포어전극에 기반한 전기화학적 미세센서 제작 및 생물학적 응용 연구

Abstract

This study is about the development and characterization of microsensors for amperometric and potentiometric analysis. The electrochemical sensor with a small sensing dimension has advantages such as high spatial resolution and less invasiveness for the biological applications. Therefore, the demand for improved electrochemical microsensors suitable for biological applications has been significantly increased. Chapter Ⅰ describes the development of a nonenzymatic glucose microsensor. The sensor is based on a micropore electrode, consisting of Pt disk base in a conical pore recessed from a micrometer-sized pore orifice plane. The micropore-type glucose sensor showed much improved sensitivity for glucose due to the three-dimensional geometric structure. To facilitate direct glucose oxidation, a highly porous Pt (pPt) layer was deposited electrochemically on the Pt disk base in the pore. The additional pPt layer enhanced the kinetic-controlled oxidation of glucose more significantly than the diffusion controlled oxidation of typical biological interfering species (ascorbic acid and acetaminophen). Compared to a pPt deposited planar Pt microelectrode, the observed higher sensitivity and selectivity of the pPt deposited micropore electrode could be attributed to not only the increased electrode roughness, but also to the small pore opening functioning as an efficient mass-transport resistance to the interfering species. The prepared pPt micropore electrode also showed improved potentiometric responses to pH changes due to the increased surface area, suggesting its possible use as a miniaturized potentiometric sensor. Chapter Ⅱ demonstrates the development of electrochemical dual microsensor for the simultaneous measurements of potassium ion and nitric oxide by coupling potentiometric and amperometric systems, respectively. The dual sensor for potassium ion and nitric oxide dual sensor was fabricated by thermally fusing a theta-type glass capillary containing a Pt and a Ag wire, one for each hole, and then polishing the end of the capillary to expose the metal disks, which were etched to produce micropore electrodes for high spatial and temporal resolution. The Ag base surface in the pore electrode was treated with chloride ion resulting Ag/AgCl to maintain inner potential, and potassium ion selective membrane was applied on the Ag/AgCl pore electrode for the electrode selectivity to potassium ion. The pore of the Pt electrode was filled with pPt by cyclic voltammetry. The pPt layer deposited on the electrode surface enhanced the sensitivity to nitric oxide due to the enlarged real surface area. The silanization of the electrode glass surface showed improved selectivity to nitric oxide over biological interferents (nitrite). The prepared dual sensor was employed successfully to monitor potassium ion and nitric oxide concentration changes with the addition of L-arginine at the surface of rat brain cortex, confirming the sensor performance.;본 연구에서는 전류 및 전압 측정 방식을 통해 표적 물질을 분석할 수 있는 미세전극을 개발하고 생물학적 응용 연구를 시행함으로써 다양한 분야로의 적용 가능성을 확인하였다. 미세 전극은 생체 분석 연구에 응용하였을 때, 전극의 작은 단면적으로 인해 생체의 손상을 최소화할 수 있고 국소적 위치에서의 농도 분석이 용이하다. 따라서 전기화학적 미세 전극을 이용한 바이오센서의 개발은 그 의의가 매우 큰 작업이다. 제1장에서는 포도당 산화효소를 사용하지 않고 나노다공성 백금 입자를 증착한 마이크로포어 초미세 전극을 이용하여 포도당 센서를 개발한 내용을 담고 있다. 전류측정 방식의 포도당 센서에 적용한 포도당의 산화 전위에서 동시에 전기화학적 반응을 일으키는 방해 물질(아스코르브산, 아세트아미노펜 등)을 배제하기위해 마이크로미터 크기의 포어 전극을 제작하고 그 전극 표면을 나노다공성 백금 전극으로 개질화하였다. 이 전극은 원뿔 형태의 포어 내부에 전기화학반응이 일어나는 백금 전극 표면이 자리하고 있는 구조이므로 반응물은 마이크로미터 크기의 포어 입구를 통과하여 전극에 도달해야 한다. 따라서 빠른 확산 지배 반응의 산화 메커니즘을 따르는 아스코르브산과 아세트아미노펜의 감도를 디스크 전극에 비해 감소시킬 수 있고 상대적으로 느린 속도 지배 반응을 따르는 포도당은 포어 내부에 축적되는 효과를 가져와 포도당의 산화 반응에 대한 측정 능력을 증폭시켜준다. 전기화학적 순환전압전류법을 통해 나노다공성 백금 입자를 증착한 백금 전극은 비교적 느린 전자 전달 반응 속도를 보이는 포도당의 산화 반응에 대해 단위투영면적당 더 많은 활성 자리를 제공할 수 있어 그 감도를 더욱 증대시킨다. 또한 포어 전극은 다공성 백금 입자 층을 포어내부의 전극 표면에 형성시킬 수 있어 geometric surface area의 증가는 방지하면서 real surface area를 효과적으로 증가시킬 수 있다. 이러한 구조적 특성으로 인해 개발한 포어 전극은 포도당에 대한 감응 능력이 뛰어나고 포도당 산화 전위에서의 생물학적 방해종을 배제하는 효과가 있음을 확인하였다. 또한 이 전극은 pH 변화에 따른 전압값을 측정할 수 있는 pH 전극으로도 활용될 수 있다. 제2장은 칼륨 이온과 일산화질소의 동시 측정이 가능한 미세 센서의 개발 내용을 담고 있다. 이 센서는 본체 내부에 전압 측정법을 통해 칼륨 이온을 감지하는 전극과 전류 측정법을 통해 일산화질소를 감지하는 마이크로미터 크기의 전극이 함께 내장되 어있다. 칼륨 이온을 감지하는 전극은 Ag/AgCl 선으로 제작하여 내부 전위를 안정적으로 유지할 수 있도록 하였고 칼륨이온에 대한 선택성을 부여하는 막을 전극의 표면에 장착하였다. 이 때 전극막은 장시간의 수분 노출환경에서도 성능을 유지하도록 조성비를 최적화하여 제조하였다. 일산화질소를 감지하는 전극은 마이크로미터 크기의 포어 전극 형태로 제작하여 높은 공간 분해능을 가지며 나노다공성 백금 입자의 증착을 통해 일산화질소에 대한 감응 능력을 증대하였다. 일산화질소의 산화 전위에서 동시에 전기화학 반응을 일으키는 방해 물질을 배제하고 일산화질소에 대한 선택성을 높이기 위해 silanization 법을 적용하여 전극 본체의 유리 표면을 소수성으로 만들었다. 또한 개발한 전극을 L-아르기닌 투여 전후, 쥐의 대뇌피질에서의 칼륨 이온 및 일산화질소의 농도 변화 양상 확인에 응용하여 in vivo 상에서의 칼륨 이온과 일산화질소 연구에 실용 가능함을 확인하였다.