Development of advanced electrochemical techniques to improve the quality of electrochemical information of neurotransmitters

Abstract

신경전달물질은 신경세포간 정보를 전달하는 데 쓰이는 화학적 물질이다. 신경전달물질의 측정은 뇌질환의 진단과 신경회로의 이해에 중요한 역할믈 맡고 있다. 고속스캔순환전압전류법(Fast scan cyclic voltammetry, FSCV)은 삼각 전압파형을 인가하고 그 과정에서 발생한 전류를 측정하는 기술이다. FSCV의 장점은 매우 높은 시간적 해상도를 갖고 있어 (< 10 Hz) 신경전달물질의 순간적인 변화를 측정 가능하며, 매우 작은 직경 (<7 μm)의 미세탄소섬유전극을 사용하여 신경세포에 발생할 수 있는 변화를 최소화할 수 있다는 것이다. 이런 장점으로 인해 생체 내 신경전달물질의 실시간 측정에 FSCV를 주로 사용해 왔다. 그러나, FSCV는 물질의 산화, 환원 반응이 발생하는 산화환원 전압에서 발생하는 전류 피크를 특징삼아 물질을 구분하고 있으며, 이는 산화환원 전압이 유사한 물질들 간의 구분이 어렵게 하는 단점을 가지고 있다. 특히 측정 시료의 농도와 종류를 통제할 수 없는 생체 내 측정 실험에서 이 문제의 해결은 필수적이다. 본 연구에서는 기존의 고속스캔 순환 전압전류법의 선택성 문제를 해결하기 위해 고속스캔 순환 전압전류법보다 확장된 정보를 얻을 수 있는 개선된 전기화학적 측정 기술을 개발하였다. 첫째로는 계단 형태의 전압파형에 주기적으로 반복되는 500 μs의 크기를 갖는 사각 펄스가 덧씌워진 고속순환 사각파형 전압전류법 (fast cyclic square wave voltammetry)을 개발하였다. 고속순환 사각파형 전압전류법에서 획득된 전류는 가해진 사각 펄스를 따라 주기적으로 진동하는 성질을 갖고 있다. 본 연구에서는 전류 신호의 주기성을 응용하여 전압-전류의 패턴인 볼타모그램을 3차원으로 분리, 고차원의 볼타모그램을 개발할 수 있었다. 본 기법은 기존 고속스캔 순환 전압전류법으로 획득된 전류 패턴과 선택성을 비교하는 실험을 진행해 본 결과 카테콜라민 계열 신경전달물질에 대해 높은 선택성과 높은 민감도를 보였다. 두번째 연구에서는 푸리에 변환 임피던스 분광법 (Fourier-transform electrochemical impedance spectroscopy)을 이전 연구에서 개발된 고속순환 사각파형 전압전류법에 적용하였다. 푸리에 변환 임피던스 분광법은 단일 사각 펄스로부터 모든 주파수에 대한 임피던스 정보를 얻어낼 수 있는 전기화학적 측정방법이다. 본 연구에서는 고속순환 사각파형 전압전류법에서 사용되는 전압파형인 반복되는 사각 펄스 각각에서 획득된 전류패턴에 푸리에 변환 임피던스 분광법을 적용하여 임피던스 정보를 획득하고 전기화학적 등가 회로의 소자를 얻을 수 있도록 하였다. 이를 통해 획득된 등가회로의 커패시턴스와 저항 성분을 전압별로 나열하여 소자 볼타모그램을 획득할 수 있었다. 카테콜라민 계열 신경전달물질들에 대해 소자 볼타모그램과 기존 고속스캔 순환 전압전류법의 볼타모그램을 비교하였을 때, 소자 볼타모그램이 카테콜라민 계열 신경전달물질에 대해 높은 선택성과 높은 민감도를 보였다. 결론적으로, 첫번째 연구에서 제안된 고속 사각파형 볼타메트리는 신호의 주기성을 새로운 특징으로 획득하여 기존 기술보다 신경전달물질에 대해 더 높은 선택성을 보였으며, 두번째 연구에서 적용된 푸리에 변환 임피던스 분광법은 임피던스 정보 및 소자값을 새로운 특징으로 획득하여 신경전달물질의 선택성을 증가시켰다. 본 연구에서 제안된 기술을 활용하면 다양한 화학 물질이 존재하여 측정 시료의 농도 조절이 어려운 뇌 내에서의 선택성을 증가시켜 신경전달물질 측정 시 효과적으로 물질을 구분할 수 있을 것이다.|Neurotransmitters are chemical messengers which are used to transmit information between neurons. The measurement of neurotransmitters plays an essential role in diagnosing brain diseases and studying neural circuits in the brain. Fast-scan cyclic voltammetry (FSCV), an electrochemical measurement method, induces the electrochemical redox reaction by applying a triangular waveform voltage and measuring the current generated in the process. The advantage of FSCV is that having sufficient temporal resolution to observe the phasic response (around 10 Hz) and the small diameter of the fine carbon fiber microelectrode used (<7 μm) minimizes possible damage to neurons. Due to these advantages, FSCV has been widely used for the real-time measurement of neurotransmitters in vivo. However, FSCV uses the feature as a current peak at a redox voltage which causes oxidation and reduction of the measured substance. Thus, it is difficult to estimate the neurotransmitters when the voltammograms of each chemical have overlapping oxidation and reduction peaks. It is essential to solving this problem in the measurement of neurotransmitters in vivo, where the concentration and type of the measured sample cannot be controlled. In this thesis, improved electrochemical techniques were developed to solve the selectivity issue of the conventional FSCV. The techniques could obtain an information-rich voltammogram compared to the conventional approach. First, fast cyclic square wave voltammetry (FCSWV) was developed. Repeating square pulses with a size of 500 μs were superimposed on the staircase waveform. The current obtained in the FCSWV has vibrating periodically along with the applied square pulses. By utilizing the periodicity of the signal, the voltammogram could be separated into a 2D voltammogram with three information: voltage, current, period. As a result, FCSWV showed higher selectivity and higher sensitivity for catecholamine-based neurotransmitters than conventional FSCV. In the second study, electrochemical impedance cyclic voltammetry (FTEIS-FCSWV) was developed. Fourier-transform electrochemical impedance spectroscopy (FTEIS) was applied to the fast cycle square wave voltammetry developed in the previous study. FTEIS is an electrochemical measurement method that obtains impedance information for all frequencies from a single square pulse. Thus, impedance could be obtained by applying FTEIS to each square pulse in the FCSWV. Electrochemical equivalent circuit elements were derived from the impedance. The element voltammograms were obtained by plotting the capacitance and resistance from each square pulse. The element voltammogram has different features from the voltammogram obtained by conventional cyclic voltammetry. Measurement performance of FSCV and FTEIS-FCSWV are compared in terms of neurotransmitter sensitivity and selectivity. It showed high selectivity and high sensitivity for catecholamine-based neurotransmitters. Advanced electrochemical techniques, FCSWV and FTEIS-FCSWV, were developed to enhance neurotransmitter selectivity, which is one limitation of the conventional FSCV. A new type of voltammogram, including periodic information and impedance information, could be obtained. Thus, these studies will be helpful in the study of brain function and neurotransmitter-related brain diseases by enabling sensitive measurement and selective estimation of neurotransmitters in the brain in which various chemicals are present.