Development of Steered Fast-Scan Cyclic Voltammetry(FSCV) for Enhancing Detection Sensitivity

Abstract

Fast-scan cyclic voltammetry(FSCV) is a technique for measuring phasic changes in neurotransmitters with millisecond (ms) temporal resolution. The current data is measured through a carbon-fiber microelectrode and extracting only the faradaic current generated from the neurotransmitter`s redox by removing the non-faraday current using the background subtraction technique. The FSCV is a very useful technique for monitoring neurotransmitter release dynamics and neural network research because it can measure the concentration of neurotransmitters in the nanomolar (nM) range in vivo. In this study, we describe a technique that can further lower the limit of detection of FSCV. First, we developed low noise 2-electrode potentiostat. Because limit of detection(LoD) has high correlation with temporal noise of potentiostat. Conventional potentiostat for FSCV has three component, voltage divider for increase digital to analog(DAC) resolution, transimpedance amplifier(TIA) for convert current occur at carbon-fiber microelectrode(CFM) to voltage, and waveform subtractor for subtract waveform value from output of TIA. By combine three component using single operational amplifirer, the temporal noise decrease 166%. Second, the detection sensitivity of dopamine was improved to 0.17 nM by amplifying and measuring only the oxidation peak of dopamine using the waveform steering technique.

Waveform steering is a technique that dynamically changes the input waveform so that the current response remains flat in the vicinity of the oxidation reaction of the neurotransmitter (~0.6V). And by amplifying the signal of the current response adjusted flatly through the waveform steering technique, only the faradaic current can be amplified. Through this technique, the detection limit for dopamine was improved by about 32 times from 0.58 nM to 0.17 nM, In the case of serotonin, about 39-fold improvement was obtained from 57.3 nanomoles to 1.46 nanomoles. Finally, the applicability of steered FSCV to in vivo dopamine detection was also studied. In conclusion, waveform steered FSCV can be utilized as a useful neurochemical monitoring tool to improve detection sensitivity. |고속 스캔 순환 전압전류법은 밀리 초(ms) 시간분해능을 가지는 신경전달물질의 단기간 변화를 측정하는 기술이다. 데이터는 단일 카본섬유 미세전극을 통해 전류를 측정하고, 배경전류감산법을 이용하여 비 패러데이 전류를 제거함으로써 신경전달물질의 산화 및 환원반응에서 발생하는 패러데익 전류만 추출하여 사용한다. 고속 스캔 순환 전압전류법은 생체 내에서 나노 몰(nM) 범위까지 신경전달물질의 농도를 측정할 수 있기 때문에 신경망을 통한 신경전달물질 방출 및 신경 망 연구에 매우 유용한 기술이다. 이 연구에서는 고속 스캔 순환 전압전류법(FSCV)의 검출한계를 더욱 낮출 수 있는 기술을 설명하였다. 우선 저 잡음 2전극 전위차계를 개발하였다. 시간적 잡음은 고속 스캔 순환 전압전류법의 검출한계와 매우 높은 연관성을 가지고 있기 때문 전위차계의 시간적 잡음을 줄이는 것이 매우 중요하다. 기존의 고속 스캔 순환 전압전류법용 전위차계는 디지털-아날로그 변환기(DAC)의 분해능을 증가시키기 위한 전압 분배회로, 탄소 섬유 미세전극에서 발생하는 전류를 전압으로 변환하기 위한 전류-전압 변환기(TIA; transimpedance amplifier), 전류-전압 변환기의 출력에서 입력파형 값을 제거하기 위한 파형 감산기의 3가지 요소로 구성되어 있다. 이러한 구성요소를 하나의 연산증폭기에서 구현함으로써, 시간적 잡음의 크기를 약 166% 감소시키는 결과를 이루었다. 두 번째로 파형 조정 기술을 활용하여 도파민의 산화 피크만 증폭하여 측정함으로써 도파민의 측정민감도를 0.17nM까지 향상시켰다. 파형조정 기술은 신경전달물질의 산화반응이 일어나는 부근(~0.6V)의 전류반응이 평평하게 유지할 수 있도록 파형을 조정하는 기술이다. 파형 조정 기술을 통해 평평하게 조정된 전류반응의 신호를 추가적으로 증폭함으로써 패러데익 전류만 증폭할 수 있으며, 이르한 기술을 통해 도파민에 대한 검출한계를 0.58nM에서 0.17nM로 약 32배 향상시켰으며, 세로토닌의 경우 57.3 나노 몰에서 1.46 나노 몰 까지 약 39배 향샹된 결과를 얻었다. 마지막으로 생체 내 도파민 검출에 대한 파형 조정 고속 스캔 순환 전압전류법의 적용 가능성에 대해서도 연구하였다. 결론적으로 파형 조정 고속 스캔 순환 전압전류법은 검출감도를 향샹시키기 위한 유용한 신경화학적 모니터링 도구로 활용될 수 있을 것이다.