Dual Amperometric/Potentiometric Microsensor for Nitric Oxide and Calcium Ion Measurement in Living Rat Kidney

Abstract

본 논문은 실시간으로 생체 내 가스와 이온을 측정할 수 있는 전류 및 전압측정방식의 전기화학적 미세 센서를 개발하는 기술들 및 이를 이용한 생물학적 응용연구에 대해 기술하고 있다. 제 1 장에서는 일산화질소와 칼슘이온을 동시에 측정할 수 있는 이중 미세센서의 응답 시간, 선택성 및 안정성을 개선하는 표면처리 기술에 대해 기술하고 있으며, 제 2 장에서는 1 장의 연구 내용을 바탕으로 개발된 일산화질소/칼슘이온 이중 미세센서의 생물학적 응용연구에 대해 집중 기술하였다. 제 1 장에서는 일산화질소를 측정하는 전극에 여러 종류의 silanizing reagent 를 섞은 용액을 이용하여 전극표면을 silanization 함으로써 소수성화 하여 전극의 선택성을 개선하였으며, 칼슘이온을 측정하는 이온 선택성 전극에는 FeCl3, 다른 종류의 silanization 용액, 칼슘이온 선택적 전극막을 처리하여 전극의 선택성 및 안정성을 높였다. 결과적으로 일산화질소/칼슘이온 이중미세센서 표면처리 개발 기술을 바탕으로 기존의 전기화학적 Clark type 센서 기술과 이온 선택성 전극 센서 기술을 융합하여 일산화질소와 칼슘이온을 동시에 측정할 수 있는 이중미세센서를 개발하였다. 제 2 장에서는 1 장에서 개발한 일산화질소/칼슘 이중 미세전극을 이용하여 생체실험을 진행하였다. 우선 생체 외 (ex vivo) 신장조직의 수질 및 피질에서 위치에 따른 각각 일산화질소와 칼슘이온의 농도 차를 측정하였다. 그 다음으로, 생체 와 신장 조직의 수질 부분에 NOS inhibitor (L-NAME)을 처리했을 때 일산화질소와 칼슘이온의 변화를 실시간으로 측정하였다. 이러한 생체 외 신장조직에 대한 실험진행을 통해 기존 연구 결과들과 일치하도록 확인함으로써 일산화질소/칼슘이온 이중 미세센서의 성능을 증명하였다. ;This thesis is composed of two parts: chapter 1 describes the fabrication and characterization of a NO/Ca2+ dual electrochemical microsensor and chapter 2 deals with a subject on biological applications of a NO/Ca2+ dual electrochemical prepared in chapter 1. In chapter 1, a planar-type amperometric/potentiometric NO/Ca2+ dual microsensor was fabricated. The sensor (overall diameter < ~500 µm) consists of a platinum micro-disk and a silver micro-disk: one (diameter of Pt disk ≤ 25 µm, WE1) is for NO detection based on NO electrochemical oxidation and the other (diameter of Ag disk ≤ 76 µm, WE2) is for Ca2+ detection based on solid-state ion selective electrode (SS-ISE). This dual microsensor was treated with different types of silanization reagents as a hydrophobic selective coat. As a result, the NO/Ca2+ dual microsensor showed excellent performances in selectivity and response time and thus verified potential ability to be applied for bio-applications. In chapter 2, as an advanced research, the NO/Ca2+ dual microsensor prepared in chapter 1 was used for ex-vivo biological applications. In order to test feasibility of the triple sensor, the NO/Ca2+ dual microsensor was employed in simultaneous measurements of location-dependent concentrations of NO and Ca2+ in renal medulla and cortex of a rat kidney. In addition, a simultaneous and real time monitoring of alteration of NO and Ca2+concentrations during the NOS inhibition were conducted. The biological experimental results were well agreed to the previous study, confirming the performance of the NO/Ca2+ dual microsensor.