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KR100854389B1 - 전기화학적 바이오센서 - Google Patents

전기화학적 바이오센서 Download PDF

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KR100854389B1
KR100854389B1 KR1020070020447A KR20070020447A KR100854389B1 KR 100854389 B1 KR100854389 B1 KR 100854389B1 KR 1020070020447 A KR1020070020447 A KR 1020070020447A KR 20070020447 A KR20070020447 A KR 20070020447A KR 100854389 B1 KR100854389 B1 KR 100854389B1
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KR
South Korea
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electrode
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pupil
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electrochemical biosensor
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김문환
김근기
최강
남학현
차근식
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주식회사 아이센스
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Abstract

본 발명은 적어도 두 장의 평면 절연판에 작동전극 및 보조전극을 포함하는 전극부와; 상기 작동전극에 형성되는 산화효소 및 전자전달매개체를 포함하는 반응 시약층과; 상기 전극부로 액체시료를 유도하는 미세유로 시료셀부; 및 상기 작동전극과 보조전극을 연결시키는 전극연결부를 포함하는 전기화학적 바이오센서에 있어서, 상기 적어도 두 장의 평면 절연판 중 상기 전극들의 연결을 방해하지 않는 적어도 하나의 절연판 상의 일부분에 생산로트정보 인식부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서는 전기화학적 바이오센서 스트립 위에 생산로트정보를 입력시킨 색조표식, 동공표식 또는 투과필름을 부착시킨 동공표식을 계측기 내에서 초소형의 발광체-검출기 시스템으로 생산로트정보를 읽어 연산함으로써 사용자가 바이오센서의 생산로트정보를 직접 입력하는 번거로움 및 수동 입력에 의한 오류를 감소시킬 수 있어 편리할 뿐만 아니라 정확한 혈당 측정값을 얻을 수 있다. 또한, 생산로트정보를 입력하는 방법이 매우 단순하고, 제조공정 시간이 짧기 때문에 시간적, 경제적으로 유리하다.
바이오센서, 검정곡선, 생산로트 정보

Description

전기화학적 바이오센서{Electrochemical biosensor}
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 상부기판에 색조 표식의 생산로트 정보가 기록된 바이오센서의 분해사시도이고,
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 하부기판에 색조 표식의 생산로트 정보가 기록된 바이오센서의 분해사시도이고,
도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 동공 표식의 생산로트 정보가 기록된 바이오센서의 분해사시도이고,
도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 동공 표식과 투과필름의 생산로트 정보가 기록된 바이오센서의 분해사시도이며,
도 5는 본 발명에 따른 바이오센서의 표식을 읽을 수 있는 발광체-검출시스템을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 시료도입부 101: 시료도입 통로부
102: 통기부 103: 여분공간부
104: 작동전극 105: 보조전극 또는 기준전극
106: 전극연결부 107: 유동 감지 전극
108: 바이오센서 확인 전극 200: 중간기판
300: 상부기판 400: 하부기판
500: 색조표식 600: 동공표식
700: 센서커넥터 702: 발광체
703: 수신부 704: 회로기판
705: 연결부 900: 투과필름
본 발명은 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서에 관한 것이다.
최근 당뇨병을 진단하고 예방하는데 있어서 혈액내의 포도당(혈당: blood glucose) 양을 주기적으로 측정해야 할 필요성이 증대되고 있다. 현재 혈당 측정은 손에 쥘 수 있는 휴대용 계측기를 이용하여 개개인이 스트립(strip) 형태의 바이오센서를 사용하여 손쉽게 측정이 가능하다.
많은 상용화된 바이오센서들은 전기화학적 원리를 이용하여 혈액 시료에서 혈당을 측정하며, 그 원리는 반응식 1과 같다.
포도당 + GOx-FAD → 글루콘산 + GOx-FADH2
GOx-FADH2 + 전자전달매개체(산화상태) → GOx-FAD + 전자전달매개체(환원상태)
상기 반응식 1에서, GOx는 당산화효소(Glucose oxidase)를 나타내고, GOX-FAD 및 GOX-FADH2는 각각 당산화효소의 활성부위인 FAD(flavin adenine dinucleotide)의 산화상태 및 환원상태를 나타낸다.
상기 전기화학적 바이오센서는 전자전달매개체로서 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체, 전이금속함유 유기 및 무기물(헥사아민 루테늄, 오스뮴 함유 고분자, 포타슘 페리시아나이드 등), 유기 전도성 염(organic conducting salt), 비오로겐(viologen)과 같은 전자전달 유기물 등을 사용한다.
상기 바이오센서에서의 혈당 측정원리는 다음과 같다.
당산화효소의 촉매작용에 의해서 포도당은 글루콘산으로 산화된다. 이때 당산화효소의 활성 부위인 FAD가 환원되어 FADH2로 된다. 환원된 FADH2는 전자전달매개체와의 산화환원반응을 하여 FADH2는 FAD로 산화되고, 전자전달매개체는 환원된다. 환원상태의 전자전달매개체는 전극표면까지 확산되는데, 이때 작동 전극표면에 서 환원상태의 전자전달매개체의 산화전위를 인가하여 생성되는 전류를 측정하여 혈당의 농도를 측정하게 된다. 이러한 전기화학적 바이오센서는 종래의 비색 방법에 의한 바이오센서와는 달리 산소에 의한 영향을 줄일 수 있고, 시료가 혼탁하더라도 시료를 별도 전처리 없이 사용 가능하다는 장점을 갖는다.
하지만 이러한 전기화학적 바이오센서는 혈당 양을 감시하고 제어하는데 일반적으로 편리하게 사용되지만, 센서의 정확성은 센서를 생산한 대량생산로트별로 나타나는 편차에 의하여 크게 좌우된다. 이러한 차이를 제거하기 위하여 대부분의 상업적 바이오센서들은 공장에서 미리 결정된 검정곡선 정보를 사용자가 직접 바이오센서를 읽을 수 있는 계측기에 입력하도록 하고 있다. 그러나 이러한 방법은 사용자에게 불편함을 주며, 사용자가 입력오류를 범하게 됨으로써 결과를 부정확하게 얻게 되는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 센서의 전극이 접촉하는 부위에 로트별 생산 정보를 담을 수 있도록 전극들의 저항을 조절할 수 있는 방법(US26144704A1), 레지스터 뱅크에 접촉하도록 하는 방법(WO27011569A2), 전극들의 길이나 두께를 조절하여 저항을 다르게 하여 읽는 방법(US25279647A1) 등이 제안된 바 있다. 전기화학적 바이오센서들에 대하여 제안된 방법들은 모두 전기적 변화를 읽을 수 있는 방법에 기반을 두고 있다. 또한 발색법을 사용하는 진단시약 스트립 중 전기적 방법으로 스트립에 표식된 전도체의 저항비를 읽어 생산로트의 정보를 구별하는 방 법(US4714874)도 제안되었다.
그러나 위에 제시된 방법들은 정확하게 저항을 조절하는 방법으로, 센서를 먼저 대량생산한 후 센서의 통계적 특성을 측정하고, 그 정보를 다시 센서에 표식된 저항을 조절하는 방법으로 후가공해야 하는 과정을 겪어야 한다. 그러나 대량으로 표식된 저항을 후가공하여 정확하게 조절하는 공정은 대단히 번거롭고 실용적 활용이 어렵다는 문제가 있다.
발색법을 사용하는 바이오센서들에 대하여는 발색을 구분하는 분광시스템을 활용할 수 있도록 색조표식을 사용하는 방법(US03907503, US05597532, US06168957), 바코드를 읽을 수 있는 방법(EP00075223B1, WO02088739A1) 등이 제안되었다. 이러한 색조나 바코드를 이용하는 방법들은 분광시스템을 이용하는 발색법 센서에는 유리하나 전기화학적 측정 메커니즘을 사용하는 시스템에 병행하여 적용하기에는 기술적으로도 어렵고 경제적으로도 적절하지 못하다. 예를 들어 전기화학적 센서스트립이 전기적 연결을 위하여 계측기에 삽입되는 부분의 크기나 구조가 생산로트정보 등을 입력한 구조물 등을 분광학적으로 인식하는 장치 및 회로를 구성하기에는 센서스트립 연결 공간이 지극히 제한되어 있고, 경제적으로도 시스템 구성비를 크게 증가시키는 단점이 있다.
또한, 센서 스트립에 생산로트의 정보를 표시하는 방법 대신 센서를 담은 용기나 팩에 정보를 기록하여 계측기에서 읽도록 하는 방법들도 제안된 바 있으나 이 방법 역시 사용자가 오류를 범할 수 있다.
이러한 종래의 일회용 전기화학적 바이오센서 스트립을 사용하여 혈당 수준을 규칙적으로 측정하는 사람들에게 있어서, 생산로트별로 차이가 나는 바이오센서의 정확한 검정곡선정보를 수동적으로 계측기에 입력하지 않고도 사용할 수 있도록 개발된 방법들은 센서의 제조시간이 오래 걸리고 오류를 범하기 쉬운 후가공 공정을 요구한다.
또한, 종래 광원의 파장을 필터 또는 프리즘류의 단색광기를 사용하여 색조표식을 읽어내는 장치는 공간적으로 제한이 크고 소형 시스템 구성이 어렵다는 문제가 있었다.
따라서, 바이오센서의 좁은 면적에 인쇄하기에 편리한 색조표식이나 대량생산의 마지막 프레스 공정과 동시에 표식을 용이하게 할 수 있는 동공표식에 의해 제조시간이 짧고 표식이 간편하여 센서의 대량생산성을 최대로 유지할 수 있으며, 상기 표식을 통해 생산로트정보를 바이오센서 절연판 상에 입력함으로써 사용자가 혈당 측정을 위해 바이오센서를 계측기에 연결할 때 상기 센서의 생산로트정보가 자동으로 인식될 수 있어 사용자가 수동적으로 정보를 입력할 때 나타날 수 있는 오류를 방지하고 정확한 측정값을 얻을 수 있는 생산로트정보가 입력된 바이오센서의 개발의 필요성이 요구되었다.
이에 본 발명자들은 전기화학적 바이오센서에 있어서, 사용자의 오류 없이 바이오센서의 생산로트정보가 간편하고 정확하게 계측기에 입력되어 경제적이면서 정확한 측정값을 제공하는 바이오센서를 개발하기 위하여 연구하던 중, 전기화학적 바이오센서 스트립 위에 생산로트정보가 입력된 색조표식 또는 동공표식을 구비하여 계측기 내에서 초소형의 발광체-검출기 시스템으로 생산로트정보를 읽어 연산함으로써 사용자가 바이오센서의 생산로트 정보를 직접 입력하는 번거로움 및 오류를 감소시킬 수 있어 편리하면서 정확한 측정값을 얻을 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 사용자의 오류 없이 바이오센서의 생산로트 정보를 간편하고 정확하게 계측기에 입력하여 정확한 혈당 측정을 할 수 있는, 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 적어도 두 장의 평면 절연판에 작동전극 및 보조전극을 포함하는 전극부와; 상기 전극부로 액체시료를 유도하는 미세유로 시료셀부와; 상기 작동전극에 형성되는 산화효소 및 전자전달매개체를 포함하는 반응 시약층; 및 상기 작동전극과 보조전극을 연결시키는 전극연결부를 포함하는 전기화학적 바이오센서에 있어서,
상기 적어도 두 장의 평면 절연판 중 상기 전극들의 연결을 방해하지 않는 적어도 하나의 절연판 상의 일부분에 생산로트정보 인식부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서를 제공한다.
본 명세서에 있어서, 바이오센서와 바이오센서 스트립은 동일한 의미로 사용된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 상기 전극부는 적어도 두 장의 평면 절연판 중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 형성될 수 있다. 즉, (1) 하나의 작동전극(104)과 하나의 보조전극(또는 기준전극)(105)이 같은 평면 절연판 위에 형성되거나, (2) 각각 두 장의 평면 절연판에 마주보는 형태로 배열되어 형성될 수 있다[대면형 전극; 참고 : E. K. Bauman et al., Analytical Chemistry, vol 37, p 1378, 1965; K. B. Oldham in "Microelectrodes: Theory and Applications," Kluwer Academic Publishers, 1991].
또한, 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 상기 전극부는 상기 작동전극(104)의 뒤에 배치하여 하부 평면절연판에서 전혈시료의 유동성을 측정할 수 있는 유동감지전극(107)을 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시형태에 따른 대면형 전극을 예를 들어 본 발명을 바이오센서를 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서가 대면형 전극으로 구성되는 경우에는 상기 작동전극(104)과 보조전극(105)은 대칭 또는 비대칭적으로 서로 대면하는 위치에서 50~250 ㎛ 두께의 압력 점착성 격리판(미도시)으로 격리되는 구조로 형성될 수 있다.
상기 격리판은 작동전극(104)과 보조전극(105)으로 형성된 측정 공간에 생체시료를 주입하고 보유할 수 있는 전체 체적이 마이크로 리터 단위인 미세유로 시료셀부를 형성하고 있으며, 상기 시료셀부는 시료도입부(100) 및 미세유로를 포함한다.
전극형성에 있어서 상기 격리판(미도시) 내 유동감지전극(107)은 작동전극(104) 또는 보조전극(105)과 적절한 거리를 두고 이격되어 있으며, 바람직하게는 혈구의 양이 40%이며 불소처리된 혈액이 0.5~2 mm 이내 너비와 50~250 ㎛ 높이의 상기 미세유로를 따라 약 600 ms 이내에 도달할 수 있는 거리에 위치하며, 더욱 바람직하게는 불소처리 되지 않는 시료에 대하여 300 ms 이내에, 더욱 바람직하게는 200 ms 이내에 도달할 수 있는 거리에 위치한다.
상기 시료도입부(100)는 바이오센서 말단에서 혈액시료의 도입을 가능하게 하며, 빠르고, 정확하고, 편리한 혈액시료의 도입을 위해 'ㄱ'자 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 시료도입부(100)는 시로도입 통로부(101), 통기부(102) 및 상기 시료도입 통로부(101)와 통기부(102)가 교차되는 지점에 여분공간부(103)가 형성된 구조를 구비한다. 본 명세서에서, “교차형성되어 있다”라 함은 시료도입 통로부와 통기부가 일직선으로 배열되어 있는 것이 아니라 한 점에서 교차하는 구조로 되어 있음을 의미한다. 상기 여분공간부(103)는 시료를 측정하는 동안 일정하고 정확한 시료양을 통로내에 채울 수 있도록 하며, 통기부(102)를 통해서 과량의 시료를 방출하는데 도움을 준다. 또한 유동감지전극(107)을 배치하는 장소로 이용되기도 한다. 상기 시료도입부(100)로 혈액시료가 도입되면, 상기 혈액시료는 미세유로를 통해 전극부로 이동하게 된다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서에 있어서, 상기 반응 시약층은 시약용액을 작동전극(104) 위에만 또는 작동전극(104)과 유동감지전극(107)위에 간단히 도포함으로써 형성될 수 있다. 상기 반응 시약층은 당산화효소(glucose oxidase), 젖산산화효소(lactate oxidase) 등의 산화효소와 전자전달매개체, 셀룰로오즈 아세테이트(cellulose acetate), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리피롤(polypyrrol) 등과 같은 수용성 고분자, 적혈구 용적률 효과를 감소시키는 시약으로 4~20개의 탄소를 갖는 지방산과 친유성 4차 암모늄염을 포함한다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서에 있어서, 바이오센서와 측정기와의 전기적으로 연결되는 전극연결부는 작동전극(104)이 있는 절연판에 형성된 작동전 극(104)과 보조전극(105) 연결선들을 통하여 같은 평면에서 이루어지도록 설계되어 있다. 본 발명의 바이오센서에 의해 전기화학적 반응의 결과 측정된 혈당은 상기 전극연결부를 통하여 측정기와 연결됨으로써 구체적인 혈당값으로 수치화될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 전기화학적 바이오센서는 바이오센서 생산시 생산로트별로 적용된 다양한 농도의 액체시료에 대한 검정곡선 정보를 바이오센서 생산로트정보와 함께 사용자에게 제공하는 생산로트정보 인식부를 포함한다.
상기 생산로트정보 인식부는 상기 적어도 두 장의 평면 절연판 중 상기 전극들의 연결을 방해하지 않는 적어도 하나의 절연판 상의 일부분에 색조표식(500), 동공표식(600) 및 투과필름(900)이 부착된 동공표식(600)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 표식을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 전기화학적 바이오센서에 있어서, 상기 색조표식(500), 동공표식(600) 또는 투과필름(900)이 부착된 동공표식(600)에 입력된 생산로트정보는 바이오센서 계측기에 장치되는 발광체-검출기 시스템을 통해 검출될 수 있다. 색조표식(500), 동공표식(600) 또는 투과필름(900)이 부착된 동공표식(600)에 입력된 생산로트정보를 인식하는 작동원리를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 발광체-검출기 시스템 내에는 한 개 이상의 발광체(702)로서 예를 들면, 발광다이오드가 좁은 공간에 집적화되어 있다. 상기 발광다이오드는 바람직하게는 적색, 청색 및 녹색의 삼색발광다이오드 또는 백색, 적색, 청색 및 녹색의 사색발광다이오드로 구성되나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 발광체로는 적외선을 방출할 수 있는 적외선원을 사용할 수 있다. 상기 발광다이오드 또는 적외선원으로부터 발광 또는 방출되는 빛은 상기 바이오센서의 생산로트정보 인식부의 색조표식(500), 동공표식(600) 또는 투과필름(900)이 부착된 동공표식(600)을 감지하게 된다.
상기 생산로트정보 인식부의 색조표식은 수 개의 색조표식의 색상, 명암 및 채도의 차이로 생산로트의 차이에 대한 정보를 표식할 수 있다. 또한, 상기 동공표식은 동공의 개폐상태가 다른 수 개의 동공배열 조합에 따른 경우의 수에 차이로 생산로트의 차이에 대한 정보를 표식할 수 있으며, 나아가, 상기 투과필름이 부착된 동공표식은 개방된 수 개의 동공표식 위에 부착된 상기 투과필름에 의한 투과도의 차이에 의해 생산로트의 차이에 대한 정보를 표식할 수 있다. 이때, 상기 색조표식 또는 동공표식의 수는 1 내지 10개의 범위 내로 조절하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 표식들에 의해 감지된 빛은 상기 표식들에 의해 투과 또는 반사되어 빛의 세기 또는 파장이 변화하게 된다. 이렇게 투과 또는 반사된 빛은 발광체의 중간 지점에 설치되는 검출기(703), 예를 들면 광학인식장치에 의해 검출된다. 상기 검출기(703)로부터 검출되는 빛의 세기 및 파장의 변화는 계측연산시스템(미도시)에 전달되고, 그 결과 바이오센서의 생산로트정보가 인식될 수 있다.
상기 발광체-검출기 시스템은 상기 색조표식(500), 동공표식(600) 또는 투과필름(900)이 부착된 동공표식(600)으로부터 반사되는 빛을 검출하는 경우에는 상기 표식들과 동일면에 위치할 수 있고, 투과되는 빛을 검출하는 경우에는 발광체(702)와 분리되어 반대면에 위치할 수도 있다.
또한, 상기 색조표식(500)은 수 개의 표식들의 이미지의 차이로 생산로트의 차이에 대한 정보를 표식할 수 있다. 상기 표식들의 이미지는 CCD 카메라 등의 영상신호인식장치에 의해 검출되어 계측연산시스템(미도시)에 전달되고, 그 결과 바이오센서의 생산로트정보가 인식될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 전기화학적 바이오센서에 있어서, 상기 색조표식(500)은 스크린 프린팅 방법을 사용하여 인쇄될 수 있다. 이때 상기 색조표식(500)은 다양한 색상, 명도, 채도 및 이미지를 이용하여 여러 종류의 생산로트정보를 표시할 수 있다. 또한, 상기 동공표식(600)은 프레스 공정을 이용하여 제작될 수 있다. 상기 동공표식(600)의 갯수에는 특별한 제한이 없으나, 바람직하게는 전기화학적 바이오센서 내의 전극들의 연결을 방해하지 않는 한도에서 설치될 수 있 으며, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 개의 범위로 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 생산로트정보 인식부는 상술한 대면형 전기화학적 바이오센서에 제한되지 않으며, 나아가 작동전극 및 보조전극이 동일 기판에 형성되어 작동하는 평면형 전기화학적 바이오센서 및 상기 대면형 및 평면형이 차등식으로 신호를 처리하도록 구현된 차등식 전기화학적 바이오센서에도 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 작동전극, 보조전극 등의 전극부는 적어도 두 장의 평면 절연판 상에 위치하는 것이 바람직하나, 이는 한 장의 평면 절연판에 전극부를 적절한 위치에 인쇄한 후 반을 접은 형태로 바이오센서를 구성하는 것을 배제하는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 생산로트정보가 입력된 전기화학적 바이오센서의 분해사시도이다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서는 유동감지전극(107), 전자전달 매개체 및 산화효소가 코팅된 작동전극(104), 바이오센서 확인 전극(108) 및 전극연결부(106)가 형성된 하부기판(400); 시료도입 통로부(101)와 통기부(102)가 'ㄱ'자형으로 형성되고, 시료도입 통로부(101)와 통기부(102)의 교차지점에 여분공간부(103)가 형성된 구조를 갖는 시료도입부(100)가 구비된 중간기판(200); 및 기준 전극 겸 보조전극(105) 및 전극연결부(106)가 아래에 형성되고 윗면에는 생산로트정보 인식부가 형성된 상부기판(300)을 순차로 적층시킨 구조를 갖는다.
다만, 여기서 시료 도입부(100)의 구조는 상술한 바와 같이, 'ㄱ'자형 구조에 한정되는 것이 아니며, 시료도입 통로부(101)와 통기부(102)가 교차하여 형성되면 족하고, 여분공간부(103)의 구조 또한 변화될 수 있다.
또한, 상기 생산로트정보 인식부(500 또는 600)는 상기 바이오센서 상에서 전극들(104, 105, 107, 108) 및 전극연결부(106)의 전극연결을 방해하지 않는 한 상부기판(도 1) 또는 하부기판(도 2) 중 어느 곳에도 위치할 수 있다.
상기 생산로트정보는 색조표식(500; 도 1 및 도 2 참조) 또는 동공표식(600; 도 3 참조)을 사용할 수 있으며, 상기 동공표식(600) 위에 투과필름(900)을 부착시킨 형태도 사용할 수 있다(도 4 참조).
상기 전기화학적 바이오센서의 일실시형태를 제조하는 방법은 다음과 같다.
먼저 하부기판(400)의 상부에 탄소 또는 금속 도체 재질을 스트립의 길이 방향으로 전극(작동 전극(104), 유동감지전극(107), 전극연결부(106) 및 바이오센서 확인 전극(108))을 인쇄 또는 증착한다.
다음으로, 상부기판(또는 커버)(300)의 하부에 탄소 또는 금속 도체 재질의 전극(기준전극 겸 보조전극(105) 및 전극연결부(106))을 인쇄 또는 증착한다. 이때 상부기판(또는 커버)(300)의 하부 전체에 시료 충만 여부를 확인하기 위한 시료 확인창(viewing window; 301)과 스트립의 상표 마크부분을 제외하고 탄소 또는 금속 도체 재질로 기준전극 겸 보조전극(105)을 형성하고 다음으로 전극연결부(106)를 인쇄 또는 증착한다.
이와 같이 구성된 하부기판(400) 위에 시료도입 통로부(101)와 통기부(102)가 'ㄱ'자형으로 형성되고, 시료도입 통로부(101)와 통기부(102)의 교차지점에 여분공간부(103)가 형성된 구조를 갖는 시료도입부(100)를 구비한 중간기판(200)을 수백 마이크로미터 정도의 높이로 전극의 전기적 연결부위를 제외한 모두 부분에 접착시킨다. 상기 중간기판(200)의 재질은 절연성을 갖는 물질이면 특별히 제한되지 아니하나, 가공성 및 성형성 등을 고려할 때 절연성 고분자를 사용한다. 또한 하부기판(400)과 상부기판(300)의 접착은 접착제 또는 양면테이프를 이용하여 용이하게 수행할 수 있다. 다음으로, 노출된 전극 위에 전자전달매개체 및 산화효소를 분산시켜 고착시키고, 상기 중간기판(200) 위에 상부기판(또는 커버)(300)을 접착제 또는 양면테이프 등을 이용하여 중간기판(200)의 상부에 압착 조립한다. 마지막 공정으로 상부기판(300) 또는 하부기판(100) 상의 빈 공간에 칼라 레이져 프린터로 색조표식(500)을 출력하거나, 프레스로 동공표식(600)을 사출하거나, 상기 공동표식(600) 위에 투과필름(900)을 부착시켜 생산로트정보 인식부(500 또는 600)를 제작함으로써 본 발명에 따른 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서를 제작한다.
본 발명의 시료도입부(100)는 도 1에서 보는 바와 같이 형성될 수 있으며, 여기서 시료도입 통로부(101), 통기부(102), 여분공간부(103)가 같은 선상에 형성되어 있는 한 만족할 수 있다. 또한 여분공간부(103)의 형성은 도 1에 나타낸 바와 같이 시료도입 통로부(101)의 연장선상에 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 시료도입 통로부(101) 및 통기부(102)와 동일한 각도를 이루며 형성될 수도 있다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서에 있어서, 시료 유동성은 여분공간부(103) 또는 통기부(102) 어느 한쪽에 위치할 수 있는 유동감지전극(107)과 시료 입구 근처의 첫 번째 만나는 지점의 전극사이에서 시료가 채워지는 속도 작용에 의해 결정된다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서에 있어서, 상기 바이오센서의 하부기판(500) 및 상부기판(300)의 재질은 세라믹, 유리판 또는 고분자 재료를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에스테르, 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride) 및 폴리카보네이트(polycarbonate) 등의 유기고분자 재료를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서에 있어서, 상기 작동전극(104), 기준전극 또는 보조전극(105)의 재료는 도전성 물질이면 특별히 제한되지 아니한다. 도 전성 물질의 예로는 은 에폭시, 팔라듐, 구리, 금, 백금, 이리듐, 은/염화은, 탄소 및 특정한 산화-환원쌍 또는 기타 첨가제가 보강된 변형된 탄소 등을 들 수 있다. 상기 전극들은 도전성 물질을 기판상에 스크린 프린팅, 물리적 증기착상 또는 에칭하거나, 도체 테이프의 부착 등에 의해 형성될 수 있다.
상술한 시료도입부(100)가 구비된 바이오센서는 (1) 혈액시료를 모세관 현상으로 빠르게 빨아들일 때 교차점 부위에 여분공간부를 만들어 약간의 여유 공간을 둠으로써 시료도입 통로부가 꺾어지는 구석부위에서 발생할 수 있는 기포형성 현상을 최소화 할 수 있으며, (2) 시료 도입부(100)가 가느다란 입구와 통기부에 의해 잘 에워싸여 있고, 전체 시료 통로의 윗부분이 상부기판(또는 커버)으로 덮여있음으로 인해 센서를 측정하는 기구물에 장착하거나 탈착할 때 도입된 시료가 누출되어 손에 묻는 일이 줄어들어 위생적이며, 측정시간 동안 시료 증발에 의한 농도의 변화를 최소화 하여 분석적인 재현성을 향상시킬 수 있다. 또한 (3) 시료통로부와 통기부가 개략적으로 수직인 형태로 이어지는 시료도입부를 가진 바이오센서들은 예정된 양의 혈액 시료의 빠른 도입이 가능하고 바이오센서의 정확성과 신뢰도 그리고 재현성을 향상시킬 수 있다. 나아가, (4) 본 발명에서 제시하는 형태의 시료 도입부(100)는 센서의 끝 부분에서 시료를 도입할 수 있도록 고안된 것이어서, 채혈부위에서 측정할 혈액과 쉽게 접촉할 수 있으므로 시료도입이 훨씬 편리하다는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 상기 작동전극(104) 위에 형성되는 반응 시약층은 시약용액 의 약 300-500 nL 양의 방울을 도포함으로써 형성된다. 이러한 시약층은 산화효소, 에스테르화 효소 또는 탈수소화 효소와 같은 효소와 전자 전달매개체, 다양한 수용성 고분자 및 적혈구용적률 방해작용을 줄이는 시약들을 포함한다. 혈당 측정 바이오센서 시스템에서 사용하는 효소로는 당산화효소들 또는 탈당수소화효소가 사용된다. 혈당 검사의 적용과 동일하게 특정효소와 알맞은 전자전달 매개체를 도입함으로써 다양한 대사물질, 예를 들면 콜레스테롤(cholesterol), 락테이트(lactate), 크레아티닌(creatinine), 단백질, 과산화수소, 알코올, 아미노산, 효소, 예를 들면 GPT(glutamate pyruvate transaminase), GOT(glutamate oxaloacetate transminase) 등의 생체시료와 환경시료, 농공업시료 또는 식품시료 중의 다양한 유기물 또는 무기물 농도도 또한 동일한 방법으로 정량할 수 있다. 따라서 본 발명은 작동전극에 코팅되는 효소의 종류를 달리함으로써 다양한 대사물질의 정량에 이용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면 혈당 산화효소, 락테이트 산화효소, 콜레스테롤 산화효소, 글루타메이트 산화효소, 호스레디쉬(horseradish) 페록시다아제(peroxidase), 알코올 산화효소 등을 사용해서 콜레스테(cholesterol), 락테이트(lactate), 글루타메이트, 과산화수소, 알코올 등의 정량을 수행할 수 있다.
본 발명의 작동 전극에 고정되는 전자전달매개체의 예로는 종래에 널리 사용되어 온 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체, 유기 전도성 염(organic conducting salt) 또는 비오로겐(viologen)을 배제하는 것은 아니나, 바람직하게는 헥사아민루세늄(III)클로라이드(hexaammineruthenium(III) chloride), 포타슘페리시아나이드(potassium ferricyanide), 포타슘페로시아나이드(potassium ferrocyanide), 디메틸페로센(dimethylferrocene (DMF)), 페리시니움(ferricinium), 페로센모노카르복실산(ferocene monocarboxylic acid (FCOOH)), 7,7,8,8,-테트라시아노퀴노디메탄(7,7,8,8-tetracyanoquino- dimethane (TCNQ)), 테트라티아풀발렌 (tetrathia fulvalene(TTF)), 니켈로센(nickelocene(Nc)), N-메틸아시디니움(N-methyl acidinium(NMA+)), 테트라티아테트라센(tetrathiatetracene(TTT)), N-메틸페나지니움(N-methylphenazinium (NMP+)), 히드로퀴논(hydroquinone), 3-디메틸아미노벤조산(3-dimethylaminobenzoic acid(MBTHDMAB)), 3-메틸-2-벤조티오조리논히드라존 (3-methyl-2-benzothiozolinone hydrazone), 2-메톡시-4-아릴페놀(2-methoxy-4-allylphenol), 4-아미노안티피린(4-aminoantipyrin(AAP)), 디메틸아닐린(dimethylaniline), 4-아미노안티피렌(4-aminoantipyrene), 4-메톡시나프톨(4-methoxynaphthol), 3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘(3,3',5,5'-tetramethyl benzidine(TMB)), 2,2-아지노-디-[3-에틸-벤즈티아졸린 술포네이트] (2,2-azino- di-[3-ethyl-benzthiazoline sulfonate]), o-디아니지딘(o-dianisidine), o-톨루이딘(o-toluidine), 2,4-디클로로페놀(2,4-dichlorophenol), 4-아미노페나논(4-amino phenazone), 벤지딘(benzidine), 프루시안 블루(prussian blue) 등의 혼합 전자가 화합물을 사용할 수 있다.
본 발명에서 가장 바람직하게 선택된 전자 전달 매개체는 헥사아민루세늄(Ⅲ)클로라이드이다. 선택된 전자 전달 매개체의 경우, (1) 수용액 속에서 산화- 환원상태가 안정하며 가역적이고, (2) 환원된 전자전달매개체는 산소와 반응하지 않으며, (3) 전자전달 매개체의 형식전위가 충분히 낮아, 혈액 내의 아스코르브산(ascorbic acid), 아세토아미노펜 (acetaminophene) 및 요산(uric acid)과 같은 다양한 방해 종들에 의한 영향을 최소화할 수 있으며, (4) 환원된 전자전달매개체의 산화가 pH에 민감하지 않고, (5) 전기화학적 방해물질인 아스코르브산, 아세토아민노펜 및 요산과 반응하지 않는다는 특성을 갖는다.
PBS 완충용액에 녹이기 전의 고체상태의 0.1~10 wt% 고분자 지지체로 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone; PVP), 폴리비닐알코올 (polyvinyl alcohol; PVA), 폴리플루오로술폰에이트(perfluoro sulfonate), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(hydroxyethyl cellulose; HEC), 하이드록시프로필 셀룰로오즈(hydroxypropyl cellulose; HPC), 카르복시메틸 셀룰로오즈 (carboxy methyl cellulose; CMC), 셀룰로오즈 아세테이트(cellulose acetate), 폴리아미드(polyamide) 등의 수용성 고분자를 사용하여 효소의 안정화와 분산(dispersing)을 돕기 위해 시료용액에 첨가할 수 있다. 가장 바람직하게는 수용성 고분자로서 PVP와 HPC를 사용할 수 있다.
4~20개의 선형 알킬 탄소사슬을 가진 지방산은 물 또는 물에 섞이는 용액에 녹여서 모든 고체 조성물들의 0.1~20 중량%로 시약 용액에 첨가한다. 가장 바람직하게 선택된 포화지방산은 6-12개의 탄소로 이루어진 알킬탄소사슬을 사용하였다. 이러한 지방산들로는 카프로산(caproic acid), 헵타노산(heptanoic acid), 카프릴산(caprylic acid), 노나노산(nonanoic acid), 카프르산(capric acid), 언데카노산(undecanoic acid), 라우르산(lauric acid) 등을 포함한다. 지방산의 첨가는 적 혈구용적률 수준 의존 성향을 감소시키는데 큰 역할을 한다. 또한, 지방산은 특히 고농도 영역에서 바이오센서의 선형 동적 영역(liner dynamic range)을 줄이는 경향이 있다.
상기 지방산과 함께 에실트리메틸 암모니움(ecyltrimethylammonium), 마이리스틸트리메틸암모니움(myristyltrimethylammonium), 세틸트리메틸 암모니움(cetyltrimethylammonium), 옥타데실트리메틸 암모니움(octadecyltrimeth -ylammonium), 테트라헥실 암모니움(tetrahexylammonium ) 등의 할로겐화물 화합물과 같은 4차 암모늄염(quaternary ammonium salt)의 사용은 근본적으로 적혈구용적률 의존 성향을 줄이는 문제를 개선할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 생산로트정보가 입력된 색조표식 또는 동공표식을 읽을 수 있는 발광체-검출시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 색조표식 또는 동공표식에 입력된 정보는 도 5에 나타낸 발광체-검출시스템으로 읽은 후 계측연산장치에 제공함으로써 생산로트의 차이를 나타내는 검정곡선 정보를 인식할 수 있다. 상기 발광체-검출시스템은 발광체로서 예를 들면, 발광다이오드를 포함하는 발광체(702) 및 검출기를 포함하는 수신부(703)가 구비된 회로기판(704); 및 계측기연산장치(미도시)와 연결되는 연결부(705)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 발광체-검출시스템을 통한 생산로트정보를 인식하는 방법은 예를 들면, 적녹청의 삼색 발광다이오드와 검출기를 사용하면 저가의 발광다이오드로도 최소 8 가지 이상의 색을 명확하게 구분할 수 있고, 두 줄의 색조와 두 개의 발광다이오드 검출기를 사용할 경우 64가지 이상의 서로 다른 생산로트에 따른 검정곡선 정보를 인식할 수 있다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
도 1에서 나타낸 바와 같은 형태의 작동전극(104)과 전기연결부(106)를 탄소반죽으로 스크린 프린팅한 후 140 ℃에서 5분간 열처리하였다. 이후 전기연결부(106)의 끝 부분에 은반죽을 중간기판 전극의 두께가 되도록 스크린 프린팅하여 회로연결부를 완성하였다. 상부기판 전극은 탄소반죽으로 기준전극 겸 보조전극을 스크린 프린팅하여 하부기판 전극 제작 시와 마찬가지 조건에서 열처리하였다. 기준전극 겸 보조전극의 끝 부분은 은반죽으로 회로연결부를 형성하여 대면형 바이오센서의 상부기판 전극을 제작하였다.
폴리에스터 재질의 양면테이프에 도 1에 나타낸 모양의 시료 도입 통로부, 통기부 및 여분공간부를 포함하는 중간기판을 프레스 금형으로 제작하였다. 시료 도입 통로부와 통기부의 너비 비는 2:1이 되도록 조절하였다. 이렇게 형성된 시료도입부의 전체 부피는 0.5 ㎕가 되도록 제작되었다.
바이오센서를 완성하기 위하여 전극이 인쇄된 하부기판 위에 중간기판을 압 착하여 조립하였다. 다음 노출된 시료통로 부위의 작동 전극 위에 시약 용액을 도포한 후 45 ℃에서 30분간 건조시켰다. 효소 혼합물이 건조된 후 중간기판의 윗면을 상부기판 전극으로 회로연결부가 잘 연결되도록 압착하고 상부기판 위의 빈 공간에 색조표식을 프린팅하여 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서를 제작하였다.
< 실시예 2>
상기 하부기판 아래의 빈 공간에 색조표식을 프린팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 도 2에 나타낸 바와 같은 전기화학적 바이오센서를 제작하였다.
< 실시예 3>
상기 하부기판 말단에 프레스로 동공표식을 1~10개 생성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 도 3에 나타낸 바와 같은 전기화학적 바이오센서를 제작하였다.
< 실시예 4>
상기 하부기판 말단에 프레스로 동공표식을 1~4개 생성시키고 상기 동공표식을 통과하는 빛의 투과도를 변화시키기 위해 동공표식 위에 투과필름을 부착시키는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 도 4에 나타낸 바와 같은 전기화학적 바이오센서를 제작하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서는 전기화학적 바이오센서 스트립 위에 생산로트정보를 입력시킨 색조표식, 동공표식 또는 투과필름을 부착시킨 동공표식을 계측기 내에서 초소형의 발광체-검출기 시스템으로 생산로트정보를 읽어 연산함으로써 사용자가 바이오센서의 생산로트정보를 직접 입력하는 번거로움 및 수동 입력에 의한 오류를 감소시킬 수 있어 편리할 뿐만 아니라 정확한 혈당 측정값을 얻을 수 있다. 또한, 생산로트정보를 입력하는 방법이 매우 단순하고, 제조공정 시간이 짧기 때문에 시간적, 경제적으로 유리하다.

Claims (10)

  1. 평면 절연판에 작동전극 및 보조전극을 포함하는 전극부와;
    상기 작동전극에 형성되는 산화효소 및 전자전달매개체를 포함하는 반응 시약층과;
    상기 전극부로 액체시료를 유도하는 미세유로 시료셀부; 및
    상기 작동전극과 보조전극을 연결시키는 전극연결부를 포함하는 전기화학적 바이오센서에 있어서,
    상기 전극들의 연결을 방해하지 않는 절연판 상의 일부분에,
    동공표식, 및 투과필름이 부착된 동공표식으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 생산로트정보 인식부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극부는 유동감지전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서.
  3. 제1항에 있어서, 생산로트정보 인식부는 색조표식을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 색조표식은 수 개의 색조표식의 색상, 명암 또는 채도의 차이로 생산로트의 차이에 대한 정보를 표식하는 것을 특징으로 하는 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서.
  5. 제3항에 있어서, 상기 동공표식은 동공의 개폐상태가 다른 수 개의 동공배열 조합에 의한 경우의 수의 차이로 생산로트의 차이에 대한 정보를 표식하는 것을 특징으로 하는 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서.
  6. 제3항에 있어서, 상기 투과필름이 부착된 동공표식은 개방된 수 개의 동공표식 위에 부착된 상기 투과필름에 의한 투과도의 차이에 의해 생산로트의 차이에 대한 정보를 표식하는 것을 특징으로 하는 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 색조표식 또는 동공표식의 수는 1 내지 10개인 것을 특징으로 하는 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서.
  8. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 생산로트의 차이에 대한 정보는 한 개 이상의 발광체로부터 발광되는 빛이 상기 색조표식, 동공표식 또는 투과필름이 부착된 동공표식을 통해 반사 또는 투과되는 빛의 파장 또는 세기의 변화를 검출할 수 있는 광학인식장치에 의해 측정되어 인식되는 것을 특징으로 하는 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 발광체는 적색, 청색 및 녹색의 삼색 발광다이오드 또는 적외선을 방출할 수 있는 적외선원인 것을 특징으로 하는 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서.
  10. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 생산로트의 차이에 대한 정보는 상기 색조표식의 이미지의 차이를 검출할 수 있는 영상신호인식장치에 의해 측정되어 인식되는 것을 특징으로 하는 생산로트정보 인식 가능 전기화학적 바이오센서.
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