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KR102289671B1 - 바이오 센서 - Google Patents

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KR102289671B1
KR102289671B1 KR1020190132032A KR20190132032A KR102289671B1 KR 102289671 B1 KR102289671 B1 KR 102289671B1 KR 1020190132032 A KR1020190132032 A KR 1020190132032A KR 20190132032 A KR20190132032 A KR 20190132032A KR 102289671 B1 KR102289671 B1 KR 102289671B1
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electrode layer
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enzyme reaction
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이동엽
마동희
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동우 화인켐 주식회사
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Abstract

본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 작업 전극층, 상기 작업 전극층 상에 상기 작업 전극층을 덮도록 형성된 효소 반응층을 포함하는 작업 전극; 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격되어 형성된 기준 전극; 및 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 기준 전극을 분리하는 절연 격벽을 포함하는 바이오 센서를 제공한다.

Description

바이오 센서{Bio Sensor}
본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정범위가 넓고 감도가 우수하며 측정 값의 산포를 줄일 수 있는 바이오 센서에 관한 것이다.
인간의 평균 수명이 증가함에 따라, 헬스 케어 산업이 급속히 팽창하고 있다. 특히, 여러 가지 생체 신호들을 어디서든 편리하게 측정할 수 있는 휴대 가능한 소형 바이오 센서에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.
바이오 센서는 체액에 포함된 화학종들과 반응하는 효소를 사용한다. 상기 효소가 상기 화학종과 반응하여 전류가 발생하면, 이를 측정하여 해당 화학종의 농도를 측정한다[대한민국 등록특허 제10-0824731호 참조].
바이오 센서에 있어 선택성, 측정 범위, 재현성, 반응시간 및 수명은 바이오센서의 성능을 판단하는 중요한 지표로 사용된다. 특히, 생체 내 물질은 각기 다른 농도로 존재하며 분비되는 기관에 따라서도 다른 농도로 존재하므로, 각 목적에 맞는 측정 범위를 가지는 센서 제작이 필요하다.
예를 들어, 생체 내 젖산(lactate)은 혈액 내에서 2 내지 10 mM 수준으로 존재하나, 땀에서는 평균 20mM 이상, 많게는 50 mM 이상 분비될 수 있다. 이와 같이 생체 내 고농도로 존재하는 물질을 감지하기 위해서는 넓은 측정범위, 특히 고농도 측정이 가능한 센서 제작이 필수적이다.
기존 바이오 센서는 기판 상에 작업 전극층과 기준 전극을 형성하고, 상기 작업 전극층 상에 상기 작업 전극층을 덮도록 효소 반응층 형성용 조성물을 적하하여 효소 반응층을 형성함으로써 제조된다. 이 경우, 효소 반응층을 형성하는 과정에서 효소 반응층이 작업 전극층 영역을 지나치게 벗어난 영역까지 도포됨에 따라 화학종과의 반응에 참여하는 효소 반응층의 영역이 줄어들어 측정범위 및 감도가 감소하는 문제점이 있었다.
따라서, 측정범위가 넓고 감도가 우수한 바이오 센서의 개발이 요구되고 있다.
또한, 바이오 센서를 통하여 전류 측정시 신뢰성 있는 평가 결과를 얻기 위하여 측정 값의 산포를 줄일 필요가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0824731호
본 발명의 한 목적은 측정범위가 넓고 감도가 우수하며 측정 값의 산포를 줄일 수 있는 바이오 센서를 제공하는 것이다.
한편으로, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 작업 전극층, 상기 작업 전극층 상에 상기 작업 전극층을 덮도록 형성된 효소 반응층을 포함하는 작업 전극; 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격되어 형성된 기준 전극; 및 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 기준 전극을 분리하는 절연 격벽을 포함하는 바이오 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 절연 격벽은 상기 작업 전극과 기준 전극의 영역을 한정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 절연 격벽의 높이가 상기 작업 전극과 기준 전극의 높이보다 높을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비는 1:1.1 내지 2.1일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비는 1:1.1 내지 1.8일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 바이오 센서는 상기 기판 상에 작업 전극층과 기준 전극을 일정 간격을 두어 형성하고, 상기 작업 전극층과 기준 전극을 분리하는 절연 격벽을 형성한 다음, 상기 작업 전극층 상에 상기 작업 전극층을 덮도록 효소 반응층을 형성하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서는 젖산, 글루코오스, 콜레스테롤, 아스코빅산, 알코올 또는 글루탐산의 농도 측정에 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서는 젖산의 농도 측정에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서는 작업 전극과 기준 전극을 분리하는 절연 격벽을 구비하여 효소 반응층이 작업 전극층 영역을 지나치게 벗어난 영역까지 도포되지 않아, 반응에 직접적으로 참여하는 효소의 양이 감소하는 것을 방지하여 바이오 센서의 측정범위를 증가시켜 감지 대상 물질 내에 고농도로 존재하는 화학종을 감지할 수 있으며, 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 센서는 측정 값의 산포를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서의 개략적인 단면도이다.
도 2는 비교예 1 에서 제작한 바이오 센서를 이용하여 젖산 측정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 3은 비교예 2 에서 제작한 바이오 센서를 이용하여 젖산 측정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 4는 실시예 1에서 제작한 바이오 센서를 이용하여 젖산 측정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 5는 실시예 2에서 제작한 바이오 센서를 이용하여 젖산 측정을 수행한 결과를 나타낸다.
도 6은 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에서 제작한 바이오 센서를 이용하여 젖산 측정을 수행한 결과에 대한 상대 표준 편차를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시형태는 작업 전극과 기준 전극을 분리하는 절연 격벽을 구비한 바이오 센서에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서(100)는 기판(110), 작업 전극(120), 기준 전극(130) 및 절연 격벽(140)을 포함한다.
기판(110)은 바이오 센서를 구성하는 구성요소들의 구조적인 기지(base)를 제공하는 기능을 한다.
예를 들어, 기판(110)은 플렉서블 특성을 갖는 기재 필름 형태로 구현될 수 있다.
기판(110)을 구현하는 기재 필름에 적용될 수 있는 구체적인 물질의 예로는, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌이소프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지; 디아세틸셀룰로오스, 트리아세틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스계 수지; 폴리카보네이트계 수지; 폴리메틸(메타)아크릴레이트, 폴리에틸(메타)아크릴레이트 등의 아크릴계 수지; 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체 등의 스티렌계 수지; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 시클로계 또는 노보넨 구조를 갖는 폴리올레핀, 에틸렌-프로필렌 공중합체 등의 폴리올레핀계 수지; 염화비닐계 수지; 나일론, 방향족 폴리아미드 등의 아미드계 수지; 이미드계 수지; 폴리에테르술폰계 수지; 술폰계 수지; 폴리에테르에테르케톤계 수지; 황화 폴리페닐렌계 수지; 비닐알코올계 수지; 염화비닐리덴계 수지; 비닐부티랄계 수지; 알릴레이트계 수지; 폴리옥시메틸렌계 수지 등과 같은 열가소성 수지를 들 수 있으며, 상기 열가소성 수지의 블렌드물도 사용할 수 있다. 또한, (메타)아크릴계, 우레탄계, 아크릴우레탄계, 에폭시계, 실리콘계 등의 열경화성 수지 또는 자외선 경화형 수지를 이용할 수도 있다.
이러한 기재 필름은 적절한 1종 이상의 첨가제가 함유된 것일 수도 있다. 첨가제로는, 예컨대 자외선흡수제, 산화방지제, 윤활제, 가소제, 이형제, 착색방지제, 난연제, 핵제, 대전방지제, 안료, 착색제 등을 들 수 있다. 기재 필름은 필름의 일면 또는 양면에 하드코팅층, 반사방지층, 가스배리어층과 같은 다양한 기능성층을 포함하는 구조일 수 있으며, 기능성층은 전술한 것으로 한정되는 것은 아니며, 용도에 따라 다양한 기능성층을 포함할 수 있다.
또한, 필요에 따라 기재 필름은 표면 처리된 것일 수 있다. 이러한 표면 처리로는 플라즈마(plasma) 처리, 코로나(corona) 처리, 프라이머(primer) 처리 등의 건식 처리, 검화 처리를 포함하는 알칼리 처리 등의 화학 처리 등을 들 수 있다.
기판(110)의 두께는 적절히 결정될 수 있지만, 일반적으로는 강도나 취급성 등의 작업성, 박층성 등을 고려하여, 1 내지 500㎛로 결정될 수 있다. 특히 1 내지 300㎛가 바람직하고, 5 내지 200㎛가 보다 바람직하다.
작업 전극(120)은 감지 대상 물질의 산화-환원 반응이 일어날 수 있다. 작업 전극(120)은 작업 전극층(121)과 상기 작업 전극층 상에 형성된 효소 반응층(122)을 포함한다. 작업 전극(120)은 효소 반응층(122)의 효소와 감지 대상 물질의 반응에 의해 발생된 전기적 신호를 감지할 수 있다. 감지 대상 물질은 인체의 땀, 체액, 혈액 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
작업 전극층(121)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 작업 전극층(121)은 기판(110)에 접촉할 수 있다. 작업 전극층(121)은 감지 대상 물질의 산화-환원 반응에서 발생한 전자 또는 정공이 전달되는 통로로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 작업 전극층(121)은 탄소 전극층을 포함할 수 있다. 상기 탄소 전극층은 카본 페이스트(carbon paste)로 형성될 수 있다. 상기 탄소 전극층은 효소 반응층(122)에서 발생한 전자 및/또는 정공을 안정적으로 수송할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 작업 전극층(121)은 카본 페이스트로 형성되는 단일층의 탄소 전극층으로 형성될 수 있다. 상기 카본 페이스트를 이용하여 단일층 형태로 전극으로 제공됨으로써, 금속 전극이 생략될 수 있다. 따라서, 바이오 센서(100)를 박막화할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 작업 전극층(121)은 금속 전극층을 포함할 수 있다. 상기 금속 전극층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co) 또는 이들의 합금(예를 들면, 은-팔라듐-구리(APC))을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다. 상기 금속 전극층은 Au, Ag, APC 합금 및 Pt 중 적어도 하나만으로 형성될 수도 있다. 상기 Au, Ag, APC 합금 및 Pt는 작업 전극층(121)의 전기 전도성을 향상시키고 저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 바이오 센서(100)의 검출 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 작업 전극층(121)은 상술한 탄소 전극층과 금속 전극층을 함께 포함할 수 있다. 이 경우, 금속 전극층은 탄소 전극층의 저면 상에 배치될 수 있다. 금속 전극층은 기판(110)과 접촉할 수 있다. 탄소 전극층은 효소반응층(122)과 접촉할 수 있다.
상기 작업 전극층(121)이 금속 전극층을 포함하는 경우, 금속 전극층의 상면 및/또는 저면에는 금속 보호층이 추가로 형성될 수 있다. 금속 보호층은 전기 전도성을 가지면서 금속 전극층의 상면을 전체적으로 덮을 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 보호층은 상기 금속 전극층과 직접 접촉할 수 있다. 상기 금속 보호층은 작업 전극(121)의 산화 환원 반응으로 인해 상기 금속 전극층이 산화 환원되는 것을 방지하여 작업 전극(121)에 의해 감지되는 전기적 신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 금속 보호층은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 보호층은 ITO 또는 IZO만으로 형성될 수 있다. 상기 ITO 및 IZO는 전기 전도성을 가지면서도 화학적으로 안정하여 상기 금속 전극층을 산화 환원 반응으로부터 효과적으로 보호할 수 있다.
작업 전극층(121)은 전자 수송 물질을 포함할 수 있다.
상기 전자 수송 물질은 예를 들면, 효소 반응층(122)에서 일어나는 감지 대상 물질의 산화-환원 반응에서 발생한 전자/정공을 수용하여 산화 또는 환원되는 물질일 수 있다.
상기 전자 수송 물질로는 프러시안 블루(prussian blue, Fe4[Fe(CN)6]3), 포타슘 페리시아나이드(potassium ferricyanide, K3[Fe(CN)6]), 포타슘 철 페로시아나이드(potassium iron ferrocyanide, KFeIII[FeII(CN)6]·xH2O), 페로센, 루테늄 등을 사용할 수 있으며 별도의 공정으로 도포하거나 카본 페이스트 등과 일체화하여 도포하는 것도 가능하다.
프러시안 블루는 청색 안료로서, 높은 산화성을 가질 수 있다. 전자 수송 물질로서 프러시안 블루를 작업 전극층(121)에 사용할 경우 작업 전극(120)의 전기적 감도를 향상시킬 수 있다.
상기 전자 수송 물질은 작업 전극층(121) 100 중량% 대비 0.05 내지 1 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 전자 수송 물질의 함량이 상기 범위를 만족하면, 감지 대상 물질에 대한 감응 범위(예를 들면, 상한)를 증가시킬 수 있다. 전자 수송 물질의 함량이 상기 범위 미만일 경우 감지 대상 물질을 감지하는 범위가 감소할 수 있다. 전자 수송 물질의 함량이 상기 범위를 초과할 경우 전자 수송 물질이 서로 응집되어 센싱 성능이 감소할 수 있다. 바람직하게는, 상기 전자 수송 물질은 상기 작업 전극층(121) 100 중량% 대비 0.1 내지 0.5 중량%의 양으로 포함될 수 있다.
작업 전극층(121)은 기판(110) 상에 카본 페이스트를 인쇄하거나, 금속막을 형성한 후 이를 패터닝(patterning)하여 형성될 수 있다.
상기 패터닝은 당분야에서 통상적으로 사용되는 패터닝 공법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 포토리소그라피(photolithography)를 사용할 수 있다.
작업 전극층(121)이 금속 보호층을 더 포함하는 경우, 금속 전극층을 먼저 패터닝한 후 상기 금속 보호층을 형성하거나, 상기 금속막 상에 ITO 또는 IZO 도전성 산화물막을 형성한 후, 상기 금속막과 도전성 산화물막을 함께 패터닝하여 금속 전극층 및 금속 보호층을 함께 형성할 수 있다.
효소 반응층(122)은 작업 전극층(121) 상에 배치될 수 있다. 상기 효소 반응층(122)은 상기 작업 전극층 상에 상기 작업 전극층을 덮도록 형성될 수 있다. 효소 반응층(122)은 감지 대상 물질의 화학 반응이 일어나는 층으로 제공된다.
효소 반응층(122)은 산화 효소 또는 탈수소 효소를 포함할 수 있다. 산화 효소 및 탈수소 효소는 검사 대상 물질의 종류에 따라 선택될 수 있다.
상기 산화 효소는 락테이트 산화 효소(lactate oxidase), 글루코오스 산화 효소(glucose oxidase), 콜레스테롤 산화 효소(cholesterol oxidase), 아스코빅산 산화 효소(ascorbic acid oxidase) 및 알코올 산화 효소(alcohol oxidase) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 탈수소 효소는 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydronase), 글루코오스 탈수소 효소(glucose dehydrogenase), 글루탐산 탈수소 효소(glutamate dehydrogenase) 및 알코올 탈수소 효소(alcohol dehydrogenase) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 바이오 센서는 젖산, 글루코오스, 콜레스테롤, 아스코빅산, 알코올 또는 글루탐산, 특히 젖산의 농도 측정에 사용될 수 있다.
효소 반응층(122)은 미디에이터를 추가로 포함할 수 있다. 미디에이터로는 페리시안화칼륨, 시토크롬 C, 피로로퀴놀린퀴논(PQQ), NAD＋, NADP＋, 동착체, 루테늄 화합물, 페나진메토설페이트 및 그 유도체 등을 들 수 있고, 이것들은 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상으로 병용해도 된다.
또한, 효소 반응층(122)은 고농도 감지 대상 물질의 흡수시 필터 역할 혹은 그의 안정도를 향상시키기 위해 고분자 물질인 변성 폴리비닐알콜 혹은 폴리비닐피롤리돈 등의 수용성 폴리머를 추가로 포함할 수 있다.
감지 대상 물질이 포함된 시료를 바이오 센서(100)에 주입하면, 시료에 포함되어 있는 감지 대상 물질이 산화 효소 또는 탈수소 효소와 반응하여 과산화수소 등의 부산물이 생성될 수 있다. 이때, 전자 수송 물질(예를 들면, 프러시안 블루)은 상기 부산물을 환원시키고, 자신은 산화될 수 있다. 산화된 전자 수송 물질은 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 얻어 다시 환원될 수 있다.
시료 내의 감지 대상 물질 농도는 전자 수송 물질이 산화되는 과정에서 발생되는 전류량에 비례한다. 따라서, 상기 전류량을 측정하여 감지 대상 물질 농도를 측정할 수 있다.
상기 산화 효소 또는 탈수소 효소는 바인더를 통해 고정될 수 있다. 상기 바인더는 당분야에서 통상적으로 사용되는 바인더를 포함할 수 있으며, 예를 들면, 나피온 또는 이의 유도체, 키토산, BSA(bovine serum albumin) 또는 Si 겔(gel) 등의 유기재료, 또는 무기재료를 포함할 수 있다.
효소 반응층(122)은 pH 조정이나 용해도를 높이기 위해 산 또는 염기를 소량 추가하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비는 1:1.1 내지 2.1, 바람직하게는 1:1.1 내지 1.8일 수 있다. 상기 작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비가 1:1.1 미만이면 측정 결과값의 산포가 상승하고, 노출로 인해 전극이 손상되며, 제조 공정상의 어려움이 있을 수 있고, 1:2.1 초과이면 반응에 직접적으로 참여할 수 있는 효소의 양이 감소함에 따라 센서 감도 및 측정범위가 감소할 수 있다.
상기 작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비는 절연 격벽으로 인하여 한정되는 영역에 형성되는 작업 전극층의 표면적을 제어하고, 절연 격벽의 높이를 작업 전극층과 효소 반응층의 높이보다 높게 설정하여 효소 반응층 형성용 조성물의 흐름을 제어함으로써 조절 가능하다.
상기 작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비는 효소 반응층 형성용 조성물 도포시 도포양은 같게 하나 도포되는 범위를 인위적으로 조절하여 도포함으로써 제어할 수 있다.
상기 작업 전극층과 효소 반응층의 표면적은 상부면의 표면적을 의미한다.
상기 효소 반응층(122)의 상면에는 보호층(미도시)이 추가로 형성될 수 있다.
보호층은 효소 반응층(122)을 외부의 충격 및 상기 감지 대상 물질을 제외한 화학 물질으로부터 보호할 수 있다.
보호층은 감지 대상 물질만을 통과시킬 수 있다. 따라서, 효소 반응층(122)이 감지 대상 물질 외의 타 물질에 의해 변성, 손상되는 것을 방지할 수 있다.
보호층은 감지 대상 물질을 통과시키는 것이라면, 당분야에서 통상적으로 사용되는 이온 교환막이 사용될 수 있다.
이온 교환막은 퍼플루오로술폰산 수지 등의 양이온 교환 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이온 교환막은 시판 제품으로서 나피온(Nafion) 등을 포함할 수 있으나, 이는 하나의 예시일 뿐이며, 이에 한정되지는 않는다.
효소 반응층과 보호층의 총 두께는 1 내지 10 ㎛, 바람직하기로 2 내지 5 ㎛일 수 있다. 상기 효소 반응층과 보호층의 총 두께가 1 ㎛ 미만이면 전류가 저하되거나 보호층의 역할을 충분히 발휘하기 어려울 수 있으며, 10 ㎛ 초과인 경우에는 반응 속도가 저하될 수 있다.
효소 반응층(122)은 산화 효소 또는 탈수소 효소를 바인더와 혼합한 조성물을 작업 전극층(121) 상에 도포한 후 건조하여 형성될 수 있다.
기준 전극(130)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 기준 전극(130)은 기판(110)의 작업 전극(120)이 배치된 면과 같은 면에 배치될 수 있다. 기준 전극(130)은 작업 전극(120)과 이격되어 배치될 수 있다. 기준 전극(130)과 작업 전극(120)은 전기적으로 단절될 수 있다.
기준 전극(130)은 측정 시 작업 전극(120)에서 측정되는 전류 값 또는 전위 값에 대한 기준치를 제공할 수 있다. 기준 전극(130)의 전위 값을 기준치로 하여 작업 전극(120)에서 일어나는 감지 대상 물질 산화 환원 반응을 특정할 수 있다.
또한, 상기 전류 값의 기준치와 작업 전극(120)에서 측정되는 전류 값을 비교하여 순수하게 측정 대상 성분(예를 들면, 감지 대상 물질)에 의해 변화한 전류 량을 계산할 수 있으며, 상기 전류 량으로부터 측정 대상 성분의 농도를 도출할 수 있다.
기준 전극(130)은 예를 들면, Ag/AgCl 전극 층을 포함할 수 있다. 상기 Ag/AgCl 전극 층은 Ag/AgCl 페이스트(paste)로부터 형성될 수 있다.
상기 기준 전극(130)은 과전류가 흐를 경우 손상을 입을 수 있으므로 표면적의 크기를 상기 작업 전극의 면적 대비 0.7 내지 1.3으로 제어하는 것이 바람직하다.
상기 기준 전극(130)의 표면적은 기판 상에 절연 격벽을 형성할 때 절연 격벽에 의해 한정되는 영역의 크기를 조절하여 적절히 제어 가능하다.
상기 절연 격벽(140)은 작업 전극과 기준 전극을 분리하여 효소 반응층의 도포 범위를 조절하는 역할을 한다. 상기 절연 격벽(140)은 상기 작업 전극과 기준 전극의 영역을 한정할 수 있다. 이에 따라, 효소 반응층이 작업 전극층 영역을 지나치게 벗어난 영역까지 도포되지 않아, 반응에 직접적으로 참여하는 효소의 양이 감소하는 것을 방지하여 바이오 센서의 측정범위를 증가시키고 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 절연 격벽(140)은 노출되는 기준 전극(130)의 크기를 제어할 수 있으며, 외부로부터의 간섭 물질에 대한 배리어 역할을 할 수 있다.
상기 절연 격벽(140)은 절연 소재라면 제한 없이 사용이 가능하나, 바람직하기로는 산화물계 또는 질화물계 무기 절연 소재, 또는 광개시제를 이용한 UV경화 타입 혹은 열경화 타입의 유기 고분자 물질을 이용할 수 있다. 구체적으로, 상기 절연 격벽(140)의 소재로는 실리콘 산화물, 아크릴 수지, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에텐(PTFE), 폴리(p-자일릴렌)(poly(p-xylylene)) 등을 사용할 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 절연 격벽(140)은 스크린 인쇄, 포토리소그라피, 스퍼터법 또는 화학기상증착(CVD) 방법으로 형성될 수 있다.
상기 절연 격벽의 높이는 상기 작업 전극과 기준 전극의 높이보다 높을 수 있다.
상기 절연 격벽(140)의 높이는 1 내지 40㎛일 수 있으며, 도포되는 효소 반응층 물질의 양을 고려하였을 때 바람직하게는 5 내지 30㎛일 수 있다. 상기 절연 격벽(140)의 높이가 1㎛ 미만이면 효소 반응층 제작시 효소 반응층 형성용 조성물이 절연 격벽 상으로 침범할 수 있고 심하게는 기준 전극까지도 침범할 수 있으며, 40㎛ 초과이면 측정 기질의 도포가 어렵거나 절연 격벽의 건조 시간이 길어질 수 있다.
상기 작업 전극(120)과 기준 전극(130) 각각은, 도면상 도시하지는 않았으나, 배선에 연결된다. 작업 전극(120)에 연결된 배선 및 기준 전극(130)에 연결된 배선은 서로 전기적으로 이격될 수 있다. 배선들은 구동 집적 회로(IC) 칩에 연결될 수 있다.
배선은 작업 전극(120)의 작업 전극층(121)과 동일한 소재로 형성될 수 있으며, 기준 전극(130)과 동일한 소재로 형성될 수 있다.
배선은 작업 전극층(121) 및 기준 전극(130)과 일체로 형성될 수 있다. 기판(110) 상에 카본 페이스트 막 및/또는 금속 막을 형성하고 이를 패터닝함으로써 배선을 일체로 형성할 수 있다. 또는, 스크린 인쇄법을 통해 작업 전극층(121), 기준 전극(130) 및 배선을 일체로 형성할 수 있다.
작업 전극(120) 및 기준 전극(130)으로부터 측정된 전기적 신호가 배선을 통해 구동 IC 칩에 전달될 수 있으며, 구동 IC 칩이 측정 대상 성분의 농도를 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서는 상기 기판 상에 작업 전극층과 기준 전극을 일정 간격을 두어 형성하고, 상기 작업 전극층과 기준 전극을 분리하는 절연 격벽을 형성한 다음, 상기 작업 전극층 상에 상기 작업 전극층을 덮도록 효소 반응층을 형성하여 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서(100)는 특히 락테이트(젖산) 측정에 사용될 수 있다. 예를 들면, 운동 중 운동 강도 및 시간이 증가함에 따라 체내 젖산 수치가 증가할 수 있다. 상기 젖산은 땀을 통해 체외로 배출될 수 있으며, 바이오 센서(100)를 통해 배출된 젖산의 농도를 측정할 수 있다. 본 발명에 따른 바이오 센서(100)는 작업 전극과 기준 전극을 분리하는 절연 격벽을 구비하여 효소 반응층이 작업 전극층 영역을 지나치게 벗어난 영역까지 도포되지 않아, 반응에 직접적으로 참여하는 효소의 양이 감소하는 것을 방지하여 바이오 센서의 측정범위를 증가시켜 감지 대상 물질 내에 고농도로 존재하는 화학종, 예컨대 땀 중의 50 mM 이상의 농도를 갖는 젖산도 감지할 수 있으며, 감도가 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서(100)는 효소 반응층과 작업 전극층의 표면적 비를 제어함으로써 감응범위를 늘릴 수 있으며 균일한 도포를 통해 측정 값의 산포를 줄일 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 바이오 센서(100)는 제조 공정 중 발생할 수 있는 효소 반응층 형성용 조성물의 퍼짐성을 막을 수 있어 균일하게 형성된 효소 반응층을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서(100)는 패치 형태로 제작될 수 있다.
이하, 실시예, 비교예 및 실험예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예, 비교예 및 실험예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.
실시예 1: 바이오 센서의 제작
도 1의 실시형태와 동일한 구조로 바이오 센서를 제작하였다.
기판으로는 180 ㎛ 두께의 PET 필름을 사용하였다.
상기 기판에 카본 페이스트(DS-7406CB, 대주전자재료 제)를 스크린 인쇄하여 작업 전극층을 형성하였다.
상기 작업 전극층으로부터 일정한 거리를 두고 Ag/AgCl(DBS-4585V, 대주전자재료 제)를 스크린 인쇄하여 기준 전극을 형성하였다.
상기의 작업 전극과 기준 전극을 분리하는 절연 격벽을 다음과 같이 형성하였다.
절연 격벽으로는 아크릴 수지(DGMR-011, 대주전자재료 제)를 사용하였으며, 스크린인쇄 공법으로 작업 전극과 기준 전극이 분리 될 수 있는 위치에 형성하였으며 UV를 조사하여 경화시켰다.
상기 작업 전극층 위에 효소 반응층을 형성하여 작업 전극을 제조하였다.
효소 반응층은 다음과 같이 제조하였다.
락테이트 산화효소 4U/1㎕(TOYOBO 제, 10U/1㎕ stock solution 제조) 20 중량%에, 0.0016%의 1-메톡시-5-메틸페나지늄메틸설페이트(1-methoxy-5-methylphenazinium methyl sulfate, Sigma Aldrich 제) 20 중량%를 첨가하여 고르게 혼합한 후, PBS(Phosphate-buffered saline) 60 중량%를 첨가하여 고르게 혼합하여 효소 반응층 형성용 조성물을 제조하였다. 0.0016% 1-메톡시-5-메틸페나지늄메틸설페이트는 PBS로 희석하여 준비하였으며, 락테이트 산화효소 또한 PBS로 희석하여 준비했다. 상기 효소 반응층 형성용 조성물 2.0 ㎕를 작업 전극층 위에 적하한 후, 약 30분 동안 상온에서 그리고 약 20분 동안 N2 분위기에서 건조시켜 효소 반응층을 형성하였다.
작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비는 1:1.5이었다.
실시예 2: 바이오 센서의 제작
작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비를 1:1.2로 제어하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오 센서를 제작하였다.
비교예 1: 바이오 센서의 제작
절연 격벽을 형성하지 않는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오 센서를 제작하였다.
작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비는 1:2.2이었다.
비교예 2: 바이오 센서의 제작
작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비를 1:0.8으로 제어하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오 센서를 제작하였다.
실험예 1: 젖산 측정
상기 실시예 및 비교예에서 제작한 바이오 센서를 이용하여 다음과 같이 젖산 측정을 수행하였다. 시료로는 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 Mm 이상의 농도의 젖산 조합액을 사용하고, 측정 장치로는 전기화학분석장비 CHI630(CH Instruments)을 사용하였다.
측정은 바이오 센서에 시료를 공급한 후, 검체 검지 후 30초간 200mV의 전압을 인가함으로써 수행했다.
비교예 1 및 2의 측정 결과를 각각 도 2 및 도 3에 나타내고, 실시예 1 및 2의 측정 결과를 각각 도 4 및 도 5에 나타내었다.
절연 격벽 유무에 따른 전류 값 산포 비교를 위하여, 상기 측정 결과에 대해 상대 표준 편차(relative standard deviation)(%RSD)를 하기 수학식 1로 계산하여 도 6에 나타내었다.
[수학식 1]
%RSD = 표준편차/평균×100
아울러, 상기 측정 결과를 하기 표 1에 요약하였다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
면적비 1:1.5 1:1.2 1:2.2 1:0.8
감응범위 5mM ~ 40mM 5mM ~ 40mM 5mM ~ 20mM 5mM ~ 30mM
상대표준편차 3.1% 4.3% 10.6% 7.2%
도 2 내지 도 5를 통해, 절연 격벽을 구비하지 않은 비교예 1의 바이오 센서는 감지 가능한 최대 젖산 농도가 20 mM로 20 mM을 초과하는 농도 범위에서는 측정 값이 포화에 이르나, 절연 격벽을 구비한 실시예 1 및 실시예 2의 바이오 센서는 40 mM 농도까지도 감지가 가능한 것으로 나타났다. 또한, 작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비가 1:0.8인 비교예 2의 바이오 센서는 감지 가능한 최대 젖산 농도가 30 mM 수준으로 낮은 것으로 나타났다.
또한, 표 1 및 도 2 내지 도 6을 통해, 비교예 1 및 2의 바이오 센서는 전류 값의 산포가 크게 나타나나, 실시예 1 및 2의 바이오 센서는 전류 값의 산포가 작은 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 절연 격벽을 구비함에 따라 바이오 센서의 측정 값의 산포가 감소하는 것을 알 수 있었다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
100: 바이오 센서 110: 기판
120: 작업 전극 121: 작업 전극층
122: 효소 반응층 130: 기준 전극
140: 절연 격벽

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 작업 전극층, 상기 작업 전극층 상에 상기 작업 전극층을 덮도록 형성된 효소 반응층을 포함하는 작업 전극;
    상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격되어 형성된 기준 전극; 및
    상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 기준 전극을 분리하는 절연 격벽을 포함하고,
    상기 작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비는 1:1.1 내지 2.1이며,
    상기 작업 전극층은 카본 페이스트로 형성되는 탄소 전극층을 포함하는 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연 격벽은 상기 작업 전극과 기준 전극의 영역을 한정하는 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 절연 격벽의 높이가 상기 작업 전극과 기준 전극의 높이보다 높은 바이오 센서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 작업 전극층과 효소 반응층의 표면적 비는 1:1.1 내지 1.8인 바이오 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판 상에 작업 전극층과 기준 전극을 일정 간격을 두어 형성하고, 상기 작업 전극층과 기준 전극을 분리하는 절연 격벽을 형성한 다음, 상기 작업 전극층 상에 상기 작업 전극층을 덮도록 효소 반응층을 형성하여 제조되는 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서, 젖산, 글루코오스, 콜레스테롤, 아스코빅산, 알코올 또는 글루탐산의 농도 측정에 사용되는, 바이오 센서.
  8. 제7항에 있어서, 젖산의 농도 측정에 사용되는, 바이오 센서.
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