KR100752415B1 - 전기화학적 바이오센서를 이용한 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기화학적 바이오센서를 이용하여 과일 또는 과일 음료의 당도를 측정하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 리드단자(11), 리드선(12) 및 전극부(18)가 인쇄된 절연성 기판(100)과, 절연층(200)과, 2개의 효소반응층(301, 302)과, 2개의 시료 주입구(41, 42)를 구비한 스페이서(400)와, 공기배출층(500)과 커버(600)를 포함하여 이루어지는 전기화학적 바이오센서와 이로부터 발생되는 전기 신호를 측정하는 측정장치를 포함하여 이루어지는 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 종래의 굴절 당도계를 이용하여 굴절률로 표시하였던 당도를 wt%에 의해 정량적으로 표시할 수 있다. 또한, 종래에 의료기기 분야에서 혈당 등의 측정에 주로 사용되던 전기화학적 바이오센서를 개선하여, 한 번의 측정으로 시료 내에 존재하는 기질 즉, 당의 농도를 총 당도 및 개별 당도로 측정할 수 있다는 점에서 종래 전기화학적 바이오센서가 가지고 있던 한계를 극복할 수 있다. 나아가, 최근 과일 및 과일 음료 등에 당도 표시가 의무화되는 상황에서 본 발명의 당도 측정 시스템은 생산자 및 소비자로 하여금 간편하고 정확하게 당도를 측정하는 데 유용하게 사용될 수 있다.

Description

전기화학적 바이오센서를 이용한 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템{System for determination of sugar content of fruit or fruit beverage using electrochemical biosensor}

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 과일 또는 과일 음료의 총 당도 측정 시스템을 구성하는 전기화학적 바이오센서의 분해 사시도를 나타내고,

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 과일 또는 과일 음료의 개별 당도 측정 시스템을 구성하는 전기화학적 바이오센서의 분해 사시도를 나타내고,

도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 총 당도 측정 시스템에 사용되는 전기화학적 바이오센서의 단면도(좌) 및 정면도(우)이고,

도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 총 당도 측정 시스템에 사용되는 전기화학적 바이오센서의 사시도이고,

도 5는 본 발명의 일실시형태에 따른 당도 측정 시스템의 분해사시도이고,

도 6은 본 발명의 일실시형태에 따른 (a) 총 당도 측정 시스템 및 (b) 개별 당도 측정 시스템의 회로구성도이고,

도 7은 본 발명의 일실시형태에 따른 실시예 1 및 2의 총 당도 측정 시스템의 흐름도이고,

도 8은 본 발명의 일실시형태에 따른 실시예 3의 개별 당도 측정 시스템의 흐름구성도이고,

도 9는 본 발명의 일실시형태에 따른 실시예 4~5의 개별 당도 측정 시스템의 흐름구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 절연성 기판 200 : 절연층

301, 302 : 효소반응층 400 : 스페이서

500 : 공기배출층 600 : 커버층

700 : A/D 변환장치 800 : 마이크로 컨트롤러

900 : 표시부

11 : 리드단자(lead terminal) 12 : 리드선(lead 電線)

15, 25 : 기준전극 16, 26 : 제1 작업전극

17, 27 : 제2 작업전극 18, 28 : 전극부

21, 22 : 노출홈 41, 42 : 시료 주입구

51, 52, 53 : 공기배출구

본 발명은 광학적 방법이 아닌 효소반응 및 전극반응을 이용한 전기화학적 센서를 통한 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템에 관한 것이다.

과일에 있어서 단맛은 과일의 등급을 결정하는 중요한 요소이다. 그러나, 과일의 단맛, 즉 당도를 최고로 유지하는 것은 경험에 의해 이루어지는 것이 일반적이며, 이를 정확하게 결정하는 것이 쉬운 일은 아니다. 생산자 입장에서 과일의 수확시기를 적절히 결정하는 것이 그러하며, 또한 숙성시간까지 고려해야 하는 과일의 출하시기를 결정하는 것이 그러하다.

소비자의 입장에서는 더더욱 당도가 높은 과일을 선택하는 것이 쉽지 않다. 예를 들어, 최근 대형 할인매장이나 백화점 등에서 소비자를 위해 일부 과일 당도 보증제를 실시하고 있으나, 일반 소비자들은 과일의 가격이 비쌀수록 당도가 높고 좋은 품질의 과일이라고 생각하고 구매하는 것이 일반적이며, 실제로 과일의 당도를 눈으로 확인하고 구매하는 것은 현실적으로 기대하기 어렵다.

과일의 구성성분을 보면 일반적으로 물이 가장 많고, 다음으로 유기물 특히 탄수화물의 함량이 많으며, 기타 질소화합물, 무기물 등이 중요한 구성성분으로 되어있다. 그 밖에 미량이지만 과실의 생장과 밀접한 관계가 있는 식물호르몬, 효소, 비타민, 색소, 향기성분 등이 함유되어 있다.

이와 같은 각종 성분들은 과실이 생장함에 따라 끊임없이 변화되어 어떤 성분은 그 함량이 증가되고, 어떤 성분은 감소되거나 소실된다. 성숙기가 되면 각종 성분이 적당히 축적되어 그 품종 고유의 품질, 풍미, 빛깔 등을 나타내게 된다.

과실의 구성성분 중 수분 다음으로 많이 함유되어 있는 것은 탄수화물이다. 과실에는 여러 가지 탄수화물이 함유되어 있는데, 대표적인 것으로는 환원당인 포도당(glucose)과 과당(fructose), 비환원당인 자당(sucrose)이 있다. 그 밖에 전분은 미숙한 과실, 특히 푸른 상태의 바나나, 사과, 배 등의 유과에 함유되어 있는데, 성숙이 진행됨에 따라 급속히 감소된다. 환원당 중 과당에 비하여 포도당이 많은 과실로는 살구, 자두 등이 있고, 포도당에 비하여 과당이 많은 과실로는 사과, 배 등이 있으며, 양자가 1/2 정도 되는 과실로는 감, 포도, 오렌지 등이 있다.

이러한 과일에 함유된 당 성분은 HPLC 등의 분석 장치를 이용하여 측정할 수 있으나, 이러한 분석 장치들은 고가이며, 복잡한 시료 전처리 과정이 요구되고, 사용이 복잡하며, 휴대가 용이하지 않다는 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래, 과일을 으깨어서 추출한 즙에 빛을 조사하여 굴절되는 빛의 굴절률로부터 당도를 측정하는 굴절 당도계가 시판되어 사용되고 있다. 그러나, 상기 굴절 당도계는 추출한 과일즙에 함유된 당 성분뿐만 아니라, 수분을 제외한 모든 수용성 고형성분, 예를 들면, 과일에 함유되어 있는 아스코르브산(ascorbic acid), 시트르산(citric acid), 말산(malic acid)과 같은 유기산 등에 의해 굴절되는 빛도 당에 의해 굴절되는 것으로 인식하고 이에 의한 굴절률도 당도 측정에 포함하게 된다. 따라서, 실제 당도보다 높은 측정값으로 인해 오차가 발생하는 문제가 있다.

또한, 상기 굴절 당도계는 총 당도만을 측정할 수 있어 포도당, 과당, 자당 등 개별 당 성분에 대한 정량은 불가능하며, 과일에 포함되어 있는 여러 가지 당 중에서 자당으로 교정(calibration)하도록 설계되어 있다. 따라서, 배, 감, 포도 등과 같이, 자당을 함유하지 않거나 아주 적은 양을 함유하고 있는 과일의 당도를 측정하는 데 사용하는 경우에는 근본적으로 오차가 발생할 수밖에 없다. 나아가, 과일에 포함된 수용성 고용분의 온도 변화에 따른 밀도 변화로 유발되는 오차가 발생되는 문제가 있다. 그럼에도 불구하고, 현재 이를 대체할 측정기의 부재로 오차를 감수하고 굴절 당도계가 널리 사용되고 있는 실정이다.

한편, 전기화학적 바이오센서는 현재 의료 및 수질 분석 분야에서 시장성 및 응용성이 크기 때문에 세계적으로 지속적인 연구가 진행 중이며, 우리나라에서도 의료기기 분야 등에서 활발한 연구 및 상용화가 이루어지고 있다.

상기 전기화학적 바이오센서는 기질 특이성을 특징으로 하는 효소 반응을 전기화학적 반응인 전극 반응과 결합시켜 이로부터 효소 반응에 의해 발생되는 전기 신호를 검출함으로써, 측정대상이 되는 화학종을 정량적으로 측정할 수 있다.

상기 전기화학적 바이오센서는 일반적으로 절연성 기판, 전도층, 유전층, 효소 반응층, 스페이서, 커버 등으로 구성된다. 여기서, 바이오센서의 상기 구성요소 중 전도층의 리드단자는 전극 반응에 의해 검출된 전기 신호를 수치화하여 농도 값으로 변환시켜 눈으로 확인할 수 있게 하는 역할을 수행하는 측정장치와 연결됨으 로써 전기화학적 바이오센서를 이용한 측정 시스템을 구성한다. 이러한, 측정 시스템은 전도층 내의 작업 전극에 고정되는 센서 물질을 항체, 화학적 분자 인지 물질 등으로 교체함으로써, 원하는 화학종의 농도를 측정할 수 있도록 구성되어 사용되기도 한다. 이러한 측정 시스템의 큰 장점으로는 사용의 편이성, 휴대의 용이성, 측정 결과의 정확성 등을 들 수 있다. 이하, 종래 사용되고 있는 전기화학적 바이오센서를 살펴본다.

미국특허 제5,120,420호에서는 글루코오스 산화제를 전극부에 코팅하고, 그 상부에 효소-기질 반응이 일어날 수 있는 내부공간을 마련하여 형성된 혈당 측정용 전기화학적 바이오센서를 개시하고 있다.

대한민국 등록특허 제475,634호에서는 일정 소량의 혈액시료를 전처리과정 없이 빠르고 정확하게 도입할 수 있는 시료도입부를 구비한 여러 가지 형태의 전기화학적 바이오센서에 대하여 개시하고 있다.

대한민국 등록특허 제504,766호에서는 혈당 측정 시 사용자의 편의성을 개선한 전기화학적 바이오센서를 이용한 혈당측정기를 개시하고 있다.

대한민국 공개특허 제2004-0105429호에서는 감응막 조성물을 이용하여 적혈구 용적률의 양에 따른 측정오차를 감소시킬 수 있는 전기화학적 바이오센서를 개시하고 있다.

상술한 등록특허 또는 공개특허 이외에도 다수의 전기화학적 바이오센서에 대한 종래 기술이 보고되어 있다. 그러나, 상기 전기화학적 바이오센서는 혈당 측 정기 등을 비롯한 의료기기 분야에서는 활발하게 응용되고 있으나, 아직까지 과일 또는 과일 음료 등의 당도를 측정하기 위해 응용된 예는 없는 실정이다. 또한, 상기 전기화학적 바이오센서는 한 번의 작동으로 시료 내에 포함되어 있는 특정한 하나의 성분의 농도만을 측정할 수 있다는 한계가 있다.

이에 본 발명자들은 종래 굴절 당도계 및 전기화학적 바이오센서의 단점을 해결하고, 상기 전기화학적 바이오센서를 과일 또는 과일 음료의 당도를 측정하는 데 이용할 수 있는 연구를 수행하였다. 그 결과, 한 번의 측정으로 과일 또는 과일 음료 등에 포함되어 있는 총 당도 및 개별 당도를 측정할 수 있도록 종래 전기화학적 바이오센서의 구성을 변경하고, 포도당 산화효소(glucose oxidase) 또는 포도당 탈수소효소(glucose dehydrogenase), 과당 탈수소효소(fructose dehydrogenase) 및 자당 인산화효소(sucrose phosphorylase)를 효소반응에 이용함으로써, 과일 또는 과일 음료 등의 총 당도 및 개별 당도를 측정할 수 있는 측정 시스템을 개발하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 과일 또는 과일 음료 등의 당도를 측정하기 위해 당 이외의 수용성 고형 성분이 당도 측정에 미치는 영향을 배제하고, 굴절률로부터 얻어지는 당도 대신 효소 반응 및 전극 반응에 의해 정량적으로 당도를 측정할 수 있으며, 한 번의 측정으로 과일 또는 과일 음료 등에 포함되어 있는 총 당도 및 개별 당도를 측정할 수 있는 전기화학적 바이오센서 및 측정 장치로 이루어지는 당도 측정 시스템을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은

측정장치(미도시)에 접촉되는 리드단자(11)와 상기 리드단자(11)에 리드선(12)을 통해 연결된 2개의 작업전극과 1개의 기준전극으로 구성된 전극부(18)가 인쇄된 절연성 기판(100)과, 상기 절연성 기판(100) 위에 인쇄된 전극부(18)가 노출된 2개의 노출홈(21, 22)을 구비하고, 동시에 상기 절연성 기판(100)에 인쇄된 리드선(12)을 절연하기 위해 형성되는 절연층(200)과, 상기 노출된 전극부(18)에 형성되어 시료 내 당과의 반응을 위한 2개의 효소반응층(301, 302))과, 상기 효소반응층(301, 302)으로 시료가 주입될 수 있는 공간을 형성하는 일정 높이를 갖는 2개의 시료 주입구(41, 42)를 구비한 스페이서(400)와, 상기 스페이서(400) 상부에 공기배출구(51)를 구비하도록 형성된 공기배출층(500)과 상기 공기배출층(500) 상부에 형성되는 커버(600)를 포함하여 이루어지는 전기화학적 바이오센서와 상기 리드단자(11)에 연결되어 리드단자(11)로부터 접속된 전기 신호를 측정하는 측정장치(미도시)를 포함하여 이루어지는 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템을 제공한다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 과일 또는 과일 음료의 총 당도 및 개별 당도 측정 시스템을 구성하는 전기화학적 바이오센서의 분해 사시도를 나타내고 있다.

도 1 및 도 2의 절연성 기판(100)은 비전도성 재질의 고분자 수지를 이용하여 형성되는 베이스(base) 기판이다. 상기 비전도성 재질을 갖는 고분자 수지로는 폴리에스테르(polyester), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스틸렌(polystylene), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리에틸렌(polyethylene) 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene telephthalate) 등의 고분자 화합물을 사용할 수 있다.

도 1에 나타난 바와 같이, 상기 절연성 기판(100) 상부에는 그 일측 말단에 측정 장치(미도시)와 접촉하는 3개의 리드단자(11)와, 효소반응층(301, 302)에서 시료 내 당과의 효소반응에 의해 발생된 전기적 신호를 검출하는 전극들(15, 16, 17)로 구성되는 전극부(18)와, 상기 리드단자(11) 및 상기 전극부(18)의 각 전극들을 연결하는 리드선(12)이 인쇄된다. 상기 절연성 기판(100) 상의 리드단자(11) 및 리드선(12)은 백금(Pt), 금(Au) 은(Ag), 은과 염화은(AgCl)의 혼합 반죽(paste) 등을 사용할 수 있으며, 전극부(18)는 전도성 카본 반죽을 사용하여 스크린 인쇄 등과 같은 통상적인 방법으로 형성할 수 있다.

상기 전극부(18)를 구성하는 제1 작업전극(16) 및 제2 작업전극(17)은 전기적 저항과 면적이 동일하여야 한다. 또한, 상기 전극부(18)의 기준전극(15)의 장축을 중심으로 좌우 동일한 거리에 제1 작업전극(16) 및 제2 작업전극(17)이 배열되도록 형성되어야 한다. 이는 동일한 전기화학적 조건하에서 상기 기준전극(15)과 인접하는 제1 작업전극(16) 및 제2 작업전극(17) 사이의 전류량을 검출하기 위함이다. 이러한 전극들(15, 16, 17)은 2개의 효소반응층(301, 302)에서 효소반응에 의해 발생되는 전류량을 검출하는 역할을 수행한다.

상기 전극부(18)가 형성되면 상기 리드선(12)을 절연하고, 상기 전극부(18)의 일정 부분만을 노출시키기 위한 동일한 면적의 노출홈(21, 22)을 구비한 절연층(400)이 형성된다. 상기 노출홈(21, 22)은 상기 전극부(18)의 동일한 면적의 일정 부분만을 노출시킴으로써, 상기 전극부(18)에 도입된 효소반응층(301, 302)과 시료와의 효소반응에 의한 산화 전류 발생 시 항상 같은 면적으로 반응하도록 하는 기능을 한다. 또한, 상기 노출홈(21, 22)에 의해 동일한 면적의 일정 부분이 노출된 전극부(18)에 효소반응층(301, 302) 도입 시 노출홈(21, 22)의 두께(높이)에 따라 효소반응층의 양을 조절할 수 있다. 이때, 외부로부터 미세 진동을 발생시켜 상기 효소반응층(301, 302)이 상기 노출홈(21, 22)과 동일한 면적으로 항상 일정하게 형성될 수 있도록 할 수 있다. 상기 절연층(200)에 사용되는 절연체로는 비전도성 반죽 또는 절연용 반죽 등이 바람직하며, 스크린 인쇄 등과 같은 통상적인 방법으로 형성할 수 있다.

상기 절연층(200)의 노출홈(21, 22)에 의해 노출된 전극의 상면에는 효소반응층(301, 302)이 형성된다. 상기 효소반응층(301, 302)은 포도당 산화효소(glucose oxidase) 또는 포도당 탈수소효소(glucose dehydrogenase), 과당 탈수소효소(fructose dehydrogenase) 및 자당 인산화효소(sucrose phosphorylase) 중 1 또는 2 이상의 효소를 포함하며, 상기 효소반응층(301, 302)은 상기 효소 외에 전자전달을 매개하는 전자전달매개체를 더 포함한다. 구체적으로, 상기 효소반응층(301, 302)은 전해질 용액 내에 수용성 고분자, 상기 효소, 안정제, 전자전달매개체 등이 일정 비율로 혼합된 용액을 제조하고, 이를 전극부(18)가 노출된 노출홈(21, 22)에 일정량 코팅한 후 건조하여 형성될 수 있다.

전극부(18)에 도입된 상기 효소반응층(301, 302)에서는 시료 내의 순수한 포도당(glucose), 순수한 과당(fructose) 및 자당(sucrose)의 분해에 의해 생성된 포도당 또는 과당과 이들의 산화효소, 탈수소효소, 인산화효소, 전자전달매개체와의 효소반응에 의해 발생되는 전기적 신호 즉, 전류량이 각각 측정되고, 이를 농도 값으로 변환한 후, 변환된 두 측정값을 합산함으로써, 시료 내에 존재하는 모든 당의 농도 즉, 총 당도 값을 정량적으로 산출할 수 있다. 상기 효소반응층(301, 302)에서 일어나는 효소반응을 살펴본다.

하기 반응식 1에 나타난 바와 같이, 시료 중의 당이 산화효소 또는 탈수소효 소에 의하여 산화되고, 산화효소 또는 탈수소효소는 환원된다. 이때, 전자전달매개체는 산화효소 또는 탈수소효소를 산화시키고, 자신은 환원된다. 환원된 전자전달매개체는 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 잃고 전기화학적으로 다시 산화된다. 시료 내의 당도는 전자전달매개체가 산화되는 과정에서 발생되는 전류량에 비례하므로, 상기 전류량을 측정함으로서 당도를 측정할 수 있게 된다.

또한, 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일실시형태에 따른 개별 당도 측정 시스템에 사용되는 절연성 기판(100) 상의 전극부(28)는 1개의 기준전극(25)과, 상기 기준전극(25)의 일 측 동일선상에 제1 작업전극(26) 및 제2 작업전극(27)이 배열되도록 형성될 수도 있다. 이렇게 배열된 상기 전극부(28)의 전극들(25, 26, 27) 상의 효소반응층(301, 302)에서 상술한 효소반응 및 전극반응에 의해 발생되는 전기적 신호, 즉 전류량이 각각 측정되고, 이를 농도 값으로 변환하여 각 효소반응층(301, 302)에 주입된 시료 내에 존재하는 개별 당도 값을 정량적으로 산출할 수 있게 된다.

상기 효소반응층(301, 302)은 시료 내에 함유되어 있는 포도당, 과당 또는 자당과 특이적으로 반응할 수 있는 효소를 포함하고, 이에 전자전달매개체를 공통으로 포함한다. 상기 두 효소반응층(301, 302)의 한 쪽에는 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소화효소와, 과당 탈수소화효소를, 다른 한 쪽에는 자당 인산화효소와, 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소, 및 과당 탈수소효소를 모두 포함되도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전자전달매개체로는 종래에 널리 사용되어 온 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinone), 퀴논 유도체 등과 바람직하게는 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 포타슘페리시아나이드(potassium ferricyanide), 포타슘페로시아나이드(potassium ferrocyanide) 등의 화합물이 사용될 수 있다.

상기 포도당 산화효소, 포도당 탈수소효소, 과당 탈수소효소 및 자당 인산화효소는 상기 전자전달매개체, 수용성 고분자, 안정화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합한 혼합용액을 제조하여 상기 전극부가 노출된 2개의 노출홈(21, 22)에 각각 독립적으로 코팅될 수 있다.

상기 효소반응층(301, 302)의 효소 및 전자전달매개체는 시료 주입구(41, 42)로부터 주입되는 당과 반응하게 된다. 즉, 시료 내 당이 산화효소 또는 탈수소효소에 의하여 산화되고, 산화효소 또는 탈수소효소는 환원된다. 이때, 전자전달매개체는 산화효소 또는 탈수소효소를 산화시키고, 자신은 환원된다. 환원된 전자전달매개체는 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 잃고 전기화학적으로 다시 산화된다. 시료 내의 당도는 전자 수용체가 산화되는 과정에서 발생하는 전류량에 비례하므로, 상기 전류량을 상기 전극부(18, 28)의 전극들(15, 16, 17, 25, 26, 27)과 연결된 리드단자(11)에 접촉되는 측정장치(미도시)를 통해 측정함으로써 시료 중에 포함된 당의 농도를 정량적으로 측정할 수 있게 된다. 상기 반응식 1은 이러한 효소반응층(301, 302)에서 이루어지는 효소 및 전자전달매개체의 전기화학적 반응을 개략적으로 나타내고 있다.

상기 스페이서(400)는 상기 시료가 주입되는 2개의 시료 주입구(41, 42)를 구비하며, 상기 효소반응층(301, 302)이 형성된 노출홈(21, 22)의 수직 상방에 위치하도록 상기 절연층(200) 상부에 형성되어 주입되는 시료가 상기 효소반응층(301, 302)과 접촉하는 역할을 한다.

상기 스페이서(400)의 두께는 효소반응층(301, 302)의 두께보다 적어도 같거나 두꺼워야 한다. 이는 시료의 효소반응층(301, 302)에 주입시 시료 주입을 용이하게 하기 위함이다. 즉, 스페이서(400)의 두께가 효소반응층(301, 302)의 두께보다 두꺼운 경우 생기는 여유 공간으로 모세관 현상에 의한 시료 주입이 용이하기 때문이다.

또한, 상기 스페이서(400)는 절연성 기판(100)과 동일한 재질로 제조될 수 있으며, 상기 스페이서(400)와 절연층(200)을 접착하기 위한 접착제로는 시료가 스며드는 것을 방지하기 위해 소수성(Hydrophobic) 재질을 사용하는 것이 바람직하 다.

상기 공기배출층(500)은 상기 효소반응층(301, 302)에 시료를 주입하는 경우 상기 반응층 내부에 존재하고 있는 공기를 효과적으로 배출할 수 있도록 2 개의 상기 공기배출층(500)이 일정한 간격으로 배열되어 형성되는 공간 및 상기 시료 주입구(41, 42)의 내측 말단의 상부에 일정 공간의 공기배출구(51)가 형성되도록 상기 스페이서(400) 상부에 형성된다.

즉, 상기 공기배출구(51)는 시료와 효소반응층(301, 302)이 존재할 수 없는 구간에 형성되는 것으로, 이를 통해서 공기만 빠져나가게 된다. 이렇게 형성된 상기 공기배출구(51)와 상기 스페이서(400)가 이루는 각도에는 제한이 없으나, 상기 시료 주입구(41, 42)의 방향과 수직한 방향으로 형성된다.

상기 스페이서(400)의 시료 주입구(41, 42)에 시료가 흡입되기 시작하면, 효소반응층(301, 302) 주변에 존재하던 공기는 압력에 의해 점점 시료 주입구(41, 42) 말단으로 밀리게 되고, 상기 시료 주입구(41, 42) 말단에 형성된 공기배출구(51)를 통해 상기 시료 주입구(41, 42)의 방향과 수직한 방향으로 공기가 외부로 배출되고 그 결과, 상기 효소반응층(301, 302)으로의 시료흡입 속도가 향상되게 된다.

이러한 공기배출구(51)는 도 5에서 보는 바와 같이, 서로 분리되어 형성될 수도 있다. 이 경우 배출되는 공기는 양방향으로 열려있는 공기배출구(52, 53)를 통해서 배출될 수 있다.

본 발명에 따른 당도 측정 시스템에 있어서, 상기 스페이서(400)와 상기 공기배출구(51, 52, 53)가 다른 평면에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 공기배출층(500)은 상기 스페이서(400)와 동일 평면상에 형성될 수도 있으나, 이러한 경우에는 상기 효소반응층(301,302) 및 공기배출구(51, 52, 53) 부분의 접촉에 의한 측정오차를 가져올 수 있으며, 신속한 공기배출이 제한적일 수 있다는 문제가 있다.

그러나, 본 발명의 공기배출구(51, 52, 53)와 같이, 상기 스페이서(400)와 상기 공기배출구(51, 52, 53)가 다른 평면상에 형성되면, 측정 후 센서 제거 시 시료가 손에 묻을 염려가 적으며 시료 양이 상기 공기배출구(51, 52, 53)의 크기에 무관하여 시료 양을 상기 효소반응층(301, 302) 크기만큼 줄일 수 있다. 또한, 상기 공기배출구(51, 52, 53)를 효소반응층(301, 302)의 크기에 상관없이 늘릴 수 있기 때문에 효율적인 공기배출이 가능하며, 이에 따라 기체인 공기의 움직임이 액체인 시료의 움직임 보다 월등히 빠르므로 공기배출 속도가 향상된다.

또한, 상기 공기배출층(500)은 절연성 기판(100) 및 스페이서(400)와 동일한 재질로 제조될 수 있으며, 상기 공기배출층(500) 및 스페이서(400)를 접착하기 위한 접착제로는 시료가 스며드는 것을 방지하기 위한 소수성 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 커버(600)는 상기 공기배출구(51, 52, 53) 내부에 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위해 상기 공기배출층(500) 상부에 형성되며, 그 재질은 상기 절연성 기판(100), 스페이서(400) 및 공기배출층(500)과 동일한 재질로 제조될 수 있 다. 또한, 커버(600)와 공기배출층(500)을 접착하기 위한 접착제로는 시료가 스며드는 것을 방지하기 위한 소수성 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명은 시료 주입구(41, 42)를 통해 시료를 주입하는 단계, 전극부(18, 28) 상에서 상기 주입된 시료 내에 존재하는 기질(당)과, 효소반응층(301, 302)에 존재하는 효소 및 전자전달매개체가 효소반응 및 전극반응을 하는 단계, 상기 효소반응 및 전극반응 결과 발생되는 전기적 신호를 접속하는 단계, 상기 접속된 전기적 신호로부터 시료에 존재하는 총 당도 또는 개별 당도를 연산하는 단계 및 상기 연산 결과를 표시하는 단계를 포함하여 이루어지는 과일 또는 과일 음료의 당도 측정방법을 제공한다.

이하, 상기 측정방법에 의한 본 발명의 바이오센서를 이용한 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템의 작용관계를 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 일실시형태에 따른 당도 측정 센서의 시료 주입구(41, 42)에 과일 또는 과일 음료 시료를 접촉시키면 절연층(200) 및 공기배출층(500) 사이에서 모세관 현상에 의해 시료 용액이 그 내부공간에 채워지게 된다. 이때, 상기 내부공간을 미리 채우고 있던 공기는 유입되는 시료 용액에 의해 밀려나가면서 공기배출구(51)를 통해 본 발명의 센서 외부로 배출된다.

다음으로, 두 효소반응층(301, 302) 중 어느 하나의 효소반응층에는 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소, 또는 과당 탈수소효소를 포함하는 효소반응층이 형성되고, 다른 하나의 효소반응층에는 상기 효소 외에 자당 인산화효소를 더 포함하는 효소반응층이 형성된다. 이후, 상기 전극들(15, 16, 17)상에서 상기 효소반응층(301, 302)으로 주입된 시료 내에 존재하는 기질(당)과 상기 효소 및 전자전달매개체에 의한 효소반응 및 전극반응이 진행되고, 반응결과 전기적 신호가 발생하게 된다. 이하, 상기 효소반응층(300)에서 진행되는 효소 및 기질(당) 간의 기질 특이적 반응을 구체적으로 살펴본다.

먼저, 시료 내에 포도당, 과당 및 자당의 총 당도를 측정하는 경우(하기 실시예 1), 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소를 포함한 어느 하나의 효소반응층(301 또는 302)에서는 시료 내 포도당과 하기 반응식 2의 반응이 진행되고, 과당 탈수소효소 및 자당 인산화효소를 포함하는 다른 하나의 효소반응층에서는 시료 내 과당 및 자당과 반응식 3 및 4의 반응이 일어난다. 이때 자당의 경우 자당 인산화효소에 의해 분해된 과당과 시료 내에 존재하는 순수한 과당이 모두 과당 탈수소화효소와 반응하게 된다.

이러한 효소반응에 의해 전자전달매개체에 전달되는 전자는 전극 표면으로 이동하여 전극반응을 유발한다. 이들이 전극 표면으로 이동하고, 전극부(18)는 시료 내의 이미 존재하고 있던 포도당 및 과당뿐만 아니라, 자당으로부터 분해되는 과당의 농도까지 포함한 전류 값을 리드단자(11)로 보내게 된다. 이렇게 보내어진 전류 값은 측정장치(미도시)의 마이크로 컨트롤러(800)의 총 당도 연산장치에 의해 연산된다. 그 결과 두 효소반응층(301, 302)의 시료 내에 존재하는 총 당도에 대한 정보를 얻을 수 있게 된다.

시료 내에 포도당, 과당 및 자당의 개별 당도를 측정하는 경우(실시예 3), 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소를 포함한 어느 하나의 효소반응층(301 또 는 302)에서는 시료 내 포도당과 상기 반응식 2의 반응이 일어나고, 과당 탈수소효소를 포함하는 다른 하나의 효소반응층에서는 시료 내 과당과 상기 반응식 3의 반응이 일어난다. 이때 자당은 자당 인산화효소가 존재하지 않으므로 반응에 참여하지 않는다.

이러한 효소반응에 의해 전자전달매개체에 전달되는 전자는 전극 표면으로 이동하여 전극반응을 유발한다. 이들이 전극 표면으로 이동하고, 각각의 전극에서 발생된 전류량은 리드단자(11)와 연결된 측정장치(미도시)의 마이크로 컨트롤러(800)의 개별 당도 연산장치에 의해 연산된다. 그 결과 두 효소반응층(301, 302)의 의해, 시료 내에 존재하는 포도당과 과당에 대한 각각의 정보를 얻을 수 있게 된다.

다음으로, 시료 내에 자당의 개별 당도를 측정하는 경우(실시예 5), 과당 탈수소효소를 포함한 어느 하나의 효소반응층(301 또는 302)에서는 시료 내 과당과 반응식 3의 반응이 진행되고, 과당 탈수소효소 및 자당 인산화효소를 포함하는 다른 하나의 효소반응층에서는 시료 내 과당과 상기 반응식 3 및 4의 반응이 일어난다. 이때 자당의 경우 자당 인산화효소에 의해 분해된 과당과 시료 내에 존재하는 순수한 과당이 모두 과당 탈수소화효소와 반응하게 된다. 이때 포도당의 경우 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소가 존재하지 않으므로 반응에 참여하지 않는다.

이러한 효소반응에 의해 전자전달매개체에 전달되는 전자는 전극 표면으로 이동하여 전극반응을 유발한다. 이들이 전극 표면으로 이동하고, 각각의 전극에서 발생된 전류량은 리드단자(11)와 연결된 측정장치(미도시)의 마이크로 컨트롤러(800)의 개별 당도 연산장치에 의해 연산된다. 이때, 한쪽의 전극에서 발생된 전류량은 순수한 과당에 의해 발생된 전류량이고, 다른 한쪽의 전극에서 발생된 전류량은 순수한 과당과 자당이 자당 인산화효소에 의해 분해된 자당에 의한 전류량이 된다. 따라서 순수한 자당을 측정하기 위해서는 순수한 과당과 자당에 의해 분해된 과당에 의한 전류량에서 순수한 과당에 의해 발생된 전류량을 빼주어야 한다.

그 결과, 두 효소반응층(301, 302)의 의해 시료 내에 존재하는 자당의 당도에 대한 정보를 얻을 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1> 총 당도 측정용 바이오센서의 제작 1

도 1의 형태를 갖는 바이오센서의 전극부가 노출된 2개의 노출홈(21, 22) 중 어느 하나의 노출홈에는 효소로서 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소, 전자전달매개체로서 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 수용성 고분자, 안정화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합용액을, 다른 하나의 노출홈(22)에는 효소로서 과당 탈수소효소 및 자당 인산화효소, 전자전달매개체로서 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 수용성 고분자, 안정화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합용액을 각각 독립적으로 코팅하여 효소반응층(301, 302)을 형성한 총 당도 측정용 바이오센서를 제조하였다.

< 실시예 2> 총 당도 측정용 바이오센서의 제작 2

도 1의 형태를 갖는 바이오센서의 전극부가 노출된 2개의 노출홈(21, 22) 중 어느 하나의 노출홈에는 효소로서 과당 탈수소효소, 전자전달매개체로서 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 수용성 고분자, 안정화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합용액을, 다른 하나의 노출홈에는 효소로서 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소, 및 자당 인산화효소, 전자전달매개체로서 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 수용성 고분자, 안정화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합용액을 각각 독립적으로 코팅하여 효소반응층(301, 302)을 형성한 총 당도 측정용 바이오센서를 제조하였다.

< 실시예 3> 개별 당도(포도당, 과당) 측정용 바이오센서의 제작 1

도 2의 형태를 갖는 바이오센서의 전극부가 노출된 2개의 노출홈(21, 22) 중 어느 하나의 노출홈에는 효소로서 과당 탈수소효소, 전자전달매개체로서 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 수용성 고분자, 안정 화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합용액을, 다른 하나의 노출홈에는 효소로서 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소, 전자전달매개체로서 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 수용성 고분자, 안정화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합용액을 각각 독립적으로 코팅하여 효소반응층(301, 302)을 형성한 개별 당도 (포도당, 과당) 측정용 바이오센서를 제조하였다.

< 실시예 4> 개별 당도(자당) 측정용 바이오센서의 제작 2

도 2의 형태를 갖는 바이오센서의 전극부가 노출된 2개의 노출홈(21, 22) 중 어느 하나의 노출홈에는 효소로서 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소, 전자전달매개체로서 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 수용성 고분자, 안정화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합용액을, 다른 하나의 노출홈에는 효소로 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소 및 자당 인산화효소, 전자전달매개체로 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 수용성 고분자, 안정화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합용액을 각각 독립적으로 코팅하여 효소반응층(301, 302)을 형성한 개별 당도(자당) 측정용 바이오센서를 제조하였다.

< 실시예 5> 개별 당도(자당) 측정용 바이오센서의 제작 2

도 2의 형태를 가지는 바이오센서의 전극부가 노출된 2개의 노출홈(21, 22) 중 어느 하나의 노출홈에는 효소로서 과당 탈수소효소, 전자전달매개체로 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 수용성 고분자, 안정화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합용액을, 다른 하나의 노출홈에는 효소로서 과당 탈수소효소 및 자당 인산화효소, 전자전달매개체로서 헥사아민루테늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 수용성 고분자, 안정화제 등을 전해질 용액에 일정 비율로 혼합하여 제조한 혼합용액을 각각 독립적으로 코팅하여 효소반응층(301, 302)을 형성한 개별 당도(자당) 측정용 바이오센서를 제조하였다.

이하, 상술한 구조를 갖는 바이오센서와 결합되어 시료의 당도 측정결과를 측정하는 측정장치의 구성과 동작을 설명한다.

도 6은 본 발명의 일실시형태에 따른 바이오센서의 (a) 총 당도 측정장치(미도시) 및 (b) 개별 당도 측정장치(미도시)의 회로 구성도를 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 바이오센서의 당도 측정장치(미도시)는 전류-전압 변환기로 사용되는 연산 증폭기(AMP1, AMP2), 스위치(SW1~SW3), A/D 변환기(700), 마이크로 컨트롤러(800) 및 표시부(900)를 포함한다.

상기 연산 증폭기들(AMP1, AMP2) 각각의 비반전 단자(+)에는 직류 전압원이 접속되어 있고 반전단자(-)에는 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)의 일측이 접 속되어 있다. 상기 스위치들(SW1, SW3)의 타측은 측정장치(미도시)에 결합되는 바이오센서의 제1 작업전극(16) 및 제2 작업전극(17)과 연결되는 리드단자(11)에 접속될 수 있다. 상기 연산증폭기들(AMP1, AMP2)은 작업전극(16, 17)에 전원을 공급하며, 전원 공급에 따라 작업전극 각각을 흐르는 전류량을 검출하여 전압 값으로 출력하는 역할을 수행한다.

측정장치(미도시)에 결합되는 바이오센서의 기준전극(15)은 제2 스위치(SW2)를 통해 접지된다. 상기 스위치들(SW1~SW3)은 후술하는 마이크로 컨트롤러(800)의 제어에 의해 스위칭 온/오프 제어되는 스위치들로서 회로의 전류 경로 단속에 이용된다.

A/D 변환장치(700)는 상기 연산 증폭기들(AMP1, AMP2)로부터 출력되는 아날로그 전압값을 디지털 데이터로 변환한다.

마이크로 컨트롤러(800)는 본 발명의 일실시형태에 따른 바이오센서의 당도 측정장치(미도시)의 동작을 제어한다. 예를 들면, 상기 마이크로 컨트롤러(800)는 상기 스위치들(SW1~SW3)을 제어하여 제1 및 제2 작업전극(16, 17)에 전원을 공급하여 시료의 전극 도달 여부를 검사하고, 인큐베이션 타임 후 상기 스위치들(SW1~SW3)을 제어하여 제1 및 제2 작업전극(16, 17)에 전원을 재공급하여 검출된 전압값에 대응하는 농도값을 리드하여 평균치를 산출한 후, 산출된 평균치를 각각의 농도값과 비교하여 에러 발생 여부를 표시하거나 평균치를 표시한다. 이를 위한 제어 프로그램 데이터가 저장된 메모리를 마이크로 컨트롤러(800) 내부에 구비한다. 더불어, 상기 메모리에는 제1 및 제2 작업전극(16, 17)으로부터 검출된 전압값에 대응하는 농도값이 맵핑되어 있는 테이블이 함께 저장된다.

표시부(900)는 마이크로 컨트롤러(800)의 제어에 따라 표시 데이터를 표시한다. 또한, 본 발명의 일실시형태에 따른 측정장치(미도시)는 다수의 키 버튼을 구비하는 사용자 인터페이스부를 구비한다.

이하, 도 6의 회로 구성도에 의한 측정장치의 동작을 도 7, 도 8 및 도 9의 당도 측정 흐름도를 참조하여 상세히 설명한다.

도 7의 총 당도 측정 흐름도를 참조하면, 본 발명의 바이오센서(실시예 1~2)를 측정장치의 센서 삽입 홈에 삽입시킨다. 이때, 마이크로 컨트롤러(800)는 상기 센서의 삽입 여부를 검사(S100)한다. 검사는 센서가 측정장치로 삽입될 경우 삽입경로에 위치하는 스위치의 단락에 의해 입력전원이 0 V로 강하되는 것을 통해 수행될 수 있다. 또한, 일반적인 측정기에서와 같이 인식전극의 접지를 이용하여 감지될 수도 있다.

센서를 삽입한 후 사용자가 당을 포함하는 시료를 센서의 시료 주입구(41,42)에 접촉시키면 마이크로 컨트롤러(800)는 시료의 효소반응 결과 검출모드로 전환하고, 계속하여 제1 작업전극(16)에 전원을 공급한다(S110). 전원공급 방법으로는 스위치 1, 2(SW1, SW2)를 온(on) 상태로 전환하고 스위치 1(SW3)은 오프(off) 상태로 유지함으로써 공급될 수 있다.

시료가 바이오센서의 제1 작업전극(16)을 지나 기준전극(15)에 도달하면 효소반응에 의해 두 전극(15, 16) 사이에 전류가 흐르게 된다. 제1 작업전극(16)에 흐르는 전류는 전압증폭기(AMP2)에 의해 전압으로 변환 후 증폭된다. 변환된 전압은 A/D 변환장치(700)에 입력되어 디지털 데이터로 다시 변환된다. 이러한 방식으로 마이크로 컨트롤러(800)는 제1 작업전극(16)에서 발생된 전류량을 검출(S120)할 수 있게 된다. 제1 작업전극(16)에서 발생된 전류가 검출되면 마이크로 컨트롤러(800)는 타임 카운팅을 시작한다. 이는 제2 작업전극(17)에서 발생된 전류가 검출되기까지의 시간을 카운팅하기 위함이다. 상기 카운팅된 타임값은 시료 주입의 이상 여부를 판단하는 데 이용될 수 있다.

제1 작업전극(16)에서 발생된 전류량을 검출하고 타임카운팅을 개시한 마이크로 컨트롤러(800)는 이후, 제2 작업전극(17)에 전원을 공급한다(S130). 제2 작업전극(17)에 전원을 공급하는 방법은 스위치 3 및 2(SW3, SW2)를 온 상태를 유지하고 스위치 1(SW1)은 오프 상태로 유지함으로써 구현될 수 있다. 제2 작업전극(17)에 전원을 공급하는 이유는 시료가 정상적으로 제2 작업전극(17)에 도달하였는가를 검사하기 위함이다.

상술한 바와 같이, 제2 작업전극(17)에 전원을 공급한 후, 마이크로 컨트롤러(800)는 제2 작업전극에서 발생된 전류량을 검출한다(S140). 제2 작업전극(17)에 흐르는 전류량이 검출되면 제1 작업전극(16)에 흐르는 전류량 검출시점부터 제2 작업전극(17)에 흐르는 전류량 검출시점까지의 타임 카운팅 값(작업전극(16, 17)의 반응시간)이 미리 정해진 임계 범위 내의 값을 갖는가를 검사한다(S150). 상기 검사 결과에 따라 마이크로 컨트롤러(800)는 시료 주입의 에러 발생 여부를 판단할 수 있다(S160).

만약, 작업전극들(16, 17)의 반응시간과 검출 전류량을 검사하여 상술한 에러가 발생하였다고 판단되면 마이크로 컨트롤러(800)는 에러상태를 표시한다(S220). 그러나, 정상이라고 판단되면, 마이크로 컨트롤러(800)는 미리 정해진 인큐베이션 타임 동안 스위치 1~3(SW1~SW3)을 모두 오프 상태로 유지한다. 인큐베이션 타임을 갖는 이유는 전극 위의 반응이 균일해지도록 하기 위함이나, 인큐베이션 타임이 필수적으로 요구되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 당도 측정용 바이오센서(실시예 1)에서 두 효소반응층(301, 302)에 시료가 주입되면 노출홈(21)에 형성된 효소반응층(301)에서는 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소에 의해 시료 중 포도당이 분해되어 전류가 발생되고, 노출홈(22)에 형성된 효소반응층(302)에서는 시료 내 자당이 자당 인산화효소에 의 해 분해되어 생성된 과당과 시료 내 존재한 순수한 과당이 과당 탈수소화효소에 의해 분해되어 전류가 발생된다.

본 발명에 따른 당도 측정용 바이오센서(실시예 2)에서 두 효소반응층(301, 302)에 시료가 주입되면 노출홈(21)에 형성된 효소반응층(301)에서는 과당 탈수소효소에 의해 시료 중 과당이 분해되어 전류가 발생되고, 노출홈(22)에 형성된 효소반응층(302)에서는 시료 내 자당이 자당 인산화효소에 의해 분해되어 생성된 포도당과 시료 내 존재한 순수한 포도당이 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소에 의해 분해되어 전류가 발생된다.

두 효소반응층(301, 302)에서 발생된 전류량은 합산되어 마이크로 컨트롤러(800)에서 검출되고 이후 검출 전류량에 대응하는 당도값을 내부 메모리에서 리드한다. 즉, 마이크로 컨트롤러(800)는 상기 두 효소반응층(301, 302)에서 발생된 전류량을 합산한 후, 이로부터 당도를 연산하도록 프로그래밍된 단계(S190)를 수행하고, 그 결과에 의한 시료 내의 총 당도 값을 리드한 후(S200) 이를 표시부(900)에 표시하고(S210) 당도 측정을 종료한다.

다음으로, 도 8과 도 9는 실시예 3~5의 센서를 이용한 시료 내에 포함된 개별 당도를 측정하는 흐름도를 보여주고 있다.

도 8은 포도당과 과당의 개별 당도 측정 흐름도로서, 본 발명의 바이오센서( 실시예 3)를 측정장치의 센서 삽입 홈에 삽입시킨다. 이때, 마이크로 컨트롤러(800)는 상기 센서의 삽입 여부를 검사(S300)한다. 검사는 센서가 측정장치로 삽입될 경우 삽입경로에 위치하는 스위치의 단락에 의해 입력전원이 0 V로 강하되는 것을 통해 수행될 수 있다. 또한, 일반적인 측정기에서와 같이 인식전극의 접지를 이용하여 감지될 수도 있다.

센서를 삽입한 후 사용자가 당을 포함하는 시료를 센서의 시료 주입구(41,42)에 접촉시키면 마이크로 컨트롤러(800)는 시료의 효소반응 결과 검출모드로 전환하고, 계속하여 제1 작업전극(26)에 전원을 공급한다(S310). 전원공급 방법으로는 스위치 1, 2(SW1, SW2)를 온(on) 상태로 전환하고 스위치 1(SW3)은 오프(off) 상태로 유지함으로써 공급될 수 있다.

시료가 바이오센서의 제1 작업전극(26)을 지나 기준전극(25)에 도달하면 효소반응에 의해 두 전극(25, 26) 사이에 전류가 흐르게 된다. 제1 작업전극(26)에 흐르는 전류는 전압증폭기(AMP2)에 의해 전압으로 변환 후 증폭된다. 변환된 전압은 A/D 변환장치(700)에 입력되어 디지털 데이터로 다시 변환된다. 이러한 방식으로 마이크로 컨트롤러(800)는 제1 작업전극(26)에서 발생된 전류량을 검출(S320)할 수 있게 된다.

제1 작업전극(26)에서 발생된 전류량을 검출한 후 마이크로 컨트롤러(800)는 이후, 제2 작업전극(27)에 전원을 공급한다(S330). 제2 작업전극(27)에 전원을 공 급하는 방법은 스위치 3 및 2(SW3, SW2)를 온 상태를 유지하고 스위치 1(SW1)은 오프 상태로 유지함으로써 구현될 수 있다.

제2 작업전극(27)에 전원을 공급한 후, 마이크로 컨트롤러(800)는 제2 작업전극에서 발생된 전류량을 검출한다(S340).

이후 마이크로 컨트롤러(800)는 미리 정해진 인큐베이션 타임 동안 스위치 1~3(SW1~SW3)을 모두 오프 상태로 유지한다. 인큐베이션 타임을 갖는 이유는 전극 위의 반응이 균일해지도록 하기 위함이나, 인큐베이션 타임이 필수적으로 요구되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 당도 측정용 바이오센서(실시예 3)에서 두 효소반응층(301, 302)에 시료가 주입되면 노출홈(21)에 형성된 효소반응층(301)에서는 과당 탈수소효소에 의해 시료 중 과당이 분해되어 전류가 발생되고, 노출홈(22)에 형성된 효소반응층(302)에서는 시료 내 포도당이 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소에 의해 분해되어 전류가 발생된다.

일정 시간의 경과 후(또는 인큐베이션 타임 이후), 마이크로 컨트롤러(800)는 제1 작업전극(26) 및 제2 작업전극(27)에 순차적으로 전원을 공급한다(S370 및 S410). 일정 시간이 더 경과한 후, 제1 작업전극(26)과 기준전극(25), 제2 작업전 극(27)과 기준전극(25)에서 발생된 전류량을 검출한다(S380 및 S420). 상기와 같은 전극부(28)를 통해 작업전극에 전원공급과 전류량을 검출하기 위해서는 스위치 제어가 이루어져야 한다.

제1 작업전극(26)에서 발생된 전류량과 제2 작업전극(27)에서 발생된 전류량을 검출한 마이크로 컨트롤러(800)는 이후 검출 전류량에 대응하는 당도값을 내부 메모리에서 리드한다(S390 및 S430).

마이크로 컨트롤러(800)는 상기 S390 및 S430에 의해 접속된 제1 및 제2 당도 값 (과당 및 포도당)을 표시부(900)에 표시(S440)하고 개별 당도 측정을 종료한다.

도 9는 시료 중 자당의 개별 당도 측정 흐름도로, 본 발명의 당도 측정용 바이오센서(실시예 4, 5)를 측정장치(미도시)의 센서 삽입 홈에 삽입시킨다. 이때, 마이크로 컨트롤러(800)는 상기 센서의 삽입 여부를 검사(S500)한다. 검사는 센서가 측정장치로 삽입될 경우 삽입경로에 위치하는 스위치의 단락에 의해 입력전원이 0 V로 강하되는 것을 통해 수행될 수 있다. 또한, 일반적인 측정기에서와 같이 인식전극의 접지를 이용하여 감지될 수도 있다.

본 발명의 일실시형태에 따른 당도 측정용 바이오센서(실시예 4)를 삽입한 후 사용자가 당을 포함하는 시료를 센서의 시료 주입구(41,42)에 접촉시키면 마이크로 컨트롤러(800)는 시료의 효소반응 결과 검출모드로 전환하고, 계속하여 제1 작업전극(26)에 전원을 공급한다(S510). 전원공급 방법으로는 스위치 1, 2(SW1, SW2)를 온(on) 상태로 전환하고 스위치 1(SW3)은 오프(off) 상태로 유지함으로써 공급될 수 있다.

시료가 바이오센서의 제1 작업전극(26)을 지나 기준전극(25)에 도달하면 효소반응에 의해 두 전극(25, 26) 사이에 전류가 흐르게 된다. 제1 작업전극(26)에 흐르는 전류는 전압증폭기(AMP2)에 의해 전압으로 변환 후 증폭된다. 변환된 전압은 A/D 변환장치(700)에 입력되어 디지털 데이터로 다시 변환된다. 이러한 방식으로 마이크로 컨트롤러(800)는 제1 작업전극(26)에서 발생된 전류량을 검출(S520)할 수 있게 된다.

제1 작업전극(26)에서 발생된 전류량을 검출한 후 마이크로 컨트롤러(800)는 이후, 제2 작업전극(27)에 전원을 공급한다(S530). 제2 작업전극(27)에 전원을 공급하는 방법은 스위치 3 및 2(SW3, SW2)를 온 상태를 유지하고 스위치 1(SW1)은 오프 상태로 유지함으로써 구현될 수 있다.

제2 작업전극(27)에 전원을 공급한 후, 마이크로 컨트롤러(800)는 제2 작업전극에서 발생된 전류량을 검출한다(S540).

이후 마이크로 컨트롤러(800)는 미리 정해진 인큐베이션 타임 동안 스위치 1~3(SW1~SW3)을 모두 오프 상태로 유지한다. 인큐베이션 타임을 갖는 이유는 전극 위의 반응이 균일해지도록 하기 위함이나, 인큐베이션 타임이 필수적으로 요구되는 것은 아니다.

전극 반응 결과 검출되는 전류량에 대하여 마이크로 컨트롤러(800)는 미리 프로그래밍되어 프로그램에 의해 에러존재 여부를 판단할 수 있다. 예를 들면, 제2 작업전극에서 검출되는 전류량이 제1 작업전극에서 검출되는 전류량보다 작으면 에러표시를 하고 측정을 종료한다(S560 및 S640)

본 발명의 일실시형태에 따른 당도 측정용 센서(실시예 4)의 두 효소반응층(301, 302)에 시료가 주입되면 노출홈(21)에 형성된 효소반응층(301)에서는 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소에 의해 시료 중 순수한 포도당이 분해되어 전류가 발생되고, 노출홈(22)에 형성된 효소반응층(302)에서는 시료 내 자당이 자당 인산화효소에 의해 분해되어 생성된 포도당과 시료 내 존재한 순수한 포도당이 포도당 산화효소 또는 포도당 탈수소효소에 의해 분해되어 전류가 발생된다.

본 발명의 일실시형태에 따른 당도 측정용 센서(실시예 5)의 두 효소반응층(301, 302)에 시료가 주입되면 노출홈(21)에 형성된 효소반응층(301)에서는 과당 탈수소효소에 의해 시료 중 순수한 과당이 분해되어 전류가 발생되고, 노출홈(22)에 형성된 효소반응층(302)에서는 시료 내 자당이 자당 인산화효소에 의해 분해되 어 생성된 과당과 시료 내 존재한 순수한 과당이 과당 탈수소효소에 의해 분해되어 전류가 발생된다.

일정 시간의 경과 후(또는 인큐베이션 타임 이후), 마이크로 컨트롤러(800)는 제1 작업전극(26) 및 제2 작업전극(27)에 순차적으로 전원을 공급한다(S550 및 S570). 일정 시간이 더 경과한 후, 제1 작업전극(26)과 기준전극(25), 제2 작업전극(27)과 기준전극(25)을 흐르는 전류량을 검출한다(S560 및 S580). 상기와 같은 전극부(28)를 통해 전원공급과 전류량을 검출하기 위해서는 스위치 제어가 이루어져야 한다.

제1 작업전극(26)에 흐르는 전류량과 제2 작업전극(27)에 흐르는 전류량을 검출한 마이크로 컨트롤러(800)는 이후 제2 작업전극(26)의 전류량에서 제1 작업전극(27)의 전류량을 감산한 후, 이로부터 당도를 연산하도록 프로그래밍 된 단계(S610)를 수행한다.

이때, 제1 작업전극(26)에서 발생된 전류량을 제2 작업전극(27)에서 발생된 전류량에서 감산한 이유는, 실시예 4를 예로 설명하면, 제1 작업전극(26)에서 발생된 전류량은 시료 내 순수한 포도당에 의해 발생된 전류량이며, 제2 작업전극(27)에 흐르는 전류량은 자당이 자당 인산화효소에 의해 분해된 포도당과 순수한 포도당이 합쳐져 발생된 전류량이기 때문에 제2 작업전극(27)에서 발생된 전류량 중 순수한 포도당에 의해 발생된 전류량은 빼주어야 시료 내 자당을 측정할 수 있다. 따 라서 제2 작업전극(26)의 전류량에서 제1 작업전극(27)의 전류량을 빼 주어야만 한다.

이후, 마이크로 컨트롤러(800)는 상기 S610에 의해 연산된 시료 내의 개별 당도 값(자당)을 리드하고(S620), 표시부(900)에 표시(S630)한 후, 개별 당도 측정을 종료한다.

본 발명에 의하면, 종래의 굴절 당도계를 이용하여 굴절률로 표시하였던 당도를 wt%에 의해 정량적으로 표시할 수 있다. 또한, 종래에 의료기기 분야에서 혈당 등의 측정에 주로 사용되던 전기화학적 바이오센서를 개선하여, 한 번의 측정으로 시료 내에 존재하는 기질 즉, 당의 농도를 총 당도 및 개별 당도로 측정할 수 있다는 점에서 종래 전기화학적 바이오센서가 가지고 있던 한계를 극복할 수 있다.

나아가, 과일 및 과일 음료 등에 당도 표시를 의무화되어가는 분위기에서, 본 발명의 당도 측정 시스템은 생산자 및 소비자로 하여금 간편하고 정확하게 당도를 측정하는 데 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (9)

1. 측정장치(미도시)에 접촉되는 리드단자(11)와 상기 리드단자(11)에 리드선(12)을 통해 연결된 2개의 작업전극과 1개의 기준전극으로 구성된 전극부(18, 28)가 인쇄된 절연성 기판(100),

   1회 측정으로 시료 내에 존재하는 당의 총 당도 또는 개별 당도를 측정할 수 있도록 전극부(18, 28)를 노출시키는 노출홈(21, 22)를 구비하고 있으며, 상기 절연성 기판(100)에 인쇄된 리드선(12)을 절연하기 위해 형성되는 절연층(200),

   상기 노출된 전극부(18, 28)에 형성되어 시료 내 당과의 반응을 위한 2개의 효소반응층(301, 302)),

   상기 효소반응층(301, 302)으로 시료가 주입될 수 있는 공간을 형성하는 일정 높이를 갖는 2개의 시료 주입구(41, 42)를 구비한 스페이서(400),

   2개의 공기배출층(500)이 일정 간격으로 배열되어 형성되는 공간 및 상기 시료 주입구(41, 42)의 내측 말단의 공간의 일부가 공유되도록 형성되되, 상기 스페이서(400)와 다른 평면인 스페이서(400)의 상부에 형성되어 그 크기와 무관하게 시료의 양을 상기 효소반응층(301, 302)의 크기만큼 축소시킬 수 있으며, 상기 효소반응층(301, 302)의 크기와 무관하게 그 크기의 확장이 가능하여 공기배출 속도를 향상시킬 수 있는 공기배출구(51)를 구비한 공기배출층(500), 및

   상기 공기배출층(500) 상부에 형성되는 커버(600)

   를 포함하는 전기화학적 바이오센서; 및

   상기 리드단자(11)에 연결되어 리드단자(11)로부터 접속된 전기 신호를 측정하는 측정장치(미도시)를 포함하는 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 전극부(18)는 1개의 기준전극(15)과, 상기 기준전극(15)의 장축을 중심으로 좌우 동일한 거리에 각 1개씩의 제1 작업전극(16) 및 제2 작업전극(17, 27)이 배열되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 전극부(28)는 1개의 기준전극(25)과, 상기 기준전극(25)의 어느 일측 동일선상에 제1 작업전극(26) 및 제2 작업전극(27)이 배열되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 효소반응층(301, 302)은 포도당 산화효소, 포도당 탈수소효소, 과당 탈수소효소 또는 자당 인산화효소 중에서 선택되는 1 또는 2 이상의 효소를 포함하고, 전자전달매개체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 스페이서(400)의 시료 주입구(41, 42)는 상기 노출홈(21, 22)의 수직 상방에 위치하도록 형성되어 주입되는 시료가 상기 노출홈을 통해 상기 전극부(18, 28)의 전극들(15, 16, 17, 25, 26, 27)과 접촉하는 것을 특징으로 하는 과일 또는 과일 음료의 당도 측정 시스템.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 기재된 당도 측정 시스템의 시료 주입구(41, 42)를 통해 시료를 주입하는 단계;

   상기 주입된 시료 내에 존재하는 기질(당)과, 효소반응층(301, 302)에 존재하는 효소 및 전자전달매개체가 반응하는 단계;

   상기 반응 결과 발생되는 전기적 신호를 접속하는 단계;

   상기 접속된 전기적 신호로부터 시료에 존재하는 총 당도 또는 개별 당도를 연산하는 단계; 및

   상기 연산 결과를 표시하는 단계

   를 포함하는 과일 또는 과일 음료의 당도 측정방법.

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