Fabrication of Amperometric NO/CO/H2S Triple Microsensor for Real-time Monitoring during Induced Seizures of Rat Brain

Abstract

본 학위논문에서는, 일산화질소, 일산화탄소, 황화수소의 동시적 측정이 가능한 전류측정방식의 전기화학적 삼중 미세센서를 제작하고, 이를 생체 내 측정에 응용한 연구 방법에 대하여 기술하고 있다. 체내에서 생성된 일산화질소, 일산화탄소, 황화수소는 기체 신호전달 물질로써 수많은 생물학적 작용에서 중요한 역할을 하므로 활발한 연구가 이루어지고 있으나, 측정 도구들이 갖는 한계점으로 인하여 이들 간의 상호작용 체제를 명확하게 밝히는 데 어려움을 겪고 있다. 이 연구에서는 세 가지 기체를 선택적으로 측정할 수 있는 미세센서를 개발하여, 직접적인 생물학적 응용이 가능한 검출 방법을 제시함으로써 이들의 연관성을 알아내는 데에 일조하고자 한다. 세 개의 백금 작업전극이 단일 장치를 구성하도록 제작된 미세센서가 각 표적 물질에 대해 선택적으로 감응할 수 있도록, 세 전극 표면에 각각 다른 금속 나노 입자를 전착 시킨 후 필요에 따라 고분자 또는 소수성 막을 추가 처리해주었다. 고정된 인가 전위에서 시간에 따른 전류 변화를 측정하여 민감도, 선형성, 선택성을 통해 최적화된 센서의 우수한 성능을 확인하였다. 또한, 살아있는 쥐의 뇌에 4-AP 약물을 투여하여 뇌전증 발작을 유도하였을 때 대뇌 피질에서 지역장 전위(local field potential)와 삼중 미세센서에서의 전류 신호를 측정함으로써 일산화질소, 일산화탄소, 황화수소의 농도 변화를 실시간으로 관찰할 수 있었다. 이를 통하여 일산화질소/일산화탄소/황화수소 삼중 미세센서의 성능 및 생물 실험에서의 응용 가능성을 확인하였다.;Nitric oxide (NO), carbon monoxide (CO), and hydrogen sulfide (H2S), which are endogenous gaseous messenger molecules called gasotransmitters, have been extensively studied due to their crucial functions in numerous biological systems. Since electrochemical sensors can be used for real-time measurement while having a fast response time, high selectivity, good sensitivity, and high spatiotemporal resolution, they are regarded as suitable tools for the analytical quantitation of these molecules in biological applications. This thesis describes the fabrication of an electrochemical triple microsensor that has a capability of selective detection of NO, CO, and H2S, enabling simultaneous measurement for biological testing. Each electrode surface of the Pt disks of the triple sensor, which was manufactured to be a single device with three working electrodes, was covered with selective membranes after electrodeposition of metal nanoparticles as needed. The good performance of the sensor, suggesting that it was feasible to be applied biologically, was confirmed through sensitivity, linearity, and selectivity by measuring the current change over time at the fixed working potential. Therefore, by monitoring the signal change of the sensor when 4-AP-induced seizure events occurred at the brain cortex of a living rat, the concentration changes of NO, CO, and H2S were successfully observed in real time.