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KR102540664B1 - 바이오 센서 및 그의 센싱 방법 - Google Patents

바이오 센서 및 그의 센싱 방법 Download PDF

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KR102540664B1
KR102540664B1 KR1020150154026A KR20150154026A KR102540664B1 KR 102540664 B1 KR102540664 B1 KR 102540664B1 KR 1020150154026 A KR1020150154026 A KR 1020150154026A KR 20150154026 A KR20150154026 A KR 20150154026A KR 102540664 B1 KR102540664 B1 KR 102540664B1
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electrode
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Abstract

바이오 센서가 개시된다. 본 바이오 센서는, 대상 물질을 측정하기 위한 효소 전극을 포함하는 전극 어레이, 전극 어레이에 전압을 제공하는 전원 구동부, 및 음 전압과 양 전압이 교번적으로 전극 어레이에 제공되도록 전원 구동부를 제어하고, 교번적인 전압 제공 이후에 대상 물질 측정을 위한 측정 전압이 전극 어레이에 제공되도록 전원 구동부를 제어하는 프로세서를 포함한다.

Description

바이오 센서 및 그의 센싱 방법 { BIO SENSOR AND SENSING METHOD THEREOF }
본 발명은 바이오 센서 및 그 센싱 방법에 대한 것으로, 더 상세하게는 연속적인 측정에도 재현성을 보장할 수 있는 바이오 센서 및 그 센싱 방법에 대한 것이다.
생물학적 유체(biological fluids)에서 분석물(analyte)의 정량 결정은 생리학적 이상의 진단 및 치료에 유용하다. 예컨대, 당뇨병을 진단하고 예방하는데 있어서 혈액 내의 포도당(혈당: blood glucose)의 양을 주기적으로 측정해야 할 필요가 있다.
이러한 생물학적 유체에서의 분석물 측정을 위한 바이오 센서의 작동원리는 주로 전기화학적 방법에 기초하고 있었다. 전기화학적 바이오 센서는 효소를 전극에 고정한 효소 전극을 이용하여, 측정 대상 물질과의 효소 반응을 통한 전기화학적 신호를 검출해내는 방법으로 측정 대상 물질의 양을 측정하는 장치이다.
그러나 이러한 전기화학적 바이오센서의 연속 사용에 있어서, 여러 외부 요인으로 인해 바이오 센서의 성능이 저하되는 문제가 있었다. 특히, 혈액이나 세포 간액에 존재하는 다양한 방해 물질이 센서의 전극에 점착함에 따라 연속 측정에서 재현성(reproducibility)을 확보하기 어렵다는 문제가 있었다.
종래엔 방해물질이 전극에 점착되는 것을 방지하기 위하여 미세한 공극을 가진 전극 보호막을 이용하기도 하였으나, 분석 대상 물질보다 크기가 작은 방해물질의 침투는 막지 못한다는 한계가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은, 연속적인 측정에도 재현성을 보장할 수 있는 바이오 센서 및 그 센싱 방법을 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 바이오 센서는 대상 물질을 측정하기 위한 효소 전극을 포함하는 전극 어레이, 상기 전극 어레이에 전압을 제공하는 전원 구동부 및 음 전압과 양 전압이 교번적으로 상기 전극 어레이에 제공되도록 상기 전원 구동부를 제어하고, 상기 교번적인 전압 제공 이후에 상기 대상 물질 측정을 위한 측정 전압이 상기 전극 어레이에 제공되도록 상기 전원 구동부를 제어하는 프로세서를 포함한다.
이 경우, 상기 프로세서는, 상기 교번적인 전압 제공 이후 기 설정된 시간이 경과한 후에 상기 측정 전압이 상기 전극 어레이에 제공되도록 상기 전원 구동부를 제어할 수 있다.
이 경우, 상기 기 설정된 시간은 30초 내지 60초일 수 있다.
한편, 상기 프로세서는, 상기 교번적인 전압 제공시에 음 전압이 최초로 제공되도록 상기 전원 구동부를 제어할 수 있다.
한편, 상기 프로세서는, 펄스 형태로 상기 전극 어레이에 상기 교번적인 전압을 제공하도록 상기 전원 구동부를 제어할 수 있다.
한편, 상기 프로세서는, 연속 형태로 상기 전극 어레이에 상기 교번적인 전압을 제공하도록 상기 전원 구동부를 제어할 수 있다.
한편, 상기 프로세서는, 0V 초과 1.5V 이하의 크기로 상기 교번적인 전압을 제공하도록 상기 전원 구동부를 제어할 수 있다.
한편, 상기 효소 전극은, 글루코오스를 산화시킬 수 있는 효소를 포함할 수 있다.
한편, 상기 프로세서는, 상기 측정 전압이 상기 전극 어레이에 제공되면, 전극 어레이에 흐르는 전류를 기초로 상기 대상물질을 측정할 수 있다.
이 경우, 본 실시 예에 따른 바이오 센서는 상기 대상물질의 측정 결과를 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 개시의 일 실시 예에 따른, 대상 물질을 측정하기 위한 효소 전극을 포함하는 전극 어레이를 포함한 바이오 센서의 센싱방법은, 상기 전극 어레이에 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는 단계 및 상기 교번적인 전압 제공 이후, 상기 전극 어레이에 상기 대상 물질 측정을 위한 측정 전압을 제공하는 단계를 포함한다.
이 경우, 상기 측정 전압을 제공하는 단계는, 상기 교번적인 전압 제공 이후 기 설정된 시간이 경과한 후에 상기 측정 전압을 제공할 수 있다.
이 경우, 상기 기 설정된 시간은 30초 내지 60초일 수 있다.
한편, 상기 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는 단계는, 상기 전극 어레이에 음 전압을 최초로 제공할 수 있다.
한편, 상기 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는 단계는, 펄스 형태로 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공할 수 있다.
한편, 상기 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는 단계는, 연속 형태로 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공할 수 있다.
한편, 상기 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는 단계는, 0V 초과 1.5V 이하의 크기로 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공할 수 있다.
한편, 상기 효소 전극은, 글루코오스를 산화시킬 수 있는 효소를 포함할 수 있다.
한편, 본 실시 예에 따른 센싱방법은, 상기 측정 전압이 상기 전극 어레이에 제공되면, 전극 어레이에 흐르는 전류를 기초로 상기 대상 물질을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 본 실시 예에 따른 센싱방법은, 상기 대상 물질의 측정 결과를 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 바이오 센서를 설명하기 위한 블록도,
도 2a 내지 도 2b는 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 바이오 센서의 전극 어레이를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 바이오 센서의 동작에 따른 효소 전극의 상태를 설명하기 위한 도면,
도 4는 비교 예에 따른 바이오 센서를 이용한 측정 결과를 나타낸 도면,
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 바이오 센서를 이용한 측정 결과를 나타낸 도면,
도 6은 비교 예에 따른 바이오 센서의 전압 제공을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 바이오 센서의 전압 제공을 설명하기 위한 도면,
도 8 내지 도 9는 비교 예에 따른 바이오 센서를 이용한 측정 결과의 직선성 및 정밀성에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면,
도 10 내지 도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 바이오 센서를 이용한 측정 결과의 직선성 및 정밀성에 대한 실험 결과를 설명하기 위한 도면, 그리고,
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 바이오 센서의 센싱방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 개시를 더욱 상세하게 설명한다. 그리고 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관계 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 바이오 센서의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 바이오 센서(100)는 전극 어레이(110), 전원 구동부(120) 및 프로세서(130)를 포함한다.
바이오 센서(100)는 분석하고자 하는 물질에 대해 특이적 인식 능력을 갖는 생물학적 물질, 예를 들어 효소를 이용하여, 전기화학적 방법으로 대상물질을 측정할 수 있는 기구이다. 바이오 센서라는 용어를 사용하였으나, 센서, 측정장치, 측정기구 등 다양하게 불리울 수 있다.
구체적으로 바이오 센서(100)의 전극 표면에서 일어나는 생화학적 산화, 환원 반응에 의하여 전자의 이동이 발생하고, 이러한 전자의 이동에 의하여 발생하는 전류를 모니터링함으로써 시료 내의 대상물질의 농도를 측정할 수 있다.
전극 어레이(110)는 한 쌍의 전극을 포함하고, 한 쌍의 전극 사이에서 흐르는 전류를 측정함으로써 대상물질이 정량될 수 있다.
구체적으로 전극 어레이(110)는 작동 전극(working electrode) 및 상대 전극(counter electrode)(또는 상대/기준 전극(counter or counter/reference electrode))을 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예에 따르면, 전극 어레이(110)는 작동 전극, 상대 전극, 및 분리된 기준 전극을 포함할 수 있다.
도 2a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 전극 어레이(110)를 나타낸 도면이다.
구체적으로 도 2a는 전극 어레이(110)를 위에서 본 모습으로, 전극 어레이(110)는 복수의 작동 전극(111), 복수의 상대 전극(112) 및 복수의 기준 전극(113) 및 각 전극들을 지지하는 지지체(115)를 포함할 수 있다. 도 2a에 도시된 전극들의 배치 형태는 일 예에 따른 것으로 이러한 배치형태에 한정되는 것은 아니다.
도 2b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 전극 어레이(110)를 측면에서 본 모습을 도시한 것이다.
도 2b를 참고하면, 전극 어레이(110)는 지지체(115) 상에 배치된 복수의 전극(20)을 포함하고, 복수의 전극(20)은 작동 전극, 상대 전극 및 기준 전극을 포함할 수 있다. 또는, 복수의 전극(20)이 작동 전극 및 상대 전극을 포함하는 것으로 구현되는 것도 가능하다. 그리고 각 전극들은 도 2a에서 설명한 것처럼 복수 개 포함되어 있을 수 있다.
복수의 전극(20)은 피부에 삽입 가능한 니들 형상일 수 있다. 이 경우, 니들 형상의 복수의 전극(20)의 길이는 각질층을 통과하되, 혈관이 분포하는 피하층에는 삽입되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 100 ㎛ 내지 5mm의 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 또한, 이들의 밀도, 형상 및 종횡비는 가공성 및 기계적 강도 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
이하에선 전극 어레이(110)를 구성하는 전극들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
작동 전극은 효소가 고정되어 있는 전극으로, 효소 전극이라 명명될 수 있다. 작동 전극에는 효소와 전자전달매개체가 고정되어 있을 수 있고, 작동 전극의 효소는 측정하고자 하는 대상물질에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 글루코오스가 측정하고자 하는 대상 물질이라면, 작동 전극은 글루코오스를 산화시킬 수 있는 효소를 포함할 수 있다.
구체적인 예를 들면, 글루코오스산화효소(glucose oxidase, GOx), 글루코오스탈수소화효소(glucose dehydrogenase, GDH), 글루타메이트산화효소(glutamate oxidase) 글루타메이트탈수소화효소(glutamate dehydrogenase), 콜레스테롤 산화효소, 콜레스테롤에스테르화효소, 락테이트산화효소, 아스코빅산산화효소, 알코올산화효소, 알코올탈수소화효소, 빌리루빈산화효소 등을 사용하여, 글루코오스, 글루타메이트, 콜레스테롤, 락테이트, 아스코빅산, 알코올 또는 빌리루빈 등의 측정을 수행할 수 있다. 경우에 따라 작동 전극에는 2 종 이상의 효소가 고정될 수 있다.
일 예로, 대상물질이 글루코오스인 경우, 작동 전극에 고정된 글루코오스 산화효소와 글루코오스가 반응하면 글루코닉산(gluconic acid)으로 산화된다. 그리고 글루코오스가 산화될 때 산소 또는 산화된 매개체가 과산화수소 또는 환원된 매개체로 바뀌고, 다시 산화되어 원래의 산화된 형태로 되돌아올 때 발생하는 전자의 이동에 의한 전류를 측정하여 시료 내의 글루코오스를 정량할 수 있다.
전자전달매개물질로는 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinine), 퀴논 유도체, 전이금속함유 유기물 및 무기물(헥사아민 루레늄, 오스뮴 함유 고분자, 포타슘페리시안나이드 등) 또는 유기 전도성 염(organic conducting salt), 비오로겐(viologen)이 사용될 수 있다.
상대 전극은 작동 전극에 대해 반대 극성을 가지며 전극 간의 전류의 통로가 되므로 전기전도성이 큰 전극물질로 조성될 수 있다.
작동 전극과 상대 전극은 예컨대 카본 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅을 통해 제작될 수 있다.
또는, 작동 전극과 상대 전극은 예컨대 백금, 금 및 은과 같은 귀금속으로 형성되거나, 이들을 포함하는 합금으로 형성될 수 있다. 특히, 백금과 은의 경우, 촉매 작용에 의한 살균 효과가 있으므로 위생적으로 유리하다.
기준전극은 작동 전극에 일정한 전위가 인가되도록 하며 높은 임피던스에 의하여 이 전극 쪽으로는 전류가 흐르지 않게 된다. 기준 전극에는 예컨대 표준수소전극(standard hydrogen electrode, SHE), 칼로멜(Calomel, Hg/Hg2Cl2)전극, 은-염화은(Ag/AgCl) 전극이 있다. 이들은 비교적 일정한 전위차를 가지므로 일정한 전극 전위를 인가할 수 있다. 예컨대 기준 전극은 Ag/AgCl 잉크를 이용하여 스크린 프린팅을 통해 제작될 수 있다.
전원 구동부(power driver)(120)는 전극 어레이(110)에 전압을 제공하기 위한 구성이다.
전원 구동부(120)는 직류(DC) 전압, 교류(AC) 전압 또는 직류 전압과 교류 전압이 중첩된 전압 중 어느 한 형태의 전압을 전극 어레이(110)에 제공할 수 있다.
프로세서(130)는 바이오 센서(100)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 구성이다.
특히, 프로세서(130)는 전극 어레이(110)에 전압을 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 프로세서(130)는 대상 물질을 측정하기 위한 측정 전압을 전극 어레이(110)에 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다.
여기서 측정 전압은 대상물질만을 산화시키기에 적합한 전압 값으로서, 시료 내의 다른 물질이 산화하여 전류 성분에 참가하는 것을 막을 수 있다. 예컨대, 대상 물질이 글루코오스인 경우, 프로세서(130)는 0 초과 1V 이내의 측정 전압을 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다.
특히, 프로세서(130)는 측정 전압을 인가하기 전에, 전극 어레이(110)의 효소 전극(작동 전극)을 초기 상태로 회복시키기 위하여 초기화 전압(또는 리셋 전압)을 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다. 초기화 전압의 제공은 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공함으로써 이루어질 수 있다.
한편, 효소 전극을 초기 상태로 회복시키는 것은, 효소 전극 표면에 점착되어 대상물질 측정을 방해하는 방해종들을 제거하는 것을 포함한다.
예컨대, 바이오 센서(100)가 혈당 측정에 이용되는 경우, 측정이 이루어지고 나면 혈액 내에 존재하는 방해종들, 예컨대 Cl-, Ca2 +, Mg2 +와 같은 이온들이 효소 전극에 점착되어 있을 수 있다. 이와 같이 방해종들이 점착되어 있는 상태에서 후속 측정을 수행하면, 실제 혈당량과는 다른 측정값이 나올 수 있다. 따라서, 이러한 방해종들을 제거하기 위한 목적으로 프로세서(130)는 측정 전압을 인가하기 전에, 음 전압과 양 전압을 교번적으로 전극 어레이(110)에 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다.
또 한편, 효소 전극을 초기 상태로 회복시키는 것은 반응 이후 환원상태의 효소를 산화상태로 되돌리는 것을 포함한다.
효소는 대상물질과 반응하여 환원 상태가 되고 전자전달매개물질로 전자를 전달함으로써 산화 상태로 복귀하여야 하지만, 효소 전극에 고정되어 있는 효소 중 일부는 산화 상태로 복귀하지 못하는 경우가 있을 수 있다. 따라서 효소를 산화 상태로 복귀시키기 위한 목적으로 프로세서(130)는 측정 전압을 인가하기 전에, 음 전압과 양 전압을 교번적으로 전극 어레이(110)에 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다. 이를 설명하기 위해 도 3을 참고한다.
도 3은 측정하고자 하는 대상물질이 글루코오스인 경우에 있어서, 글루코오스와의 반응 전과 후의 효소 전극(111)의 상태를 도시한 것이다.
도 3을 참고하면, 센서 어레이(110)의 효소 전극(111)엔 효소가 고정되어 있다. 산화 상태의 효소는 글루코오스를 글루코닉 산으로 산화시킨 후, 환원 상태가 된다. 그리고 환원 상태의 효소가 산화하여 효소 전극(111)으로 전자가 이동됨으로써 효소 전극(111)과 상대 전극(미도시)에서 전류가 발생하고, 발생한 전류를 측정하여 시료 내 글루코오스를 정량할 수 있다.
하지만, 반응 이후에 효소 전극(111)의 모든 효소가 산화상태로 복귀하진 못하므로 바이오 센서(100)를 반복하여 사용함에 따라 글루코오스와 반응할 수 있는 효소 양이 점점 적어지게 되어 센싱 성능이 저하되는 문제가 발생한다. 특히, 연속측정형 바이오 센서(100)에서 이러한 문제가 두드러진다.
따라서, 효소 전극의 환원 상태의 효소를 산화 상태로 복귀시키기 위해, 즉, 효소 전극을 초기화시키기 위해, 전원 구동부(120)는 측정 전압을 인가하기 전에 음 전압과 양 전압을 교번적으로 전극 어레이(110)에 제공한다.
이 경우, 프로세서(130)는 교번적인 전압을 1회 또는 복수 회 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다.
한편, 프로세서(130)는 교번적인 전압 제공시에 음 전압을 최초로 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다. 즉, 음 전압을 최초로 제공하고, 측정 전압 인가 전에 최종적으로 양 전압을 제공함으로써, 효소를 환원상태로 만들어줄 수 있다.
다만, 상술한 순서에 한정되는 것은 아니고, 최초에 양 전압이 제공되고 음 전압이 제공된 후 양 전압이 최종적으로 제공될 수도 있다. 양 전압이 최초로 제공되는 경우엔 방해종인 음이온이 효소 전극 쪽으로 더 근접하게 되어 후속 인가되는 음 전압의 영향을 더 많이 받을 수 있게 되고, 따라서 방해종이 효소 전극으로부터 더 먼 곳으로 이동될 수 있다는 효과가 있다.
한편, 교번적으로 제공되는 전압은 다양한 형태를 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 프로세서(130)는 펄스 형태로 교번적인 전압을 전극 어레이(110)에 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다. 또 다른 실시 예에 따르면, 프로세서(130)는 연속 형태로 교번적인 전압을 전극 어레이(110)에 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다. 연속 형태의 전압은 Cyclic Voltammetry 방법으로 제공될 수 있다.
바이오 센서(100)가 생체 삽입형과 같이 사용자의 신체와 접촉되어 사용되는 경우에 너무 큰 크기의 전압이 제공되면 사용자에게 안 좋은 영향을 끼칠 수 있으므로, 교번적으로 제공되는 양 전압과 음 전압은 특정 크기 이하로 제공됨이 바람직하다. 예컨대, 교번적으로 제공되는 전압의 크기는 1.5V 이하로 설정될 수 있다.
구체적인 예로, -0.6V의 전압과 +0.9V의 전압이 펄스 형태로 전극 어레이(110)에 교번적으로 제공될 수 있다. 이 경우, 펄스 형태의 전압의 크기는 전압 제공시마다 서로 다를 수 있다.
한편, 교번적으로 인가되는 전압은 대상물질을 산화시키기 위한 측정 전압의 범위와는 다른 범위에서 제공될 수 있다.
그리고 프로세서(130)는 상술한 것과 같이 전극 어레이(110)에 교번적인 전압을 제공하고 나서 기 설정된 시간이 경과한 뒤에 측정 전압을 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다. 즉, 기 설정된 시간 동안엔 전극 어레이(110)에 전압이 제공되지 않는다. 이는, 교번적인 전압 제공 후에 효소 전극을 안정화시키기 위함이다. 일 예에 따르면, 이러한 안정화 시간은 30 초 내지 60초로 설정될 수 있다.
프로세서(130)는 측정 전압이 전극 어레이(110)에 제공되면, 전극 어레이(110)에 흐르는 전류를 기초로 대상물질의 농도를 측정할 수 있다.
구체적으로, 프로세서(130)는 인가된 측정 전압에 대응하여 전극 어레이(110)에 흐르는 전류를 생성 신호로서 감지하고, 이를 이용한 연산을 수행하여 대상 물질의 농도를 산출할 수 있다.
일 실시 예에서, 프로세서(130)는 ADC(Analog Digital Converter), 연산부, 메모리를 포함할 수 있다. ADC를 통해 전류 값을 입력받고 이는 디지털 값으로 변환될 수 있다. 연산부는 ADC에서 출력한 디지털 전류 값을 이용하여 대상 물질의 농도 값을 출력한다. 그리고 산출된 농도 값은 메모리에 저장될 수 있다.
한편, 효소 전극을 초기화시키기 위해 제공되는 교번적인 전압에 대응하여 전류가 발생할 수도 있으나, 프로세서(130)는 이러한 전류는 대상물질 측정의 기초로 삼지 않는다. 즉, 효소 전극의 초기화 동안에 발생하는 전류는 대상 물질을 측정에 고려되지 않는다.
측정 완료 이후, 다시 바이오 센서(100)를 이용하고자 할 경우, 바이오 센서(100)의 효소 전극을 초기화시키기 위한 음 전압 및 양 전압의 교번적인 초기화 전압이 다시 제공될 수 있다.
이 경우, 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 프로세서(130)는 이전 측정시 제공되었던 음 전압 및 양 전압의 교번적인 초기화 전압의 크기보다 더 큰 크기로 음 전압 및 양 전압의 교번적인 초기화 전압을 제공하도록 전원 구동부(120)를 제어할 수 있다. 이는, 바이오 센서(100)의 사용 횟수 증가에 따른 효소 전극의 재현성 저하 정도도 클 것이므로, 초기화 전압의 크기를 증가시킴으로써 연속 사용에 따른 바이오 센서(100) 재현성 저하를 더욱 효과적으로 방지할 수 있게된다.
한편, 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 바이오 센서(100)는 측정 결과를 표시하는 디스플레이부를 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예에 따르면, 바이오 센서(100)는 측정 결과를 외부 기기로 전송하기 위한 통신 인터페이스를 포함할 수 있다. 이 경우, 외부 기기는 스마트폰 등이 될 수 있고, 사용자는 스마트폰 등에서 측정 결과를 확인할 수 있다.
상술한 본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면 음 전압과 양 전압을 교번적으로 인가함으로써 측정 수행 전에 효소 전극을 초기 상태로 복귀시켜줄 수 있으므로, 연속 측정에서 바이오 센서(100)의 재현성을 향상시킬 수 있다.
이하에선 비교 예와 본 개시에 따른 실시 예에 따라 시료 내 글루코오스를 연속측정한 실험결과를 비교 설명하도록 한다.
도 4는 비교 예로서, 안정화 시간 간격을 두고 시료의 글루코오스 농도를 100mg/dl만큼 증가시켜가면서 바이오 센서를 이용하여 시간에 따른 전류 변화를 연속 측정한 결과이다. 안정화 시간 구간에선 전압이 인가되지 않고, 측정 구간에선 일정한 측정 전압이 인가되었다.
도 4의 측정 구간에서 각 농도에 따른 전류 변화 곡선을 참고하면, 글루코오스 농도가 0mg/dl일 때, 글루코오스 농도가 100mg/dl일 때, 글루코오스 농도가 200mg/dl일 때, 글루코오스 농도가 300mg/dl일 때, 글루코오스 농도가 400mg/dl일 때 전류 변화 곡선들이 서로 구분되지 않는 양태를 보여준다. 이는, 연속적인 측정에 따라 바이오 센서 성능이 저하됨을 보여주는 것이다.
반면, 도 5는 본 개시에 따른 실시 예로서, 도 4의 비교 예와 동일하게 글루코오스 농도를 100mg/dl만큼 증가시켜가면서 바이오 센서를 이용하여 시간에 따른 전류 변화를 연속 측정한 결과이다. 다만, 도 4의 비교 예와 다르게 측정 전에 음 전압 펄스와 양 전압펄스를 인가하였다.
도 5의 측정 구간에서 각 농도에 따른 전류 변화 곡선을 참고하면, 글루코오스 농도가 0mg/dl일 때, 글루코오스 농도가 100mg/dl일 때, 글루코오스 농도가 200mg/dl일 때, 글루코오스 농도가 300mg/dl일 때, 글루코오스 농도가 400mg/dl일 때 전류 변화 곡선들이 서로 명확히 구분되는 양태를 보여준다. 이는, 연속적인 측정에도 바이오 센서 성능이 저하되지 않음을 보여주는 것이다. 즉, 도 4의 비교 예와 비교하였을 때, 바이오 센서의 재현성이 향상되었다.
도 6 내지 도 7은 비교 예와 본 개시의 실시 예에 따른 시료 내 글루코오스 농도 측정 결과로, 실시 예에 따라 측정 전압 인가 전에 음 전압과 양 전압의 교번적인 펄스 전압의 인가한 경우 바이오 센서의 재현성이 향상됨을 보여준다.
구체적으로, 도 6을 참고하면, 안정화시간 동안엔 바이오 센서의 효소 전극에 전압을 인가하지 않았고, 측정 구간에서 측정 전압을 인가하였다. 이 경우 측정 전압은 0.4 내지 0.7V 범위 내에서 일정하게 인가되었다.
도 6의 측정구간에서 시간에 따른 전류 변화를 살펴보면, 시료 내 글루코오스 농도가 0, 100, 200, 300, 400mg/dl로 증가하였음에도, 각 전류 곡선 간의 뚜렷한 구분이 보이지 않는다.
도 7을 참고하면, 도 6의 실험 조건과는 다르게, 음 전압 펄스와 양 전압 펄스를 인가한 뒤 안정화 시간을 가진 후, 측정 전압을 인가하였다. 이 경우 음 전압 펄스와 양 전압 펄스의 크기, 즉 절대값은 0 초과 1.5V이하의 범위로 설정될 수 있다. 구체적으로, 도 7의 실험에선 음 전압 펄스는 -0.6V이고, 양 전압 펄스는 +0.9V로 인가되었다. 그리고 음 전압과 양 전압의 교번적인 전압 인가 시간은 1 내지 10초 범위로 인가될 수 있다. 구체적으로 도 7의 실험에선 2초 동안 펄스 전압을 인가하였다. 그리고 측정 전압은 도 6의 비교 예와 동일한 조건으로 인가되었다.
도 7의 측정구간에서 시간에 따른 전류 변화를 살펴보면, 시료 내 글루코오스 농도가 0, 100, 200, 300, 400mg/dl로 증가함에 따라 각 전류 곡선 간의 뚜렷한 구분이 나타난다. 즉, 도 6의 비교 예와 도 7의 실시 예를 비교하였을 때, 연속 측정에서도 센서의 재현성이 우수함을 보여준다.
도 8 내지 도 11은 비교 예에 따라 측정한 결과와 본 개시의 실시 예에 따라 측정한 결과의 직선성, 정밀도를 분석한 결과이다. 여기서 분석 대상물질은 시료 내 글루코오스이다.
도 8은 비교 예에 따라 안정화 시간만을 두고 전류를 측정한 결과이고, 도 9는 도 8의 결과를 정리한 것이다.
그리고 도 10은 실시 예에 따라 측정 전에 음 전압 펄스 및 양 전압 펄스를 교번적으로 인가한 뒤 안정화 시간을 두고 전류를 측정한 결과이고, 도 11은 도 10의 결과를 정리한 것이다.
구체적으로, 도 8과 도 10은 비교 예와 실시 예에 따라 글루코오스의 각 농도, 즉 0, 100, 200, 300, 400mg/dl인 경우의 측정된 전류 변화량을 도시한 것이다. 도 8의 측정 결과를 정리한 도 9를 참고하면, 각 농도별 측정 혈당치의 상관계수(correlation coefficient)인 R2이 0.8695로 나타났다. 반면에, 도 10의 실시 예에 따른 측정 결과를 정리한 도 11을 참고하면, 각 농도별 측정 혈당치의 상관계수인 R2이 0.9991로 나타나, 비교예보다 직선성이 더 우수함을 알 수 있다.
또한, 정밀도 측면에서도 실시 예의 경우가 더 우수함을 알 수 있다. 구체적으로, 비교 예의 결과인 도 9를 참고하면, 변이계수(%CV, percentage coefficient of variation)의 평균값이 14.99로 나타났다. 반면, 실시 예의 결과인 도 11을 참고하면, 변이계수의 평균값이 1.67로 나타나, 비교 예의 경우보다 월등히 낮음을 알 수 있다. 즉, 실시 예의 경우의 정밀도가 비교 예의 경우보다 훨씬 우수함을 알 수 있다.
상술한 실험 결과들에서 확인할 수 있듯이, 바이오 센서를 이용하여 대상 물질을 측정하기 위한 측정 전압 인가 전에 본 개시에 따라 음 전압과 양 전압의 교번적인 인가를 수행하면, 재현성 및 정밀도 높은 측정결과를 얻을 수 있다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 대상 물질을 측정하기 위한 효소 전극을 포함하는 전극 어레이를 포함한 바이오 센서의 센싱방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12를 참고하면, 먼저, 전극 어레이에 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공한다(S1210).
이 경우, 교번적인 음 전압과 양 전압의 순서는, 음 전압이 최초로 제공되고 나서 양 전압이 제공되도록 설정될 수 있다. 또는, 양 전압이 최초로 제공되고나서 음 전압이 제공되고, 그리고 양 전압이 제공되도록 설정될 수 있다.
한편, 교번적으로 인가되는 전압은 1회 또는 2회 이상 제공될 수 있다. 예컨대, 음 전압 제공 후 양 전압 제공이 하나의 사이클을 구성한다면, 1 사이클 또는 2 사이클 이상이 전극 어레이에 제공될 수 있다.
한편, 교번적인 전압의 인가 시간은 원하는 센싱 소요 시간에 따라 적절히 조절될 수 있다. 예컨대, 1초 내지 10초 동안 진행될 수 있다.
또한, 교번적인 전압은 펄스 형태, 연속 형태 등 다양한 형태로 제공될 수 있어 특정한 형태에 한정되는 것이 아니다.
위와 같은 교번적인 전압 제공 이후, 전극 어레이에 대상 물질 측정을 위한 측정 전압을 제공한다(S1220).
이 경우, 전극 어레이에 교번적인 전압 제공 이후에 기 설정된 시간 동안 전압을 제공하지 않는 안정화 시간을 가진 뒤, 측정 전압이 제공될 수 있다. 이와 같은 안정화 시간 동안 효소 전극의 산화 상태가 균일하게 될 수 있다. 안정화 시간은 30초 내지 60초로 설정될 수 있으나, 이는 일 예에 불과할 뿐, 원하는 센싱 소요 시간에 따라 적절히 설정될 수 있다.
측정 전압이 인가되면, 측정 전압에 대응하여 전극 어레이의 작동 전극과 상대 전극에 흐르는 전류를 기초로, 대상 물질을 측정할 수 있다. 대상 물질의 측정이란, 대상 물질이 존재 감지 또는 대상 물질의 정량을 포함한다.
한편, 바이오 센서는 측정 결과를 다양한 방식으로 사용자에게 제공할 수 있다. 일 예에 따르면, 바이오 센서는 측정 결과를 표시할 수 있는 디스플레이를 포함할 수 있다. 이 경우, 바이오 센서의 디스플레이에선 측정 수치, 측정 수치에 따른 안내 또는 경고 메시지가 표시될 수 있다. 또한, 바이오 센서의 디스플레이에선 측정 방법을 알려주는 설명 메시지가 표시될 수 있다.
또 다른 실시 예에 따르면 바이오 센서는 외부 장치와 통신이 가능하여 외부 장치로 측정 결과를 전송할 수 있다. 이 경우, 사용자는 외부 장치를 통해 센싱 결과를 확인할 수 있다.
본 개시에서 설명되는 실시 예들은 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛(unit) 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 개시에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시 예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다.
상술한 다양한 실시 예에 따른 센싱 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 알고리즘을 포함하는 프로그램으로 구현될 수 있고, 상기 프로그램은 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다. 이러한 비일시적 판독 가능 매체는 다양한 장치에 탑재되어 사용될 수 있다.
예컨대, 기존에 존재하는 바이오 센서에 상술한 다양한 실시 예에 따른 센싱 방법을 수록한 매체가 탑재되어 상술한 다양한 실시 예에 따른 센싱 방법이 수행될 수 있다.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 방법을 수행하기 위한 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어 져서는 안 될 것이다.
100: 바이오 센서 110: 전극 어레이
120: 전원 구동부 130: 프로세서

Claims (20)

  1. 바이오 센서에 있어서,
    대상 물질을 측정하기 위한 효소 전극을 포함하는 전극 어레이;
    상기 전극 어레이에 전압을 제공하는 전원 구동부; 및
    음 전압과 양 전압이 교번적으로 상기 전극 어레이에 제공되도록 상기 전원 구동부를 제어하고, 상기 교번적인 전압 제공 이후 기 설정된 시간이 경과되면, 상기 대상 물질 측정에 대응하여 설정된 측정 전압이 상기 전극 어레이에 제공되도록 상기 전원 구동부를 제어하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 양 전압이 상기 전극 어레이에 최초로 제공된 후 상기 음 전압 및 상기 양 전압이 교번적으로 상기 전극 어레이에 제공되고, 상기 양 전압이 상기 전극 어레이에 최종적으로 제공되도록 상기 전원 구동부를 제어하는 바이오 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기 설정된 시간은 30초 내지 60초인, 바이오 센서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    펄스 형태로 상기 전극 어레이에 상기 교번적인 전압을 제공하도록 상기 전원 구동부를 제어하는, 바이오 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    연속 형태로 상기 전극 어레이에 상기 교번적인 전압을 제공하도록 상기 전원 구동부를 제어하는, 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    0V 초과 1.5V 이하의 크기로 상기 교번적인 전압을 제공하도록 상기 전원 구동부를 제어하는, 바이오 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 효소 전극은,
    글루코오스를 산화시킬 수 있는 효소를 포함하는 것인, 바이오 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 측정 전압이 상기 전극 어레이에 제공되면, 전극 어레이에 흐르는 전류를 기초로 상기 대상물질을 측정하는, 바이오 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 대상물질의 측정 결과를 표시하는 디스플레이부;를 더 포함하는, 바이오 센서.
  11. 대상 물질을 측정하기 위한 효소 전극을 포함하는 전극 어레이를 포함한 바이오 센서의 센싱방법에 있어서,
    상기 전극 어레이에 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는 단계; 및
    상기 교번적인 전압 제공 이후 기 설정된 시간이 경과되면, 상기 전극 어레이에 상기 대상 물질 측정에 대응하여 설정된 측정 전압을 제공하는 단계;를 포함하고,
    상기 교번적으로 제공하는 단계는,
    상기 양 전압이 상기 전극 어레이에 최초로 제공된 후 상기 음 전압 및 상기 양 전압이 교번적으로 상기 전극 어레이에 제공되고, 상기 양 전압이 상기 전극 어레이에 최종적으로 제공되도록 전원 구동부를 제어하는 센싱방법.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 기 설정된 시간은 30초 내지 60초인, 센싱방법.
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는 단계는,
    펄스 형태로 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는, 센싱방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는 단계는,
    연속 형태로 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는, 센싱방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는 단계는,
    0V 초과 1.5V 이하의 크기로 음 전압과 양 전압을 교번적으로 제공하는, 센싱방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 효소 전극은,
    글루코오스를 산화시킬 수 있는 효소를 포함하는 것인, 센싱방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 측정 전압이 상기 전극 어레이에 제공되면, 전극 어레이에 흐르는 전류를 기초로 상기 대상 물질을 측정하는 단계;를 더 포함하는, 센싱방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 대상 물질의 측정 결과를 표시하는 단계;를 더 포함하는, 센싱방법.



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