Canadian Journal of Physiology and Pharmacology

Published by THE NATIONAL RESEARCH COUNCIL OF CANADA

VOLUME 49 SEPTEMBER 1971 NUMBER 9

RCsistance Electrique de la Paroi d'une Microklectrode

JEAN PIERRE C A I L L ~ ~ ~ T SIMON G A G N ~ ? ~ Dkpartement de Biophysique, Faculte' de Mkdecine, UniversitC de Sherbrooke, Que'bec

R e ~ u le 2 mars 197 1

CAILL~, J. P., et G A G N ~ , S. 1971. RCsistance electrique de la paroi d'une microClectrode. Can. J. Physiol. Pharmacol. 49, 783-786.

La rkistance Clectrique (R) et le potentiel de pointe (E , ) d'une microClectrode (diamhtre extirieur de l'extrtmitb < 0.5 p) ont Ctt mesurQ en fonction de la position de la microClec- trode alors que celle-ci traversait une interface liquide entre une solution de chlorure de potassium (conducteur) et du tCtrachlorure de carbone (isolant). Les microClectrodes utilisCes ttaient fabriqubes de verre Pyrex (No. 7740 Corning) et remplies d'une solution de KC1 1.0 M. Ces expbriences, sur 40 microtlectrodes, ont montrC que la rCsistance des microClectrodes augmentait avec la longueur plongCe dans l'isolant. La longueur plongk dans l'isolant (zlo), correspondant B une valeur de R 10 fois plus grande (Rlo) , variait entre 1.5-7.0 F. Le potentiel de pointe, pour une profondeur de pCnCtration correspondant B Rlo, variait avec la concentra- tion de KC1 dans la phase aqueuse exttrieure. Cette variation du potentiel de pointe Ctait linCaire en fonction du log ( a x ) , avec une pente entre 33-55 mV selon la microClectrode considCrCe.

CAILL~, J. P., and GAGNJ?, S. 1971. Resistance Clectrique de la paroi d'une microClectrode. Can. J . Physiol. Pharmacol. 49, 783-786.

The electrical resistance (R) and tip potential (Ep) of the conventional microelectrode (out- side diameter at the tip < 0.5 p) was measured as it passed through the interface between a KC1 solution and pure CClr. The microelectrode was pulled from Pyrex (No. 7740 Corning) glass capillaries and filled with 1.0 M KCI. In the 40 microelectrodes studied, the electrical resistance was found to increase with depth of penetration in the CC14, although with con- siderable variation. Depending on the electrode, a 10-fold increase in resistance (&) could be recorded after as little as 1.5 (p) or as much as 7.0 ( p ) penetration (defined here as zlo). At the depth of penetration producing Rlo, the tip potential of the electrode was found to vary with the KC1 concentration in the aqueous phase. Specifically, the stable Ep versus log (aK) plotted for a KC1 range between 1.0-0.02 M produced a straight line (slope varied from 33-55 mV depending on the electrode).

Introduction question de la conduction au travers de la

L'utilisation de la microelectrode ii bout ouvert, pour la mesure des paramktres 61ec- triques des cellules biologiques, est t r b repan- due (LavallCe et coll. 1969). Toutefois, la

'Adresse: Department of Anatomy, Faculty of Medicine, University of British Columbia, Vancouver 8, B.C.

'Adresse: Lehrstuhl F. Zoologie d. Univerditat, 74 Tiib$gen, Germany.

iaroi par rapport & la conduction de l'ouver- t u e est toujours dCbattue (A@ 1969; Laval- Me et Szabo 1969). Evidemment, l'importance de ce facteur, pour les mesues biologiques, d6pend des dimensions de la cellule consid6rk. Les experiences rapportCes tentent de r6pondre h cette question, dans l'optique d'une utilisation biologique de la microklectrode, c'est-&-dire de donner une borne superieure, d6ignCe par 210,

pour la longueur ayant une paroi insuffisam-

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ment isolCe 4%) .3 Dans ce but, la r6sistanee klectrique dhne rnicro6lectrode a 6tC rnesurke lorsque la rnicro6lectrode passait d9un milieu condueteur 2 rn milieu isolant.

Les microClectrodes utilistes pour ces experiences ont CtC fabriqutes $ l'aide d'ume microforge, B gartir de capillaires de verre Pyrex (No. 7740 Corning) ayant ran diamktre extkrieur entre 8.0 et 8.7 (mm) et un diamktre inttrieur entre 8.5 et 0.3 (mm). Dans ce cas, Yon obtient, pour une micro6lectrode de 0.4 gP) de diam5tre exttrieur, une ouverture de 0.2 (p) de diamktre et une paroi de verre de 0.1 (p) d'Cpais- seur (Bils et EavallCe 1964). Ces microClectrodes 6taient remplies d9une solution de chlorure de potas- sium 1.0 M . Ee remplissage des rnicroCIectrodes Ctait fait par 6buIlition sous pression rCduite A 45 "C. La mesure de la rhistance des micrsClectrsdes a CtC faik en injectant urn courant alternatif de lo-@ A (ampli- tude maximum) et de 5 c.p.s. L'ensernble du systeme, mis au point dans notre laboratsire (Schanne et colk. 1968), pour ces mesures, a une imptdance d'entrte de 8 8 " 0.

De plus, I'on rnesurait les changements dans la capacit6 B 19entrQ de I'amplificateur; Yon admettait des changements de f'ordre de 5%. Cest ce facteur qui dCterminait la profondeur de la descente. La rtsistance 6lectrique et le potentiel de pointe 6taient mesurCs sirnultanCrnent. La descente de la rnicroClec- trode se faisait B l'aide d'un rnicromanipulateanr' avec contrSle Clectronique permettawt de dtplacer la rnicroClectrode par saut de B p ((-1-496 ) .

%'on effectuait Bes mesures de la f a ~ o n saaivamte: vtriffcation A l'aide d'un microscope de In proprett de l'extr6mitC de la micro6lectrode, descente de la micro- Clectrode par saut de 8 p, & h i d e du micromanipula- teur; au fur et & mesure que la micro61ectrode traver- sait l'interface, solution de chlsrure de potassium- tCtrachlorure de carbone (dont on a vBrifi6 que la r t - sistivitC Ctait sup6rieure B 10' fl - em), la rCsistamce ( R ) et le potentiel (E , ) Ctaient mesurQ.

ke tCtrachlorure de carbone a CtC aatilisC comme isolant B cause de I'interface (mtnisque convexe) que forme ce liquide avec B'eau, cette propri6tC per- mettant d'isoler graduellement I'extrtmitC de la micro~lectrode (Fig. 1 ) . D9autres liquides ayant la m6me propriCtC ont tgalement CtC utilisks pour vtrifier que les r6sultats pour une rnicso6lectrode donnQ Gtaient indkpendants de I'isolant, notarnmemt le nitro- benzkne et le dichlorom6thane.

k'sn peut dCfinir, pour une rnicro&lectrode, une borne supCrieure>our z, (la longueur ayant une paroi insuffisamment isol6e) (Fig. 1 ) comme &ant zlor zlo est Ia longueur dont on a descemdu la micro6lectrode pour obtenir une augmentation de la rtsistamce d'un facteur 10. DCfinissons Cgalement zo comme Ctant la longueur dont on a descendu la

'De telle soste que z , < ~ I Q .

4FabriquC par David Kopf Instrument. "A cause de la forme du mCnisque ze < ZIO.

SOLUTION ds KCI, BNTERIEUR

VERWE NON-HYDRATE * VERREHYDW&TE

FIG. 1. Forme de 19interface, solution de chIsrure de pstassium-tktrachlorure de carbone. Ce schCma pour une paroi de verre (Wechnitz: 1967) comprend, en surface, du verre hydrat6 Qhachurt), ayant une rCsistamce RH et, em profondeur, du verre non-hydratC (non-hachurC), ayawt une rtsistamce Rv. Rr est %a r6sistance de la solution h 19intCrieur de la micro- klectrode. EHI et EH2 sent les potentiels d'interface entre le verre hydratC et les milieux externe et in- terne. Ev, et Ev, somt les potentiels d'interface entre le verre hydrat6 et Ie verre non-hydrat6.

rnicrotlectrode pour obtenir une valeur du potentiel (E,) indkpendante de Ba profondeur (Fig. 2).

Les valeurs de la rhsistance et du potentiel pour z = 0 ssnt prises lorsque Ia microClectsode est pIongCe dans la solutisn d9CBectrolyte. Les premiers change- memts observCs en descendant %a micr06lectrode wnt matts wmme ayant lieu entre 8 et 1 p. Dans les rtsultats, l'om indiquera 8.5 et airasi de suite 8.5, 2.5.

Pour toutes les micro6lectrodes utiliskes dans ees experiences, une augmentation. de la rksis- tame s Ct6 notCe lorsqane celle-ci traversait l9in- terface. Alors que le potentiel demeusait in- changC, lorsque la solution ext8rieure etait identique B la solution de remplissage, il aug- mentait, dans Be sens ndgatif, puis prenait une valeur stable en fonction de la prefoasdeur (Figs. 2 et 3) pour des solutions plus dilukes (0.1, 0.05, 8.02 M KCI). La dinrhinutioan de rksistance observGe entre 0 et 1 p porn des solutions extkrieures de 0.1 et 8.85 M (Figs. 2 et 3) s9est retrouvke pour 50% des micrsClec- trodes 6tudiCes. Cette caractkristique ne s'est pas retrouvke lsrsgilue la solution ext6rieure Ctait identique il la solution de remplissage.

Un groupe de 10 micro63ectrsdes, pour Ies rnemes conditions d6crites plus haut, ont 6t6 Gtudikes avec des solutions extdriewes de 1.0,

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FIG. 2. Rksistance et potentiel de pointe d'une micro6lectrode en fonction de la profondeur. L'ordon- n6e de gauche reprhente la rhistance R (M a) et celui de droite, le potentiel E,(mV), fa profondeur (,u) est en abscisse. La rCsistance est repr6sent6e par le trait continu et le potentiel, par le trait interrompu. Les solutions extbrieures etaient 1.0 M ( @ ) et 0.1 M (0). E'Ccart type T et le nombre de mesures sont Cgalement not& sur la figure.

0.1, 0.05, et 0.02 A4 de chlorure de potassium. Ces micro6lectrodes ont montrk des variations de resistance et de potentiel, en fonction de la profondeur, similaires 2 celles des Figs. 2 et 3. Le changement du potentiel E, (valeur stable obtenue apr6s avoir p6nktrC de quelques mi- crons dans l'isolant ), en fonction du logarithme de 1'activitC ionique de la solution extbrieure, est linkaire. La pente de cette relation lintaire se situait entre 33 et 55 mV par dkcade de concentration, selon la microklectrode.

Les bornes superieures pour la pointe sen- sible de ces microClectrodes, telles que dkfinies auparavant, se situaient entre 1.5 et 7.0 p.

Discussion L'on observe sur la Fig. 2 que la rksistance

de la microklectrode diminue, en fonction de la profondeur, avant d'augnenter pour une solu- tion extkrieure de concentration 0.1 M. Cette diminution peut &tre due h la diffusion d'klw- trolyte de la solution de remplissage de con- centration 1.0 M vers la pointe de la micro- Clectrode qui ktait en Cquilibre avec une solu- tion de concentration 0.1 M. Un fait qui favo- rise cette explication, c'est que cette caract6ris- tique n'a pas kt6 observte pour une solution ex- terieure de concentration 1.0 M.

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BROFONBEUR BANS L'ISOLANT ( & I

FIG. 3 . Rtsistance et potentiel de pointe d'une micro6lectrode en fonction de la profondeur. L'ordon- nde de gauche reprksente la rbistance R (M C2) et celui de droite, le potentiel E,(mV), la profondeur (@) est en abscisse. La rksistance est reprksentte par le trait continu et le potentiel, par le trait interrompu. Les solutions extirieures Ctaient 0.05 ( 0 ) et 8.1 M (0). E'Ccart type T et le nombre de mesures ssnt 6galement notks sur la figure.

Les Figs. 2 et 3 montrent qu'il faut descendre de quelques microns pour obtenir une valeur de E, indkpendante de la profondeur. Une ex- plication, pour ce rksultat, est qu'il existe, pen- dant les premiers microns de la descente dans le CC14, une conduction #importance corn- parable h Rv et BIT et parallkle B ceux-ci. Nous considirons, en premi4re approximation, ces quelques microns comme une erreur additive sur zlO. Dans ce cas, des valeurs corrigkes de zlo seraient zlo - zo, comme zo pour les micro- klectrodes 6tudi6es se situait entre 11 et 2 p, zlo (corrigC) se situe entre 0.5 et 6.0 p alors que zlo, calculk plus haut, ttait entre 1.5 et 7.0 p.

Ir est a noter ici que les expkriences prQen- tees ne peuvent distinguer entre les deux pos- sibilitCs suivantes (Fig. 1 ) : soit une conduction perpendiculaire ii la paroi (Rv), soit une con- duction parallble A la paroi Q l'intkrieur du film de verre hydratk ( R E ) qui forme un milieu continu de l'ext6rieur B I'intQieur de la micro- klectrode (Fig. 1 ).

A la question poske dans l'introduction, nsus pouvons repondre que la microklectrode de verre Pyrex (No. 7740 Corning) a une paroi suffisamment isolke pour &re utilisee pour des mesures klectriques sur des cellules ayant un

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dimktre supkrieur B 15 p. Certaines de ces micru6lectrodcs, dans la f aible proportion de 2/ B I , pow les conditions expQirnentales pr6- sentCes dans ce travail, rae p6senfent p a s u m paroi suffisamment isolCe pour des rnesures srar des cellules plus petites qus E 5 p.

Cette Ctude a 6t6 support& fiwanci2rement par ram subvention du CMR. Bs Jean Pierre @ail16 de meme que Dr Simon GagnC dCteslaient des "st~~dentship" du CMR. Les auteurs rernercient le Ds Otto F. Schame pour son encouragement dans la poursuite de cette rceherche.

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