Electrochemical Dual H_(2)S/Ca^(2+) Microsensor and Its In Vivo Application to Rat Seizure Model

Abstract

In this research, an electrochemical dual microsensor for real-time simultaneous measurement of H_(2)S and Ca^(2+) was developed and applied to in vivo monitoring of dynamics of its targets. A dual sensor is fabricated based on two Pt wires (50 µm in diameter) embedded in each barrel of a theta-glass capillary. Electrode surfaces are etched and then modified by employing suitable electrochemical techniques. For H_(2)S detection (WE1), Au metal is electrodeposited on Pt, followed by electropolymerization of aniline. For the other electrode (WE2), Ag is electrodeposited on Pt and then oxidized. Ca^(2+)-selective membrane is loaded on the electrode, following the surface silanization. Each electrode shows high sensitivity to the target and great selectivity over potential biological interferents. In response to a seizure induced by 4-aminopyridine, real-time dynamic responses of H_(2)S and Ca^(2+) were monitored on the surface of living rat brain using the miniaturized dual sensor. We observed a clear tendency that H_(2)S level increased while extracellular Ca^(2+) level decreased during an ictal phase. The dual sensor was capable of maintaining ~100% of its initial sensitivity after ~6-h experiment on rat brain tissue.;본 학위논문에서는, 황화수소와 칼슘 이온을 동시에 측정할 수 있는 전기화학 기반의 이중 미세센서를 제작하고 이를 생체 내 측정에 응용하여 그 성능을 확인하였다. 체내 조직에서 합성되는 소량의 황화수소는 기체 신경전달물질로 기능하며 여러 가지 세포작용에 관여한다. 그 중 황화수소의 칼슘 채널 조절 기전은 활발히 연구되어 있으나, 체내에서 자연적으로 발생하는 황화수소와 칼슘 이온의 농도 변화에 관한 연구는 미흡한 상태이다. 이 연구는 기체 상태의 황화수소와 칼슘 이온의 농도를 실시간으로 함께 측정하는 센서를 개발함으로써 황화수소와 칼슘 이온의 연관성과 각각의 생리적ㆍ병리적 역할을 알아내는 데 기여하고자 한다. 황화수소/칼슘 이중 미세센서는 각각을 선택적으로 감지하는 두 작동 전극을 하나의 장치로 융합시켜 제작되었다. 백금 마이크로 디스크를 기반으로 하여 황화수소 전극에 금을, 칼슘 이온 전극에 은을 전착한 후 최적화된 선택성 막을 올려 각 전극이 황화수소 또는 칼슘 이온에 선택적으로 감응하도록 하였다. 제작한 황화수소/칼슘 이중 미세센서는 목표 물질에 대한 높은 감응도와 체내 방해종에 대한 선택성을 보였다. 4-AP를 주입하여 간질 발작을 일으킨 쥐 모델에서 이중 미세센서를 사용하여 황화수소와 칼슘 이온의 농도 변화를 측정하였다. 그 결과, 황화수소와 칼슘 이온이 발작 상태에서 지역장 전위 (Local Field Potential)에 반응하여 변화하는 것을 관찰하였다. 장시간 실험 이후, 황화수소/칼슘 이중 미세센서는 초기 감응도를 유지하며 안정성을 증명하였다.