 두 부분의 주제로 구성되어있다. 제 Ⅰ장에서는 전기화학적으로 안정적인 칼륨 고체상 이온 미세 전극을 제작할 수 있는 새로운 기술에 대해 소개하고 있으며, 제 Ⅱ장에서는 일산화질소와 칼륨 이온을 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 전기화학적 이중미세센서를 제작하는 기술과 이를 이용하여 진행한 생물학적 응용 연구의 결과를 기술하였다. 제 Ⅰ장에서는 분자 구조 내 염소를 포함하고 있는 silanizing reagent를 이용하여 마이크로미터 크기의 고체상 이온 미세 전극을 간단하게 안정화시킬 수 있음을 실험을 통해 증명하였다. 이를 위해 여러 가지 조건으로 나누어 처리한 칼륨 고체상 이온 미세 전극들이 안정적으로 칼륨 이온을 분석할 수 있는지 전압측정법을 이용하여 동적 전압 감응 곡선(dynamic potentiometric response curve)을 관찰하였다. 전극의 처리 조건은 Ag/AgCl 도체를 기준으로 은 전극 표면을 소수성화시킬수 있는 chlorotrimethylsilane(TMCS), silicon tetrachloride(STC)를 사용하였으며, 소수성화 이외에 은 도체 표면의 산화의 중요성을 알아보기 위해 추가적으로 tetramethyl orthosilicate(TMOS)를 이용한 처리도 진행하였다. 미세 전극의 크기 별 실험을 통해 Cl-silanization 처리 기술이 크기에 상관없이 효과적이라는 사실 역시 확인할 수 있었다. 또 미세 전극에서는 silanizing reagent를 전극막에 섞지 않고, 개별적으로 직접 처리하는 방법이 전극의 안정성을 향상하는데 가장 효율적이었다. 제 Ⅱ장에서는 일산화질소와 칼륨 이온을 실시간으로 동시에 측정할 수 있는 이중미세센서를 제작하여 이 둘 사이의 생물학적 메커니즘 연구에 대한 가능성을 제시하였다. 본 연구를 통해 개발된 이중미세센서에 대해서는 전극 별로 전류측정법(amperometry)과 전압측정법(potentiometry)을 사용하여 일산화질소와 칼륨 이온의 생물학적 측정을 위해 필요한 민감도(sensitivity)와 선택성(selectivity), 안정성(stability) 등의 요소들을 시험하였다. 이후 둘 사이의 연관성을 관찰하기 쉬운 쥐의 신장과 뇌를 이용하여 생체 외(in vitro) 측정과 생체 내(in vivo) 측정을 시도하였다. 신장 조직에서의 생체 외 측정은 별다른 외부자극 없이 자연상태에서의 두 물질의 농도 분포를 확인하는 실험으로 진행하였으며, 이를 통해 실시간으로 동시 측정이 가능하다는 것을 증명할 수 있었다. 뇌 조직에 4-AP(4-aminopyridine)를 투여하여 인위적인 자극을 준 실험의 경우 두 물질 사이의 생물학적 연관성을 관찰할 수 있을 것으로 기대되며, 해당 연구는 추가적인 진행이 필요하다.;This thesis consists of two topics: one is a new technique to improve the stability of solid-state ion-selective microelectrodes(SS-ISEs). The other is fabrication and bioapplication of a dual microsensor for simultaneous nitric oxide and potassium ion measurements. Chapter Ⅰ describes a new technique more convenient to be applied to develop highly stable SS-ISEs than previously reported methods. Charge transfers at the phase between conductor and ion selective membrane in SS-ISEs should be always consistent in order to obtain the stable phase potential at the ISEs. In general, micro-sized SS-ISEs need some treatments to improve the membrane adhesion on the electrode surface for the stability. Previously the use of hydrogel or conducting polymers was reported to improve membrane to electrode adhesion. These methods, however, are not favorable to be applied for micro-sized SS-ISEs because they make the fabrication procedures complicated. In current study, the simple treatment of Ag microdisk with silanizing reagents having chlorine in their structure forms hydrophobically modified Ag/AgCl layer on the Ag microdisk. Ion selective polymers are adhered more strongly on this modified disk, which induces highly improved stability of micro-sized SS-ISEs. In chapter Ⅱ, The development of a dual microsensor for simultaneous measurements of NO and K+ ion (NO/K+ dual microsensor) is demonstrated. Nitric oxide is known to be closely related to potassium ion (K+) in biological system. For instance, NO/cGMP (guanosine 3’,5’-cylic monophosphate)/K+ channel pathways have been reported to be involved in many biological processes including vasodilation. A technique, which could analyze NO and K+ simultaneously, would be able to provide more information to understand biological processes mediated by NO/cGMP/K+ pathway more clearly. A NO/K+ dual microsensor possesses two microdisks: one disk is used for amperometric NO measurement and the other is used for potentiometric K+ measurement. Sensor performances, such as sensitivity and selectivity, are characterized and the results show the possibility for the biological applications. As-prepared sensor is applied for the NO/K+ measurements at biological organ tissues, rat kidney. The levels of NO and K+ are clearly location dependent over the kidney surface and it is considerably matched with results studied by various method reported previously.