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KR100360774B1 - 효소전극센서 및 그 제조방법 - Google Patents

효소전극센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100360774B1
KR100360774B1 KR1019990062430A KR19990062430A KR100360774B1 KR 100360774 B1 KR100360774 B1 KR 100360774B1 KR 1019990062430 A KR1019990062430 A KR 1019990062430A KR 19990062430 A KR19990062430 A KR 19990062430A KR 100360774 B1 KR100360774 B1 KR 100360774B1
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enzyme
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membrane
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양해식
김윤태
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 전기 화학적 측정방법을 이용한 바이오센서(biosensor)인 효소전극센서(enzyme electrode sensor) 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 전극의 외부에 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막 가운데 효소가 고정되며 형성된 내부막과, 상기 내부막 위에 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막이 고착되어 형성되는 중간막과 상기 중간막 위에 폴리우레탄,셀룰로우즈 아세테이트,나피온,테플론,켈에프중 어느하나로 형성된 외부막을 포함하는 효소전극센서와 이 효소전극센서를 제조하는 방법을 제공하여 유기방해물질의 간섭이 억제되어 센서의 감응선택성이 향상되며, 포도당 센서에서 가장 문제가 되는 아세트아미노펜의 간섭이 효과적으로 억제된다.

Description

효소전극센서 및 그 제조방법{Enzyme electrode sensor and manufacturing method thereof}
본 발명은 효소전극센서에 관한 것으로 특히, 전기 화학적 측정방법을 이용한 바이오센서(biosensor)인 효소전극센서(enzyme electrode sensor) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 개인의 건강과 환경에 대한 관심이 증가하여 정밀하고 다기능화된 소형의 센서개발에 대한 관심이 증가되고 있고, 특히, 감응선택성(selectivity)이 뛰어난 바이오센서의 개발에 관심이 증가되고 있다.
바이오센서 중에서 효소를 사용하고 전기 화학적 측정방법을 이용하는 효소전극센서에 대한 연구가 가장 활발히 진행되고 있고, 이때 효소로는 포도당 산화효소(glucose oxidase), 젖산 산화효소(lactate oxidase), 알코올 산화효소(alcohol oxidase), 콜레스테롤 산화효소(cholesterol oxidase) 등 여러 가지 효소들이 사용되고 있다.
이러한 효소전극센서 중에서 포도당의 농도를 측정하여 당뇨병환자의 혈당분석에 사용되는 포도당 센서가 가장 많이 연구되고 있다.
포도당 센서에서 산화형의 포도당 산화효소는 포도당을 글루코닉산(gluconic acid)으로 전환시키면서 환원형으로 전환된다. 이 환원된 포도당 산화효소는 용액 중에 녹아 있는 산소와 반응하거나 전자전달매개체와 반응하여 과산화수소(H2O2)를 발생시키거나 전자전달매개체를 환원시키면서 다시 산화형으로 전환된다.
상기 반응에서 생성된 과산화수소나 환원된 전자전달매개체는 백금(Pt), 로디움(Rh)과 같은 전극에 의하여 하기 반응식 1과 2에서와 같이 산소나 산화된 전자전달매개체로 산화될 수 있다.
H2O2→ O2+ 2H++ 2e-
전자전달매개체(환원형) → 전자전달매개체(산화형) + e-
포도당 센서는 상기와 같은 과정에서 과산화수소의 산화전류를 측정하거나, 환원된 전자전달매개체의 산화전류를 측정하거나, 산소가 과산화수소로 환원될 때 생기는 산소의 농도변화를 측정하거나, 글루코닉산에 의한 pH의 변화를 측정하여 포도당의 농도를 측정한다.
상기 4가지 측정방법 중에서는 과산화수소의 산화전류를 측정하는 방법이 가장 많이 사용되고 있다.
일반적으로 과산화수소의 산화전류를 측정하는 효소전극은 몇 개의 막으로 구성되며, 크게는 내부막(inner layer)과 외부막(outer layer)의 두 개의 막으로 나눌 수 있다.
효소전극의 내부막은 효소를 고정시키는 역할, 방해물질의 간섭을 억제하는 역할, 유기물질에 의하여 전극표면이 더러워지는 것을 방지하는 역할 등을 한다. 외부막없이 내부막만 있는 경우에는 포도당의 농도에 따른 전류변화가 효소촉매반응의 반응속도에 의해 직접 좌우되므로 넓은 농도범위에서 선형적인 관계를 나타내지 못한다.
반면 내부막 위에 포도당의 이동을 방해하는 외부막을 입히는 경우에는 내부막으로의 포도당의 이동이 느리게 일어나고, 전류는 외부막에서의 포도당의 이동에의존하므로 포도당 농도에 따른 전류변화는 좀 더 선형적으로 나타나게 된다. 외부막의 재료로는 폴리우레탄(polyurethane), 셀룰로우즈 아세테이트(cellulose acetate), 나피온(Nafion), 테플론(Teflon), 켈에프(Kel-F) 등을 사용한다.
사람의 피 속에 존재하는 포도당의 농도는 2-30mM 정도이지만 산소의 농도는 0.02-0.2mM 정도밖에 되지 않는다. 이와 같이 산소의 농도가 아주 낮은 환경에서는 과산화수소의 산화전류가 포도당의 농도가 아니라 산소의 농도에 의해 좌우되어 버릴 수 있기 때문에 산소의 공급은 원활하게 하면서 포도당의 이동은 느리게 하는 막이 필요하며, 경우에 따라서는 이 역할도 외부막이 하게 된다.
또한 외부막은 용액의 흔들림에 의해 전류의 변화가 일어나지 않게 하는 역할도 한다. 인체에 내장하거나 부착하여 사용할 경우에는 외부막 위에 생체 친화성 재료막을 더 입혀서 사용한다.
내부막에 효소를 고정시키는 방법으로는 전기 화학적 중합(electropolymerization), 딥코팅(dip coating)이나 스핀코팅(spin coating)에 의하여 막을 형성할 때 효소를 동시에 고정화시키는 방법 또는 막을 형성하기 전후에 효소를 고정시키는 방법을 사용한다.
전기 화학적 중합에 의해 막을 형성하는 방법은 형성되는 막의 두께를 쉽게 조절할 수 있고 얇게 입힐 수 있지만, 딥코팅이나 스핀코팅에 의해 막을 형성하는 방법은 형성되는 막의 두께를 조절하기 어려우며 비교적 두꺼운 막이 형성되는 문제점이 있다. 따라서 재현성 있는 막의 제작을 위해서는 전기 화학적인 중합이 효과적이다.
전기 화학적으로 중합된 고분자막을 형성한 후에 효소를 고정시키는 경우에는 딥코팅이나 스핀코팅 등에 의해서 효소를 막 위에 고정시켜야 한다.
미국특허 제5,540,828호에는 전극 위에 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막을 형성하고 그 위에 감지에 이용되는 화학약품이나 생체물질을 입히거나, 전극 위에 감지에 이용되는 화학약품이나 생체물질을 먼저 입힌 뒤 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막을 형성하여 화학센서 및 바이오센서를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 비교적 큰 전극을 사용하는 경우에는 쉽게 센서를 제조할 수 있는 장점이 있다.
그러나 여러 가지 물질을 동시에 분석하는 마이크로 어레이 전극(microarray electrode)에서는 각 전극마다 각기 다른 효소, 생체물질, 고분자막이 형성되어야 하기 때문에 딥코팅이나 스핀코팅 등의 방법을 쓰기 어려우며, 전기 화학적으로 중합된 고분자막을 형성하기 전에 효소를 고정시키는 경우에도 동일한 문제점이 있다.
또한 비전도성의 효소가 전극의 표면에 입혀져 있기 때문에 고분자막이 잘 자라지 않고, 방해물질이 잘 통과하지 못하는 고분자막을 감지물질이 통과하여 효소에까지 도달하기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서 마이크로 어레이 전극의 내부막을 형성하기 위해서는 전기 화학적 중합에 의해 고분자막을 형성하면서 동시에 효소를 고정하는 방법을 사용하는 것이 가장 효과적이다.
이러한 고분자막을 전기 화학적 중합에 의해 전극 위에서 성장시키기 위해서는 형성된 고분자막의 전기전도도가 높아야 한다.
폴리피롤(polypyrrole)과 같은 전도성 고분자는 전기전도도가 매우 높기 때문에 막 성장이 잘 일어난다. 그러나 폴리피롤을 내부막으로 사용한 경우는 방해물질이 내부막을 쉽게 통과하기 때문에 방해물질의 간섭이 크게 나타나고, 폴리피롤 내부막의 전기 화학적 활성을 과산화(overoxidation)에 의해 완전히 제거하기 어렵기 때문에 배경전류(background current)가 크게 나타나고 시간에 따른 변화가 심하다는 문제점이 있다.
페닐렌다이아민(phenylenediamine), 아미노하이드록시벤젠(aminohydroxybenzene), 다이하이드록시벤젠(dihydroxybenzene), 다이아미노나프탈렌(diaminonaphthalene), 아미노하이드록시나프탈렌(aminohydroxynaphthalene), 다이하이드록시나프탈렌(dihydroxynaphthalene) 등의 단분자(monomer)를 사용하여 만든 '전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자(electropolymerized nonconducting polymer)'들은 전기전도도가 낮기 때문에 막이 조금 성장하다가는 더 이상 성장하지 않는다. 그러나 폴리(메타-페닐렌다이아민) 등의 비전도성 고분자막의 경우는 막이 아주 얇게 입혀지더라도 방해물질이 이 막을 쉽게 통과하지 못하기 때문에 방해 물질의 간섭이 작게 나타나고 중성용액에서는 전기 화학적 활성이 없기 때문에 배경전류가 작게 나타나는 장점이 있다.
이러한 효소전극센서의 개발에 있어서 중요한 문제가 되는 것이 방해물질의 간섭이다. 과산화수소의 산화를 위해서는 은/염화은(Ag/AgCl) 기준 전극(referenceelectrode)의 전위를 기준으로 해서 +650mV 정도의 높은 전위를 백금전극에 가하게 되는데, 이 정도의 전위에서는 신체대사물질 중 아스코르브산(ascorbic acid), 아세트아미노펜(acetaminophen), 요산(uric acid)과 같은 유기물질의 산화가 쉽게 일어난다. 결국 효소가 감응물질과 선택적으로 반응해서 과산화수소를 만들어 내더라도, 백금전극의 표면에서 과산화수소 외에 유기물질의 산화가 일어남으로써 감응선택성은 떨어지게 된다. 따라서 과산화수소는 잘 통과시키면서 유기방해물질의 이동을 차단하는 막이 필요하다.
미국특허 제5,804,048호에는 산소의 공급은 용이하게 하면서 포도당의 이동은 느리게 하는 역할을 하는 외부막과, 방해물질의 전극으로의 이동을 억제하는 내부막과, 외부막과 내부막 사이에 포도당 산화효소를 배치한 포도당센서가 개시되어 있다. 이 경우에도 비교적 큰 전극을 사용하는 경우에는 쉽게 제조가 가능하지만 미소센서를 제조하기에는 어려운 문제점이 있다.
중성용액에서 이온으로 존재하는 아스코르브산, 요산 등은 소수성 막을 잘 통과하지 못하지만, 아세트아미노펜과 같은 중성의 유기물질은 소수성 막을 잘 통과한다. 이러한 경우에는 막 속의 구멍크기를 작게 하여 상대적으로 분자량이 큰 방해물질의 이동은 차단하면서 분자량이 작은 과산화수소나 산소의 이동은 잘 일어나게 하는 방법이 사용된다.
페닐렌다이아민과 같은 단분자를 사용하여 만든 폴리(페닐렌다이아민), 폴리(아미노하이드록시벤젠), 폴리(다이하이드록시벤젠)의 경우 고분자 내의 벤젠고리끼리의 적층에 의해 내부에 빈 공간이 많이 존재하지 않는다. 특히 메타-페닐렌다이아민 또는 2,3-다이아미노나프탈렌(2,3-diaminonaphthalene)으로 합성한 막의 경우 아주 좋은 선택성을 보이는 것으로 알려져 있다(Anal. Chem. 1998, 70, 2928).
그러나 효소가 들어있는 용액에서 전기 화학적으로 중합된 효소가 포함된 고분자막에는 방해물질의 간섭이 크게 나타난다. 이것은 큰 분자량을 갖는 효소가 막 내에 있어서 막 내부에 빈 공간이 많이 생기므로 방해물질의 이동이 용이하기 때문이다.
방해물질의 간섭을 제거하기 위하여, 분석화학(Analytical Chemistry) 제66권 제7호에는 효소고정을 위한 지지체역할과 과산화수소 선택성 막역할을 하는 내부막과, 효소를 고정시키는 역할을 하는 중간막과, 산소의 이동은 용이하게 하면서 포도당의 이동은 확산에 좌우되도록 하는 역할을 하는 외부막으로 구성된 포도당센서에서, 내부막에 비전도성 고분자막을 딥코팅하거나 전기 화학적 중합에 의하여 비전도성 고분자막을 만든 뒤 포도당 산화효소가 들어있는 방울을 떨어뜨려 입혀서 포도당센서에서의 방해물질의 간섭을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 비교적 큰 전극을 사용하는 경우에 쉽게 제조할 수 있고 방해물질의 간섭을 제거할 수 있는 장점이 있으나, 딥코팅에 의하여 얻어진 비전도성 고분자막의 경우 전기 화학적 중합에 의해 얻은 비전도성 고분자막에 비해 두껍게 막이 형성되기 때문에 전극으로 전달되는 과산화수소의 양이 감소하여 센서의 감도가 떨어지는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전기 화학적 중합에 의하여 효소가 들어 있는 비전도성 고분자막을 형성한 후 이 막 위에 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막을 다시 형성하여 방해물질의 간섭을 크게 줄일 수 있는 효소전극센서 및 그러한 효소전극센서를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 효소전극센서의 구조를 나타낸 부분단면도,
도 2와 도 3은 아스코르브산 용액에서의 순환전압전류도,
도 4와 도 5는 아세트아미노펜 용액에서의 순환전압전류도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 전극
12: 내부막
13: 중간막
14: 외부막
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 효소전극센서의 특징은 전극과, 상기 전극의 외부에 형성된, 전기 화학적으로 중합되고 효소가 고정된 비전도성 고분자막과, 상기 전기 화학적으로 중합되고 효소가 고정된 비전도성 고분자막의 외부에 형성된 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막, 및 상기 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막의 외부에 형성된 외부막을 포함하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 효소전극센서의 부가적인 특징으로 전극은 백금전극, 로디움전극으로 이루어지며, 효소는 포도당 산화효소, 젖산 산화효소, 알코올 산화효소, 콜레스테롤 산화효소로 이루어지는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 효소전극센서의 부가적인 다른 특징으로 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막은 폴리(페닐렌다이아민), 폴리(아미노하이드록시벤젠), 폴리(다이하이드록시벤젠), 폴리(다이아미노나프탈렌), 폴리(아미노하이드록시나프탈렌), 폴리(다이하이드록시나프탈렌)으로 이루어지는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 효소전극센서의 부가적인 또 다른 특징으로 외부막은 폴리우레탄(polyurethane), 셀룰로우즈 아세테이트(cellulose acetate), 나피온(Nafion), 테플론(Teflon) 또는 켈에프(Kel-F)로 이루어지는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 효소전극센서의 제조방법의 특징은 전극을 제공하는 단계와, 고분자막을 구성하는 단분자와 효소가 들어있는 완충용액을 제조하는 단계와, 상기 완충용액에 일정한 전압을 일정한 전하가 흐를 때까지 걸어주어 상기 전극의 외부에 전기 화학적으로 중합되고 효소가 고정된 비전도성 고분자막을 형성하는 단계와, 상기 비전도성 고분자막을 증류수로 세척하는 단계와, 상기 고분자막이 형성된 전극을 고분자막을 구성하는 단분자가 들어있는 완충용액, 산성용액, 나피온용액에서 일정한 전압을 일정한 시간동안 걸어주어 상기 전기 화학적으로 중합되고 효소가 고정된 비전도성 고분자막의 외부에 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막을 형성하는 단계와, 상기 비전도성 고분자막을 증류수로 세척하는 단계와, 상기 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막의 외부에 외부막을 형성하는 단계와, 상기 외부막을 건조시키는 단계를 포함하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 효소전극센서의 제조방법의 부가적인 특징으로 전극으로는 백금전극, 로디움전극을 사용하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 효소전극센서의 제조방법의 부가적인 다른 특징으로 효소로는 포도당 산화효소, 젖산 산화효소, 알코올 산화효소,콜레스테롤 산화효소를 사용하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 효소전극센서의 제조방법의 부가적인 또 다른 특징으로 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막으로는 폴리(페닐렌다이아민), 폴리(아미노하이드록시벤젠), 폴리(다이하이드록시벤젠), 폴리(다이아미노나프탈렌), 폴리(아미노하이드록시나프탈렌), 폴리(다이하이드록시나프탈렌)을 사용하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 효소전극센서의 제조방법의 부가적인 또 다른 특징으로 외부막으로는 폴리우레탄(polyurethane), 셀룰로우즈 아세테이트(cellulose acetate), 나피온(Nafion), 테플론(Teflon) 또는 켈에프(Kel-F)를 사용하는 데 있다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명의 효소전극센서는 전극, 전극의 외부에 형성된 전기 화학적으로 중합되고 효소가 고정된 비전도성 고분자막, 효소가 고정된 비전도성 고분자막의 외부에 형성된 전기 화학적으로 중합되고 효소가 고정되지 않은 비전도성 고분자막 및 그 외부에 형성된 외부막으로 구성된다.
효소전극센서에서 전극으로는 백금전극, 로디움전극 중 어느 하나를 사용하며, 전극 위에 전기 화학적 중합에 의해 효소가 고정된 비전도성 고분자막을 형성한다.
고분자막을 형성하기 위하여 먼저 고분자막을 구성하는 단분자와 사용하고자 하는 효소가 들어있는 완충용액을 제조한다. 이때 완충용액으로는 아세테이트완충용액을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 완충용액에 전극을 담그고 전극에 일정한 전압을 일정한 전하가 흐를 때까지 걸어주면 전기 화학적 중합반응이 일어나 전극의 외부에 효소가 고정된 비전도성 고분자막이 형성된다. 고분자막이 형성되면 증류수로 세척한다.
이때 효소로는 포도당 산화효소, 젖산 산화효소, 알코올 산화효소, 콜레스테롤 산화효소 등 여러 가지 효소를 사용할 수 있다.
전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막의 재료로는 폴리(페닐렌다이아민), 폴리(아미노하이드록시벤젠), 폴리(다이하이드록시벤젠), 폴리(다이아미노나프탈렌), 폴리(아미노하이드록시나프탈렌), 폴리(다이하이드록시나프탈렌) 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
형성된 효소가 고정된 비전도성 고분자막 위에는 효소가 들어있지 않는 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막을 다시 형성한다. 비전도성 고분자막을 형성하기 위해서는 효소가 고정된 비전도성 고분자막이 형성된 전극을 단분자가 들어있는 완충용액, 산성용액, 나피온용액에 담그고 일정한 전압을 일정한 시간동안 걸어주거나, 단분자가 들어있지 않은 완충용액에 담그고 일정한 전압을 일정한 시간동안 걸어준 후 다시 단분자가 들어있는 완충용액, 산성용액, 나피온용액에서 일정한 전압을 일정한 시간동안 걸어준다.
상기 과정에 의하여 전기 화학적 중합반응이 일어나, 효소가 고정된 비전도성 고분자막의 외부에 비전도성 고분자막이 다시 형성된다. 형성된 고분자막은 증류수로 세척한다.
이때 용액으로는 PBS(phosphate buffered saline) 완충용액, 산성 용액, 나피온이 녹아 있는 알코올과 물의 혼합용액을 사용하는 것이 바람직하며, 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막의 재료로는 폴리(페닐렌다이아민), 폴리(아미노하이드록시벤젠), 폴리(다이하이드록시벤젠), 폴리(다이아미노나프탈렌), 폴리(아미노하이드록시나프탈렌), 폴리(다이하이드록시나프탈렌)을 사용하는 것이 바람직하다.
형성된 비전도성 고분자막의 외부에 외부막을 형성한다. 외부막은 효소가 고정된 비전도성 고분자막과 비전도성 고분자막이 형성된 전극을 외부막의 재료물질이 포함된 용액으로 코팅하여 형성한다. 외부막의 재료로는 폴리우레탄, 셀룰로우즈 아세테이트, 나피온, 테플론, 켈에프를 사용하는 것이 바람직하다.
형성된 외부막을 건조시켜 효소전극센서를 완성한다. 이때 건조는 진공에서 하는 것이 바람직하다.
도 1은 상기와 같은 방법에 의하여 형성된 본 발명의 효소전극센서의 일부의 단면을 나타낸 것으로서, 본 발명의 효소전극센서는 전극(11), 전기 화학적으로 중합되고 효소가 고정된 비전도성 고분자막으로 구성된 내부막(12), 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막으로 구성된 중간막(13) 및 외부막(14)으로 구성된다.
이하 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 다음의 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시한 것으로 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
(실시예 1)
5mM 메타-페닐렌다이아민과 250유닛/ml 포도당 산화효소가 들어있는 아세테이트 완충용액(pH 5.6)에서 백금전극에 은/염화은 기준전극을 기준으로 0.7V를 7.5mC/cm2전하가 흐를 때까지 걸어주어 전기 화학적 중합반응을 시켰다.
반응이 완료된 후 전극을 증류수로 세척하고 5 mM 메타-페닐렌다이아민이 들어있는 PBS(phosphate buffered saline)용액(pH 7.4)에서 1.0V를 10분 동안 걸어주었다.
전압을 걸어준 후 전극을 다시 증류수로 세척하고 2.5중량% 나피온용액에서 딥코팅하여 20분 동안 진공에서 건조하였다.
(실시예 2)
5mM 메타-페닐렌다이아민과 250유닛/ml 포도당 산화효소가 들어있는 아세테이트 완충용액(pH 5.6)에서 백금전극에 은/염화은 기준전극을 기준으로 0.7V를 7.5mC/cm2전하가 흐를 때까지 걸어주어 전기 화학적 중합반응을 시켰다.
반응이 완료된 후 전극을 증류수로 세척하고 PBS용액에서 1.0V를 10분 동안 걸어주었다. 전압을 걸어준 후 5mM 메타-페닐렌다이아민이 들어 있는 PBS용액에서 1.0 V를 10분 동안 걸어주었다.
전압을 걸어준 후 전극을 다시 증류수로 세척하고 2.5중량% 나피온용액에서딥코팅하여 20분 동안 진공에서 건조하였다.
(실시예 3)
5mM 메타-페닐렌다이아민과 250유닛/ml 포도당 산화효소가 들어있는 아세테이트 완충용액(pH 5.6)에서 백금전극에 은/염화은 기준전극을 기준으로 0.7V를 7.5mC/cm2전하가 흐를 때까지 걸어주어 전기 화학적 중합반응을 시켰다.
반응이 완료된 후 전극을 증류수로 세척하고 5 mM 2,3-다이아미노나프탈렌, 0.1 M 염산, 0.2 M 염화나트륨이 들어 있는 용액에서 1.0V를 10분 동안 걸어주었다.
전압을 걸어준 후 전극을 다시 증류수로 세척하고 2.5중량% 나피온용액에서 딥코팅하여 20분 동안 진공에서 건조하였다.
(실시예 4)
5mM 메타-페닐렌다이아민과 250유닛/ml 포도당 산화효소가 들어있는 아세테이트 완충용액(pH 5.6)에서 백금전극에 은/염화은 기준전극을 기준으로 0.7V를 7.5mC/cm2전하가 흐를 때까지 걸어주어 전기 화학적 중합반응을 시켰다.
반응이 완료된 후 전극을 증류수로 세척하고 5 mM 2,3-다이아미노나프탈렌, 0.5중량% 나피온, 10중량% 메탄올이 들어 있는 수용액에서 1.0V를 10분 동안 걸어주었다.
전압을 걸어준 후 전극을 다시 증류수로 세척하고 2.5중량% 나피온용액에서 딥코팅하여 20분 동안 진공에서 건조하였다.
(실시예 5)
5mM 메타-페닐렌다이아민과 250유닛/ml 젖산 산화효소가 들어있는 아세테이트 완충용액(pH 5.6)에서 백금전극에 은/염화은 기준전극을 기준으로 0.7V를 7.5mC/cm2전하가 흐를 때까지 걸어주어 전기 화학적 중합반응을 시켰다.
반응이 완료된 후 전극을 증류수로 세척하고 PBS용액에서 1.0V를 10분 동안 걸어주었다. 전압을 걸어준 후 5mM 메타-페닐렌다이아민이 들어 있는 PBS용액에서 1.0 V를 10분 동안 걸어주었다.
전압을 걸어준 후 전극을 다시 증류수로 세척하고 2.5중량% 나피온용액에서 딥코팅하여 20분 동안 진공에서 건조하였다.
(실시예 6)
5mM 메타-페닐렌다이아민과 250유닛/ml 포도당 산화효소가 들어있는 아세테이트 완충용액(pH 5.6)에서 로디움전극에 은/염화은 기준전극을 기준으로 0.7V를 7.5mC/cm2전하가 흐를 때까지 걸어주어 전기 화학적 중합반응을 시켰다.
반응이 완료된 후 전극을 증류수로 세척하고 PBS용액에서 1.0V를 10분 동안 걸어주었다. 전압을 걸어준 후 5mM 메타-페닐렌다이아민이 들어 있는 PBS용액에서 1.0 V를 10분 동안 걸어주었다.
전압을 걸어준 후 전극을 다시 증류수로 세척하고 2.5중량% 나피온용액에서 딥코팅하여 20분 동안 진공에서 건조하였다.
(실시예 7)
5mM 메타-페닐렌다이아민과 250유닛/ml 포도당 산화효소가 들어있는 아세테이트 완충용액(pH 5.6)에서 백금전극에 은/염화은 기준전극을 기준으로 0.7V를 7.5mC/cm2전하가 흐를 때까지 걸어주어 전기 화학적 중합반응을 시켰다.
반응이 완료된 후 전극을 증류수로 세척하고 PBS용액에서 1.0V를 10분 동안 걸어주었다. 전압을 걸어준 후 5mM 메타-페닐렌다이아민이 들어 있는 PBS용액에서 1.0 V를 10분 동안 걸어주었다.
전압을 걸어준 후 전극을 다시 증류수로 세척하고 2.5중량% 나피온용액에서 딥코팅하여 공기 중에서 건조하였다.
건조시킨 후 전극을 0.4중량% 폴리우레탄용액에서 2번 딥코팅하여 20분 동안 진공에서 건조하였다.
(실험예 1)
백금전극에 폴리(메타-페닐렌다이아민)막을 입히기 전과 후의 방해물질인 아스코르브산의 간섭을 조사하였다.
아스코르브산의 간섭정도는 10mM 아스코르브산이 용해된 PBS 완충용액에서 백금전극, 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막이 형성된 백금전극 및 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막과 폴리(메타-페닐렌다이아민)막을 형성된 백금전극에 대하여 10mV/sec의 주사속도(scan rate)로 얻은 순환전압전류도(cyclic voltammogram)로 측정하였다. 측정한 결과를 도 2와 도 3에 나타내었다.
도 2의 A그래프는 대조구인 백금전극만의 결과를 나타낸 것으로, A그래프에서 아스코르브산의 산화는 650mV 이하에서 잘 일어남을 알 수 있다.
도 3의 B그래프는 백금전극 위에 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막이 형성되어 있을 때의 결과를 나타낸 것으로, 백금전극 위에 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막이 형성된 경우 전류는 급속히 감소하지만 아스코르브산에 의한 영향은 아직 남아 있음을 알 수 있다.
도 3의 C그래프는 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막 위에 폴리(메타-페닐렌다이아민)막을 형성한 경우의 결과를 나타낸 것으로, 백금전극 위에 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막 위에 폴리(메타-페닐렌다이아민)막을 형성한 경우에는 아스코르브산의 영향은 거의 나타나지 않음을 알 수 있다.
즉, 아스코르브산이 용해된 용액 내에서 백금전극, 비전도성 고분자막이 입혀진 백금 전극, 두 개의 고분자막이 입혀진 백금전극으로 바뀜에 따라 최고 산화전류는 46㎂, 0.62㎂, 0.31㎂로 감소하여 전류가 1/100 이하로 줄어들었다.
PBS 용액에서도 최고 전류가 0.12㎂ 정도로 나타나는 것을 고려하면, 두 개의 고분자막이 입혀진 백금전극에서 아스코르브산의 간섭효과는 거의 나타나지 않음을 알 수 있다.
(실험예 2)
백금전극에 폴리(메타-페닐렌다이아민)막을 입히기 전과 후의 방해물질인 아세트아미노펜의 간섭을 조사하였다.
아세트아미노펜의 간섭정도는 10mM 아세트아미노펜이 용해된 PBS 완충용액에서 백금전극, 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막이 형성된 백금전극 및 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막과 폴리(메타-페닐렌다이아민)막을 형성된 백금전극에 대하여 10mV/sec의 주사속도로 얻은 순환전압전류도로 측정하였다. 측정한 결과를 도 4와 도 5에 나타내었다.
도 4의 D그래프는 대조구인 백금전극만의 결과를 나타낸 것으로, A그래프에서 아세트아미노펜의 산화도 650mV 이하에서 잘 일어남을 알 수 있다.
도 5의 E그래프는 백금전극 위에 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막이 형성되어 있을 때의 결과를 나타낸 것으로, 백금전극 위에 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막이 형성된 경우 전류는 급속히 감소하지만 아세트아미노펜의 산화전류가 상당히 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
도 5의 F그래프는 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막 위에 폴리(메타-페닐렌다이아민)막을 형성한 경우의 결과를 나타낸 것으로, 백금전극 위에 포도당 산화효소가 고정된 폴리(메타-페닐렌다이아민)막 위에 폴리(메타-페닐렌다이아민)막을 형성한 경우에는 아세트아미노펜의 산화전류가 거의 나타나지 않았다.
즉, 아세트아미노펜이 녹아 있는 용액 내에서 백금전극, 비전도성 고분자막이 입혀진 백금 전극, 두 개의 고분자막이 입혀진 백금전극으로 바뀜에 따라 최고 산화전류는 67㎂, 9.7㎂, 0.12㎂로 감소하여, 전류가 1/100 이하로 줄어들었다.
PBS용액에서도 최고 전류가 0.12㎂ 정도로 나타나는 것을 고려하면, 두 개의 고분자막이 입혀진 백금전극에서 아세트아미노펜의 간섭효과는 거의 나타나지 않음을 알 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 효소전극센서는 유기방해물질의 간섭이 억제되어 센서의 감응성택성이 향상된다. 특히 포도당 센서에서 가장 문제가 되는 아세트아미노펜의 간섭이 효과적으로 억제된다.
감응선택성이 우수한 본 발명의 효소전극은 혈당센서나 기타 효소를 이용한 바이오센서에 응용할 수 있고, 건강진단용 소형의 다기능화된 센서의 제작에 응용될 수 있다. 특히 인체에 내장하거나 부착하여 연속 사용이 가능한 마이크로 센서 시스템에 응용될 수 있다.
본 발명에서는 전기 화학적 중합을 이용하여 전기 화학적으로 내부막이 형성되고 효소가 고정화되므로, 딥코팅, 스핀코팅을 사용할 수 없는 미소센서를 제조할 때 사용할 수 있으며, 여러 가지 물질을 동시에 감지할 수 있는 마이크로 어레이 전극의 감응막 미세 패턴을 형성하는 데에도 응용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 전극의 외부에 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막 가운데 효소가 고정되어 형성된 내부막과,
    상기 내부막위에 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막이 고착되어 형성되는 중간막과,
    상기 중간막위에 폴리우레탄,셀룰로우즈 아세테이트,나피온,테플론,켈에프 중 어느 하나로 이루어진 외부막을 포함하는 효소전극센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 백금전극 또는 로디움전극인 것을 특징으로 하는 효소전극센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 효소는 포도당 산화효소, 젖산 산화효소, 알코올 산화효소, 콜레스테롤 산화효소중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 효소전극센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 비전도성 고분자막은 폴리(페닐렌다이아민), 폴리(아미노하이드록시벤젠), 폴리(다이하이드록시벤젠), 폴리(다이아미노나프탈렌), 폴리(아미노하이드록시나프탈렌), 폴리(다이하이드록시나프탈렌) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 효소전극센서.
  5. 삭제
  6. 고분자막을 구성하는 단분자와 효소가 들어있는 완충용액에 일정한 전하가 흐를 때까지 전극에 일정한 전압을 걸어주어, 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막 가운데 효소가 고정된 내부막을 상기 전극의 외부에 형성하는 단계와,
    상기 내부막을 증류수로 세척한 후, 상기 내부막위에 전기 화학적으로 중합된 비전도성 고분자막을 중간막으로 형성하는 단계와,
    상기 중간막을 증류수로 세척한 후, 폴리우레탄(polyurethane), 셀룰로우즈 아세테이트(cellulose acetate), 나피온(Nafion), 테플론(Teflon), 켈에프(Kel-F) 중 어느 하나의 용액에 상기 중간막이 형성된 전극을 딥코팅하여 건조함으로써 외부막을 형성하는 단계를 포함하는 효소전극센서의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 중간막을 형성하는 단계는, 상기 내부막이 형성된 전극을 단분자가 들어있는 완충용액과 산성용액에 순차적으로 담근 후, 나피온용액에서 일정한 전압을 일정한 시간동안 걸어주어 형성하는 것을 특징으로 하는 효소전극센서의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 중간막을 형성하는 단계는, 상기 내부막이 형성된 전극을 단분자가 들어있지 않은 완충용액에 담그고 일정한 전압을 일정한 시간동안 걸어준 후, 다시 단분자가 들어있는 완충용액과 산성용액에 순차적으로 담근 후, 나피온 용액에서 일정한 전압을 일정한 시간동안 걸어주어 형성한 것을 특징으로 하는 효소전극센서의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 전극으로는 백금전극 또는 로디움전극을 사용하는 것을 특징으로 하는 효소전극센서의 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 효소로는 포도당 산화효소, 젖산 산화효소, 알코올 산화효소, 콜레스테롤 산화효소 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 효소전극센서의 제조방법.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 비전도성 고분자막으로는 폴리(페닐렌다이아민), 폴리(아미노하이드록시벤젠), 폴리(다이하이드록시벤젠), 폴리(다이아미노나프탈렌), 폴리(아미노하이드록시나프탈렌), 폴리(다이하이드록시나프탈렌) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 효소전극센서의 제조방법.
  12. 삭제
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