KR20100006410A - Bio-sensor having sensing electrode and measuring method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 감지전극이 형성된 바이오센서 및 이것을 이용한 시료의 분석 방법에 관한 것으로서, 하부 절연기판에 작업전극에서 기준전극을 뒷쪽으로 시료 통로 영역까지 연장시킨 감지전극을 형성하여, 이를 이용해 시료주입구를 통해 주입된 시료의 정확한 충만 시점을 측정기에서 감지할 수 있게 되고, 결국 시료가 실제 충만된 시점을 스타트 시점으로 활용하여 시료 분석을 수행함으로써 좀더 정확한 결과를 얻을 수 있게 되는 바이오센서 및 시료의 분석 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a biosensor in which a sensing electrode is formed and a method for analyzing a sample using the sensing electrode. The sensing electrode is formed on a lower insulating substrate to extend a reference electrode from the working electrode to the sample passage region, and through the sample inlet. The measuring device can detect the exact filling time of the injected sample, and in the end, the biosensor and the analysis method of the sample can be obtained more precisely by performing sample analysis using the starting point of the actual filling of the sample. It is about.
Description
본 발명은 바이오센서 및 이를 이용한 시료의 분석 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하부 절연기판에 작업전극에서 기준전극을 뒷쪽으로 시료 통로 영역까지 연장시킨 감지전극을 형성하여, 이를 이용해 시료주입구를 통해 주입된 시료의 정확한 충만 시점을 측정기에서 감지할 수 있게 되고, 결국 시료가 실제 충만된 시점을 스타트 시점으로 활용하여 시료 분석을 수행함으로써 좀더 정확한 결과를 얻을 수 있게 되는 바이오센서 및 시료의 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor and a method for analyzing a sample using the same, and more particularly, to form a sensing electrode extending from the working electrode to the sample passage region to the rear of the working electrode on the lower insulating substrate, and using the sample inlet using the same. The measuring device can detect the exact filling time of the injected sample, and in the end, the biosensor and the analysis method of the sample can be obtained more precisely by performing sample analysis using the starting point of the actual filling of the sample. It is about.
바이오센서란 측정 대상물로부터 정보를 얻을 때 생물학적 요소를 이용하거나 생물학적 요소를 모방하는 것을 이용하여 색, 형광, 전기적 신호 등과 같이 인식 가능한 유용한 신호로 변환시켜주는 시스템이라 할 수 있다.A biosensor is a system that converts information into a useful signal that can be recognized, such as color, fluorescence, and electrical signals, by using biological elements or mimicking biological elements when obtaining information from a measurement object.
특히, 생물학적 효소를 이용하는 바이오센서는 우수한 감도 및 반응특이성을 가지므로 의료/의약 분야, 바이오 산업의 공정 계측, 환경 계측, 화학물질의 안정 성 평가 등 광범위한 분야에서 응용이 기대되고 있다. In particular, biosensors using biological enzymes have excellent sensitivity and specificity of reaction, and thus they are expected to be applied in a wide range of fields, such as the medical / medical field, process measurement in the bio industry, environmental measurement, and stability evaluation of chemicals.
생체 내 화학적 성분을 조사한다는 것은 의학적으로 매우 중요하며, 현재 의약 진단 분야에서 혈액 등의 생체시료를 분석하기 위해 바이오센서를 많이 이용하고 있다. Investigating chemical components in vivo is very important medically, and biomedical sensors are widely used to analyze biological samples such as blood in the medical diagnostic field.
그 중 효소와 기질 또는 효소와 저해제의 특이적인 반응을 이용한 효소 분석법 바이오센서는 적용 및 사용이 간편하고 측정감도가 우수하며 신속한 결과를 얻을 수 있는 장점이 있으므로 병원 및 임상 화학분석에 가장 널리 사용된다. Among them, enzyme assay biosensors using specific reactions of enzymes and substrates or enzymes and inhibitors are most widely used in hospital and clinical chemistry analysis because they are easy to apply and use, have excellent measurement sensitivity, and have fast results. .
생체 내 화학적 성분을 조사하기 위한 효소 분석법은 크게 효소 반응 전, 후의 광투광도를 분광학적 방법으로 관찰하는 발색법과, 전기화학적 신호를 측정하는 전극법으로 구분할 수 있다. Enzyme assays for examining chemical components in vivo can be classified into colorimetric methods for observing light transmittance before and after enzymatic reaction by spectroscopic methods and electrode methods for measuring electrochemical signals.
이 중 발색법은 전극법에 비해 측정시간이 길고 많은 양의 시료가 필요하며 생체시료의 혼탁도에 기인한 측정오차 등으로 인해 중요한 생체물질을 분석하는데 어려움이 수반된다. Among them, the color development method requires longer measurement time and requires a large amount of samples, and it is difficult to analyze important biomaterials due to measurement errors due to turbidity of biological samples.
따라서, 최근에는 에칭, 스크린 인쇄, 스퍼터링 등을 이용해 플라스틱 필름(절연성 기판) 위에 복수의 전극들로 이루어진 전극계를 형성하고 분석시약을 전극 상에 고정한 뒤 시료 도입 후 일정 전위를 적용하여 시료 중 특정 물질을 정량적으로 측정하는 전극법이 효소를 이용한 바이오센서에 많이 응용되고 있다. Therefore, in recent years, an electrode system composed of a plurality of electrodes is formed on a plastic film (insulating substrate) by etching, screen printing, sputtering, etc. Electrode method for quantitatively measuring substances has been applied to many biosensors using enzymes.
전극법을 이용하는 경우 바이오센서로부터 생체물질에 대한 정보를 읽게 되는 별도의 측정기가 필요하며, 이 측정기에는 바이오센서의 박막전극과 전기적으로 연결되는 소켓이 구비된다. 이에 바이오센서의 박막전극이 삽입구를 통해 측정기 에 삽입되면 측정기의 소켓에 형성된 단자에 박막전극이 연결되며, 이어 측정기의 전원이 온(ON) 된 상태에서 측정기가 분석 대상인 생체물질에 대한 정보를 받게 된다. In the case of using the electrode method, a separate measuring device for reading information about the biomaterial from the biosensor is required, and the measuring device includes a socket electrically connected to the thin film electrode of the biosensor. When the thin film electrode of the biosensor is inserted into the measuring device through the insertion hole, the thin film electrode is connected to the terminal formed in the socket of the measuring device. Then, the measuring device receives information about the biomaterial to be analyzed while the measuring device is turned on. do.
상기한 전극법의 바이오센서가 널리 적용되고 있는 것 중 하나가 혈당측정기이며, 누구나 쉽게 자신의 혈액을 채취하여 혈액 내 포도당(혈당)의 양을 측정할 수 있게 되어 있다. One of the widely applied biosensors of the electrode method is a blood glucose meter, and anyone can easily collect their own blood and measure the amount of glucose (blood sugar) in the blood.
하루에 2 ~ 3번씩 실시간으로 혈당을 측정해야 하는 인슐린 의존형 환자의 경우 대개 손가락 끝 부분을 바늘 형태의 란셋(lancet)으로 찔러 채혈하는데, 혈당측정기는 채취된 시료(혈액)와 바이오센서 내 반응물질의 전기화학적 반응에 의해 발생하는 전기적 신호로부터 혈당값을 측정하게 된다.In insulin-dependent patients who need to measure blood glucose in real time two or three times a day, the fingertip is usually pierced with a needle-shaped lancet, and the blood glucose meter is used to collect the sample (blood) and the reactants in the biosensor. The blood glucose value is measured from the electrical signal generated by the electrochemical reaction.
즉, 바이오센서의 전극계상에 친수성 고분자와 산화환원효소, 전자수용체로 이루어진 효소반응층이 고정되어, 바이오센서의 시료주입구를 통해 사용자가 기질[포도당(Glucose)]을 포함한 시료(혈액)를 주입하여 상기 효소반응층에 접촉시키면, 효소반응층이 이를 용해하여 시료의 기질과 효소(Enzyme)가 반응하고, 이때 기질이 산화되면서 전자수용체가 환원된다. 이 환원된 전자수용체를 전기화학적으로 산화하여 얻어지는 산화 전류를 측정기를 통해 측정하여 시료 중에 포함된 기질의 농도를 구할 수 있게 된다.In other words, the enzyme reaction layer composed of hydrophilic polymer, oxidoreductase, and electron acceptor is fixed on the electrode system of the biosensor, and the user injects a sample (blood) containing a substrate (glucose) through the sample inlet of the biosensor. By contacting the enzyme reaction layer, the enzyme reaction layer dissolves it, the substrate of the sample and the enzyme (Enzyme) is reacted, and the substrate is oxidized and the electron acceptor is reduced. The oxidation current obtained by electrochemically oxidizing the reduced electron acceptor can be measured through a measuring instrument to determine the concentration of the substrate contained in the sample.
첨부한 도 1과 도 2는 전기화학적 바이오센서의 기본 구성도로서, 이를 참조하여 종래의 바이오센서 구성에 대해 설명하기로 한다. 도 1은 분해사시도이고, 도 2는 조립사시도이다. 1 and 2 are basic configuration diagrams of an electrochemical biosensor, and a configuration of a conventional biosensor will be described with reference thereto. 1 is an exploded perspective view, Figure 2 is an assembled perspective view.
도시된 바와 같이, 바이오센서(10)는 하부 절연기판(11)의 상면(내측면이 됨)에 작업전극(working electrode)(12)과 기준전극(reference electrode)(13)을 길게 적층 형성하고, 상기 작업전극(12)과 기준전극(13)을 가로지르도록 분석시약, 즉 반응효소층(14)을 고정한 형태로 이루어진다. 여기서, 상기 전극(12,13)은 에칭, 스크린 인쇄, 스퍼터링 등과 같은 박막 형성 방법으로 형성된다.As shown in the drawing, the
또한 시료(혈액 등의 검체)가 반응효소층(14) 전체로 적절히 투여될 수 있도록 전극(12,13)이 형성된 하부 절연기판(11) 상측으로 스페이서(15,16)를 적층하고, 상기 스페이서(15,16) 상측으로 상부 절연기판(17)을 적층하여, 상기 스페이서(15,16)에 의해 서로 이격된 상, 하부 절연기판(11,17)이 효소반응층(14) 상측으로 모세관 구조인 시료 통로(18)를 형성하도록 한다. In addition, the
이때, 작업전극(12)과 기준전극(13)은 상기 스페이서(15,16)에 의해 절연되며, 상기 스페이서(15,16)에 의해 상, 하부 절연기판(11,17)이 형성하는 시료 통로(18)의 입구가 시료가 주입되는 시료주입구(18a)가 된다. 또한 바이오센서(10)가 측정기(도시하지 않음)에 삽입될 때 측정기의 소켓에 형성된 단자에 접속될 수 있도록 작업전극(12)과 기준전극(13)의 단부는 바이오센서의 접속 단부에서 노출된다. In this case, the working
상기와 같이 측정기에 작업전극(12)과 기준전극(13)이 전기적으로 연결된 상태에서 시료 내 성분(분석물질, 예를 들면, 혈당)과 반응효소층(14)의 반응에 의해 발생한 전기적 신호를 검출하게 된다. 이때, 시료 내 성분과 반응효소층(14)의 산화환원반응은 작업전극(12)에서 일어나는데, 그 반응 결과가 작업전극(12)에서 전기화학적인 메커니즘에 의해 소정의 전류를 발생시키고, 이 전류가 측정기에 인가되면, 측정기는 바이오센서(10)로부터 인가되는 전류를 읽어 시료 내 해당 성분을 정량 분석하고 그 결과를 디스플레이에 표시하게 된다.As described above, the electrical signal generated by the reaction between the component (analyte, for example, blood glucose) and the
이하, 바이오센서가 삽입될 때 측정기의 동작 및 측정 방법에 대해 좀더 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the operation and measuring method of the measuring instrument when the biosensor is inserted will be described in more detail.
첨부한 도 3은 바이오센서와 측정기를 도시한 것으로, 바이오센서(10)에 대해서는 하부 절연기판(11)과 전극(12,13)만을 평면도로 개략 도시하였으며, 측정기(20)에 대해서는 내부 구성을 블록도로 나타내었다. FIG. 3 illustrates a biosensor and a measuring device. The
또한 첨부한 도 4는 작동전압의 파형도와 작업전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도로서, (a)는 측정기(20)가 바이오센서(10)의 작업전극(12)에 인가하는 작동전압을 나타내고, (b)는 시료의 도입에 따라 작업전극(12)에 흐르는 전류를 나타낸다.4 is a waveform diagram showing the waveform of the operating voltage and the current flowing through the working electrode, (a) shows the operating voltage applied by the
측정기(20)에서는 연산/제어부(21)가 작동전압발생부(22)로 하여금 소정의 작동전압을 바이오센서(10)의 작업전극에 인가하도록 되어 있고, 전류/전압변환부(23)는 작업전극(12)을 경유하여 입력되는 전류를 전압으로 변환한 뒤 A/D 변환부(24)로 입력하며, A/D 변환부(24)는 전압을 디지털 신호로 변환하여 연산/제어부(21)로 입력한다. In the
이때, 연산/제어부(21)는 A/D 변환부(24)에서 입력되는 디지털 신호로부터 작업전극(12)에 흐르는 전류의 값을 읽어 분석물질(혈당 등)의 농도를 측정하는데, 이를 위해 연산/제어부(21)에는 분석물질의 농도와 전류의 관계에 대한 데이터를 저장하고 있다. At this time, the operation /
측정기의 동작 및 측정 방법에 대해 좀더 상세히 설명하면, 우선 바이오센서(10)가 측정기(20)에 삽입되면 바이오센서의 작업전극(12)에 작동전압이 인가된다. 이때, 연산/제어부(21)가 바이오센서(10)의 삽입을 인식하여 작동전압발생부(22)로 하여금 소정의 작동전압(예, 300mV)을 바이오센서(10)의 작업전극(12)에 인가하도록 한다.The operation and measuring method of the measuring device will be described in more detail. First, when the
이후, 바이오센서(10)의 시료주입구를 통해 반응효소층에 혈액 등의 시료가 주입되면, 시료 내 분석물질과 반응효소층이 반응하여 전하가 발생하고, 작업전극(12)에 인가되어 있는 전압에 의해 이러한 전하는 전류를 형성하게 된다. Subsequently, when a sample such as blood is injected into the reaction enzyme layer through the sample inlet of the
전류는 분석물질과 반응효소층의 반응이 진행됨에 따라 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 증가하게 되는데, 전류가 소정의 크기(ith)로 증가하면 연산/제어부(21)는 작동전압발생부(22)로 하여금 아무런 전압도 작업전극(12)에 인가하지 않도록 한다(작동전압 해제). As the reaction between the analyte and the reaction enzyme layer proceeds, the current is increased as shown in FIG. 4 (b). When the current is increased to a predetermined size, the operation /
이후 소정의 지연시간을 가지는데, 이때 작동전압이 0V가 되므로 분석물질과 반응효소층의 반응에 의해 발생한 전하는 작업전극을 경유하여 흐르지 못하고 작업전극 주위에 모여 있게 된다. Thereafter, there is a predetermined delay time, and since the operating voltage becomes 0 V, charges generated by the reaction between the analyte and the reactive enzyme layer do not flow through the working electrode but are collected around the working electrode.
이와 같이 작동전압의 인가가 해제되는 시점부터 전류 값은 감소하며, 이후 작동전압의 인가가 재개될 때까지 반응에 의해 전하는 생성되나 전류는 흐르지 않는 상태가 된다. As such, the current value decreases from the time when the application of the operating voltage is released, and electric charges are generated by the reaction until the application of the operating voltage is resumed, but the current does not flow.
이렇게 작동전압을 해제한 상태에서 소정의 지연시간이 흐른 뒤 측정기(20) 의 연산/제어부(21)는 작동전압발생부(22)로 하여금 소정의 작동전압(300mV)을 다시 바이오센서(10)의 작업전극(12)에 인가하도록 한다. After a predetermined delay time has elapsed while the operating voltage is released, the calculation /
이때, 작업전극 주위에 모여 있던 전하는 작동전압이 다시 인가되면서 일시에 작업전극을 경유하여 흐르게 되므로 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 작동전압이 인가되는 시점에서 피크 전류(Ip3)가 나타나게 된다. At this time, the charge gathered around the working electrode flows through the working electrode at one time while the operating voltage is applied again, so that the peak current Ip3 appears at the time when the operating voltage is applied as shown in FIG.
이후 전류 값은 점차 감소하며, 연산/제어부(21)는 이후 정해진 시점(t4)에서 작업전극(12)에 흐르는 전류의 값(im)을 읽음으로써 분석물질의 농도를 연산한 뒤 그 결과를 디스플레이(25)에 표시하게 된다.Then, the current value gradually decreases, and the calculation /
도 4에서, t0은 바이오센서가 삽입된 시간을, t1은 혈액 등의 시료가 시료주입구를 통해 주입된 시간을 나타내며, t2는 측정 전류가 ith 전류 값에 도달한 시간을, t3는 소정의 지연시간 후 작동전압이 다시 인가되는 시간을 나타낸다. 또한 t4는 분석물질의 농도를 구하기 위해 전류 값(im)을 읽게 되는 시간을 나타낸다.In FIG. 4, t0 represents the time when the biosensor is inserted, t1 represents the time when a sample such as blood is injected through the sample inlet, t2 represents the time when the measured current reaches the ith current value, and t3 represents a predetermined delay. It represents the time when the operating voltage is applied again after time. T4 also represents the time to read the current value (im) to determine the concentration of the analyte.
즉, t0 시간에 바이오센서(10)가 측정기(20)에 삽입되면 이를 연산/제어부(21)가 인식하여 작동전압(예, 300mV)을 작업전극(12)에 인가하게 된다. 그리고 t1 시간에서 시료가 주입되면 전류 값이 점차 상승하고, 이후 전류 값이 ith로 상승한 t2 시간에서 연산/제어부(21)는 전압을 해제한다.That is, when the
이후 연산/제어부(21)는 소정의 지연시간을 두어 t3 시간에 다시 작동전압을 작업전극(12)에 인가하는데, t3 시간에 작동전압이 다시 인가됨으로써 피크 전류 Ip3가 나타나고, 이어 전류 값은 점차 하강한다. Thereafter, the operation /
이후 t4 시간에서의 전류 값(im)을 읽어 저장된 데이터와 비교함으로써 분석물질의 농도를 연산한다.The concentration of the analyte is then calculated by reading the current value (im) at time t4 and comparing it with the stored data.
상기 지연시간, 즉 t2부터 t3까지의 시간을 통상 인큐베이션 타임(incubation time)이라고 하는데, 인큐베이션 타임 동안 작업전극(12) 주위에 모여 있던 전하가 t3 시간에서 작동전압의 인가와 동시에 일시에 흐르게 되어 피크 전류 Ip3가 나타난다. The delay time, that is, the time from t2 to t3, is generally referred to as an incubation time. The charge gathered around the working
상기와 같은 측정 과정에서 인큐베이션 타임 동안에는 작동전압을 인가하지 않음을 설명하였으나, 특허공개번호 제2005-96490호(2005.10.6)에 개시된 바와 같이 인큐베이션 타임 동안 소정의 낮은 전압(예, 74mV)을 인가할 수도 있다. While it was described that the operating voltage is not applied during the incubation time in the measurement process as described above, a predetermined low voltage (eg, 74 mV) is applied during the incubation time as disclosed in Patent Publication No. 2005-96490 (2005.10.6). You may.
이 경우에서 작동전압의 파형도및 작업전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도를 첨부한 도 5에 나타내었으며, (a)는 측정기(20)가 바이오센서(10)의 작업전극(12)에 인가하는 작동전압을 나타내고, (b)는 시료의 도입에 따라 작업전극(12)에 흐르는 전류를 나타낸다.In this case, the waveform diagram of the operating voltage and the waveform diagram showing the current flowing in the working electrode are shown in FIG. 5, and (a) indicates that the measuring
그리고 인큐베이션 타임을 두지 않을 수도 있는데, 시료가 도입된 뒤 반응 전류가 증가하면서 전류 값이 피크에 도달하고 이후 서서히 감소하는 전류 신호를 분석하여 측정 결과를 얻을 수 있다.Incubation time may be avoided. Measurement results can be obtained by analyzing a current signal in which the current value reaches a peak and then gradually decreases as the reaction current increases after the sample is introduced.
한편, 상기 ith는 시료가 시료 통로 내에 충분히 채워졌을 때[시료 충만(充滿)상태]의 전류 값으로 가정하여 미리 설정되는 전류 값이라 할 수 있다. 이 전류 값에 도달한 t2에서 전압을 해제하며, 이 t2 시간이 측정 결과를 얻기 위한 스타트 시점이 된다. On the other hand, ith can be said to be a current value which is set in advance by assuming that the current value of the sample is sufficiently filled in the sample passage (sample filled state). The voltage is released at t2 when this current value is reached, and this t2 time is a start point for obtaining a measurement result.
즉, 연산/제어부(21)는 ith 전류를 감지한 t2 시간을 스타트 시점으로 하여 이때부터 인큐베이션 타임 경과 후 소정 시간이 지난 t4 시간에 전류 값(im)을 읽어 결과를 얻게 되며, 이에 ith 전류를 감지한 t2 시간은 연산/제어부(21)에 의해 정확히 인식되어야 한다. That is, the operation /
시료가 시료 통로 내에 충분히 채워졌을 때를 스타트 시점으로 하는 것은 정확한 측정 결과를 얻을 수 있기 때문이며, 시료가 시료 통로 내에 충분한 양만큼 채워졌을 때 ith 전류 값에 도달한다는 전제 하에서 연산/제어부(21)가 ith 전류 값에 도달한 시점을 스타트 시점으로 인식하여 측정 결과를 얻게 되는 것이다.The start point when the sample is sufficiently filled in the sample passage is because accurate measurement results can be obtained, and the arithmetic /
시료주입구에 주입된 시료는 모세관 현상에 의해 반응효소층 위 시료 통로에서 짧은 시간 내에 첫 번째 전극인 작업전극(12)을 지나 두 번째 전극인 기준전극(13)까지 도달하게 되는데, 실제 시료가 두 번째 전극에 도달한 상태로 시료 통로 내에 충분히 채워져야만 정상적인 반응이 일어나고, 정확한 측정이 가능하다.The sample injected into the sample inlet reaches the first electrode, the working
그러나, 특정 전류 값을 감지하여 스타트 시점을 인식하는 종래 방식의 경우에는 다음과 같은 문제점이 있다.However, the conventional method of recognizing a start time by sensing a specific current value has the following problems.
바이오센서마다 ith 전류 값에 도달하는 시점에 차이가 있을 수 있기 때문에 ith 전류 값에 도달한 시점이 실제 시료가 두 번째 전극(기준전극)에 도달하여 충분히 채워진 정확한 시점이라 할 수 없다.Since there may be a difference in the time when the biosensor reaches the ith current value, the time when the ith current value is reached is not a precise time point when the actual sample reaches the second electrode (reference electrode) and is sufficiently filled.
즉, ith 전류 값에 도달하더라도 실제 시료가 두 번째 전극에 충분히 도달하지 않은 것일 수도 있고, 이렇게 충분히 시료가 채워지지 않은 상태에서 측정이 이루어지면 결과에 오차가 발생할 수 있는 것이다. That is, even if ith current value is reached, the actual sample may not have reached the second electrode sufficiently, and if the measurement is performed in the state that the sample is not sufficiently filled, an error may occur in the result.
이에 연산/제어부(21)가 실제 시료가 두 번째 전극까지 도달하여 충분히 채워졌는지 여부를 정확히 감지하는 것이 필요하며, 시료가 충분히 채워진 정확한 시점을 스타트 시점으로 인식하는 것이 필요하다. Therefore, it is necessary for the operation /
종래의 바이오센서를 사용하는 경우 단순히 ith 전류 값에 도달한 시점을 스타트 시점으로 인식하므로 실제 이 시점이 시료가 시료 통로 내에 충분히 채워진 시점인지가 정확하지 않다. In the case of using a conventional biosensor, it is simply recognized as a start time when the ith current value is reached, and it is not accurate whether the time is actually a time when the sample is sufficiently filled in the sample passage.
실제 시료가 시료주입구에 주입된 뒤 작업전극에 닿기 시작하면서 반응 전류가 나타나고, 이후 반응 전류가 상승하여 시료가 작업전극을 지나 기준전극의 일부에만 닿은 경우라도 ith 전류 값에 도달할 수가 있다. After the actual sample is injected into the sample inlet and starts to reach the working electrode, the reaction current appears. After that, the reaction current rises and the ith current value can be reached even if the sample touches only a part of the reference electrode through the working electrode.
이에 ith 전류 값에 도달한 시점에서 시료가 작업전극을 지나 기준전극에 도달하여 충분히 채워졌는지, 아니면 기준전극에 닿자마자 멈추어 살짝 걸쳐져 있는지, 또는 기준전극의 중간에 멈춘 상태로 일부만 채워졌는지를 알 수가 없다.When the ith current value is reached, it is possible to know whether the sample has passed the working electrode to reach the reference electrode and is sufficiently filled, or stopped as soon as it touches the reference electrode, or is partially filled, or stopped partially in the middle of the reference electrode. none.
그리고 시료의 유동 특성에 따라 시료 통로 내에 시료가 유입되는 속도가 다를 수 있고, 시료의 유동 특성은 측정 결과값에 영향을 줄 수 있다. 즉, 시료의 유동 특성에 따라 측정 오차가 발생할 수 있는 것이다. In addition, the flow rate of the sample into the sample passage may vary according to the flow characteristic of the sample, and the flow characteristic of the sample may affect the measurement result value. That is, measurement errors may occur depending on the flow characteristics of the sample.
따라서, 분석시에 시료의 유동 특성에 따른 측정 오차 보정을 유입 속도 차이로 보정할 수 있다. 또한 유입 속도의 차이로부터 시료의 성질을 유추할 수 있게 된다. Therefore, the measurement error correction according to the flow characteristics of the sample at the time of analysis can be corrected by the inflow velocity difference. It is also possible to infer the nature of the sample from the difference in inflow rate.
그러나 종래의 바이오센서에서는 시료 통로 내에서 시료가 유입되는 속도를 알 수 없기 때문에 유동 특성에 따른 측정 오차를 보정하는 것이 불가능하다.However, in the conventional biosensor, it is impossible to correct the measurement error according to the flow characteristics because the rate at which the sample is introduced into the sample passage is not known.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 하부 절연기판에 작업전극에서 기준전극을 뒷쪽으로 시료 통로 영역까지 연장시킨 감지전극을 형성하여, 이를 이용해 시료주입구를 통해 주입된 시료의 정확한 충만 시점을 측정기에서 감지할 수 있게 되고, 결국 시료가 실제 충만된 시점을 스타트 시점으로 활용하여 시료 분석을 수행함으로써 좀더 정확한 결과를 얻을 수 있게 되는 바이오센서 및 시료의 분석 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention was invented to solve the above problems, by forming a sensing electrode on the lower insulating substrate extending the reference electrode from the working electrode to the sample passage region to the rear, the sample injected through the sample inlet It provides a biosensor and an analytical method for analyzing a sample that can accurately detect the point of fullness of the measuring device, and in the end, perform a sample analysis by using the point of time when the sample is actually filled. There is a purpose.
또한 본 발명은 바이오센서의 추가된 전극에 의해 시료가 주입된 초기 시점 및 시료가 완전히 채워진 시점을 측정기에서 감지할 수 있게 되어, 시료의 유동 특성 및 유입 속도 추정이 가능해지며, 이를 측정 결과의 보정에 이용하여 보다 정확한 결과를 얻을 수 있도록 하는 바이오센서 및 시료의 분석 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, the present invention is able to detect the initial time the sample is injected and the time when the sample is completely filled by the added electrode of the biosensor, it is possible to estimate the flow characteristics and the inflow rate of the sample, correction of the measurement results The purpose of the present invention is to provide a biosensor and sample analysis method that can be used to obtain more accurate results.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 하부 절연기판에 작업전극과 기준전극을 시료 통로를 통과하도록 길게 형성하고 상기 시료 통로를 따라 작업전극과 기준전극을 가로지르는 반응효소층을 고정하여 구성되는 바이오센서에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention, the working electrode and the reference electrode formed on the lower insulating substrate so as to pass through the sample passage and configured to fix the reaction enzyme layer across the working electrode and the reference electrode along the sample passage In the biosensor,
상기 하부 절연기판에 작업전극으로부터 시료 흐름 방향을 기준으로 기준전극 하류 측의 시료 통로 영역에 적어도 일부 이상이 삽입되도록 연장 형성된 감지 전극을 구비하여, 시료 통로를 따라 흐르는 시료가 상기 작업전극과 기준전극을 차례로 지나 상기 감지전극 영역에 도달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 감지전극이 형성된 바이오센서를 제공한다. A sensing electrode extending from the working electrode to a sample passage region downstream of the reference electrode from the working electrode with respect to the sample flow direction, so that a sample flowing along the sample passage flows through the working electrode and the reference electrode; It provides a biosensor formed with a sensing electrode, characterized in that configured to reach through the sensing electrode region in turn.
또한 본 발명은, 하부 절연기판에 작업전극으로부터 시료 흐름 방향을 기준으로 기준전극 하류 측의 시료 통로 영역에 적어도 일부 이상이 삽입되도록 연장 형성한 감지전극을 구비하여, 시료 통로를 따라 흐르는 시료가 상기 작업전극과 기준전극을 차례로 지나 상기 감지전극 영역에 도달하도록 구성된 바이오센서를 사용하고,In another aspect, the present invention is provided with a sensing electrode extending to insert at least a portion of the lower insulating substrate in the sample passage region downstream of the reference electrode relative to the sample flow direction from the working electrode, the sample flowing along the sample passage is Using a biosensor configured to reach the sensing electrode region in turn through a working electrode and a reference electrode,
상기 바이오센서가 삽입된 측정기에서 시료가 상기 감지전극 영역에 도달한 시점에서 나타나는 피크 전류를 감지한 뒤, 이 피크 전류가 감지된 시점을 바이오센서에서 시료가 충만된 시점으로 이용하는 것을 특징으로 하는 감지전극이 형성된 바이오센서를 이용한 시료의 분석 방법을 제공한다.Detecting the peak current occurring when the sample reaches the sensing electrode region in the measuring device into which the biosensor is inserted, and then detecting the peak current as a time when the sample is filled in the biosensor Provided is a method for analyzing a sample using a biosensor having electrodes.
여기서, 상기 피크 전류가 감지된 시간을 스타트 시점으로 하여 이후 특정 시간에서의 전류 값을 읽어 이를 이용해 시료 내 분석물질을 분석하는 것을 특징으로 한다.Here, the time at which the peak current is sensed is used as a start time, and then the current value at a specific time is read, and the analytes in the sample are analyzed using the same.
또한 본 발명은, 하부 절연기판에 작업전극과 기준전극을 시료 통로를 통과하도록 길게 형성하고 상기 시료 통로를 따라 작업전극과 기준전극을 가로지르는 반응효소층을 고정하여 구성되는 바이오센서에 있어서,In another aspect, the present invention, in the biosensor configured to form a long working electrode and the reference electrode in the lower insulating substrate to pass through the sample passage and to fix the reaction enzyme layer across the working electrode and the reference electrode along the sample passage,
상기 하부 절연기판에 기준전극이 시료 통로 영역을 통과하는 제1기준전극부와 제2기준전극부로 분기 형성되고, 상기 작업전극으로부터 제1기준전극부와 제2기 준전극부 사이의 시료 통로 영역, 및 시료 흐름 방향을 기준으로 제2기준전극부 하류 측의 시료 통로 영역에 적어도 일부 이상이 삽입되도록 각각 연장 형성된 감지전극을 구비하여, 시료 통로를 따라 흐르는 시료가 상기 작업전극과 제1기준전극부, 제1감지전극, 제2기준전극부를 차례로 지나 상기 제2감지전극 영역에 도달하도록 구성된 것을 특징으로 하는 감지전극이 형성된 바이오센서를 제공한다.A reference electrode is formed on the lower insulating substrate by branching to a first reference electrode portion and a second reference electrode portion passing through a sample passage region, and a sample passage region between the first reference electrode portion and the second reference electrode portion from the working electrode. And sensing electrodes each extending to insert at least a portion of the sample passage region downstream of the second reference electrode portion with respect to the sample flow direction, so that the sample flowing along the sample passage passes the working electrode and the first reference electrode. The present invention provides a biosensor having a sensing electrode, wherein the sensing electrode is configured to pass through the first sensing electrode and the second reference electrode in order to reach the second sensing electrode region.
또한 본 발명은, 하부 절연기판에 기준전극이 시료 통로 영역을 통과하는 제1기준전극부와 제2기준전극부로 분기 형성되고, 상기 작업전극으로부터 제1기준전극부와 제2기준전극부 사이의 시료 통로 영역, 및 시료 흐름 방향을 기준으로 제2기준전극부 하류 측의 시료 통로 영역에 적어도 일부 이상이 삽입되도록 각각 연장 형성된 감지전극을 구비하여, 시료 통로를 따라 흐르는 시료가 상기 작업전극과 제1기준전극부, 제1감지전극, 제2기준전극부를 차례로 지나 상기 제2감지전극 영역에 도달하도록 구성된 바이오센서를 사용하고,In addition, the present invention is formed by branching the first reference electrode portion and the second reference electrode portion through which the reference electrode passes through the sample passage region on the lower insulating substrate, and between the first reference electrode portion and the second reference electrode portion from the working electrode. And a sensing electrode extending to insert at least a portion of the sample passage region and the sample passage region downstream of the second reference electrode portion with respect to the sample flow direction, so that the sample flowing along the sample passage passes through the working electrode and the sample. Using a biosensor configured to reach the second sensing electrode region in order through the first reference electrode portion, the first sensing electrode, and the second reference electrode portion;
상기 바이오센서가 삽입된 측정기에서 시료가 상기 제2감지전극 영역에 도달한 시점에서 나타나는 피크 전류를 감지한 뒤, 이 피크 전류가 감지된 시간을 바이오센서에서 시료가 충만된 시점으로 이용하는 것을 특징으로 하는 감지전극이 형성된 바이오센서를 이용한 시료의 분석 방법을 제공한다.After detecting the peak current appearing when the sample reaches the second sensing electrode region in the measuring device in which the biosensor is inserted, the time at which the peak current is detected is used as the time when the sample is filled in the biosensor. It provides a method for analyzing a sample using a biosensor formed with a sensing electrode.
여기서, 상기 피크 전류가 감지된 시간을 스타트 시점으로 하여 이후 특정 시간에서의 전류 값을 읽어 이를 이용해 시료 내 분석물질을 분석하는 것을 특징으로 한다.Here, the time at which the peak current is sensed is used as a start time, and then the current value at a specific time is read, and the analytes in the sample are analyzed using the same.
또한 상기 측정기에서 시료가 상기 작업전극을 지나 상기 제1기준전극부 영 역에 도달한 시점에서 나타나는 피크 전류를 감지한 뒤, 이 피크 전류가 감지된 시간을 바이오센서에 시료가 주입된 초기 시점으로 이용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the sensor detects a peak current occurring when the sample reaches the first reference electrode region after passing through the working electrode, and then the time at which the peak current is detected is the initial time when the sample is injected into the biosensor. It is characterized by using.
또한 상기 측정기에서 시료가 상기 제1기준전극부 영역에 도달한 시점의 피크 전류와 제2감지전극 영역에 도달한 시점의 피크 전류가 감지되는 시간을 이용하여 시료의 유입 속도를 추정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the inflow rate of the sample is estimated by using the measuring time of the peak current when the sample reaches the first reference electrode region and the peak current when the sample reaches the second sensing electrode region. do.
이에 따라, 본 발명에서는 하부 절연기판에 작업전극에서 기준전극을 뒷쪽으로 시료 통로 영역까지 연장시킨 감지전극을 형성하여, 이를 이용해 시료주입구를 통해 주입된 시료의 정확한 충만 시점을 측정기에서 감지할 수 있게 되고, 결국 시료가 실제 충만된 시점을 스타트 시점으로 활용하여 시료 분석을 수행함으로써 좀더 정확한 측정 결과를 얻을 수 있게 된다.Accordingly, in the present invention, by forming a sensing electrode extending from the working electrode to the sample passage region to the rear of the working electrode on the lower insulating substrate, it is possible to detect the exact filling time of the sample injected through the sample inlet by using the measuring device As a result, a more accurate measurement result can be obtained by performing sample analysis by using the time point at which the sample is actually filled as a start time point.
또한 본 발명은 바이오센서의 추가된 전극에 의해 시료가 주입된 초기 시점 및 시료가 완전히 채워진 시점을 측정기에서 감지할 수 있게 되어, 시료의 유동 특성 및 유입 속도 추정이 가능해지며, 이를 측정 결과의 보정에 이용하여 보다 정확한 결과를 얻을 수 있게 된다. 특히, 본 발명의 감지전극을 이용해 얻어지는 시료의 유동 특성 및 유입 속도는 시료의 분석 과정에서 다양하게 활용될 가능성을 가진다.In addition, the present invention is able to detect the initial time the sample is injected and the time when the sample is completely filled by the added electrode of the biosensor, it is possible to estimate the flow characteristics and the inflow rate of the sample, correction of the measurement results It can be used to obtain more accurate results. In particular, the flow characteristics and inflow rate of the sample obtained by using the sensing electrode of the present invention has the possibility of being utilized in various ways during the analysis of the sample.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명자는, 첫 번째 전극인 작업전극을 두 번째 전극인 기준전극의 뒷쪽(시료 흐름 방향 기준으로 하류 측) 시료 통로 영역까지 연장시킬 경우, 시료가 작업전극과 기준전극을 차례로 지나 시료 통로 내에 충분히 채워진 상태로 상기 작업전극의 연장영역(감지전극 영역)에 닿으면서 피크 전류가 나타남을 실험적으로 확인하여, 이 피크 전류가 나타난 시점을 스타트 시점으로 한다면 더욱 정확한 측정 결과를 얻을 수 있다는 것에 착안하여 본 발명을 완성하였다. When the working electrode, which is the first electrode, is extended to the sample passage region behind the reference electrode, which is the second electrode (downstream in the sample flow direction), the sample sufficiently passes the working electrode and the reference electrode in the sample passage. By experimentally confirming that the peak current appears while touching the extension region (sensing electrode region) of the working electrode in a filled state, it is possible to obtain a more accurate measurement result if the point of time when the peak current appears as a start point. The invention has been completed.
상기 피크 전류가 나타난 시점의 경우, 시료가 시료 통로에 주입된 뒤 작업전극과 기준전극을 차례로 통과하여 상기 작업전극의 연장영역에 닿게 되는 시점이기에, 상기 작업전극의 연장영역까지 시료가 닿았다면 시료 통로에 충분한 양의 시료가 채워진 것으로 간주가 가능하다. When the peak current appears, the sample is injected into the sample passage and then passes through the working electrode and the reference electrode in order to reach the extension region of the working electrode, so that if the sample reaches the extension region of the working electrode It may be considered that a sufficient amount of sample is filled in the passage.
첨부한 도 6과 도 7은 본 발명에 따른 시료 충만 감지전극이 내장된 바이오센서의 제1실시예를 도시한 사시도로서, 도 6은 분해사시도이고, 도 7은 조립사시도이다. 6 and 7 are perspective views illustrating a first embodiment of a biosensor in which a sample filling detection electrode is mounted according to the present invention. FIG. 6 is an exploded perspective view and FIG. 7 is an assembled perspective view.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바이오센서(10)는 작업전극(12)을 연장시켜 형성한 시료 충만 감지전극(12a)이 내장된 것에 주된 특징이 있는 것으로, 하부 절연기판(11), 스페이서(15,16), 상부절연기판(17), 반응효소층(14)에 대해서는 종래와 동일한 구성이므로 설명을 생략하기로 한다.As shown, the
기본적으로 하부 절연기판(11)의 상면에 작업전극(12)과 기준전극(13)이 길 게 적층 형성되는데, 시료주입구(18a)에서 시료 통로(18)로 주입된 시료의 흐름 방향을 기준으로 첫 번째 전극(상류 측 전극)이 작업전극(12)이 되며, 두 번째 전극(하류 측 전극)이 기준전극(13)이 된다.Basically, the working
이때, 바이오센서(10)가 측정기(도시하지 않음)에 삽입될 때 측정기의 측정기의 소켓에 형성된 단자에 접속될 수 있도록 작업전극(12)과 기준전극(13)의 단부는 바이오센서의 접속 단부에서 노출된다. At this time, the end of the working
특히, 본 발명의 바이오센서에서는 작업전극(12)이 기판(11)의 길이방향으로 연장된 뒤 그 횡방향으로 연장되고 다시 길이방향으로 반대편을 향해 연장되어 시료 통로 영역을 통과하는 구조로 형성된다. Particularly, in the biosensor of the present invention, the working
이와 같이 작업전극(12)이 기준전극(13)의 단부 주변을 지나 시료 흐름 방향을 기준으로 기준전극 하류 측의 시료 통로 영역을 통과하도록 연장되며, 이때 시료 통로 영역을 통과하는 연장된 전극(12a)은 시료가 시료 통로 내에 충분히 채워짐을 감지하게 되는 감지전극의 역할을 하게 된다. As such, the working
즉, 상기 연장된 전극(이하, 감지전극이라 칭함)은 시료가 시료주입구(18a)를 통해 주입된 뒤 작업전극(12)과 기준전극(13)을 차례로 지나 시료 통로 내에 충분히 채워짐을 감지하게 되는 전극으로서, 기준전극(13) 상류 측의 기존 작업전극(12)에 비해서는 같은 폭 또는 작은 폭으로 형성한다. 후술하는 바와 같이, 측정기는 시료가 감지전극(12a) 영역에 닿았을 때 나타나는 신호로부터 시료의 충만상태를 감지하고, 이 시점을 스타트 시점으로 인식하게 된다. That is, the extended electrode (hereinafter referred to as a sensing electrode) detects that the sample is sufficiently filled in the sample passage after passing through the working
상기 감지전극(12a)은 작업전극(12)에서 연장되어 시료 통로 영역 내에 적어 도 일부 이상이 삽입되는 연장전극으로서, 이는 시료 통로 영역을 완전히 통과하도록 연장될 수 있고, 또는 완전히 통과하는 것이 아닌 시료 통로 영역 내에 감지전극(12a)의 끝단이 존재하는 형태로 연장될 수 있다.The
또한 상기 감지전극(12a)은 기준전극(13) 상류 측의 기존 작업전극(12)에 비해 폭을 축소시킨 스트립 형태 또는 가는 선 형태로 형성될 수 있으며, 작업전극(12) 및 기준전극(13)과 마찬가지로 에칭, 스크린 인쇄, 스퍼터링 등과 같은 박막 형성 방법으로 형성될 수 있다.In addition, the
본 발명의 바이오센서를 사용하는 경우 시료가 작업전극(12)과 기준전극(13)을 차례로 지나 시료 통로(18) 내에 충분히 채워진 상태에서 상기 감지전극(12a) 영역에 닿게 될 때 피크 전류가 나타나게 되는데, 이를 첨부한 도 8과 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.In the case of using the biosensor of the present invention, the peak current appears when the sample reaches the
도 8과 도 9는 본 발명의 바이오센서 사용시 작동전압의 파형도와 작업전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도로서, 측정 초기의 작동전압과 전류 파형도를 나타낸 것이다. 바이오센서의 삽입 및 작동전압 인가, 그리고 시료 도입 후에 나타나는 작동전압과 전류 상태가 도시되고 있다. 8 and 9 are waveform diagrams showing the waveform of the operating voltage when the biosensor of the present invention is used, and the current flowing through the working electrode. The operating voltage and current conditions appearing after insertion of the biosensor and application of the operating voltage and sample introduction are shown.
각 도면에서, (a)는 작동전압의 파형도로서, 실선은 인큐베이션 타임을 적용하지 않는 예를, 점선은 인큐베이션 타임의 적용시에 스타트 시점에서 전압이 해제되는 상태를 보여주는 것이며, 'Ⅰ'는 본 발명의 바이오센서 적용시에 스타트 시점(실제 시료 충만 시점)(t2')에서 전압이 해제되는 상태를, 'Ⅱ'는 종래의 바이오센서 적용시에 스타트 시점(ith 전류 값 도달 시점)(t2)에서 전압이 해제되는 상태 를 각각 나타낸다.In each drawing, (a) is a waveform diagram of an operating voltage, in which a solid line does not apply an incubation time, and a dotted line shows a state in which a voltage is released at a start time when an incubation time is applied, and 'I' In the state where the voltage is released at the start time (actual sample filling time) t2 'when the biosensor of the present invention is applied,' II 'is a start time point (ith current value reaching time) (t2) when the conventional biosensor is applied. ) Shows the state where the voltage is released.
(b)는 인큐베이션 타임을 적용하지 않을 경우, 즉 전압 해제를 하지 않는 경우에서 작업전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도이며, (c)는 인큐베이션 타임을 적용하는 경우 전압 해제에 따라 급격히 떨어지는 전류 상태를 나타낸 파형도이다. 여기서도 'Ⅰ'는 본 발명의 바이오센서 적용시를, 'Ⅱ'는 종래의 바이오센서 적용시를 각각 나타낸다.(b) is a waveform diagram showing the current flowing to the working electrode when the incubation time is not applied, that is, when the voltage is not released, and (c) shows a current state rapidly falling due to the voltage release when the incubation time is applied. The waveform diagram shown. Here, 'I' represents the application of the biosensor of the present invention, and 'II' represents the application of the conventional biosensor.
또한 도 8은 작동전압을 완전히 해제하여 0V 상태에서 인큐베이션 타임이 진행되는 예를 나타내고, 도 9는 작동전압을 소정의 전압으로 낮추어 인큐베이션 타임이 진행되는 예를 나타낸 것이다.8 illustrates an example in which the incubation time proceeds in the 0V state by completely releasing the operating voltage, and FIG. 9 illustrates an example in which the incubation time proceeds by lowering the operating voltage to a predetermined voltage.
우선, 본 발명의 바이오센서 적용시에는 시료가 시료주입구(18a)를 통해 주입된 뒤 시료 통로(18)에서 작업전극(12), 기준전극(13)을 차례로 지난 뒤 감지전극(12a) 영역에 닿는 시점에서, 즉 t2' 시간에서 도 8 및 도 9의 (b)와 (c)에서와 같이 전류 값이 급격히 상승 후 하강하는 전류 피크 상태(원 'B'로 표시)가 나타난다. 이는 본 발명의 바이오센서에서만 나타나는 현상으로, 특히 작업전극(12)에서 연장된 감지전극(12a)에 의해 나타나는 전류 피크 현상이다. 즉, 시료가 작업전극(12)을 지나 기준전극(13)을 지난 뒤 그 하류 측의 감지전극(12a) 영역에 닿는 시점에서 순간적으로 피크 전류(Ip2')가 나타나며, 이후 다시 정상적인 반응상태 및 전류 값을 보이게 된다.First, when the biosensor of the present invention is applied, a sample is injected through the
이와 같이 피크 전류(Ip2')가 나타나는 t2' 시간은 시료가 작업전극 및 기준전극을 통과하여 감지전극 영역에 닿는 시점이므로, 정상적인 반응이 일어날 수 있 는 충분한 양의 시료가 시료 통로의 작업전극과 기준전극에 채워진 시점이 된다. As such, the t2 'time at which the peak current Ip2' appears is the point at which the sample passes through the working electrode and the reference electrode to reach the sensing electrode region, so that a sufficient amount of the sample can cause a normal reaction with the working electrode of the sample passage. At this point, the reference electrode is filled.
따라서, 측정기의 연산/제어부가 t2' 시간에 나타나는 피크 전류(Ip2')를 감지하여 스타트 신호를 출력할 수 있으며, t2' 시간을 스타트 시점으로 하여 통상적인 측정 과정이 수행될 수 있다.Therefore, the operation / control unit of the measuring device may detect the peak current Ip2 'appearing at the time t2' and output a start signal, and a typical measurement process may be performed using the time t2 'as the start time.
예컨대, 연산/제어부가 시료가 실제 충만된 시점인 t2' 시간에서 작동전압을 0V로 완전히 해제하거나 소정 전압으로 낮추어 인큐베이션 타임을 가지며('Ⅰ' 참조), 이후 다시 작동전압을 인가하여(도 4의 t3 시간에서) 이후 특정 시점(도 4의 t4 시간)에서 전류 값(도 4의 im)을 읽어줌으로써 분석물질의 농도를 측정할 수 있는 것이다.For example, the operation / control unit has an incubation time by completely releasing the operating voltage to 0 V or lowering it to a predetermined voltage at the time t2 ', which is the point at which the sample is actually filled (see' I '), and then applying the operating voltage again (Fig. 4). The concentration of the analyte can be measured by reading the current value (im in FIG. 4) at a specific point in time (t4 time in FIG. 4).
본 발명의 바이오센서에서 피크 전류(Ip2')의 형태는 시료가 감지전극 영역에 닿으면서 응답 전류가 순간 상승 후 다시 정상상태로 내려오는 형태를 취한다. 이에 대해 좀더 상술하면, 우선 작업전극(12)으로부터 연장시킨 감지전극(12a) 영역에 시료가 닿는 순간 시료와 작업전극이 만나는 면적에 있어서 순간적인 변화가 일어난다. 왜냐하면 감지전극(12a)이 작업전극(12)으로부터 연결된 연장전극이므로 실제로 감지전극도 기준전극(13)의 하류 측에 배치된 작업전극의 한 부분이라 할 수 있기 때문에 시료가 감지전극(12a) 영역에 닿는 순간 시료와 접촉하는 작업전극 영역의 면적에 순간적인 증가(감지전극이 작업전극의 한 부분이라고 볼 때)가 발생하는 것이다. 따라서, 이러한 시료가 닿는 작업전극 영역의 순간적인 면적 변화로 나타나는 반응 전류의 증가분과, 시료가 작업전극 영역에 닿는 순간 나타나는 노이즈 증가분이 합쳐져서 피크 전류(Ip2')가 나타나게 된다. In the biosensor of the present invention, the peak current (Ip2 ') takes a form in which the response current rises to the normal state after a momentary rise as the sample touches the sensing electrode region. More specifically, first, a momentary change occurs in the area where the sample and the working electrode meet at the moment when the sample touches the
도 8 및 도 9의 (b)에서 원 'A'로 표시된 부분은 시료가 기준전극(13)과 만나는 시점에서 나타나는 노이즈가 반영된 전류 상태를 보여주고 있다. In FIG. 8 and FIG. 9B, the portion indicated by the circle 'A' shows a current state in which noise reflected when the sample meets the
(c)를 참조하면, 종래의 스타트 시점(t2)과 본 발명의 스타트 시점(t2')에는 분명한 시간 간격이 존재한다. 종래에는 반응 전류 값이 미리 정해놓은 전류 값 ith에 도달한 시점(t2)을 스타트 시점으로 하나, 본 발명에서는 충분한 양의 시료가 기준전극(13)을 통과하여 채워진 뒤 감지전극(12a)에 도달한 시점(피크 전류가 감지된 시점)(t2')을 스타트 시점으로 하는바, 실제 시료가 충분히 채워지는 보다 정확한 시점을 스타트 시점으로 할 수 있고, 이에 좀더 정확한 측정 결과를 얻을 수가 있다. ith 값에 도달한 t2에서 피크 전류가 감지되는 t2'까지의 시간은 시료가 충만상태가 될 때까지 더 채워지는 시간이 된다. Referring to (c), a clear time interval exists between the conventional start time t2 and the start time t2 'of the present invention. Conventionally, the time t2 at which the reaction current value reaches the predetermined current value ith is a start time. However, in the present invention, a sufficient amount of the sample is filled through the
상기와 같은 본 발명의 바이오센서(10)에서 작업전극(12)으로부터 연장되어 기준전극(13)의 하류 측으로 위치되는 감지전극(12a)은 도시한 예와 같이 시료 통로 영역을 완전히 통과하도록 할 수도 있으나, 앞서 간단히 언급한 바와 같이 감지전극(12a)은 시료 통로 영역 내에 적어도 일부 이상이 삽입되는 전극으로서, 감지전극(12a)의 끝단이 시료 통로 영역을 통과하여 벗어나는 것이 아닌 시료 통로 영역 내에 존재하는 형태로도 실시가 가능하다. In the
또한 본 발명의 바이오센서(10)에서 감지전극(12a)은 작업전극(12)의 폭에 비해 같은 폭 또는 작은 폭을 가지도록 형성할 수 있는데, 작은 폭으로 하는 경우 실제 육안상 선 모양으로 보이는 전극 형태가 될 수 있으며, 대략 100 ~ 200 ㎛의 폭으로 형성될 수 있다. 여기서, 100 ~ 200 ㎛의 범위를 벗어날 경우 피크 전류 가 너무 미약하거나 측정 결과에 오차를 줄 수 있으므로 바람직하지 않다.In addition, in the
한편, 첨부한 도 10은 본 발명에 따른 바이오센서의 제2실시예에서 전극 구조를 도시한 사시도이고, 도 11과 도 12는 제2실시예의 바이오센서 사용시 작동전압의 파형도와 작업전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도로서, 측정 초기의 작동전압과 전류 파형도를 나타낸 것이다. 바이오센서의 삽입 및 작동전압 인가, 그리고 시료 도입 후에 나타나는 작동전압과 전류 상태가 도시되고 있다. On the other hand, Figure 10 is a perspective view showing the electrode structure in the second embodiment of the biosensor according to the present invention, Figure 11 and Figure 12 is a waveform of the operating voltage when using the biosensor of the second embodiment the current flowing through the working electrode This is a waveform diagram showing the operating voltage and current waveform diagram at the beginning of the measurement. The operating voltage and current conditions appearing after insertion of the biosensor and application of the operating voltage and sample introduction are shown.
우선, 전극 구조를 살펴보면, 하부 절연기판(11)의 상면에 기준전극(13)이 제1기준전극부(13a)와 제2기준전극부(13b)로 분기되어 형성되며, 제1기준전극부(13a)와 제2기준전극부(13b)가 소정 간격을 두고 나란히 시료 통로 영역을 통과하도록 형성된다. 도면에서 제1기준전극부(13a)는 시료 흐름 방향을 기준으로 상류 측에, 제2기준전극부(13b)는 하류 측으로 배치된다.First, referring to the electrode structure, the
또한 작업전극(12)으로부터 제1실시예와 동일 방향으로 연장된 감지전극(12a,12b)이 형성되되, 감지전극 또한 2개의 전극으로 분기되어 시료 통로 영역으로 연장 형성된다.In addition, the
두 개의 감지전극(12a,12b) 모두 작업전극(12)에서 연장 형성되는 것으로, 이하 본 명세서에서는 명확한 설명을 위해 상류 측의 감지전극(12a)을 제1감지전극으로, 하류 측의 감지전극(12b)을 제2감지전극으로 칭하기로 한다.Both
도시한 바와 같이, 작업전극(12) 하류 측으로 제1기준전극부(13a)가 위치되고, 제1기준전극부(13a)와 제2기준전극부(13b) 사이에 제1감지전극(12a)이 위치되며, 제2기준전극부(13b) 하류 측으로 제2감지전극(12b)이 위치된다.As illustrated, the first reference electrode portion 13a is positioned downstream of the working
이에 시료 통로 영역에서 시료 흐름 방향을 기준으로 작업전극(12), 제1기준전극부(13a), 제1감지전극(12a), 제2기준전극부(13b), 제2감지전극(12b)의 순으로 배치되며, 시료가 도입되면 이들 전극 영역을 차례로 통과하게 된다.Accordingly, the working
상기와 같은 본 발명의 바이오센서(10)에서 작업전극(12)으로부터 연장되어 기준전극(13)의 하류 측으로 위치되는 제1 및 제2감지전극(12a,12b)은 도시한 예와 같이 시료 통로 영역을 완전히 통과하도록 할 수도 있으나, 제1실시예와 마찬가지로 시료 통로 영역 내에 적어도 일부 이상이 삽입되는 전극으로서, 각 감지전극(12a,12b)의 끝단이 시료 통로 영역을 통과하여 벗어나는 것이 아닌 시료 통로 영역 내에 존재하는 형태로도 실시가 가능하다. In the
이때, 제2실시예의 바이오센서를 사용하는 경우 전류 파형도를 살펴보면, 도 11 및 도 12의 (b)와 (c)에 나타낸 바와 같이 시료 도입 후 총 3개의 피크 전류(Ip1,Ip1',Ip2')가 나타난다. At this time, in the case of using the biosensor of the second embodiment, looking at the current waveform diagram, as shown in FIGS. 11 and 12 (b) and (c), a total of three peak currents Ip1, Ip1 ', and Ip2 after sample introduction. ') Appears.
우선, t0은 바이오센서가 삽입된 시점(전압 인가 개시 시점)을, t1은 시료가 최초 주입된 시점[작업전극(12) 영역과 만나는 시점]을 나타내며, t2는 종래의 스타트 시점(종래의 전압 해제 또는 강압 시점)을, t2'는 본 발명의 스타트 시점을 나타낸다. 여기서, t2'는 세 번째 피크 전류(Ip2')가 나타나는 시점으로, 시료가 제2감지전극(12b) 영역에 닿는 시점이 되며, 본 발명에서는 이 시점을 충분히 시료가 채워진 시점으로 감지하여 스타트 시점으로 활용하게 된다.First, t0 denotes the time point at which the biosensor is inserted (the voltage application start time point), t1 denotes the time point at which the sample is first injected (time point where the working
세 개의 피크 전류(Ip1,Ip1',Ip2') 중에 첫 번째 피크 전류(Ip1)는 시료가 작업전극(12)을 지나 제1기준전극부(13a) 영역에 닿는 시점에 나타나고, 두 번째 피크 전류(Ip1')는 시료가 제1기준전극부(13a)를 지나 제1감지전극(12a) 영역에 닿는 시점에 나타나며, 세 번째 피크 전류(Ip2')는 제1감지전극(12a) 및 제2기준전극부(13b)를 지나 제2감지전극(12b) 영역에 닿는 시점에 나타난다.Among the three peak currents Ip1, Ip1 ', and Ip2', the first peak current Ip1 appears when the sample reaches the region of the first reference electrode portion 13a past the working
여기서, 제1감지전극(12a) 영역과 제2감지전극(12b) 영역에 닿는 시점에서 나타나는 피크 전류(Ip1',Ip2')는 제1실시예의 피크 전류와 동일한 작용에 의해 나타난다.Here, the peak currents Ip1 'and Ip2' appearing at the point of contact between the region of the
이와 같이 시료 통로 영역에 총 5개의 전극을 배치함으로써 총 3개의 피크 전류(Ip1,Ip1',Ip2')가 나타나고, 특히 마지막 피크 전류(Ip2')의 경우 시료가 작업전극(12)과 기준전극(13)을 통과하여 충분히 채워짐(시료 충만상태)을 나타내는 전류 신호가 된다. 즉, 제2감지전극(12b)의 경우 시료의 충만상태를 감지하기 위한 전극으로 활용되는 것이다.By arranging a total of five electrodes in the sample passage region as described above, a total of three peak currents Ip1, Ip1 ', and Ip2' appear. In particular, in the case of the last peak current Ip2 ', the sample is the working
결국, 연산/제어부가 제2감지전극(12b)에 의해 나타나는 피크 전류(Ip2')를 감지하여 바이오센서에 충분한 양의 시료가 채워짐을 인식할 수 있으며, 이 시점에서 스타트 신호를 출력할 수 있다. As a result, the operation / control unit may detect the peak current Ip2 'represented by the
또한 본 제2실시예에서는 측정기의 연산/제어부가 시료가 주입된 초기 시점(t2a)의 피크 전류(Ip1)와, 시료가 충만된 시점(t2')의 피크 전류(Ip2')를 감지하는 경우, 각 피크 전류가 나타나는 전극 위치 간의 거리를 알고 있는 상태에서 상기 두 시점(t2a,t2') 간의 시간 측정이 가능하므로, 이를 통해 시료의 유동 특성 및 유입 속도에 대한 확인이 가능해진다.In addition, in the second embodiment, the calculation / control unit of the measuring device detects the peak current Ip1 at the initial time t2a at which the sample is injected and the peak current Ip2 'at the time t2' at which the sample is filled. In addition, since the time measurement between the two time points t2a and t2 'is possible while the distance between the electrode positions at which each peak current appears is known, it is possible to confirm the flow characteristics and the inflow rate of the sample.
이와 같이 시료가 완전히 채워질 때까지의 시간(Ip1 피크 전류가 나타나는 t2a 시점과 Ip2' 피크 전류가 나타나는 t2' 시점 간의 시간)을 정확히 측정하게 되면, 측정된 시간을 반응성(시료의 유동 특성) 차이에 따른 결과값 오차를 보정할 수 있는 보정계수를 구하기 위한 수단으로 사용이 가능해진다.If the time until the sample is completely filled (time between t2a when the peak peak current appears and t2 'when the peak peak current appears) is measured, the measured time is determined by the difference in reactivity (flow characteristics of the sample). It can be used as a means for obtaining a correction coefficient that can correct the resulting error error.
좀더 상세히 설명하면, 시료의 유동 특성에 따라 시료의 유입 속도가 다르고, 유입 속도 차이를 통해 시료의 성질을 유추할 수 있다. 또한 시료의 유동 특성은 측정 결과에 영향을 주어 오차를 발생시킬 수 있는데, 시료의 성질에 따른 반응의 차이를 실험을 통해 미리 수치화하여 측정기에 입력 저장한다면 최종적으로 속도 측정으로 반응의 차이값을 보정할 수 있다. In more detail, the inflow rate of the sample is different according to the flow characteristics of the sample, it is possible to infer the nature of the sample through the difference in inflow rate. In addition, the flow characteristics of the sample may affect the measurement result and cause an error.If the difference of the reaction according to the properties of the sample is quantified in advance through an experiment and stored in the measuring device, the difference of the response is finally corrected by measuring the speed. can do.
예컨대, 혈액을 시료로 사용하는 경우, 혈액 속의 적혈구 수치가 낮으면 시약(반응효소층)의 용해도가 증가하여 반응성이 상승하고, 이로 인해 결과값이 높게 나오게 된다. 반대로 혈액 속의 적혈구 수치가 높으면 용해도가 감소하여 반응성이 낮아진다. 또한 적혈구 수치와 혈액의 유입 속도가 반비례 관계를 가지는데, 측정기에서 혈액의 유입 속도를 측정하여 적혈구 수치를 계산하면 반응성 차이를 보정할 수 있다.For example, when blood is used as a sample, when the red blood cell count in the blood is low, the solubility of the reagent (reactive enzyme layer) is increased and the reactivity is increased, resulting in a high result. Conversely, higher levels of red blood cells in the blood decrease the solubility and lower the reactivity. In addition, there is an inverse relationship between the red blood cell level and the inflow rate of blood. By measuring the inflow rate of blood by a meter, the red blood cell level can be corrected to correct the difference in reactivity.
이에 따라, 본 발명의 제2실시예에서는 시료가 충만된 시점(t2')을 정확히 감지하여 스타트 시점으로 활용할 수 있고, 이에 정확한 측정 결과를 얻을 수 있다. 또한 시료가 주입된 초기 시점(t2a)부터 시료가 완전히 채워질 때(t2')까지의 시간을 알 수 있으므로 그로부터 시료의 유입 속도를 구하여 측정 결과를 보정할 수가 있다.Accordingly, in the second embodiment of the present invention, the time t2 'filled with the sample can be accurately detected and used as a start time, thereby obtaining accurate measurement results. In addition, since the time from the initial time point t2a when the sample is injected to the time when the sample is completely filled (t2 ') can be known, the inflow rate of the sample can be obtained therefrom to correct the measurement result.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 바이오센서에서는 하부 절연기판에 작업전 극에서 기준전극을 뒷쪽으로 시료 통로 영역까지 연장시킨 감지전극(작업전극으로부터 일체 연결됨)을 이용하여 시료주입구를 통해 주입된 시료(혈액 등 검체)의 정확한 충만 시점을 측정기에서 감지할 수 있게 되고, 결국 시료가 실제 충만된 시점을 스타트 시점으로 활용하여 시료 분석을 수행함으로써 좀더 정확한 결과를 얻을 수 있게 된다. In this way, in the biosensor according to the present invention, a sample injected through a sample inlet using a sensing electrode (connected integrally from the working electrode) extending from the working electrode to the sample passage region from the working electrode to the lower insulating substrate ( Accurate filling time of the sample, such as blood, can be detected by the measuring instrument. As a result, a more accurate result can be obtained by performing a sample analysis using the starting point of the actual filling of the sample.
또한 바이오센서의 추가된 전극에 의해 시료가 주입된 초기 시점 및 시료가 완전히 채워진 시점을 측정기에서 감지할 수 있게 되어, 시료의 유동 특성 및 유입 속도 추정이 가능해지며, 이를 측정 결과의 보정에 이용하여 보다 정확한 결과를 얻도록 하는 것이 가능해진다.In addition, by the added electrode of the biosensor, the time point at which the sample is injected and the time point at which the sample is completely filled can be detected by the measuring device, thereby enabling estimation of the flow characteristics and the inflow rate of the sample. It is possible to obtain more accurate results.
이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 그러나 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상술한 실시예가 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.In the above, a specific preferred embodiment according to the present invention has been described. However, it is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the above-described embodiments merely represent some of various embodiments to which the principles of the present invention are applied. Those skilled in the art to which the present invention pertains may make various changes without departing from the spirit of the technical idea of the present invention described in the claims below.
도 1과 도 2는 종래 전기화학적 바이오센서의 기본 구성도,1 and 2 is a basic configuration of a conventional electrochemical biosensor,
도 3은 바이오센서와 측정기를 도시한 도면,3 is a diagram illustrating a biosensor and a measuring instrument;
도 4와 도 5는 종래의 바이오센서 사용시 작동전압의 파형도와 작업전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도,4 and 5 is a waveform diagram showing a waveform of the operating voltage and the current flowing in the working electrode when using a conventional biosensor,
도 6과 도 7은 본 발명에 따른 시료 충만 감지전극이 내장된 바이오센서의 제1실시예를 도시한 사시도,6 and 7 are a perspective view showing a first embodiment of a biosensor with a sample filled detection electrode according to the present invention,
도 8과 도 9는 제1실시예의 바이오센서 사용시 작동전압의 파형도와 작업전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도,8 and 9 are waveform diagrams showing the waveform of the operating voltage and the current flowing in the working electrode when using the biosensor of the first embodiment;
도 10은 본 발명에 따른 바이오센서의 제2실시예에서 전극 구조를 도시한 사시도, 10 is a perspective view showing an electrode structure in a second embodiment of a biosensor according to the present invention;
도 11과 도 12는 제2실시예의 바이오센서 사용시 작동전압의 파형도와 작업전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도.11 and 12 are waveform diagrams showing the waveform of the operating voltage and the current flowing in the working electrode when using the biosensor of the second embodiment.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 바이오센서 11 : 하부 절연기판10: biosensor 11: lower insulation board
12 : 작업전극 12a : 감지전극(또는 제1감지전극)12: working
12b : 제2감지전극 13 : 기준전극12b: second sensing electrode 13: reference electrode
13a : 제1기준전극부 13b : 제2기준전극부13a: first reference electrode portion 13b: second reference electrode portion
14 : 반응효소층 15, 16 : 스페이서14:
17 : 상부 절연기판 18 : 시료 통로17: upper insulating substrate 18: sample passage
18a : 시료주입구 20 : 측정기18a: sample inlet 20: measuring instrument
21 : 연산/제어부 22 : 작동전압발생부21: operation / control unit 22: operating voltage generator
23 : 전류/전압변환부 24 : AD 변환부23: current / voltage converter 24: AD converter
25 : 디스플레이25: display
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