KR102695332B1 - Enzyme-substrate reaction-based biosensor for component detection of biological analytes and detection method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오센서를 이용한 생물학적 물질 또는 환경학적인 물질의 정량 및 정성적 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 효소 반응에 이용되는 기질에 분자량이 작은 전기화학적 신호발생원을 직접 결합시킨 다음, 효소의 대사 반응을 경쟁반응 또는 직접 기질 분해 반응을 이용하여 생체 물질의 함량을 정량 및 정성적으로 측정하기 위한 바이오센서를 이용한 생물학적 물질 또는 환경학적 물질의 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 기질 또는 대사시작 물질에 분자량이 작은 전기화학적 신호발생원을 직접 결합시킴으로써 기질 또는 대사시작 물질의 물리적 특성 변화를 최소화하고, 또한 기질 또는 대사시작 물질에 결합되는 분광학적이며 전기화학적 신호발생원을 직접 결합시켜 신호발생원으로부터의 신호 검출을 위한 추가 시약 도입 없이도 정확한 측정이 가능하며, 여러 종류의 신호발생원을 사용하여 다양한 분석물을 한 종류의 테스트 스트립만으로도 편리하고 신속하게 측정할 수 있는 2D 또는 3D 형태의 바이오센서를 이용한 생물학적인 물질 또는 환경학적인 물질의 정량적 측정 방법을 제공할 수 있다.The present invention relates to a method for quantitatively and qualitatively measuring biological substances or environmental substances using a biosensor, and more specifically, to a method for quantitatively and qualitatively measuring biological substances or environmental substances using a biosensor by directly binding a small-molecular-weight electrochemical signal generator to a substrate used for an enzymatic reaction, and then quantitatively and qualitatively measuring the content of the biological substance by utilizing a competitive reaction or direct substrate decomposition reaction of the metabolic reaction of the enzyme. According to the present invention, by directly binding a small-molecular-weight electrochemical signal generator to a substrate or a metabolic initiating substance, changes in the physical properties of the substrate or the metabolic initiating substance are minimized, and further, by directly binding a spectroscopic and electrochemical signal generator bound to the substrate or the metabolic initiating substance, accurate measurement is possible without introducing an additional reagent for signal detection from the signal generator, and a method for quantitatively measuring biological substances or environmental substances using a 2D or 3D type biosensor can be provided that can conveniently and quickly measure various analytes with only one type of test strip by using various types of signal generators.
Description
본 발명은 바이오센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생물학적 분석물의 성분 검출을 위한 효소-기질 반응 기반의 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법에 관한 것이다. The present invention relates to a biosensor, and more specifically, to a biosensor based on an enzyme-substrate reaction for detecting components of a biological analyte and a detection method using the same.
일반적으로, 바이오센서 (biosensor)라는 용어는 피측정 생체 물질, 즉 분석물 (analyte)에 대해 생물학적 특이성을 갖는 센서를 의미한다. 이러한 분석물을 선택적으로 검출하기 위한 항체, 효소 등과 같은 생물학적 분자들을 지지체 또는 전극에 고정하여, 분석물의 수용기와 결합에 의해서 생성되거나 소멸되는 전자를 광학 신호, 전기신호 등과 같은 측정가능한 양으로 변환시킴으로써 분석물의 존재 여부 또는 함량을 측정하는 기기를 말한다. In general, the term biosensor refers to a sensor that has biological specificity for a biological substance to be measured, i.e., an analyte. It refers to a device that measures the presence or content of an analyte by fixing biological molecules such as antibodies or enzymes to a support or electrode to selectively detect the analyte, and converting electrons generated or eliminated by binding to a receptor of the analyte into a measurable quantity such as an optical signal or electrical signal.
분석물질과 항체 사이의 면역반응을 이용하는 측정방법은 분석물의 유무를 판별하는 정성적 방법과 분석물의 양을 측정하기 위한 정량적 혹은 반정량적인 방법으로 분류된다. 분광학적 검출에 의한 정량적 혹은 반정량적 방법은 형광 분석계 등과 같은 고가의 분석 장비를 필요로 하므로, 고가의 장비 없이 간단한 조작으로 측정이 용이하다는 면에서 최근에는 전기화학적 반응을 이용한 정량적 혹은 반정량적 방법이 선호되고 있다.Measurement methods that utilize the immune reaction between analytes and antibodies are classified into qualitative methods that determine the presence or absence of analytes and quantitative or semi-quantitative methods that measure the amount of analytes. Since quantitative or semi-quantitative methods using spectroscopic detection require expensive analysis equipment such as a fluorescence analyzer, quantitative or semi-quantitative methods using electrochemical reactions are recently preferred because they can be easily measured with simple operation without expensive equipment.
종래기술에 따른 면역반응을 응용한 바이오센서의 가장 큰 특징은 전자전달 매개체가 사용된다는 점이다. 종래 이러한 전자전달 매개체로는 페로센 및 페로센 유도체; 퀴논 및 퀴논 유도체; 헥사아민 루테늄, 오스뮴 함유 고분자 및 포타슘 페리시아나이드 등과 같은 전이금속 함유 유무기 물질; 유기 전도성 염 또는 바이오매스 등과 같은 전자전달 유기물 등이 사용되어 왔다. 그러나, 상술한 전자전달 매개체들은 생물학적 측정물질 중의 아스코르브산, 아세토아미노펜, 요산 등과 같은 다양한 방해물질의 방해를 받게 되므로, 정확한 측정이 불가능하다는 문제점이 있다.The most notable feature of a biosensor using an immune response according to a conventional technology is that an electron transfer mediator is used. Conventionally, as such electron transfer mediators, ferrocene and ferrocene derivatives; quinone and quinone derivatives; organic and inorganic materials containing transition metals such as hexaamine ruthenium, osmium-containing polymers, and potassium ferricyanide; and electron transfer organic substances such as organic conductive salts or biomass have been used. However, the above-mentioned electron transfer mediators are subject to interference from various interfering substances such as ascorbic acid, acetaminophen, and uric acid among biological measurement substances, and therefore, there is a problem in that accurate measurement is impossible.
그리고 종래의 바이오센서들은 신호발생원으로 형광 물질 또는 방사성 동위 원소를 사용하였다. 그런데, 고가의 측정 장비가 필요하게 되고, 효소-기질 반응에 있어서 기질에 콜로이드 금속 등의 신호발생원을 부착하게 되면 기질의 물리적 특성 변화를 초래하여 정확한 측정이 불가능했었다. 일반적으로 저분자 물질인 기질에 캐리어 단백질 등을 부착시키게 되면 반응 동력학적인 측면에 오차가 발생될 수 있었다. 그리고, 신호발생원에 부착되는 기질의 숫자를 임의로 조절할 수가 없어서 제조 배치(batch) 간의 차이를 초래할 염려가 있다는 문제점이 있었다.And conventional biosensors used fluorescent substances or radioactive isotopes as signal sources. However, expensive measuring equipment was required, and when a signal source such as colloidal metal was attached to the substrate in the enzyme-substrate reaction, the physical properties of the substrate changed, making accurate measurement impossible. In general, when carrier proteins were attached to a substrate, which is a low-molecular substance, errors in the reaction kinetics could occur. In addition, there was a problem that the number of substrates attached to the signal source could not be arbitrarily controlled, which could cause differences between manufacturing batches.
따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은 기질 또는 대사시작 물질에 분자량이 작은 전기화학적 신호발생원을 직접 결합시킴으로써 기질 또는 대사시작 물질의 물리적 특성 변화를 최소화하고, 또한 기질 또는 대사시작 물질에 결합되는 전기화학적 신호발생원의 특징을 임의로 조절가능할 수 있는 생물학적 분석물의 성분 검출을 위한 효소-기질 반응 기반의 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법을 제공하는 것이다. Accordingly, the present invention is intended to solve the problems of the above-mentioned prior art, and a first object of the present invention is to provide an enzyme-substrate reaction-based biosensor for detecting components of a biological analyte, which minimizes changes in the physical properties of a substrate or a metabolic initiating substance by directly binding an electrochemical signal generator having a small molecular weight to the substrate or a metabolic initiating substance, and further enables arbitrarily controlling the characteristics of the electrochemical signal generator bound to the substrate or the metabolic initiating substance, and a detection method using the same.
본 발명의 제 2 목적은 신호발생원으로부터의 신호 검출을 위한 추가적 시약 도입 없이도 정확한 정량적 측정이 가능하며, 여러 종류의 신호발생원을 사용하여 다양한 분석물을 한 종류의 테스트 센서 스트립만으로도 편리하고 신속하게 측정할 수 있는 생물학적 분석물의 성분 검출을 위한 효소-기질 반응 기반의 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법을 제공하는 것이다. The second object of the present invention is to provide an enzyme-substrate reaction-based biosensor for detection of components of a biological analyte, which enables accurate quantitative measurement without introducing additional reagents for signal detection from a signal generation source, and which can conveniently and quickly measure various analytes using only one type of test sensor strip using various types of signal generation sources, and a detection method using the same.
본 발명의 제 3 목적은 효소-기질 반응의 최종산물에 전기화학적 특성을 이용하여 전극에 직접 반응하는 전자전달 매개체의 역할을 이용한 바이오센서로 2차원 뿐만 아니라 3차원 적층구조를 이용한 센서 표면을 이용하여 생물학적 또는 환경학적 물질의 정성적 또는 정량적 측정할 수 있는 생물학적 분석물의 성분 검출을 위한 효소-기질 반응 기반의 바이오센서 및 이를 이용한 검출방법을 제공하는 것이다. The third object of the present invention is to provide a biosensor based on an enzyme-substrate reaction for detecting components of biological analytes capable of qualitatively or quantitatively measuring biological or environmental substances by using a sensor surface having a three-dimensional as well as two-dimensional layered structure, and a detection method using the same, by utilizing the role of an electron transfer mediator that directly reacts to an electrode by utilizing the electrochemical properties of the final product of an enzyme-substrate reaction.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the description below.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 기판(80) 상에 설치되고, 상호 소정 간격으로 이격된 채 노출되어 분석물과 접할 수 있는 한쌍의 전극; 전극 상에 코팅되고, 음극으로 여기되는 필터(50); 및 분석물로부터 필터(50)를 통과한 전자전달 매개체(20)에 대해 소정 전압을 인가하였을 때 전극 사이에 발생하는 출력전류(110)를 출력하는 단자(90);를 포함하고, 전자전달 매개체(20)는 효소-기질 반응에 기반한 양전하의 물질이 기질에 공유결합된 것을 특징으로 하는 생물학적 분석물의 성분 검출을 위한 효소-기질 반응 기반의 바이오센서가 제공된다. In order to achieve the above technical task, a biosensor based on an enzyme-substrate reaction for detecting components of a biological analyte is provided, comprising: a pair of electrodes installed on a substrate (80), exposed while being spaced apart from each other by a predetermined interval and capable of coming into contact with an analyte; a filter (50) coated on the electrodes and excited as a cathode; and a terminal (90) for outputting an output current (110) generated between the electrodes when a predetermined voltage is applied to an electron transfer mediator (20) that has passed through the filter (50) from the analyte; wherein the electron transfer mediator (20) is characterized in that a positively charged substance based on an enzyme-substrate reaction is covalently bonded to a substrate.
또한, 소정 전압을 위해 서로 다른 복수의 정전압을 인가하도록 제어하는 제어부(120)를 더 포함한다. In addition, it further includes a control unit (120) that controls to apply different plural constant voltages for a predetermined voltage.
또한, 한쌍의 전극은 기판(80) 상에 노출되는 2차원 전극(75b)이거나 기판(80) 상에 돌출되는 3차원 전극(60a, 60b)이다.Additionally, one pair of electrodes is a two-dimensional electrode (75b) exposed on the substrate (80) or a three-dimensional electrode (60a, 60b) protruding on the substrate (80).
상기와 같은 본 발명의 목적은 또 다른 카테고리로써, 전술한 바이오센서를 이용한 생물학적 분석물의 성분 검출방법에 있어서, 생물학적 검체로부터 분석물을 준비하는 단계(S100); 분석물이 효소-기질 반응 또는 대사반응을 수행하여 전기전달 매개체(20)인 양전하 물질이 공유결합으로 결합되어 있는 부분을 포함하여 분리되는 단계(S200); 전자전달 매개체(20)가 음극으로 여기된 필터(50)를 통과하는 단계( S300); 필터(50)를 통과한 전자전달 매개체(20)가 소정 전압이 인가된 한쌍의 전극 사이에서 전류를 발생시키는 단계(S400); 및 전극과 연결된 단자를 통해 전류를 출력전류(110)로 출력함으로서 출력전류(110)에 기초하여 분석물의 성분을 검출하는 단계(S500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 효소-기질 반응 기반의 바이오센서를 이용한 생물학적 분석물의 성분 검출방법에 의해서도 달성될 수 있다. The above-described purpose of the present invention can also be achieved by a method for detecting components of a biological analyte using a biosensor based on an enzyme-substrate reaction, which comprises the steps of: (S100) preparing an analyte from a biological sample; (S200) separating the analyte by performing an enzyme-substrate reaction or a metabolic reaction to include a portion to which a positively charged substance, which is an electron transfer mediator (20), is covalently bonded; (S300) passing the electron transfer mediator (20) through a filter (50) excited as a cathode; (S400) generating a current between a pair of electrodes to which a predetermined voltage is applied by the electron transfer mediator (20) passing through the filter (50); and (S500) detecting a component of the analyte based on the output current (110) by outputting the current as an output current (110) through a terminal connected to the electrodes.
또한, 전체 전하(net charge)가 음전하인 물질은 기질 또는 대사물질이고, 양전하 물질은 신호발생 기능의 양전하 물질이다. Additionally, substances with a net charge of negative are substrates or metabolites, and positively charged substances are positively charged substances with a signal-generating function.
또한, 기질과 양전하 물질 사이의 공유결합은 아민-카르복실 커플링 방법, 티올 커플링 방법, 아비딘-비오틴 커플링 방법, 또는 알데히드 커플링 방법에 의해서 수행될 수 있다. Additionally, the covalent bond between the substrate and the positively charged substance can be performed by an amine-carboxyl coupling method, a thiol coupling method, an avidin-biotin coupling method, or an aldehyde coupling method.
또는, 신호발생 기능의 양전하 물질은 도파민, 양자점(quantum dot), 페로세인(ferrocene), 페로시아니드 (ferrocyanide), 오스뮴, 유로퓸 또는 루테늄 함유 유무기 복합체이다. Alternatively, the positively charged material of signaling function is dopamine, quantum dots, ferrocene, ferrocyanide, osmium, europium or ruthenium containing organic/inorganic complexes.
또한, 효소-기질 반응은 효소반응 단독 또는 효소의 활성화반응에 의해 기질이 분해될 수 있다. Additionally, the enzyme-substrate reaction can result in the substrate being decomposed by the enzyme reaction alone or by the enzyme activation reaction.
또한, 소정 전압은 제어부가 서로 다른 복수의 정전압 중 적어도 하나를 인가하도록 제어함으로써 발생된다. Additionally, the predetermined voltage is generated by controlling the control unit to apply at least one of a plurality of different constant voltages.
또한, 신호발생 기능의 양전하 물질은 1 ~ 1000 Dalton 범위의 저분자이다. Additionally, the positively charged substances of signal generation function are small molecules in the range of 1 to 1000 Dalton.
또한, 상기 신호발생 기능의 양전하 물질에 아민기를 부착하고, 카르복실기가 포함된 기질 및 대사시작물질에 EDC (N-에틸-N'-(디메틸아미노프로필)카르보디 이미드) 및 NHS (N-히드록시숙신이미드)를 사용하여 공유반응을 일으킬 수 있다. In addition, an amine group can be attached to the positively charged substance of the above signal generation function, and a covalent reaction can be induced using EDC (N-ethyl-N'-(dimethylaminopropyl)carbodiimide) and NHS (N-hydroxysuccinimide) for a substrate and a metabolic initiator containing a carboxyl group.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기질 또는 대사시작 물질에 분자량이 작은 전기화학적 신호발생원을 직접 결합시킴으로써 기질 또는 대사시작 물질의 물리적 특성 변화를 최소화할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, by directly binding a small molecular weight electrochemical signal generator to a substrate or a metabolic initiating substance, changes in the physical properties of the substrate or metabolic initiating substance can be minimized.
또한 기질 또는 대사시작 물질에 결합되는 전기화학적 신호발생원의 특성을 임의로 조절 가능하여 신호발생원으로부터의 신호 검출을 위한 추가 시약 도입 없이도 정확한 측정이 가능하다. In addition, the characteristics of the electrochemical signal generator bound to the substrate or metabolic initiator can be arbitrarily controlled, enabling accurate measurement without introducing additional reagents for signal detection from the signal generator.
또한, 여러 종류의 신호발생원을 사용하여 다양한 분석물을 한 종류의 테스트 스트립만으로도 편리하고 신속하게 측정할 수 있다. Additionally, by using various types of signal sources, various analytes can be conveniently and quickly measured with only one type of test strip.
또한, 기질 또는 대사시작 물질에 분자량이 작은 전기화학적 신호발생원을 직접 결합시킴으로써 기질 또는 대사시작 물질의 물리적 특성 변화를 최소화하고, 추가 시약 도입 없이도 정확한 측정이 가능하다. In addition, by directly coupling a small molecular weight electrochemical signal generator to a substrate or a metabolic starting substance, changes in the physical properties of the substrate or metabolic starting substance are minimized, and accurate measurement is possible without introducing additional reagents.
또한, 여러 종류의 신호발생원을 사용하여 다양한 분석물을 한 종류의 테스트 스트립만으로도 편리하고 신속하게 측정할 수 있다. Additionally, by using various types of signal sources, various analytes can be conveniently and quickly measured with only one type of test strip.
또한, 전극에 서로 다른 정전압을 인가함으로써 다른 성분을 검출할 수 있다. Additionally, different components can be detected by applying different constant voltages to the electrodes.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects obtainable from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 통상적인 효소-기질 반응의 직접 반응에 관한 개략적인 반응도,
도 2는 통상적인 효소-기질 반응의 경쟁 반응에 관한 개략적인 반응도,
도 3은 본 발명에 따른 3차원 전극을 갖는 바이오센서(100)의 사시도,
도 4a는 도 3에 도시된 바이오센서(100) 중 한쌍의 3차원 전극(60a, 60b)의 사시도,
도 4b는 도 4a에 도시된 3차원 전극(60a, 60b)의 표면에 필터(50)로 코팅된 3차원 전극(70a, 70b)를 나타내는 사시도,
도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예로서 도 3에 도시된 바이오센서(100) 중 한쌍의 2차원 전극(75a, 75b)의 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 효소-기질 반응과 전자매개체(20)로 적용되는 모식도,
도 6은 본 발명에 따른 효소-기질 반응 기반의 바이오센서를 이용한 생물학적 분석물의 성분 검출방법을 나타내는 흐름도이다. The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention described below, serve to further understand the technical idea of the present invention, and therefore, the present invention should not be interpreted as being limited to matters described in such drawings.
Figure 1 is a schematic diagram of the direct reaction of a typical enzyme-substrate reaction.
Figure 2 is a schematic diagram of a competitive reaction of a typical enzyme-substrate reaction.
Figure 3 is a perspective view of a biosensor (100) having a three-dimensional electrode according to the present invention.
Figure 4a is a perspective view of a pair of three-dimensional electrodes (60a, 60b) among the biosensors (100) illustrated in Figure 3.
Figure 4b is a perspective view showing a three-dimensional electrode (70a, 70b) coated with a filter (50) on the surface of the three-dimensional electrode (60a, 60b) illustrated in Figure 4a.
FIG. 4c is a perspective view of a pair of two-dimensional electrodes (75a, 75b) of the biosensor (100) illustrated in FIG. 3 as another embodiment of the present invention.
Figure 5 is a schematic diagram of an enzyme-substrate reaction according to the present invention and application of an electronic mediator (20).
Figure 6 is a flow chart showing a method for detecting components of a biological analyte using a biosensor based on an enzyme-substrate reaction according to the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement the present invention. However, since the description of the present invention is merely an embodiment for structural and functional explanation, the scope of the rights of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiments can be variously modified and can have various forms, the scope of the rights of the present invention should be understood to include equivalents that can realize the technical idea. In addition, the purpose or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment must include all of them or only such effects, and therefore the scope of the rights of the present invention should not be understood as being limited thereby.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.The meanings of terms described in the present invention should be understood as follows.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.The terms "first", "second", etc. are intended to distinguish one component from another, and the scope of the right should not be limited by these terms. For example, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. When a component is referred to as being "connected" to another component, it should be understood that it may be directly connected to the other component, but there may also be another component in between. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between. Meanwhile, other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "directly between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", should be interpreted in the same way.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.A singular expression should be understood to include the plural expression unless the context clearly indicates otherwise, and the terms "comprises" or "have" should be understood to specify the presence of a stated feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but not to exclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein, unless otherwise defined, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the relevant art, and shall not be interpreted as having an ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in the present invention.
바이오센서의 구성Composition of biosensor
본 발명은 도 1은 통상적인 효소-기질 반응의 직접 반응에 관한 개략적인 반응도이고, 도 2는 통상적인 효소-기질 반응의 경쟁 반응에 관한 개략적인 반응도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기질은 특정 효소와 결합하여 효소-기질 복합체를 생성하며, 효소와 분리될 때 특정 생성물을 생성한다. 도 2와 같은 경쟁 반응인 경우 기질 대신 유사기질이 효소와 결합하여 특정 생성물을 생성한다. The present invention relates to a schematic reaction diagram of a direct reaction of a conventional enzyme-substrate reaction, and a schematic reaction diagram of a competitive reaction of a conventional enzyme-substrate reaction. As shown in FIGS. 1 and 2, a substrate binds to a specific enzyme to form an enzyme-substrate complex, and when separated from the enzyme, a specific product is formed. In the case of a competitive reaction such as that of FIG. 2, a pseudosubstrate instead of a substrate binds to the enzyme to form a specific product.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 전극을 갖는 바이오센서(100)의 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(80)은 직육면체 형상이고 일단에는 전기신호의 입력과 출력을 위한 복수개의 단자(90)가 구비된다. 기판(80)의 타단에는 전극(70)이 구비된다. 전극(70)가 상호 이격된 한쌍이 구비되며, 선택적으로 2쌍 이상이 구비될 수 있으며, 각 쌍마다 서로 다른 정전압이 인가되어 서로 다른 성분을 검출할 수 있다. Fig. 3 is a perspective view of a biosensor (100) having a three-dimensional electrode according to the present invention. As shown in Fig. 3, a substrate (80) has a rectangular parallelepiped shape and is provided with a plurality of terminals (90) for inputting and outputting electric signals at one end. An electrode (70) is provided at the other end of the substrate (80). A pair of electrodes (70) spaced apart from each other is provided, and optionally, two or more pairs may be provided, and different constant voltages are applied to each pair to detect different components.
제어부(120)는 기판(80)의 이면에 배치되는 마이컴, CPU 또는 주문형 반도체일 수 있다. The control unit (120) may be a microcomputer, CPU or custom semiconductor placed on the back surface of the substrate (80).
도 4a는 도 3에 도시된 바이오센서(100) 중 한쌍의 3차원 전극(60a, 60b)의 사시도이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 한쌍의 3차원 전극(60a, 60b)은 기판(80)으로부터 돌출된 채 상호 이격되어 있다. 한쌍의 3차원 전극(60a, 60b)이 돌출됨으로써 전극(60a, 60b)만 분석물의 액체에 담그거나 전극(60a, 60b)에만 마이크로 액적을 떨어뜨릴 수 있다. 이격거리는 1mm ~ 10mm 범위에서 적절히 선택될 수 있다. 너무 가까우면 단선될 수 있고, 너무 멀면 전류가 미약할 수 있기 때문이다. 한쌍의 3차원 전극(60a, 60b)은 제어부(120)에 의해 일정한 정전압(예 : 0.2V, 0.5V, 1.0V, 1.2V, 1.4V, ... ,3V)이 인가된다. 서로 다른 정전압에 의해 서로 다른 성분을 검출할 수 있다. 예를 들어, 분석물이 소변인 경우 비타민C가 많으므로 0.5V를 인가하여 오스뮴만을 검출할 수 있다. FIG. 4A is a perspective view of a pair of three-dimensional electrodes (60a, 60b) of the biosensor (100) illustrated in FIG. 3. As illustrated in FIG. 4A, the pair of three-dimensional electrodes (60a, 60b) protrude from the substrate (80) and are spaced apart from each other. Since the pair of three-dimensional electrodes (60a, 60b) protrude, only the electrodes (60a, 60b) can be immersed in the liquid of the analyte or micro droplets can be dropped only on the electrodes (60a, 60b). The separation distance can be appropriately selected in the range of 1 mm to 10 mm. This is because if they are too close, a short circuit may occur, and if they are too far, the current may be weak. A pair of three-dimensional electrodes (60a, 60b) are applied with a constant constant voltage (e.g., 0.2 V, 0.5 V, 1.0 V, 1.2 V, 1.4 V, ..., 3 V) by the control unit (120). Different components can be detected by different constant voltages. For example, if the analyte is urine, which contains a lot of vitamin C, 0.5 V can be applied to detect only osmium.
도 4b는 도 4a에 도시된 3차원 전극(60a, 60b)의 표면에 필터(50)로 코팅된 3차원 전극(70a, 70b)를 나타내는 사시도이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 코팅된 3차원 전극(70a, 70b)은 미세한 세공을 갖는 필터(50)로 표면이 코팅되며, 필터(50)는 음극(-)으로 여기된다. 필터(50)는 도포되거나 씌워질 수 있다. 필터(50)는 멤브레인 막 또는 고분자막이 될 수 있고, 전도성 촉매로 이루어질 수 있다. FIG. 4b is a perspective view showing a three-dimensional electrode (70a, 70b) coated with a filter (50) on the surface of a three-dimensional electrode (60a, 60b) illustrated in FIG. 4a. As illustrated in FIG. 4b, the coated three-dimensional electrode (70a, 70b) has a surface coated with a filter (50) having fine pores, and the filter (50) is excited as a cathode (-). The filter (50) can be applied or covered. The filter (50) can be a membrane film or a polymer film, and can be made of a conductive catalyst.
도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예로서 도 3에 도시된 바이오센서(100) 중 한쌍의 2차원 전극(75a, 75b)의 사시도이다. 한쌍의 2차원 전극(75a, 75b)은 기판(80)과 같은 평면이거나 살짝 돌출된 형상일 수 있다.FIG. 4c is a perspective view of a pair of two-dimensional electrodes (75a, 75b) of the biosensor (100) illustrated in FIG. 3 as another embodiment of the present invention. The pair of two-dimensional electrodes (75a, 75b) may be flat, like the substrate (80), or may have a slightly protruding shape.
검출 원리와 방법Detection Principle and Method
이하에서는 전술한 바이오센서(100)를 이용한 검출 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 우선, 도 5는 본 발명에 따른 효소-기질 반응과 전자전달 매개체(20)로 적용되는 모식도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 음전하(30)는 효소-기질 반응에 따른 기질이나 대사시작물질이 될 수 있다. 일예로는 아미노산 이량체에 금속유도체가 결합된 물질이 될 수 있다. 인비트로(in vitro) 상황에서 아미노산을 효소인 에이스투(ACE2)로 끊어내면 양전자(10)의 금속유도체가 결합된 부분이 생성되고 잘라진 부분의 전체 전하(net charge)가 양전하 또는 중성전하인 물질이 생성된다. Hereinafter, a detection method using the aforementioned biosensor (100) will be described in detail with reference to the attached drawings. First, FIG. 5 is a schematic diagram of an enzyme-substrate reaction and an electron transfer mediator (20) applied according to the present invention. As illustrated in FIG. 5, a negative charge (30) can be a substrate or a metabolic starting material according to an enzyme-substrate reaction. For example, it can be a material in which a metal derivative is bound to an amino acid dimer. When an amino acid is cleaved by an enzyme, ACE2, in vitro, a part in which a metal derivative of a positron (10) is bound is generated, and a material in which the net charge of the cleaved part is a positive charge or a neutral charge is generated.
양전하(10)의 원천은 금속유도체인 신호발생원이다. 양전하(10)는 음전하(30, 40)에 비해 저분자량(1 ~ 1,000 Dalton 범위)이다. 이는 기질 또는 대사시작물질의 물리적 특성 변화를 최소화하고, 추가 시약 도입 없이도 정확한 측정이 가능하도록 하기 위함이다. 양전하(10)는 도파민, 양자점(quantum dot), 페로세인(ferrocene), 페로시아니드 (ferrocyanide), 오스뮴, 유로퓸 또는 루테늄 함유 유무기 복합체가 될 수 있다. The source of the positive charge (10) is a signal generator which is a metal derivative. The positive charge (10) has a low molecular weight (1 to 1,000 Dalton range) compared to the negative charge (30, 40). This is to minimize changes in the physical properties of the substrate or the starting metabolite and to enable accurate measurement without introducing additional reagents. The positive charge (10) can be an organic/inorganic complex containing dopamine, quantum dots, ferrocene, ferrocyanide, osmium, europium or ruthenium.
종래의 바이오센서에서 신호발생원을 부착시키는 방법은 분자량이 큰 운반단백질과 결합된 형태의 항원에 직접 신호발생원을 붙여 놓은 것이다. 이로써 추가로 항원-항체 반응을 이용하여 결합시키는 방법을 이용하여 전기신호 발생원의 세기를 증가시키는데 한계가 있었다. In conventional biosensors, the method of attaching a signal generator is to attach the signal generator directly to an antigen in the form of a large molecular weight carrier protein. This has limited the ability to increase the intensity of the electric signal generator by additionally using a method of binding through an antigen-antibody reaction.
음전하(30) 중 적어도 일부 물질과 양전하(10)는 서로 공유결합을 하여 효소-기질반응의 기질이 된다. 이러한 공유결합은 아민-카르복실 커플링 방법, 티올 커플링 방법, 아비딘-비오틴 커플링 방법, 또는 알데히드 커플링 방법에 의해서 수행될 수 있다. At least some of the negatively charged substances (30) and the positively charged substances (10) covalently bond with each other to become substrates for enzyme-substrate reactions. This covalent bond can be performed by an amine-carboxyl coupling method, a thiol coupling method, an avidin-biotin coupling method, or an aldehyde coupling method.
공유결합된 음전하(30)의 일부물질과 양전하(10)는 양전하나 중성전하를 띄게 되며 음극으로 여기된 필터(50)를 통과하여 전극(60a, 60b)에 닿게 된다. 이렇게 통과된 전자전달 매개체(20)는 일정 전압이 걸린 전극(60a, 60b) 사이에서 전자를 전달하여 출력전류(110)를 발생시킨다. 따라서 이러한 출력전류(110)의 전류량에 비례하여 분석물 중의 기질이나 대사물질의 농도를 산출하거나 효소-기질 반응이 있었음을 확인할 수 있다. 그리고, 정전압의 전압을 달리하면 다른 성분을 검출할 수 있다. 이러한 검출은 정량적 검출 및/또는 정성적 검출이 된다. Some substances of the covalently bonded negative charge (30) and positive charge (10) have a positive or neutral charge and pass through the cathode-excited filter (50) to reach the electrodes (60a, 60b). The electron transfer mediator (20) passed in this way transfers electrons between the electrodes (60a, 60b) to which a certain voltage is applied, thereby generating an output current (110). Accordingly, the concentration of the substrate or metabolite in the analyte can be calculated in proportion to the amount of the output current (110), or it can be confirmed that an enzyme-substrate reaction has occurred. In addition, if the voltage of the constant voltage is changed, other components can be detected. This detection is quantitative detection and/or qualitative detection.
한편, 전극에 전자를 전달한 전자전달 매개체(20)는 전극 표면에 전자발생이 되는 별도의 효소-기질이 존재하여 전자를 발생할 경우 전자 전달 과정을 반복할 수 있다. Meanwhile, the electron transfer mediator (20) that transfers electrons to the electrode can repeat the electron transfer process if a separate enzyme-substrate that generates electrons exists on the electrode surface and generates electrons.
반면, 전체 전하가 음전하(40)(예 : 전체 전하가 음전하인 아미노산 또는 단백질), 그 결합체 또는 전자전달 매개체를 포함한 음전하의 분자는 음극으로 여기된 필터(50)와 반력이 작용하므로 필터(50)를 통과하지 못한다. 따라서, 전극(60a, 60b)에는 통과한 전자전달 매개체(20)만에 의한 전류가 생성된다. 이러한 전류를 검출함으로서 효소-기질 반응이 있었음을 확인할 수 있다. On the other hand, molecules with negative charges including total charges of negative charges (40) (e.g., amino acids or proteins with total charges of negative charges), their complexes, or electron transfer mediators react with the filter (50) excited as a cathode and thus do not pass through the filter (50). Accordingly, current is generated at the electrodes (60a, 60b) only by the electron transfer mediator (20) that has passed through. By detecting this current, it is possible to confirm that an enzyme-substrate reaction has occurred.
도 6은 본 발명에 따른 효소-기질 반응 기반의 바이오센서를 이용한 생물학적 분석물의 성분 검출방법을 나타내는 흐름도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 먼저, 생물학적 검체로부터 대상이 되는 분석물을 준비한다(S100). 분석물의 채취는 날숨, 채타액, 채혈, 채뇨 및 스왑 등에 의해서 이루어질 수 있다. 채취된 분석물은 저장부에 분주되어 있던 효소 등과 혼합된다. Figure 6 is a flow chart showing a method for detecting components of a biological analyte using a biosensor based on an enzyme-substrate reaction according to the present invention. As shown in Figure 6, first, a target analyte is prepared from a biological sample (S100). The analyte can be collected by exhaled breath, saliva, blood collection, urine collection, swab, etc. The collected analyte is mixed with an enzyme, etc., which has been dispensed into a storage unit.
그 다음, 분석물이 효소-기질 반응 또는 대사반응을 수행하여 전기전달 매개체(20)인 양전하 물질이 공유결합으로 결합되어 있는 부분을 포함한 부분을 분리하여 양전하 또는 중성물질을 생성한다(S200). 또한, 효소-기질 반응은 효소반응 단독 또는 효소의 활성화반응에 의해 기질이 분해될 수 있다. 즉, 기질과 대사 시작 물질과 효소 등의 사이에 기질 또는 대사 시작물질과의 반응에 의하여 분리 반응이 일어난다. 이때 신호발생원이 포함된 부분이 결합되어 있는 부분을 잘라낼 수 있고, 이때 변성된 조각의 전체 전하량의 값을 이용하여 필터를 통과하는 매개체로 전환시킬 수 있다. 신호발생원은 구체적으로는 신호발생 기능의 양전하 물질에 아민기를 부착하고, 카르복실기가 포함된 기질 및 대사시작물질에 EDC (N-에틸-N'-(디메틸아미노프로필)카르보디 이미드) 및 NHS (N-히드록시숙신이미드)를 사용하여 공유반응을 일으킬 수 있다.Next, the analyte performs an enzyme-substrate reaction or a metabolic reaction to separate a portion including a portion to which a positively charged substance, which is an electrical transfer mediator (20), is covalently bonded, thereby generating a positively charged or neutral substance (S200). In addition, the enzyme-substrate reaction may be a substrate decomposition by an enzyme reaction alone or an enzyme activation reaction. That is, a separation reaction occurs between the substrate, the metabolic initiator, and the enzyme, etc., through a reaction with the substrate or the metabolic initiator. At this time, the portion to which the portion including the signal generator is bound can be cut off, and at this time, the value of the total charge of the denatured fragment can be used to convert it into a mediator that passes through the filter. Specifically, the signal generator can attach an amine group to the positively charged substance of the signal generation function, and cause a covalent reaction using EDC (N-ethyl-N'-(dimethylaminopropyl)carbodiimide) and NHS (N-hydroxysuccinimide) on the substrate and metabolic initiator containing a carboxyl group.
그 다음, 전자전달 매개체(20)가 음극으로 여기된 필터(50)를 통과한다(S300). 반면, 2가의 음전하(40) 또는 그 결합체는 음극으로 여기된 필터(50)와 반력이 작용하므로 필터(50)를 통과하지 못한다. 따라서, 전극(60a, 60b)에는 통과한 전자전달 매개체(20)만에 의한 전류가 생성된다. Next, the electron transfer medium (20) passes through the cathode-excited filter (50) (S300). On the other hand, the two negative charges (40) or their combinations do not pass through the filter (50) because they exert a repulsive force on the cathode-excited filter (50). Therefore, a current is generated at the electrodes (60a, 60b) only by the electron transfer medium (20) that has passed through.
그 다음, 필터(50)의 세공을 통과한 전자전달 매개체(20)가 소정 전압이 인가된 한쌍의 전극 사이에서 전류를 발생시킨다(S400). Next, the electron transfer medium (20) that has passed through the pores of the filter (50) generates a current between a pair of electrodes to which a predetermined voltage is applied (S400).
그 다음, 전극과 연결된 단자를 통해 상기 전류를 출력전류(110)로 출력함으로서 출력전류(110)에 기초하여 분석물의 성분을 검출한다(S500). 이러한 출력전류(110)를 검출함으로서 효소-기질 반응이 있었음을 확인할 수 있다. 한편, 전자를 전달한 전자전달 매개체(20)는 필터(50)를 역으로 통과할 수 있고, 이러한 과정을 반복하게 된다. Next, the current is output as an output current (110) through a terminal connected to the electrode, thereby detecting the component of the analyte based on the output current (110) (S500). By detecting this output current (110), it is possible to confirm that an enzyme-substrate reaction has occurred. Meanwhile, the electron transfer mediator (20) that has transferred electrons can pass through the filter (50) in reverse, and this process is repeated.
만약, 다른 성분을 검출하고자 하는 경우, 제어부(120)는 전극(60a, 60b)에 1.0V의 정전압 대신 1.4V의 정전압을 인가한 뒤, 전술한 과정을 반복한다. If a different component is to be detected, the control unit (120) applies a constant voltage of 1.4 V instead of a constant voltage of 1.0 V to the electrodes (60a, 60b) and then repeats the above-described process.
본 발명 제1형태는 효소-기질 반응 등에 직접 참여하는 기질 또는 대사 시작 물질이 경쟁 반응 기작에 직접 도입되어 생물학적 또는 환경학적 물질의 정성 및 정량적 측정 방법을 제공하고, 이는 검체로부터 분석 대상이 되는 분석물을 채취하는 단계: 상기 분석물 중 효소-기질 반응의 기질부분과 효소와의 반응을 수행하는 단계; 상기 분석물 중의 효소-기질 반응의 기질부분과 동일한 아미노산 배열과 같이 동일한 반응 부위를 포함하는 기질과 상기 효소 사이의 분해 반응을 수행하는 단계; 상기 효소-기질 반응으로부터의 분광학적 및 전기화학적 신호를 검출하는 단계; 상기 신호를 검출하는 센서는 3차원 구조 또는 2차원 구조의 다전극을 이루고 있어 반응 신호를 인식하는데 최적화하여 신호 검출을 수행하는 단계; 및 상기 전극의 표면에 필터가 존재하여 선택적으로 전자매개체가 이동하는 단계를 포함하며, 상기 직접 반응에 참여하는 기질 또는 동일한 반응 부위를 포함하는 기질은 공유 결합에 의해서 부착된 신호발생원을 포함하는 것을 특징으로 한다. The first aspect of the present invention provides a method for qualitatively and quantitatively measuring biological or environmental substances by directly introducing a substrate or a metabolic initiator that directly participates in an enzyme-substrate reaction, etc. into a competitive reaction mechanism, and this method comprises the steps of collecting an analyte to be analyzed from a sample; performing a reaction between a substrate portion of the enzyme-substrate reaction in the analyte and an enzyme; performing a decomposition reaction between a substrate including the same reaction site, such as the same amino acid sequence as the substrate portion of the enzyme-substrate reaction in the analyte, and the enzyme; detecting spectroscopic and electrochemical signals from the enzyme-substrate reaction; performing signal detection by optimizing the recognition of the reaction signal by a sensor detecting the signal as a multi-electrode having a three-dimensional structure or a two-dimensional structure; and performing a filter present on the surface of the electrode so that an electron mediator selectively moves, wherein the substrate participating in the direct reaction or the substrate including the same reaction site includes a signal generator attached by a covalent bond.
또한 본 발명 제2형태는 효소-기질 반응 등에 효소 활성화 및 반응 활성화 물질 형태로 측정 반응에 참여하여 생물학적 또는 환경학적 물질의 정성 및 정량적 측정 방법을 제공하고, 이는 검체로부터 분석 대상이 되는 분석물을 채취하는 단계: 상기 분석물 중의 하나의 성분이 효소 또는 반응시작 물질의 활성화 부분에 결합하는 단계; 상기 분석물 중 효소-기질 반응의 기질부분과 효소와의 반응을 수행하는 단계; 상기 분석물 중의 효소-기질 반응의 기질부분과 동일한 아미노산 배열과 같이 동일한 반응 부위를 포함하는 기질과 상기 효소 사이의 분해 반응을 수행하는 단계; 상기 효소-기질 반응으로부터의 분광학적 및 전기화학적 신호를 검출하는 단계; 상기 신호를 검출하는 센서는 3차원 구조 또는 2차원 구조의 다전극을 이루고 있어 반응 신호를 인식하는데 최적화하여 신호 검출을 수행하는 단계; 및 상기 전극의 표면에 필터가 존재하여 선택적으로 전자매개체가 이동하는 단계를 포함하며, 상기 반응에 참여하는 기질 또는 동일한 반응 부위를 포함하는 기질은 공유 결합에 의해서 부착된 신호발생원을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the second aspect of the present invention provides a method for qualitatively and quantitatively measuring biological or environmental substances by participating in a measurement reaction in the form of enzyme-activated and reaction-activated substances in enzyme-substrate reactions, etc., and which comprises the steps of collecting an analyte to be analyzed from a sample; the step of binding one component of the analyte to an activated portion of an enzyme or a reaction-initiating substance; the step of performing a reaction between the substrate portion of the enzyme-substrate reaction in the analyte and the enzyme; the step of performing a decomposition reaction between the enzyme and the substrate including the same reaction site, such as the same amino acid sequence as the substrate portion of the enzyme-substrate reaction in the analyte; the step of detecting spectroscopic and electrochemical signals from the enzyme-substrate reaction; the step of performing signal detection by optimizing the recognition of the reaction signal by forming a multi-electrode having a three-dimensional structure or a two-dimensional structure for the sensor detecting the signal; and the step of having a filter on the surface of the electrode so that an electron medium selectively moves, wherein the substrate participating in the reaction or the substrate including the same reaction site includes a signal generator attached by a covalent bond.
또한 본 발명 제3형태는 효소에 기질 또는 대사 시작 물질이 되는 성분이 경쟁 반응 메커니즘을 이용한 생물학적 또는 환경학적 물질의 정성 및 정량적 측정 방법을 제공하고, 이는 검체로부터 분석 대상이 되는 분석물을 채취하는 단계: 상기 분석물 중 효소-기질 반응의 기질부분과 효소와의 반응을 수행하는 단계; 상기 분석물 중의 효소-기질 반응의 기질부분과 동일한 아미노산 배열과 같이 동일한 반응 부위를 포함하는 기질과 상기 효소 사이의 분해 반응을 수행하는 단계; 상기 효소-기질 반응으로부터의 분광학적 및 전기화학적 신호를 검출하는 단계; 상기 신호를 검출하는 센서는 3차원 구조 또는 2차원 구조의 다전극을 이루고 있어 반응 신호를 인식하는데 최적화하여 신호 검출을 수행하는 단계; 및 상기 전극의 표면에 필터가 존재하여 선택적으로 전자매개체가 이동하는 단계를 포함하며, 상기 반응에 참여하는 기질 또는 동일한 반응 부위를 포함하는 기질은 공유 결합에 의해서 부착된 신호발생원을 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the third aspect of the present invention provides a method for qualitatively and quantitatively measuring a biological or environmental substance using a competitive reaction mechanism in which a component that serves as a substrate or a metabolic initiator for an enzyme is used, comprising the steps of: collecting an analyte to be analyzed from a sample; performing a reaction between a substrate portion of an enzyme-substrate reaction in the analyte and an enzyme; performing a decomposition reaction between a substrate including the same reaction site, such as the same amino acid sequence as the substrate portion of the enzyme-substrate reaction in the analyte, and the enzyme; detecting spectroscopic and electrochemical signals from the enzyme-substrate reaction; performing signal detection by optimizing the recognition of a reaction signal by a sensor that detects the signal as a multi-electrode having a three-dimensional structure or a two-dimensional structure; and a step in which a filter exists on the surface of the electrode so that an electron mediator selectively moves, wherein the substrate participating in the reaction or the substrate including the same reaction site includes a signal generator attached by a covalent bond.
본 발명에 따른 바이오센서를 이용한 생물학적 또는 환경학적 물질의 정성 및 정량적 측정 방법은, 신호발생원의 부착 반응에서 기질 또는 기질과 동일한 반응 부위를 포함하는 성분에 공유 결합에 의해서 저분자량의 신호발생원을 직접 부착시킨다는 특징을 갖는다.The method for qualitative and quantitative measurement of biological or environmental substances using a biosensor according to the present invention has the characteristic of directly attaching a low molecular weight signal generator to a substrate or a component containing the same reaction site as the substrate by covalent bonding in the attachment reaction of the signal generator.
기질 및 대사물질 또는 기질 및 대사물질과 동일한 반응 부위를 포함하는 성분과 신호발생원과의 공유 결합은 아민-카르복실 커플링 방법, 티올 커플링 방법, 아비딘-비오틴 커플링 방법, 또는 알데히드 커플링 방법 등과 같이 공유결합 반응에 사용되는 화학결합 반응에 의해서 수행될 수 있다. 이중 아민-카르복실 커플링 방법을 예로 들면, 신호 발생원에 아민기를 부착하고, 카르복실기가 존재하거나 부착하여 만든 기질 및 대사시작물질(또는 동일한 반응 부위를 포함하는 물질)을 준비한 뒤, EDC (N-에틸-N'-(디메틸아미노프로필)카르보디 이미드) 및 NHS (N-히드록시숙신이미드) 등을 사용한 커플링 반응을 수행하게 된다. 이때 EDC 단독으로 반응을 진행하는 방법도 가능하다. 이때 기질 및 대사시작물질의 아민기의 개수를 조절함으로써 신호발생원과 기질 등에 결합수를 조절할 수 있게 되고, 효소-기질 반응 대비 신호발생원의 신호 기여량을 당량적으로 확인할 수 있다. 또한 신호 발생원의 특성에 따라 환원전위값의 변화와 방출파장의 변화를 주어 하나의 센서 스트립에서 2개 이상의 신호 측정이 가능하다.The covalent bonding of a signal generator with a substrate and a metabolite or a component including the same reaction site as the substrate and metabolite can be performed by a chemical bonding reaction used in a covalent bonding reaction, such as an amine-carboxyl coupling method, a thiol coupling method, an avidin-biotin coupling method, or an aldehyde coupling method. For example, in the amine-carboxyl coupling method, an amine group is attached to a signal generator, and a substrate and a metabolite (or a substance including the same reaction site) in which a carboxyl group is present or attached are prepared, and then a coupling reaction using EDC (N-ethyl-N'-(dimethylaminopropyl)carbodiimide) and NHS (N-hydroxysuccinimide) is performed. At this time, a method of performing the reaction using EDC alone is also possible. At this time, by controlling the number of amine groups of the substrate and metabolite, the number of bonds between the signal generator and the substrate can be controlled, and the signal contribution amount of the signal generator can be confirmed equivalently compared to the enzyme-substrate reaction. Additionally, by changing the reduction potential value and emission wavelength depending on the characteristics of the signal source, it is possible to measure two or more signals from one sensor strip.
상기 신호발생원으로는, 전기적인 신호를 직접 발생하거나, 전자전달 매개체로의 역할을 수행할 수 있는 성질을 가지고 있는 물질로 기질 또는 대사 초기물질에 접근성이나 운동학적인 물리적 특성에 변화를 최소화하기 위하여 1000 Dalton 이하의 저분자가 바람직하다.As the signal generator, a small molecule of 1000 Daltons or less is preferable in order to minimize changes in accessibility to substrates or metabolic initiators or in kinetic physical properties, and a substance that can directly generate an electrical signal or act as an electron transfer mediator is used.
상술한 분자량 범위를 만족시키는 신호발생원의 구체적인 예로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 도파민, 철, 페로시아니드 (ferrocyanide), 오스뮴, 유로퓸 또는 루테늄 함유 유무기 복합체 등을 들 수 있다. 유무기 복합체는 전기 전달 관련 신호발생부로 기능하는 유기 또는 금속 부분 이외에 기질 또는 대사시작 물질과의 공유 결합을 위한 유기물 작용기 부분을 포함한다. Specific examples of signal generators satisfying the above-described molecular weight ranges include, but are not limited to, inorganic/organic complexes containing dopamine, iron, ferrocyanide, osmium, europium, or ruthenium. The inorganic/organic complexes include, in addition to the organic or metal moiety that functions as the signal generator for electrical transmission, an organic functional group moiety for covalent bonding with a substrate or a metabolite.
신호발생원과 부착된 기질 또는 대사시작물질은 동결건조 등의 형태로 저장부에 일정량 분주되어 있고, 분석물 채취에 의해서 검체로부터의 날숨, 채타액, 채혈, 채뇨 및 스왑 등과 같은 분석물이 유입되면 저장부에 분주되어 있던 효소 등이 분석물과 혼합된다. 이어서 경쟁 반응과 활성화 반응의 경우 기질 및 대사 시작 물질과 반응이 수행된다.A substrate or metabolic initiator attached to a signal generator is dispensed in a certain amount in the form of freeze-drying, etc., into the storage unit, and when analytes such as exhaled breath, saliva, blood, urine, and swabs from the sample are introduced through analyte collection, enzymes, etc. dispensed into the storage unit are mixed with the analytes. Then, in the case of a competitive reaction and an activated reaction, a reaction is performed with the substrate and metabolic initiator.
이어서 기질과 대사 시작 물질과 효소 등의 사이에 기질 또는 대사 시작물질과의 반응에 의하여 분리 반응에 의해 신호발생원과 결합되어 있는 부분을 잘라낼 수 있고, 이때 변성된 조각의 전체 전하량의 값을 이용하여 필터를 통과하는 매개체로 전환시킬 수 있다. 이를 이용하여 비로서 전자전달매개체가 전극에 도달 가능하므로 전기적인 신호 또는 분광학적인 신호 발생에 기여하는 원리이다.Then, the part that is combined with the signal generator can be cut off by the separation reaction between the substrate or metabolic initiator and the enzyme, etc., and at this time, the value of the total charge of the denatured fragment can be used to convert it into a medium that passes through the filter. This is the principle that contributes to the generation of an electrical signal or spectroscopic signal because the electron transfer medium can finally reach the electrode.
본 발명에서는 3차원 전극을 사용함으로 기존 2차원 전극에서 용액과 전극의 접촉되는 접촉면에 한하여 신호 전달이 되는 단점을 입체적으로 제작할 수 있으며, 2차원의 경우에도 여러 부위에 신호 발생원의 결과를 별도로 인식하게 디자인함으로 다중 검사는 물론 높은 효율의 신호 검출이 가능한 시스템을 만들 수 있는 장점도 있다. In the present invention, by using a three-dimensional electrode, the shortcoming of the existing two-dimensional electrode in which signals are transmitted only at the contact surface where the solution and the electrode come into contact can be overcome by manufacturing the electrode in three dimensions. In addition, even in the case of two dimensions, there is an advantage in that a system capable of multiple inspections as well as highly efficient signal detection can be created by designing the results of signal generation sources to be recognized separately at multiple locations.
예를 들어, 도 5에서 설명하면 전극 표면에 음전하를 띤 고분자를 필터형태로 전극에 직접 결합시키면 음전하를 띈 전자전달매개체를 포함한 분자는 통과가 되지 않으나, 효소-기질 반응에 의하여 분리된 이후에 전자전달매개체가 결합되어 있는 반응물은 양전화나 중성전하를 띄게 되면 전극 표면으로 이동이 가능하여 전기적인 신호 또는 분광학적인 신호를 발생시킨다. For example, as explained in Fig. 5, if a negatively charged polymer is directly bound to the electrode surface in the form of a filter, molecules including a negatively charged electron transfer mediator cannot pass through, but after separation through an enzyme-substrate reaction, a reactant to which an electron transfer mediator is bound can move to the electrode surface when it becomes positively or neutrally charged, thereby generating an electrical signal or a spectroscopic signal.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.The detailed description of the preferred embodiments of the present invention disclosed above has been provided to enable those skilled in the art to implement and practice the present invention. While the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the scope of the present invention. For example, those skilled in the art can utilize each of the configurations described in the above-described embodiments in a manner that combines them. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention. Accordingly, the above detailed description should not be construed in all aspects as restrictive but rather as illustrative. The scope of the present invention should be determined by a reasonable interpretation of the appended claims, and all changes coming within the equivalent scope of the present invention are intended to be embraced therein. The present invention is not intended to be limited to the embodiments set forth herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. In addition, claims that do not have an explicit citation relationship in the claims may be combined to constitute an embodiment or may be included as a new claim by post-application amendment.
10 : 양전하,
20 : 통과하는 전자전달 매개체,
30 : 음전하(또는 음전하 중 일부 물질),
40 : 제 2 음전하,
50 : 필터,
60, 60a, 60b : (미코팅된) 3차원 전극,
70, 70a, 70b : 코팅된 3차원 전극,
75a, 75b : 코팅된 2차원 전극,
80 : 기판,
90 : 단자,
100 : 바이오센서,
110 : 출력전류,
120 : 제어부.10 : positive charge,
20: Transmitting electrons through the medium,
30: Negative charge (or some substance with negative charge),
40: Second negative charge,
50 : Filter,
60, 60a, 60b: (Uncoated) 3D electrodes,
70, 70a, 70b: Coated 3D electrodes,
75a, 75b: Coated 2D electrodes,
80 : substrate,
90 : terminal,
100 : Biosensor,
110 : Output current,
120: Control unit.
Claims (11)
상기 전극 상에 세공으로 코팅되며, 전도성 촉매로 이루어져 음극으로 여기되는 필터(50);
상기 분석물로부터 상기 필터(50)를 통과한 전자전달 매개체(20)에 대해 소정 전압을 인가하였을 때 상기 전극 사이에 발생하는 출력전류(110)를 출력하거나 전기신호를 입력받기 위해 상기 기판(80)의 일측에 구비되는 단자(90); 및
각 쌍의 상기 전극에 서로 다른 복수의 정전압을 인가하도록 제어하는 제어부(120)를 포함하고,
상기 전자전달 매개체(20)는 효소-기질 반응에 기반한 음전하 물질과 양전하의 물질이 공유결합된 것이며,
상기 음전하 물질은 기질 또는 대사물질이고, 상기 양전하 물질은 신호발생 기능의 양전하 물질이며,
상기 기질과 상기 양전하 물질 사이의 공유결합은 아민-카르복실 커플링 방법, 티올 커플링 방법, 아비딘-비오틴 커플링 방법, 또는 알데히드 커플링 방법에 의해서 수행되고,
상기 신호발생 기능의 양전하 물질은 1 ~ 1,000 Dalton 범위의 저분자이며,
상기 2쌍 이상의 전극은 상기 기판(80) 상에 돌출되는 3차원 전극(60a, 60b)이며, 그리고
상기 효소-기질 반응은 효소반응 단독 또는 효소의 활성화반응에 의해 필터표면을 포함한 용액내에서 기질이 분해되는 것을 특징으로 하는 생물학적 분석물의 성분 검출을 위한 효소-기질 반응 기반의 바이오센서.Two or more pairs of electrodes installed on the other side of the substrate (80) and exposed while being spaced apart from each other by a predetermined interval so as to be in contact with the analyte;
A filter (50) coated with pores on the above electrode and made of a conductive catalyst and excited as a cathode;
A terminal (90) provided on one side of the substrate (80) to output an output current (110) generated between the electrodes or to receive an electric signal when a predetermined voltage is applied to the electron transfer medium (20) that has passed through the filter (50) from the above-mentioned analysis material; and
It includes a control unit (120) that controls to apply different multiple constant voltages to each pair of the above electrodes,
The above electron transfer mediator (20) is a covalent bond of a negatively charged substance and a positively charged substance based on an enzyme-substrate reaction.
The above negatively charged substance is a substrate or metabolite, and the above positively charged substance is a positively charged substance having a signal generating function.
The covalent bond between the substrate and the positively charged substance is performed by an amine-carboxyl coupling method, a thiol coupling method, an avidin-biotin coupling method, or an aldehyde coupling method,
The positively charged substance of the above signal generation function is a low molecule in the range of 1 to 1,000 Dalton.
The above two or more pairs of electrodes are three-dimensional electrodes (60a, 60b) protruding on the substrate (80), and
The above enzyme-substrate reaction is a biosensor based on an enzyme-substrate reaction for detecting components of a biological analyte, characterized in that the substrate is decomposed in a solution including a filter surface by an enzyme reaction alone or an enzyme activation reaction.
생물학적 검체로부터 분석물을 준비하는 단계(S100);
상기 분석물이 효소-기질 반응 또는 대사반응을 수행하여 전기전달 매개체(20)인 양전하 물질이 공유결합으로 결합되어 있는 부분을 포함하여 분리되는 단계(S200);
상기 전자전달 매개체(20)가, 전극 상에 세공으로 코팅되며 전도성 촉매로 이루어져 음극으로 여기된 필터(50)를 통과하는 단계( S300);
상기 필터(50)를 통과한 전자전달 매개체(20)가 소정 전압이 인가된 2쌍 이상의 전극 사이에서 전류를 발생시키는 단계(S400); 및
상기 전극과 연결된 단자를 통해 상기 전류를 출력전류(110)로 출력함으로서 상기 출력전류(110)에 기초하여 상기 분석물의 성분을 검출하는 단계(S500);를 포함하고,
상기 2쌍 이상의 전극은 기판(80) 상에 돌출되는 3차원 전극(60a, 60b)이며,
상기 기질과 상기 양전하 물질 사이의 공유결합은 아민-카르복실 커플링 방법, 티올 커플링 방법, 아비딘-비오틴 커플링 방법, 또는 알데히드 커플링 방법에 의해서 수행되고,
상기 신호발생 기능의 양전하 물질은 1 ~ 1,000 Dalton 범위의 저분자이고, 도파민, 양자점(quantum dot), 페로세인(ferrocene), 페로시아니드 (ferrocyanide), 오스뮴, 유로퓸 또는 루테늄 함유 유무기 복합체이며,
상기 소정 전압은 제어부가 서로 다른 복수의 정전압 중 적어도 하나를 인가하도록 제어함으로써 발생되며,
상기 신호발생 기능의 양전하 물질에 아민기를 부착하고,
카르복실기가 포함된 기질 및 대사시작물질에 EDC (N-에틸-N'-(디메틸아미노프로필)카르보디 이미드) 및 NHS (N-히드록시숙신이미드)를 사용하여 공유반응을 일으키고, 그리고
상기 효소-기질 반응은 효소반응 단독 또는 효소의 활성화반응에 의해 필터표면을 포함한 용액내에서 기질이 분해되는 것을 특징으로 하는 효소-기질 반응 기반의 바이오센서를 이용한 생물학적 분석물의 성분 검출방법.In a method for detecting components of a biological analyte using a biosensor according to Article 1,
Step of preparing an analyte from a biological sample (S100);
A step (S200) in which the above-mentioned analyte is separated by performing an enzyme-substrate reaction or metabolic reaction, including a portion to which a positively charged substance, which is an electrical transfer mediator (20), is covalently bonded;
Step (S300) in which the above electron transfer medium (20) passes through a filter (50) coated with pores on an electrode and made of a conductive catalyst and excited as a cathode;
Step (S400) in which the electron transfer medium (20) passing through the above filter (50) generates a current between two or more pairs of electrodes to which a predetermined voltage is applied; and
A step (S500) of detecting a component of the analyte based on the output current (110) by outputting the current as an output current (110) through a terminal connected to the electrode;
The above two or more pairs of electrodes are three-dimensional electrodes (60a, 60b) protruding on the substrate (80).
The covalent bond between the substrate and the positively charged substance is performed by an amine-carboxyl coupling method, a thiol coupling method, an avidin-biotin coupling method, or an aldehyde coupling method,
The positively charged substances having the above signal generating function are low-molecular weight substances in the range of 1 to 1,000 Dalton, and are inorganic and organic complexes containing dopamine, quantum dots, ferrocene, ferrocyanide, osmium, europium or ruthenium.
The above-mentioned predetermined voltage is generated by controlling the control unit to apply at least one of a plurality of different constant voltages,
Attaching an amine group to the positively charged substance of the above signal generating function,
Covalent reactions are performed using EDC (N-ethyl-N'-(dimethylaminopropyl)carbodiimide) and NHS (N-hydroxysuccinimide) on substrates and metabolic starting materials containing carboxyl groups, and
The above enzyme-substrate reaction is a method for detecting components of a biological analyte using a biosensor based on an enzyme-substrate reaction, characterized in that the substrate is decomposed in a solution including a filter surface by the enzyme reaction alone or by an enzyme activation reaction.
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- 2022-12-16 KR KR1020220177333A patent/KR102695332B1/en active Active
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