KR20160111399A - 타액 바이오센서들 및 바이오연료 셀들 - Google Patents
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Abstract
마우스-기반 바이오센서들 및 바이오연료 셀들의 방법들, 시스템들 및 디바이스들이 개시된다. 일 양상에서, 타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스는, 전기적 절연 재료를 포함하는 기판; 기판 상에서 제 1 위치에 배치되는 제 1 전극 ―제 1 전극은, 타액의 분석물에 대응하는 화학작용제(예를 들어, 촉매 또는 반응물)를 포함하는 표면을 포함함―; 및 기판 상에서 간격 구역에 의해 제 1 전극으로부터 분리된 제 2 위치에 배치되는 제 2 전극을 포함하고, 제 1 및 제 2 전극들은, 전기적 신호를 생성하기 위해, 화학반응제 및 분석물을 포함하는 산화-환원(redox) 반응을 지속할 수 있어서, 디바이스가 사용자의 마우스(mouth)에 존재하고 전기적 회로에 전기적으로 커플링되는 경우, 디바이스는, 사용자의 타액에서 분석물을 검출하도록 동작가능하다.
Description
관련 출원들의 상호 참조
본 특허 문헌은, 2014년 1월 21일에 출원되고 발명의 명칭이 "MOUTH-BASED BIOSENSORS AND BIOFUEL CELLS"인 미국 가특허출원 제 61/929,946호의 이익 및 우선권을 주장한다. 상기 특허 출원의 전체 내용은, 본 출원의 개시의 일부로서 참조로 통합된다.
연방정부 후원의 연구 또는 개발에 관한 진술
본 발명은, NSF(National Science Foundation)에 의해 수여된 승인 CBET-1066531 하의 정부 지원에 의해 행해졌다. 정부가 본 발명에 대한 특정 권리들을 갖는다.
기술 분야
본 특허 문헌은 생물학적 물질들, 화학적 물질들 및 다른 물질들을 감지하기 위한 분자 센서(molecular sensor) 기술들, 및 연료 셀 기술들에 관한 것이다.
전기화학적 프로세스들에 기초한 센서들은, 검출 이벤트를 프로세싱 및/또는 디스플레이를 위한 신호로 전환하기 위해 트랜스듀싱(transducing) 엘리먼트를 이용함으로써, 화학적 물질 또는 생물학적 물질(예를 들어, 유기물)을 검출하기 위해 이용될 수 있다. 바이오센서들은, 예를 들어, 효소들, 항체들, 핵산들 등 뿐만 아니라 살아있는 세포들을 포함하는 생체분자들과 같은 생물학적 재료들을 생물학적 감응 컴포넌트로서 이용할 수 있다. 예를 들어, 분자 바이오센서들은, 타겟 에이전트들을 식별하기 위해 특정한 화학적 특성들 또는 분자 인지 메커니즘들을 이용하도록 구성될 수 있다. 바이오센서들은 트랜스듀서 엘리먼트를 이용하여, 생물학적 감응 컴포넌트에 의한 분석물의 검출로부터 얻어진 신호를, 광학적, 전자적 또는 다른 수단에 의해 처리될 수 있는 상이한 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 변환 메커니즘들은, 물리 화학적, 전기화학적, 광학적, 압전식 뿐만 아니라 다른 변환 수단을 포함할 수 있다.
연료 셀은, 물질(예를 들어, 연료로 지칭됨)로부터의 화학적 에너지를 전기적 에너지(예를 들어, 전기)로 전환하는 디바이스이다. 일반적으로, 에너지 변환은 산소 또는 다른 산화제와의 화학적 반응을 포함한다. 예를 들어, 공통 연료 중에는 수소가 있고, 천연 가스 및 알콜들과 같은 탄화수소들이 또한 연료 셀들에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 연료 셀들은, 동작을 위해 일정한 연료원 및 산소를 요구하지만, 연료 셀에 연료 및 산소 입력들이 공급되면 전기를 연속적으로 생성할 수 있다는 점에서 배터리들과는 상이하다.
바이오센서들 및 바이오연료 셀들(BFC)로 기능하는 마우스-기반(mouth-based) 디바이스들 및 시스템들이 개시된다. 일부 구현들에서, 웨어러블 타액 대사 바이오센서 디바이스들(wearable saliva metabolite biosensor devices)은, 착용자의 건강, 기능 및 스트레스 레벨에 관한 비외과적 및 실시간 정보를 제공하기 위해, 인간의 타액 샘플들 전체를 이용하여 높은 감도, 선택도 및 안정도를 나타내는, 마우스가드에 통합된 프린팅가능한 효소 전극들을 포함한다. 일부 구현들에서, 웨어러블 마우스-착용된 바이오연료 셀 디바이스들은, 타액으로부터 전력을 획득하기 위해 마우스가드의 표면 상에 형성되는 구조들을 포함한다. 개시된 디바이스들 및 시스템들의 애플리케이션들은, 생체의학적 및 피트니스 모니터링, 및 다양한 웨어러블/휴대용 디바이스들에 전력을 공급하기 위한 웨어러블 BFC들을 포함한다.
일 양상에서, 타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스는, 전기적 절연 재료를 포함하는 기판; 기판 상에서 제 1 위치에 배치되는 제 1 전극 ―제 1 전극은, 타액의 분석물에 대응하는 반응물 또는 촉매를 포함하는 화학적 물질을 포함하는 표면을 포함함―; 및 기판 상에서 간격 구역에 의해 제 1 전극으로부터 분리된 제 2 위치에 배치되는 제 2 전극을 포함하고, 제 1 및 제 2 전극들은, 전기적 신호를 생성하기 위해, 화학적 물질 및 분석물을 포함하는 산화-환원(redox) 반응을 지속할 수 있어서, 디바이스가 사용자의 마우스(mouth)에 존재하고 전기적 회로에 전기적으로 커플링되는 경우, 디바이스는, 사용자의 타액에서 분석물을 검출하도록 동작가능하다.
일 양상에서, 타액의 분석물을 검출하고 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하는 방법은, 애노드에서 캡쳐된 전자들을 릴리스하는 산화 프로세스에서, 바이오연료 물질을 제 1 산물로 전환하고, 캐소드에서 제 2 산물이 전자들을 획득하는 화학적 환원 프로세스에서 타액의 화학적 물질을 제 2 산물로 환원시킴으로써, 사용자의 마우스에 착용가능한 마우스-기반 디바이스에 부착된 바이오연료 셀의 애노드 및 캐소드 전극들에서, 타액에 존재하는 바이오연료 물질로부터 전기적 에너지를 추출하는 단계; 전기화학적 센서를 활성화시키기 위해, 추출된 전기적 에너지를, 마우스-기반 디바이스에 부착된 전기화학적 센서의 전극들에 공급하는 단계; 및 사용자의 마우스에서 타액과 접촉하는 활성화된 전기화학적 센서의 전극들에서, 전기화학적 센서의 전극에 커플링되는 화학작용제 및 타액의 분석물과 관련된 산화-환원 반응의 결과로 생성되는 전기적 신호를 검출하는 단계를 포함한다.
일 양상에서, 타액의 분석물을 검출하고 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스는, 전기적 절연 재료를 포함하는 기판 ―기판은, 사용자의 마우스 내에 피팅할 수 있는 마우스-착용 디바이스에 부착되도록 구조화됨―; 타액의 분석물을 검출하기 위한 전기화학적 센서; 디바이스에 전력을 제공하기 위해, 타액으로부터의 에너지를 전기화학적으로 추출하는 바이오연료 셀; 및 전기적 상호접속들을 통해 바이오연료 셀과 전기화학적 센서 사이에 전기적으로 커플링되어, 바이오연료 셀로부터의 추출된 에너지를 전기적 에너지로서 획득하고, 전기적 에너지를 전기화학적 센서에 공급하는 전기적 회로를 포함한다. 전기화학적 센서는, 기판 상에서 제 1 위치에 배치되는 제 1 전극 ―제 1 전극은, 타액의 분석물에 대응하는 반응물 또는 촉매를 포함하는 화학적 물질을 포함하는 표면을 포함함―; 및 기판 상에서 간격에 의해 제 1 전극으로부터 분리된 제 2 위치에 배치되는 제 2 전극을 포함하고, 제 1 및 제 2 전극들은, 제 1 및 제 2 전극들에 의해 검출가능한 전기적 신호를 생성하기 위해, 화학적 물질 및 타액의 분석물과 관련된 산화-환원 반응을 지속하도록 동작가능하다. 바이오연료 셀은, 기판 상에 배치되고, 전기적으로 전도성인 재료를 포함하는 애노드 ―애노드는, 애노드에서 캡쳐된 전자들을 릴리스하는 산화 프로세스에서 타액의 연료 물질을 제 1 산물로 변환하여 연료 물질로부터 에너지를 추출하는 것을 촉진하는 연료 셀 촉매를 포함함―; 및 기판 상에서 애노드에 인접하고 분리되게 배치되는 캐소드 ―캐소드는, 전기적으로 전도성이고, 제 2 산물이 전자들을 획득하는 화학적 환원 프로세스에서, 타액의 산소화된 물질을 제 2 산물로 환원시킬 수 있는 재료를 포함함―를 포함한다. 디바이스가 사용자의 마우스에 존재하는 경우, 디바이스는, 사용자의 타액에서 타액의 분석물을 검출하도록 동작가능하다.
본 특허 문헌에서 설명된 요지는, 하기 특징들 중 하나 이상을 제공하는 특정 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 개시된 시스템들 및 디바이스들은, 타액의 대사물질들 및 전기활성적 구성물질들의 실시간 모니터링을 할 수 있고, 마우스 내 전자기기들의 전력 공급을 위해 연속적인 에너지 획득을 제공할 수 있다.
도 1a는, 마우스가드에서 이용되는 개시된 기술의 예시적인 타액의 전기화학적 센서 디바이스에 대한 개략도를 도시한다.
도 1b는, 타액의 젖산 모니터링을 위해 설계된 도 1a의 디바이스의 예시적인 전극 구성에 대한 개략도를 도시한다.
도 1c는, 본 기술의 바이오연료 셀 디바이스의 예시적인 실시예에 대한 블록도를 도시한다.
도 1d는, 마우스가드에서 이용되는 개시된 기술의 통합된 타액 바이오센서 및 연료 셀 디바이스에 대한 개략도를 도시한다.
도 2는, 젖산의 검출 시에 예시적인 타액의 전기화학적 바이오센서의 동적 범위를 도시하는 예시적인 결과들의 시간대전류적 데이터 플롯을 도시한다.
도 3은, 생리학-관련 전기활성적 화합물들의 존재 시에 예시적인 타액의 전기화학적 바이오센서 디바이스의 감도를 도시하는 예시적인 결과들의 데이터 플롯을 도시한다.
도 4는, 젖산에 대한 예시적인 마우스가드 바이오센서의 시간에 걸친 전기화학적 응답의 안정도를 도시하는 예시적인 결과들의 데이터 플롯을 도시한다.
도 5는, 인간의 타액 샘플에서 젖산에 대한 예시적인 마우스가드 바이오센서의 응답을 도시하는 예시적인 결과들의 시간대전류적 데이터 플롯을 도시한다.
도 6은, 인간의 타액 샘플에 대한 예시적인 마우스가드 바이오센서의 응답의 안정도를 도시하는 예시적인 결과들의 데이터 플롯을 도시한다.
도 7은, 타액의 포도당 모니터링을 위해 설계된 디바이스의 예시적인 전극 구성에 대한 확대도를 포함하는, 마우스가드에서 이용되는 예시적인 타액의 전기화학적 센서 디바이스에 대한 개략도를 도시한다.
도 8은, 예시적인 타액의 전기화학적 바이오센서 디바이스에 의해 포도당 농도를 증가시키는 것에 대해 획득된 예시적인 결과들의 시간대전류적 데이터 플롯을 도시한다.
도 9는, 예를 들어, 도 1a 및 도 7a에 도시된 것들과 같은 예시적인 마우스가드 디바이스들에서 구현될 수 있는 개시된 기술의 예시적인 전기화학적 센서 디바이스에 대한 블록도를 도시한다.
도 10a는, 마우스가드에서 이용되는 예시적인 통합된 바이오센서, 바이오연료 셀 및 전자 디바이스 플랫폼의 개략적 예시 및 도면을 도시한다.
도 10b는, 통합된 플랫폼의 예시적인 전자 프로세싱 및 통신 유닛에 대한 블록도를 도시한다.
도 11a는, 마우스가드와 통합되는 개시된 기술의 예시적인 스크린-프린팅되는 전기화학적 센서의 사진을 도시한다.
도 11b는, 기판 상의 작동 전극의 시약층을 포함하는 예시적인 타액의 요산 바이오센서의 예시적인 전극 구성에 대한 개략도를 도시한다.
도 12a는, 요산 농도를 증가시키는 것에 대해 획득되는 예시적인 요산 바이오센서의 응답을 도시하는 시간대전류적 데이터를 도시한다.
도 12b는, 공통의 전기활성적 생리학적 간섭자들의 존재 시에 요산에 대한 예시적인 바이오센서의 응답에 대한 예시적인 결과들을 도시한다.
도 12c는, 다수의 인터벌들에서 샘플링되는 시간에 걸쳐 요산에 대한 예시적인 바이오센서의 전기화학적 응답 안정도에 대한 예시적인 결과들을 도시한다.
도 13a는, 희석되지 않은 인간의 타액에서 예시적인 요산 바이오센서의 전기화학적 응답을 도시하는 시간대전류적 데이터를 도시한다.
도 13b는, 인간의 타액에서 응답 데이터의 안정도를 도시하는 데이터 플롯을 도시한다.
도 14a는, 건강한 사람 및 고요산혈증 환자의 예시적인 바이오센서를 이용하여 연속적으로 모니터링함으로써 획득되는 타액의 요산 레벨들에 대한 데이터 플롯을 도시한다.
도 14b는, 처치 동안, 수일 동안 예시적인 바이오센서에 의해 모니터링되는 고요산혈증 환자의 타액의 요산 레벨들에 대한 데이터 플롯을 도시한다.
도 1b는, 타액의 젖산 모니터링을 위해 설계된 도 1a의 디바이스의 예시적인 전극 구성에 대한 개략도를 도시한다.
도 1c는, 본 기술의 바이오연료 셀 디바이스의 예시적인 실시예에 대한 블록도를 도시한다.
도 1d는, 마우스가드에서 이용되는 개시된 기술의 통합된 타액 바이오센서 및 연료 셀 디바이스에 대한 개략도를 도시한다.
도 2는, 젖산의 검출 시에 예시적인 타액의 전기화학적 바이오센서의 동적 범위를 도시하는 예시적인 결과들의 시간대전류적 데이터 플롯을 도시한다.
도 3은, 생리학-관련 전기활성적 화합물들의 존재 시에 예시적인 타액의 전기화학적 바이오센서 디바이스의 감도를 도시하는 예시적인 결과들의 데이터 플롯을 도시한다.
도 4는, 젖산에 대한 예시적인 마우스가드 바이오센서의 시간에 걸친 전기화학적 응답의 안정도를 도시하는 예시적인 결과들의 데이터 플롯을 도시한다.
도 5는, 인간의 타액 샘플에서 젖산에 대한 예시적인 마우스가드 바이오센서의 응답을 도시하는 예시적인 결과들의 시간대전류적 데이터 플롯을 도시한다.
도 6은, 인간의 타액 샘플에 대한 예시적인 마우스가드 바이오센서의 응답의 안정도를 도시하는 예시적인 결과들의 데이터 플롯을 도시한다.
도 7은, 타액의 포도당 모니터링을 위해 설계된 디바이스의 예시적인 전극 구성에 대한 확대도를 포함하는, 마우스가드에서 이용되는 예시적인 타액의 전기화학적 센서 디바이스에 대한 개략도를 도시한다.
도 8은, 예시적인 타액의 전기화학적 바이오센서 디바이스에 의해 포도당 농도를 증가시키는 것에 대해 획득된 예시적인 결과들의 시간대전류적 데이터 플롯을 도시한다.
도 9는, 예를 들어, 도 1a 및 도 7a에 도시된 것들과 같은 예시적인 마우스가드 디바이스들에서 구현될 수 있는 개시된 기술의 예시적인 전기화학적 센서 디바이스에 대한 블록도를 도시한다.
도 10a는, 마우스가드에서 이용되는 예시적인 통합된 바이오센서, 바이오연료 셀 및 전자 디바이스 플랫폼의 개략적 예시 및 도면을 도시한다.
도 10b는, 통합된 플랫폼의 예시적인 전자 프로세싱 및 통신 유닛에 대한 블록도를 도시한다.
도 11a는, 마우스가드와 통합되는 개시된 기술의 예시적인 스크린-프린팅되는 전기화학적 센서의 사진을 도시한다.
도 11b는, 기판 상의 작동 전극의 시약층을 포함하는 예시적인 타액의 요산 바이오센서의 예시적인 전극 구성에 대한 개략도를 도시한다.
도 12a는, 요산 농도를 증가시키는 것에 대해 획득되는 예시적인 요산 바이오센서의 응답을 도시하는 시간대전류적 데이터를 도시한다.
도 12b는, 공통의 전기활성적 생리학적 간섭자들의 존재 시에 요산에 대한 예시적인 바이오센서의 응답에 대한 예시적인 결과들을 도시한다.
도 12c는, 다수의 인터벌들에서 샘플링되는 시간에 걸쳐 요산에 대한 예시적인 바이오센서의 전기화학적 응답 안정도에 대한 예시적인 결과들을 도시한다.
도 13a는, 희석되지 않은 인간의 타액에서 예시적인 요산 바이오센서의 전기화학적 응답을 도시하는 시간대전류적 데이터를 도시한다.
도 13b는, 인간의 타액에서 응답 데이터의 안정도를 도시하는 데이터 플롯을 도시한다.
도 14a는, 건강한 사람 및 고요산혈증 환자의 예시적인 바이오센서를 이용하여 연속적으로 모니터링함으로써 획득되는 타액의 요산 레벨들에 대한 데이터 플롯을 도시한다.
도 14b는, 처치 동안, 수일 동안 예시적인 바이오센서에 의해 모니터링되는 고요산혈증 환자의 타액의 요산 레벨들에 대한 데이터 플롯을 도시한다.
웨어러블 바이오센서들은, 생체의학, 스포츠 및 군사적 시나리오들의 넓은 범위에서 착용자의 건강 및 피트니스의 실시간 모니터링에 대한 이들의 장래성으로 인해 상당한 관심을 받고 있다. 웨어러블 바이오센서 디바이스들 및 시스템들에 대한 초기의 작업은 통상적으로, 심전도 검사 및 펄스 산소측정법과 같이 물리적 신호들로부터 바이탈 사인들을 모니터링하는 것에 초점을 두었다. 그러나, 비외과적 웨어러블 전기화학적 센서들은, 단지 물리적 파라미터들을 넘어 개인들의 전반적인 건강 상태 및 기능에 대한 유용한 통찰을 도출할 수 있다.
웨어러블 바이오센서들은, 예를 들어, 눈물, 땀 또는 타액과 같은, 비외과적으로 획득될 수 있는 인간의 유체들에서 화학적 바이오마커들을 검출하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 예시적인 유체들 중, 타액은, 부분적으로는 이의 연속적이고 편리한 이용가능성으로 인해, 이러한 비외과적 모니터링에 매우 매력적일 수 있다. 추가적으로, 타액은 다수의 분석물들의 혈액 농도들과 밀접한 상관이 있다. 이러한 상관은 세포간(transcellular) 또는 부세포적(paracellular) 경로들을 통해 혈액으로부터 타액으로 다수의 구성성분들의 침투를 반영한다. 예를 들어, 타액의 화학성질은, 개인들의 호르몬, 스트레스 및 대사 상태들을 모니터링하기 위한 혈액 분석에 대해 유용한 비외과적 대안이 될 수 있다. 의치-기반 pH 및 온도 센서들 또는 박테리아 세포센서들과 같은 기존의 타액 센서 시스템들은, 예를 들어, 타액의 대사 물질들과 이들의 대응하는 혈액 농도 사이에 구축된 높은 상관에도 불구하고, 타액의 대사 물질들을 모니터링하기 위한 비외과적 웨어러블 바이오센서들로 이용될 수 없는 내재 유닛들이다.
또한, 마우스가드-형 디바이스들은, 웨어러블 디바이스 내에 감지 및 전자기기들의 3D 통합을 시도하는 예를 표현한다. 이러한 디바이스들은, 착용자의 건강에 대한 복잡하고 연속적인 정보를 도출하는 능력으로, 타액에서 실시간으로 바이오마커들을 감지하는 고유의 잠재력을 제공한다. 현재, 충격 모니터링 마우스가드들이 시장에 존재한다. 그러나, 이러한 충격 모니터링 마우스가드 디바이스들은, 스포츠에서 충격과 관련된 부상에 주로 초점을 두고, 화학적 감지 또는 전력 획득을 수반하지 않는다.
사용자의 마우스의 타액에서 대사 물질들을 검출 및 활용하는 웨어러블 전기화학적 센서 및 에너지 생성 기술들, 시스템들 및 디바이스들이 개시된다.
개시된 기술의 웨어러블 바이오센서 및 바이오연료 셀(BFC) 디바이스들은, 착용자의 건강, 기능 및 스트레스 레벨에 관한 비외과적 및 실시간 정보를 제공하기 위해, 인간의 타액 샘플들 전체를 이용하여 높은 감도, 선택도 및 안정도를 나타내는, 마우스가드에 통합된 프린팅가능한 효소 전극들을 포함할 수 있다. 개시된 마우스-착용된 바이오센서 및 BFC 디바이스들, 타액으로부터 전력을 획득하기 위해 마우스가드의 표면 상에 형성되는 구조들을 포함할 수 있다. 개시된 디바이스들 및 시스템들의 애플리케이션들은, 생체의학적 및 피트니스 모니터링, 및 다양한 웨어러블/휴대용 디바이스들에 전력을 공급하기 위한 웨어러블 BFC들을 포함한다.
일 양상에서, 개시된 기술은, 타액의 대사 물질들의 연속적인 모니터링을 제공하기 위해, 사용자의 마우스의 마우스가드 또는 다른 웨어러블 아이템에서 이용될 수 있는 비외과적 전기화학적 바이오센서들을 포함한다. 개시된 전기화학적 센서 디바이스들의 예시적인 실시예들이 본 특허 문헌에서 설명되고, 예를 들어, 젖산을 포함하는 타액의 분석물들의 비외과적 모니터링을 위해 용이하게 착탈가능한 마우스가드 플랫폼 상에 통합된 예시적인 프린팅가능한 전류측정 효소 바이오센서를 포함하는, 마우스-내 바이오센서 개념을 설명하는 예시적인 구현들이 수행된다. 예를 들어, 예시적인 전기화학적 센서 디바이스들은, 타액의 타겟 분석물들(예를 들어, 대응하는 효소 물질)과 상호작용하도록 선택되는 전극들 상에 하나 이상의 타입들의 효소들을 이용할 수 있다. 개시된 전기화학적 바이오센서 디바이스들을 이용하는 마우스가드는, 타액의 화학적 구성성분들로부터 에너지를 추출하기 위한 타액-기반 바이오연료 셀 디바이스를 포함할 수 있고, 바이오연료 셀 디바이스는, 마우스가드에 통합된 전기화학적 바이오센서 디바이스들 및 전기적 회로들 및/또는 전자 디바이스들에 전력을 공급하기 위해 이용될 수 있다.
마우스가드들은, 경쟁 스포츠 및 여가 스포츠의 선수들에 의해 널리 이용되는데, 이는, 마우스가드들이 스포츠-관련 치아 부상들에 대해 상당한 보호를 제공하기 때문이다. 마우스가드들은 통상적으로, 치아 위에 단단하게 파묻혀 피팅되도록 설계되는 폴리머 물품들이고, 소형화된 센서들, 제어/포착 전자 기기들 및 무선 송신기들을 장착하기 위한 충분한 용적을 갖는 매력적인 플랫폼을 표현한다. 초기 보고된 영구적 내지 타액 센서들과는 달리, 개시된 기술은, 어떠한 특수한 보조 없이도 쉽게 장착되고 교체될 수 있는 마우스가드에서 이용되는 전기화학적 센서 디바이스들을 포함한다. 중요하게는, 예시적인 웨어러블 센서 및 액츄에이터 디바이스는 타액에 항상 직접 접촉하도록 구성되기 때문에, 생리학적 정보가 간섭없이 실시간으로 측정되어, 동적 대사 물질 변화들의 연속적 평가에 대한 새로운 장을 열 수 있다.
대사 물질들, 전기활성적 종 및 바이오연료들을 이용하는 본 기술의 마우스가드-기반 전류법적 바이오센서들 및 바이오연료 셀들에 대한 예시적인 디바이스 및 시스템 설계들 및 동작 기술들이 설명된다.
도 1a는, 사용자의 마우스에 착용될 수 있는 마우스가드에서 이용되는 개시된 기술의 타액의 전기화학적 센서 디바이스(100)에 대한 개략도를 도시한다. 전기화학적 센서(100)는, 전기적 절연 재료를 포함하는 기판(101)을 포함한다. 전기화학적 센서(100)는, 기판(101) 상에 배치되는 둘 이상의 전극들을 포함하는 전극부(102)를 포함한다. 예를 들어, 전극부(102)의 전극들은, 전기촉매 재료를 포함할 수 있는 전기적 전도 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전극부(102)는 작동 전극 및 카운터 전극을 포함한다. 작동 전극은 기판(101) 상에 배치되고, 카운터 전극은 기판(101) 상에서, 작동 전극으로부터 (예를 들어, 간격에 의해) 분리된 위치에 배치된다. 작동 전극은 도 1b에 도시된 바와 같이, 전극 구조(102a)로 구성된다. 전극 구조(102a)는 기판(101) 상에 배치된 전기적 전도 재료(106)를 포함하고, 여기서 전기적 전도 재료(106)는, 전극부(102)의 전극들에서 검출가능한 전기화학적 반응을 유발하는 화학적 물질을 포함하는 전기화학적 트랜스듀서 층(107)에 의해 코팅된다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 화학적 물질은, 전극들(102)에서 검출가능한 신호를 생성하는 반응을 유발 또는 촉진하는, 타액의 대응하는 분석물에 선택적으로 촉매작용하는 촉매를 포함한다. 일부 구현들에서, 예를 들어, 층(107)에 포함된 화학적 물질은, 전극들(102)에서 검출가능한 신호를 생성하기 위해, 타액의 대응하는 분석물과 화학적으로 반응하는 화학적 반응제를 포함한다. 전극들(102)은, 전극들에서 전기 신호로 변환될 수 있는 전기적 하전 종들을 생성하는 산화-환원 반응을 지속할 수 있어서, 전기화학적 센서 디바이스(100)가 사용자의 마우스에 존재하고 전기적 회로에 전기적으로 커플링되는 경우, 센서 디바이스(100)는 마우스의 사용자 타액의 화학적 분석물을 검출하도록 동작가능하다. 도 1b에 도시된 예에서, 전기화학적 트랜스듀서 층(107)에 포함된 화학적 물질은, 젖산 산화효소(oxidase)(LOx)를 포함하고, 젖산 산화효소는, 전극들(102)에서 전기 신호를 생성하는 젖산(예를 들어, 검출될 타액에서 선택된 분석물)과의 산화-환원 반응을 촉매작용할 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 타액 바이오센서 디바이스(100)의 예시적인 실시예에서, 전극부(102)는, 3개의 전극들, 즉, 전극 구조(102a)를 포함하는 작동 전극, 카운터 전극, 및 작동 전극과 카운터 전극 사이에 위치되는 전극 구조(102a)를 포함하는 기준 전극을 포함한다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 전기화학적 센서 디바이스(100)는, 예를 들어, 작동 전극들, 카운터 전극들 및/또는 기준 전극들의 어레이와 같은, 전극부들(102)의 어레이를 포함할 수 있다.
일부 양상들에서, 개시된 타액 바이오센서 디바이스(100)는, 통합된 디바이스가 사용자의 타액의 물질들에 대한 자율적이고 연속적인 모니터링을 제공할 수 있도록 전기적 회로 및 바이오센서 디바이스에 전달할 전기 전력을 생성하는 마우스가드 또는 다른 마우스-기반 플랫폼 상에서 타액 바이오연료 셀 및 전기적 회로(예를 들어, 데이터 프로세싱 및 통신 전자 기기들을 포함함)와 통합될 수 있다. 바이오연료 셀들은, 다양한 생리학적 매질들에서 발견될 수 있는 유기적, 생화학적 및/또는 생리학적 화합물들과 같은 다양한 연료 물질들로부터 전력을 유도하는 것에 관한 바이오프로세싱으로서 효소들 또는 미생물들을 이용하는 연료 셀 디바이스들의 클래스이다. 본 기술의 바이오연료 셀들은, 마우스가드 또는 다른 마우스-장착 디바이스 상에서 이용되는 전반적 디바이스 플랫폼의 풋프린트를 오직 최소로 증가시키면서, 타액 바이오센서 및 전자 기기들에 전력을 공급하는 안전하고 지속가능한 에너지 공급원을 제공할 수 있다. 본 기술의 바이오연료 셀들은, 바이오연료 셀들이 이용되는 환경으로부터의 화학적 에너지를, 동일 환경을 연속적으로 모니터링하는 센서 디바이스들에 공급되는 전기적 에너지로 안전하게 전환하기 위한 생체적합 재료들을 포함한다. 개시된 바이오연료 셀들은, 더 높은 에너지 밀도(예를 들어, 배터리들 및 광전지들 둘 모두의 경우), 더 긴 동작 수명 및 더 가벼운 중량(예를 들어, 배터리들의 경우)을 제공하기 때문에, 배터리들 또는 다른 필드-배치가능 전원들에 비해 유리할 수 있다. 예를 들어, 마우스-기반 디바이스의 타액 센서 및 전자 기기들에 전력을 공급하기 위해, 개시된 바이오연료 셀 디바이스들을 이용함으로써, 배터리 유닛들로부터의 화학적 리칭(leeching)과 연관된 위험한 위협들이 제거된다. 개시된 기술은, 타액에서 선택된 생체촉매들로부터 전자 이송을 지시할 수 있는 바이오연료 셀 디바이스들을 포함하고, 바이오연료 셀 디바이스들은 마우스-기반 플랫폼의 바이오센서 디바이스들과 통합된다.
도 1c는, 본 기술의 바이오연료 셀 디바이스(120)의 예시적인 실시예에 대한 블록도를 도시한다. 바이오연료 셀 디바이스(120)는 기판(예를 들어, 전기화학적 센서 디바이스(100)의 기판(101)) 상에 애노드 전극(122) 및 캐소드 전극(123)을 포함하고, 여기서, 애노드 전극(122) 및 캐소드 전극(123)은, 간격 구역에 의해 서로 인접하게 분리되어 위치된다. 애노드 전극(122)은 (예를 들어, 타액에서 발견되는) 바이오연료 물질에 대한 촉매를 포함하는 촉매 층(127)을 포함하고, 여기서 촉매 층(127)은, 하기 구성들, 즉, (1) 촉매 층(127)이 애노드 전극(122) 내에 통합되어, 즉, 촉매가 애노드 전극(122)의 애노드 재료 내에 산재되는 것; (2) 촉매가 애노드 전극(122)의 표면 상에 코팅되어, 애노드 전극(122)의 표면에 정전기적으로 앵커(anchor)되거나 공유결합으로 결속될 수 있는 촉매 층(127)을 형성하는 것; 및 (3) 촉매 층(127)이, 애노드 전극(122)의 표면 상에 형성된 전기중합된 전도성 폴리머를 포함하여 촉매를 폴리머 필름 내에 인트랩하고 그리고/또는 촉매 층(127)이, 애노드 전극(122)의 표면 상에 형성된, 예를 들어, 나피온 또는 키토산과 같은 선택적으로 투과가능한 스캐폴드 구조를 포함하도록 구조화되는 것 중 적어도 하나에서 애노드(122)에 구성될 수 있다. 바이오연료 디바이스(120)는, 추출된 에너지가 고급되는 부하, 예를 들어, 전기화학적 센서 디바이스(100)에 애노드 및 캐소드 전극들을 전기 접속시키기 위해, 애노드 및 캐소드 전극들(122 및 123)에 각각 전기적으로 커플링되는 개별적인 상호접속부들(124)을 포함한다.
동작 시에, 연료 물질을 포함하는 전해질 타액 유체가 바이오연료 셀(120)의 표면과 접촉하여, 타액은 애노드 전극(122)과 캐소드 전극(123) 사이의 간격에 침지될 수 있다. 촉매는, 애노드에서 캡쳐된 전자들을 릴리스하는 산소화 프로세스에서, 타액의 대응하는 연료 물질(예를 들어, 바이오연료 구성성분)의 제 1 산물로의 전환을 촉진하여, 연료 물질로부터 에너지를 추출하도록 선택되고, 여기서 캐소드는, 제 2 산물이 전자들을 획득하는 화학적 환원 프로세서에서, 생리학적 유체의 산소화된 물질을 환원시킬 수 있고, 화학적 환원 프로세스에서 바이오연료 셀 디바이스(120)가 추출된 에너지를 전기적 에너지로서 획득한다. 전해질 유체는, 예를 들어, 포도당, 젖산, 요산 등과 같은 다양한 바이오연료 구성성분들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 촉매 층(127)에 포함된 촉매는, 타액의 바이오연료 물질에 대응하는 LOx, GOx 또는 우리카아제 또는 다른 촉매(예를 들어, 산화효소 또는 탈수소효소)를 포함할 수 있다. 바이오연료 셀 디바이스(120)의 일부 실시예들에서, 바이오연료 셀 디바이스는, 전해질 매질을 통한 전하들의 전도를 금지하기 위해, 간격 구역에서 이용되는, 기판(101)에 부착된 양성자-교환 멤브레인 분리기를 포함할 수 있다.
도 1d는, 사용자의 마우스에 착용될 수 있는 마우스가드에서 이용되는 개시된 기술의 통합된 타액 바이오센서 및 연료 셀 디바이스에 대한 개략도를 도시한다. 통합된 센서-연료 셀 디바이스는, 전기적 회로(150)에 전기적으로 인터페이싱되는 전기화학적 센서 디바이스(100)(예를 들어, 2 또는 3 전극 구성) 및 바이오연료 셀 디바이스(120)를 포함할 수 있다. 회로(150)는, 신호 조정, 신호 및 데이터 프로세싱, 저장 및/또는 통신을 제공하기 위해, 전기적 회로 엘리먼트(예를 들어, 임피던스 엘리먼트, 다이오드들, 트랜지스터들 등) 및/또는 전자 컴포넌트(예를 들어, 프로세서들, A/D 변환기들, 무선 송신기/수신기, 계측 전자 기기들 등)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 회로(150)는, 예를 들어, 시간대전류법, 시간대전위법, 전압전류법, 순환 전압전류법(cyclic voltammetry), 선형 스위프 전기화학적 기술들, 폴라로그래피(polarography), 펄스형 전기화학적 분석 기술들, 임피던스 분광법 등을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌, 센서(100)에 의해 해당 타액의 분석물 또는 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 분석 기술들을 제어하도록 구성될 수 있다.
도 1d에 도시된 예에서, 예시적인 바이오연료 셀 디바이스(120)는, 기판(101) 상에 구성되는 애노드 및 캐소드 전극들(122 및 123)의 교차배치된 어레이를 포함한다. 애노드 및 캐소드 전극들(122 및 123)의 어레이는, 회로(150)에 전기적으로 접속되는 도관들(124)에 접속된다. 바이오연료 셀 디바이스(120)의 일부 구현들에서, 바이오연료 셀은, 기판(101) 상에서, 애노드 및 캐소드 전극들(122 및 123) 및 도관들(124)의 교차배치된 어레이 아래에, 예를 들어, 은 또는 구리와 같은 전기적 전도 재료로 형성되는 전기적 전도 하부층을 더 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 바이오연료 셀 디바이스(120)는, 애노드 및 캐소드 전극들(122 및 123)이 교차배치된 어레이를 둘러싸는 영역에 생리학적 유체를 포함하도록 구조화된, 기판(101) 상의 저장소 구역을 더 포함할 수 있다.
예시적인 젖산 바이오센서들
일 실시예에서, 전류법적 모니터링을 이용하여 타액의 대사 물질 젖산(또는 lactate)의 연속적인 타액 모니터링을 위한 비외과적 마우스가드-기반 바이오센서 디바이스가 설명된다. 예를 들어, 타액의 젖산 농도들은 혈액의 젖산 레벨들에 밀접하게 대응하고, 피트니스 레벨들을 모니터링하기 위해 생체외에서 이용되어 왔다. 따라서, 타액은 스포츠 활동들 동안 젖산 레벨들의 연속적인 비외과적 모니터링을 위한 유체로 적합할 수 있다. 본원에서 설명되는 예시적인 웨어러블 구강 바이오센서 시스템은, 프린팅가능한 프러시안-블루(PB) 트랜스듀서 및 폴리-오소페닐렌디아민(PPD; poly-orthophenylenediamine)/젖산-산화효소(LOx) 시약 층을 포함한다. 예를 들어, 프러시안-블루 트랜스듀서는, 산화효소 생체촉매 반응들의 과산화수소 산물에 대해 매우 민감한 검출을 제공하는 "인공 페록시다아제"로 동작할 수 있다. PB는, 예를 들어, 탈륨 및 세슘과 같은 중금속들에 의한 중독의 구강 처치를 위해 이용될 수 있고, 이의 사용은 높은 구강 복용에 후속하는 생리학적 조건들 하에서 매우 안전한 것으로 간주된다. 폴리-오소페닐렌디아민(PPD)는, 산화효소들의 전기중합적 인트랩먼트, 전위 간섭들의 차단, 및 바이오센서 표면의 보호를 위해 이용된다. PB 트랜스듀서에 의해 제공된 과산화 산물의 극도로 낮은 전위 검출과 전체 타액의 전기활성적 구성성분들의 제외의 커플링은 높은 감도 및 안정성을 도출한다. 예시적인 타액 젖산 센서 디바이스의 실시예는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 전기화학적 센서 디바이스(100)를 포함할 수 있다.
하기 내용은, 젖산의 연속적인 마우스 내 모니터링의 구현들에서 이용되는 예시적인 마우스-기반 바이오센서의 예시적인 설계들 및 생체외 특성들을 설명한다. 고정 젖산 산화효소를 포함하는 프린팅가능한 효소 전극을 포함하는 예시적인 마우스가드 효소 바이오센서는, 과산화 산물의 낮은 전위들을 검출할 수 있고, 전체 인간 타액 샘플들을 이용하여 높은 감도, 선택도 및 안정성을 나타낸다. 예시적인 디바이스는, 착용자의 건강, 기능 및 스트레스 레벨에 관한 유용한 실시간 정보를 제공하기 위해 이용될 수 있고, 따라서 다양한 생체의료 및 피트니스 애플리케이션들에 대해 상당한 장래성을 유지할 수 있다. 타액에 존재하는 다른 생화학물질들이 또한, 개시된 바이오센서 디바이스들의 다른 예시적인 구현들에서 이용될 수 있다.
예시적인 마우스가드 젖산 바이오센서의 예시적인 구현들은 하기 화학물질들 및 시약들을 포함하였다. L-젖산 산화효소(LOx)(액티비티: 101 U/mg)가 획득되었다. 1,2- 페닐렌디아민 (o-Pd), L-젖산, L-아스코르브산(AA), 요산(UA),황산나트륨, 인산 칼륨 일염기성, 제2 인산 칼륨, 및 염화나트륨이 획득되었고, 추가적인 정화 또는 변형 없이 이용되었다. 초순수(ultrapure water)(18.2 MΩ·cm)가 예시적인 구현들에서 이용되었다.
예시적인 마우스가드 젖산 바이오센서의 예시적인 구현들은 하기 기구를 포함하였다. 전기화학적 측정들을 위해 CH 기구 모델(440) 분석기가 이용되었다. 마우스가드 센서들의 반응을 평가하기 위해 시간대전류적 연구가 수행되었다. 예를 들어, 예시적인 구현들에서 인가된 전위들은, 실온(예를 들어, 22 ℃)에서 프린팅된 스크린-프린팅 의사 Ag/AgCl 기준 전극에 대한 것이었다. 전극들을 프린팅하기 위해 MPM SPM 반자동 스크린 프린터가 이용되었다. AutoCAD를 이용하여 예시적인 센서 패턴들이 설계되었고, 75 μm 두께의 스테인레스 강 스텐실(stencil)들 상에 스텐실들이 패터닝되었다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 예시적인 마우스-기반 전기화학적 센서 디바이스는, 하기 제조 기술들을 이용하여 제조되고 마우스가드에 통합될 수 있다. 일례에서, 마우스가드 바이오센서들은, 플렉서블 PET 기판, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 상에 3개의 별개의 층들을 스크린-프린팅함으로써 제조되었다. 제 1 층에는, 기준 전극 뿐만 아니라 전기화학적 분석기에 3개의 전극들을 인터페이싱하기 위한 콘택트들을 제공하기 위해, Ag/AgCl 전도성 잉크(예를 들어, Creative Materials Inc., MA USA로부터의 124-36, 의료 등급)가 먼저 프린팅되었다. 예를 들어, 작동 및 보조 전극들에 적용되는 제 2 층은 프러시안-블루-그래파이트 잉크(예를 들어, Gwent Inc., Torfaen, UK로부터의 C2070424P2)로부터 프린팅되었다. 일부 구현들에서, 절연체 층으로 기능하는 제 3 층은, (예를 들어, DuPont 5036 유전체 페이스트를 이용한) 전기화학적 검출을 촉진하기 위해 전극들의 특정 구역들을 노출시키는 절연체 층의 개구부들을 갖고 기판(101) 위에 프린팅될 수 있다. 예를 들어, 절연체 층은, 노출된 은-에폭시 및 Ag/AgCl 콘택트들을 코팅하기 위해 이용되었다. 각각의 프린팅 단계 이후, 프린팅된 층들은 20 분 동안 80 ℃로 경화되었다. 후속적으로, 도 1a에 도시된 바와 같이, 프린팅된 전극 시스템은, 양면 접착제를 이용하여, 마우스가드의 내부 구역에 마우스가드 본체의 PET 기판에 부착되었다. 이러한 예시적인 구현에서, 전기화학적 분석기는, 은 에폭시를 통해 Ag/AgCl 콘택트들에 부착된 마우스가드 본체 내부로 홀들을 통해 배치된 와이어들에 접속되었다.
젖산 산화효소(LOx)는, 폴리(o-페닐렌디아민)(PPD) 필름에서 전기중합적 인트랩먼트에 의해 작동 전극 표면 상에 고정되었다. 이것은, 예를 들어, 20 분 동안 질소로 퍼지된 10 mM o-Pd, 5 mM 황산나트륨 및 800 U/mL LOx를 포함하는 0.1 M 인산 완충(pH 7.0) 용액을 이용하여 달성되었다. 중합 용액에 마우스가드 프린팅가능 트랜스듀서가 침지되었다. 이 예에서, LOx-인트랩된 PPD 필름을 성장시키기 위해, 1 분 동안 (Ag/AgCl에 대한) 0.55 V의 전위가 후속적으로 인가되었다. 전기중합 프로세스에 후속하여, 전극 표면으로부터 모노머 잔여물들 뿐만 아니라 임의의 비결속된 효소를 제거하기 위해, 예시적인 센서는 헹궈지고, 20 분 동안 0.1 M 인산 완충 용액(pH 7.0)에 침지되었다. 도 1b는, 타액 젖산 모니터링을 위한 마우스가드 플랫폼 상의 예시적인 변형된 작동 전극 트랜스듀서의 개략도를 도시한다.
예시적인 타액 전기화학적 센서 디바이스를 이용하는 예시적인 전기화학적 특성들은 완충 매트릭스에서 수행되었다. 예를 들어, 예시적인 마우스가드 젖산 센서의 전기화학적 성능은, (인간의 타액의 Cl 농도를 모방한) 20 mM NaCl(PBS)을 포함하는 0.1 M 인산 완충 (pH 7.0) 용액에서 평가되었다. 예시적인 PB-PPD-LOx 바이오센서 디바이스에서 젖산의 시간대전류법적 측정들은, 샘플 용액에서 2 분의 배양기간 이후 60 초 동안 (Ag/AgCl에 대한) 전위를 0.042 V로 스테핑(stepping)함으로써 수행되었다. 전류는 60 초 후 샘플링되었다. 이러한 구현들에서, 인가된 전위는, PB-카본 트랜스듀서의 순환 전압전류법에 기초하여 선택되었고, 여기서 과산화수소의 환원이 최대 전류를 생성하였다. 바이오센서의 안정성은 2 시간의 동작에 걸쳐 10 분 간격으로 0.5 mM 젖산에서 검사되었다. 예시적인 센서는 이러한 연속적인 측정들 사이에 0.1 M PBS에서 유지되었다.
인간의 타액 샘플들은, 예를 들어, '수동 드룰 방법(passive drool method)'을 이용하여 (예를 들어, 적어도 8 시간) 단식 조건들에서 건강한 자원자들로부터 수집되었다. 수집된 샘플들은, 이들의 침천물들이 촉발되도록 허용하기 위해 실온에서 유지되었고, 전기화학적 측정들에 대해 상청액이 (희석없이) 직접 이용되었다. 전체 타액 샘플들의 높은 점성으로 인해, 희석되지 않은 타액의 부분 표본들의 50 μL이 상이한 젖산 농도들과 혼합되었고 1 분 동안 보텍스(vortex)되었다. 타액 샘플들의 젖산의 농도는 표준 첨가 방법을 통해 결정되었다.
완충 매트릭스에서 이용된 것과 동일한 조건들(예를 들어, 60 초 동안 EAPP =0.042V)을 이용하여, 스파이크된 타액 샘플들의 전기화학적 측정들이 수행되었다. 이러한 전체 타액 샘플들의 연장된 측정들은, 보충되는 타액의 마우스 내 흐름(미자극: 1 mL/min, 자극: 2 mL/min)을 모방하기 위해 매 10 분마다 샘플을 변경함으로써 수행되었다. 예시적인 센서는 이러한 연속적인 측정들 사이에 타액에서 유지되었다.
이러한 구현들의 예시적인 결과들이 설명된다. 인간의 타액의 젖산 농도는, 인간의 신진대사 및 물리적 기능에 따라 변하며, 혈액(17.3 ± 1.9 mM 까지)과 타액의 젖산 레벨들(1.6 ± 0.4 까지) 사이에 관측된 높은 상관을 갖는다. 따라서, 타액의 젖산의 연속적인 마우스 내 모니터링을 실현하기 위해, 넓은 선형 젖산 검출 범위 및 신속한 응답 시간이 필수적이다. 복잡한 미처리 타액 샘플들에서 전위 간섭들을 처리하기 위해, 예를 들어, 공통으로 이용되는 LOx 효소는 PPD 필름 내로의 인트랩먼트에 의해 프린팅가능한 PB-기반 트랜스듀서 상에 고정되었다. 마우스가드 상에 장착된 예시적인 PB-PPD-LOx 바이오센서는 먼저 인산 완충 매질에서 평가되었다.
동적 농도 범위는, (Ag/AgCl에 대한) 0.042 V의 낮은 전위를 이용하여 0.1-1.0 mM의 젖산 범위에 걸쳐 젖산의 레벨들을 증가시키는 것에 대한 응답으로 검사되었다. 도 2는, (데이터 플롯에서 파형들(200b-200k)로 도시된) PBS 매질에서 0.1 mM 증분으로 젖산의 농도들을 증가시키는 것에 대한 시간대전류도면들을 디스플레이한다. 이러한 예시적인 데이터는, 젖산 농도에 비례하는 잘 정의된 시간대전류도면 및 전류 신호들로, 예시적인 PB-PPD-LOx 마우스가드 바이오센서가 젖산에 대해 매우 높은 감도를 디스플레이함을 표시한다. (도 2의 삽도에 도시된) 결과적 교정 플롯은 높은 선형성(기울기, 0.553μA/mM; 상관 계수, 0.994)을 나타낸다. 또한, 극도로 낮은 동작 전위와 연관된 상당히 낮은 배경 전류(데이터 플롯에서 파형(200a)로 도시됨)가 존재했음을 주목한다. 따라서, 약 0.050 mM의 낮은 검출은, 0.1 mM 젖산에 대한 응답의 우호적인 신호대 잡음 특성들(예를 들어, 파형(200b))로부터 추정될 수 있다(S/N = 3). 따라서, 예시적인 PB-PPD-LOx 마우스가드 센서는 타액 젖산의 생리학적 범위에 걸쳐 효과적으로 젖산을 검출할 수 있다. 도 2의 시간대전류도면에 도시된 예시적인 데이터 파형들의 경우, 예시적인 구현들은, EAPP = 0.042 V (vs Ag/AgCl) 및 60 초의 전류 샘플링 시간으로 수행되었다.
예시적인 마우스가드 바이오센서는 실세계 구현들에서는 복잡한 미처리 타액 매질에 노출될 것이기 때문에, 종종 젖산의 전류법적 검출과 간섭하는 전기활성적 구성성분들(예를 들어, L-아스코르브산, 요산)의 존재 시에 민감한 응답을 제공해야 한다. 예시적인 PB-PPD-LOx 트랜스듀서-시약-층 시스템은, 예를 들어, PPD 층의 효과적인 선택투과 거동으로, PB 표면에 의해 제공되는 매우 낮은 검출 전위를 커플링시킴으로써 전기활성적 전위 간섭들을 최소화하도록 설계된다. 도 3은, 아스코르브산 및 요산의 이러한 생리학적 농도들의 존재 및 부존재 시에 젖산의 0.5 mM에 대한 시간대전류법적 응답을 디스플레이한다. 젖산의 선택도는, 예를 들어, 100 μM 요산(도 3의 파형(340)), 및 아스코르브산(도 3의 파형(330))과 같은 인간 타액의 관련 전기활성적 구성성분들의 생리학적 레벨들의 존재 시에 평가되었다. 젖산의 선택도는 AA 및 UA(도 3의 파형(320))의 존재 시에 평가되었다. 파형(310)은 오직 PBS만의 응답을 도시한다. 이러한 예시적인 데이터는, 이러한 전위 간섭들이 젖산 응답에 대해 무시가능한 영향(AA 및 UA 둘 모두에 대해 약 5%)을 갖고, 따라서 이 새로운 마우스가드 바이오센서 시스템이 높은 감도를 제공함을 명확하게 나타낸다. 도 3의 데이터 플롯에서, 예시적인 결과들은, 도 2에서와 같이 예시적인 조건들 하에서, 0.1 PBS 및 공통 전기활성적 생리학적 간섭자들 AA 및 UA의 존재 시에 0.5 mM 젖산에 대한 예시적인 응답을 도시한다.
높은 안정성은, 새로운 마우스가드 젖산 바이오센서의 연속적인 마우스 내 동작에 대한 다른 중요한 요건이다. 도 4는, 0.5 mM 젖산에 대한 예시적인 마우스가드 바이오센서의 전기화학적 응답의 안정도를 도시하는 예시적인 결과들의 데이터 플롯을 도시한다. 이러한 예시적인 구현들에서, 안정성은, 초기에, 매 10 분 동안 수행되는 0.5 mM의 반복적 측정들에 의해 연속적인 2 시간의 동작 동안 평가되었다. 삽도는, 원래의 전류 응답에 기초한 상대적인 전류의 시간-경과 프로파일을 도시한다(t=0 분에서의 초기 결과가 100%로 정규화되었다). 이러한 예시적인 구현들에서, 예시적인 센서는 이러한 연속적인 측정들 사이에 0.1 M PBS에서 유지되었다. 이러한 예시적인 데이터는, 전체 2 시간의 동작에 걸쳐 매우 안정된 전류 응답을 나타낸다. 다른 구현들은, 센서의 장기간의 안정성을 증명하였다.
합성 완충 매트릭스에서 마우스가드 바이오센서의 평가 이후, 예시적인 구현들은 인간의 타액 샘플들을 이용하여 수행되었다. 변화된 젖산 레벨들에 대해 마우스가드에서 이용되는 예시적인 바이오센서의 응답은, 미자극된 인간의 타액에서 스파이크된 0.1 - 0.5 mM 젖산을 이용하여 검사되었다. 예를 들어, 도 5의 잘 정의된 시간대전류도면으로부터 표시된 바와 같이, 예시적인 센서는 젖산 레벨에서의 이러한 변화들에 대해 우호적으로 응답하였다(예를 들어, 파형들(500b-500f)에 의해 도시됨). (삽도에 도시된) 결과적 교정 플롯은 양호한 선형성(기울기, 0.202 μA/mM; 상관 계수, 0.988)을 나타내었다. 다른 예시적인 조건들은 도 2에서와 같다. 따라서, 내생적(endogeneous) 젖산 레벨은 0.010 mM로 추정될 수 있고, 이는, 자극 없이 휴식하는 인간의 타액에서 정상 범위 내이다. (완충 매질에서 관측되는 것들에 대한) 젖산 첨가물들로 인한 작은 전류 증분들이 타액 샘플들의 점성에 기여하여, 예를 들어, 더 느린 확산을 도출한다. 37 ℃(예를 들어, 체온; 미도시)에서 센서들을 테스트하는 경우, 감도 또는 선형 범위에서 어떠한 명백한 변화도 관측되지 않았다.
예시적인 구현들은, 복잡한 타액 매질에 대한 예시적인 구강 바이오센서 시스템의 연속적 노출에 대한 안정성 평가들 및 공존하는 단백질들에 의한 센서 반응의 전위 악화를 포함하였다. 도 6은, 0.5 mM 젖산으로 스파이크된 인간의 타액 샘플에 대한 예시적인 마우스가드 바이오센서의 시간에 걸친 응답 안정성을 도시하는 데이터 플롯을 도시한다. 구현들에서, 동적 구강 환경을 모방하기 위해 각각의 측정에 대해 타액을 교체하여, 2 시간 기간에 걸쳐 10 분 간격으로 반복적 측정들이 수행되었다. 도 6의 삽도는 원래의 전류 응답(T=0)에 기초한 상대적 전류를 도시한다. 예시적인 센서는 이러한 연속적인 측정들 사이에 타액에서 유지되었다. 다른 예시적인 조건들은 도 2에서와 같다. 예를 들어, 이러한 예시적인 구현에서는, 전류 신호의 오직 작은 변량들(예를 들어, 원래의 응답의 90% 내지 106% 범위)만이 관측되었다. 이러한 양호한 안정성은, 공존하는 파울링(fouling) 구성성분들에 대한 PPD 코딩의 보호적 동작을 반영한다. 필요한 경우에는 언제나, 개시된 마우스가드 센서 시스템은, 타액 매트릭스에 의한 센서 응답의 추가적인 악화를 처리하기 위해 실제 마우스 내 동작 동안 쉽게 교체될 수 있다.
(도 1a 및 도 1b에 도시된) 비외과적 마우스가드 바이오센서 디바이스의 예시적인 실시예의 예시적인 구현들은 타액 대사물질들의 연속적인 마우스 내 모니터링을 나타낸다. 하나의 이러한 구현에서, 젖산의 전류법적 측정들은, 예시적인 PB-PPD-LOx 바이오감지 플랫폼을 이용하여 수행되었다. 개시된 기술은, 예를 들어, 타액 샘플들에서 매우 민감하고, 선택적이고 안정된 젖산 응답을 제공하여, 공존하는 전기활성적 및 단백질 구성성분들에 대해 낮은 전위 신호 변환 및 차단을 반영할 수 있다. 예를 들어, 희석되지 않은 인간의 타액 샘플들에서 젖산을 검출할 때 마우스가드-기반 바이오감지 플랫폼의 이러한 매력적인 성능은, 개인들의 피트니스 상태의 연속적인 비외과적 생리학적 모니터링에 대한 실용적 웨어러블 디바이스로서의 잠재력을 강조한다.
타액에 존재하는 다른 생화학물질들이 또한, 개시된 바이오센서 디바이스들의 다른 예시적인 구현들에서 이용될 수 있다. 일부 예들에서, 포도당이 또한 전기화학적으로 검출되고 프린팅된 바이오연료 셀 애플리케이션에서 활용될 수 있다.
예시적인 포도당 바이오센서들
도 7은, 마우스가드에서 이용되는 예시적인 타액의 전기화학적 센서 디바이스(100)에 대한 개략도, 및 타액의 포도당 모니터링을 위한 바이오센서 디바이스(100)의 예시적인 전극 구성(702)에 대한 확대도를 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 예시적인 바이오센서 디바이스(100)의 작동 전극 및 기준 전극은 전극 구조(702)로 구성된다. 전극 구조(702)는 기판(101) 상에 배치된 전기적 전도 재료(106)를 포함하고, 여기서 전기적 전도 재료(106)는, 전극들에서 검출가능한 전기화학적 반응을 유발하는 포도당에 대응하는 촉매를 포함하는 전기화학적 트랜스듀서 층(707)에 의해 코팅된다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 화학적 물질은, 전극들(102)에서 검출가능한 신호를 생성하는 반응을 유발 또는 촉진하는, 타액의 대응하는 분석물에 선택적으로 촉매작용하는 촉매를 포함한다. 도 7에 도시된 예에서, 전기화학적 트랜스듀서 층(707)에 포함된 촉매 화학적 물질은, 포도당 산화효소(GOx)를 포함하고, 포도당 산화효소는, 전극들(102)에서 전기 신호를 생성하는 포도당(예를 들어, 검출될 타액에서 선택된 분석물)과의 산화-환원 반응을 촉매작용할 수 있다.
도 8은, (파형들(800a-800i)에 도시된) 증분들로 포도당 농도를 증가시키는 것에 대해 획득된 예시적인 결과들의 시간대전류적 데이터 플롯을 도시한다. 데이터를 획득하기 위해 수행된 예시적인 구현들에서, 트랜스듀서 층(702)은, PPD 필름 내에서의 인트랩먼트에 의해 프린팅가능한 PB-기반 트랜스듀서 상에 고정된 GOx 효소를 포함하였다. 이러한 예시적인 구현들에서 예시적인 조건들은 도 2와 연관된 조건들과 유사하였다. 따라서, 도 8에 의해 도시된 바와 같이, 예시적인 PB-PPD-GOx 마우스가드 센서는 타액 젖산의 생리학적 범위에 걸쳐 효과적으로 포도당을 검출할 수 있다.
예시적인 통합된 전기화학적 센서들, 바이오연료 셀들 및 전자 기기들
도 9는, 예를 들어, 도 1a 및 도 1b 및 도 7에 도시된 바와 같이, 마우스가드에서 구현될 수 있는 예시적인 전기화학적 센서 디바이스(100)에 대한 블록도를 도시한다. 전기화학적 센서 디바이스(100)는 기판(101)을 포함하고, 기판(101)은 전기적 절연 재료를 포함하고 폼-피팅된(form-fitted) 마우스가드 또는 다른 마우스가드 디바이스에서 구성될 수 있다. 도 9에 도시된 예에서, 전기화학적 센서 디바이스(100)는 기판(101) 상에 배치된 작동 전극(172) 및 제 2 전극(173)을 포함하고, 여기서, 작동 전극(172) 및 제 2 전극(173)은 간격(179)에 의해 서로 분리된다. 전기화학적 센서 디바이스(100)는 절연체 층 또는 구조(176)를 포함할 수 있고, 절연체 층 또는 구조(176)는, 예를 들어, 디바이스(100)에 대한 추가적인 구조적 지지를 제공할 수 있고, 전극들 및 상호접속들 또는 도관들(175)을 통해 전도되는 전기적 신호들의 전기적 신호 무결성을 보호할 수 있다. 예를 들어, 개시된 전기화학적 센서 디바이스들의 전극 구성은, 감지될 타겟 분석물들이 타입, 및 이용되는 검출 방법, 예를 들어, 전류법, 전압전류법, 및/또는 전기화학적 임피던스 분광법, 또는 다른 전기화학적 분석 기술의 타입에 기초하여 설계될 수 있다. 일부 예들에서, 디바이스(100)의 전기화학적 센서는, 예를 들어, 전위차법을 이용하여, 하전된 분석물들을 검출하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 전기화학적 센서 디바이스(100)는, 노출된 작동 전극(172) 상에서 자체-산화 분석물들을 검출하도록 구성될 수 있고, 여기서, 디바이스(100)는, 작동 전극(172)과 제 2 전극(173) 사이에 위치되는 제 3 전극을 포함하고, 제 2 전극(173) 및 제 3 전극은 각각 카운터 전극 및 기준 전극으로 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 전기화학적 센서 디바이스는, 예를 들어, 작동 전극들, 기준 전극들 및/또는 카운터 전극들의 어레이와 같은, 전극부들의 어레이를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 도 9의 도면에 도시된 바와 같이, 작동 전극(172)은, 예를 들어, 전류법 및/또는 전압전류법을 이용하여 검출될 수 있는 검출가능한 전기적 신호를 생성하기 위해 산화-환원 반응을 지속하는 전기화학적 감지 층(174)을 포함한다. 전기화학적 감지 층(172)은, 작동 전극(172)에 의해 감지되는 전하 캐리어들을 생성하는 유체(예를 들어, 타액)에서 (예를 들어, 특정 분자 또는 물질과 같은) 타겟 분석물과 산화-환원 반응을 촉진할 수 있는 반응제(예를 들어, 촉매)를 제공한다. 전기화학적 감지 층(172)은 촉매 및 전기활성적 산화-환원 중재자를 포함하도록 구조화될 수 있다. 일부 예들에서, 타겟 분석물은 촉매에 의해 산화되어 이 프로세스에서 전자들을 릴리스하고, 이는, 작동 전극(172)과 제 2 전극(173) 사이에서 측정될 수 있는 전기 전류를 발생시킨다. 예를 들어, 전기활성적 산화-환원 중재자는, 작동 전극(172)과 촉매의 활성 사이트 사이에서 전자들의 이송을 촉진할 수 있다. 전기화학적 감지 층(174)은, 예를 들어, (i) 촉매가 작동 전극(172)의 재료 내에 산재되는 것; (ii) 촉매가 작동 전극(172)의 표면 상에 층으로서 코팅되어, 예를 들어, 촉매가 표면에 공유결합으로 결속되거나 정전기적으로 앵커되는 것; 또는 (iii) 촉매가 작동 전극(172)의 표면 상에 형성된 전기중합된 전도성 폴리머에 의해 및/또는 예를 들어, 작동 전극(172)의 표면 상에 형성된 나피온 또는 키토산과 같은 선택적으로 투과가능한 스캐폴드 구조에 의해 인트랩되는 것에 의해 작동 전극(172)에 대해 구성될 수 있다. 예를 들어, 전기활성적 산화-환원 중재자를 포함하는 예시적인 구현들에서, 전기활성적 산화-환원 중재자는, 동일한 예시적인 구성에 의해 촉매와 함께 전기화학적 감지 층(174)에서 구성될 수 있다.
도 9의 도면에 도시된 바와 같이, 전기화학적 센서 디바이스는, 전기적 상호접속부들(175)을 통해 전극들에 대한 전기적 센서 회로(150)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 예를 들어, 센서 회로(150)는, 여기(excitation) 파형들을 인가하고 그리고/또는 여기 시에 전기화학적 센서 디바이스(100)의 전기화학적 전극들에 의해 생성되는 전기적 신호들을 변환하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 센서 회로(150)는, 포착된 데이터를 외부 디바이스에 송신하기 위한 신호 조정 유닛 및 통신 유닛을 포함할 수 있고, 예를 들어, 외부 디바이스는, 결과들을 마우스가드의 착용자 또는 예를 들어, 코치, 트레이너 또는 의사와 같은 다른 사용자에게 실시간으로 디스플레이하는 디스플레이 또는 다른 인터페이스를 포함할 수 있다. 센서 회로(150)는, (예를 들어, 전류법적 및 전압전류법적 측정들을 실현하는) 전위가변기(potentiostat) 또는 (예를 들어, 전위차적 측정들을 실현하는) 정전류기(galvanostat)를 포함하도록 구조화될 수 있지만 이제 제한되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 전기화학적 센서 디바이스(100)는, 전기화학적 센서 디바이스(100)의 전극들에 외부 회로 또는 디바이스를 전기적으로 인터페이싱하는 전도성 표면을 제공하기 위해, 상호접속부들(175)에 커플링되는 전기 전도성 콘택트 패드들을 포함할 수 있다.
개시된 기술은, 통합된 플랫폼에서 연속적인 마우스 내 타액 분석물 모니터링을 위해 이용될 수 있고, 통합된 플랫폼은, 데이터 포착, 프로세싱 및 무선 송신 뿐만 아니라 모든 잠재적 유독성 및 생체 적합성 우려들에 대한 결정적 평가를 위한 전류법적 회로들 및 전자 기기들의 소형화 및 통합을 포함할 수 있다. 전류법적 마우스가드 바이오감지 개념은, 다른 임상적으로 관련된 대사물질들 및 스트레스 마커들의 타액 모니터링에 대해 용이하게 구현될 수 있고, 따라서 착용자의 건강 및 기능에 대한 유용한 통찰들, 및 다양한 생체의료적 및 피트니스 애플리케이션들에 대한 상당한 장래성을 제공한다.
예를 들어, 개시된 통합된 센서-연료 셀 전자 플랫폼은 실시간 전기화학적 성능 모니터링을 위해 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 개시된 통합된 플랫폼은, 예를 들어, 기능적 엘리먼트들을 지원하고 감지될 아이템을 송신하는 구조, 센서들 자체, 센서 신호를 프로세싱하고 송신하는 마이크로일렉트릭 회로, 전원 및 다양한 컴포넌트들을 상호접속시키는 배선을 포함하여, 인간의 신체에 적합한 폼 팩터 내의 통합된 기능적 컴포넌트들을 갖는 마우스가드의 진보된 웨어러블 바이오감지 태그들을 포함한다. 일부 예들에서, 이러한 디바이스들에서 이산적 전자 기기들 및 마이크로 제조된 전극들이 이용될 수 있다.
도 10a는, 마우스가드에서 이용될 수 있는 예시적인 통합된 바이오센서, 바이오연료 셀 및 전자 기기 플랫폼의 개략적 예시 및 도면을 도시한다. 플랫폼(1000)은, 전기화학적 바이오센서 디바이스(100)의 예시적인 실시예 및 바이오연료 셀 디바이스(120)의 예시적인 실시예를 포함하고, 이들은 예시적인 전기적 회로(150)에 의해 전기적으로 인터페이싱된다. 일부 구현들에서, 예를 들어, 전기적 회로(150)는, 바이오연료 셀(150)로부터 입력되는 전력을 추적하는 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있고, 바이오연료 셀(150)은, 예를 들어, 통합된 센서-연료 셀 플랫폼(1000)의 자체-전력공급 동작을 달성하기 위해, 바이오센서(100)에 의한 감지를 위한 기본적 분석물 농도와 관련된다. 예를 들어, 예시적인 바이오센서 디바이스(100) 및 바이오연료 셀 디바이스(120)는, 예를 들어, 앞서 설명된 바와 같이, 하나 이상의 타액의 화학적 연료 물질들로부터 에너지를 추출하도록 (예를 들어, 포도당, 젖산 및/또는 요산 등을 검출하는) 하나 이상의 타액 분석물 바이오센서들 및 바이오연료 셀을 제조함으로써 마우스가드에 통합될 수 있다. 예시적인 통합된 설계에서, 이러한 제조 프로세스들 동안 트랜스듀서 잉크 재료들 및 생체전기 시약 층들이 최적화될 수 있다. 예시적인 통합된 바이오센서, 바이오연료 셀 및 전자 기기 디바이스 플랫폼(1000)은, 예를 들어, 자동-소형화되는 전기화학적 분석기 및 연관된 전자 인터페이스들, 디지털화 회로 및 통신들을 위한 전자 기기들의 설계를 포함하는 이산적 컴포넌트 기반 디바이스들 및 인터페이싱을 포함할 수 있다. 전자 기기들의 전체 어셈블리는 마우스가드 폼 팩터로 생성될 수 있다.
도 10b는, 통합된 플랫폼(1000)의 예시적인 전자 프로세싱 및 통신 유닛(1050)에 대한 블록도를 도시한다. 예를 들어, 도 10b의 프로세싱 및 통신 유닛(1050)은, 예를 들어, 도 10a에 도시된 바와 같은 전기적 회로(150)에 포함되거나 전기적 회로(150)로서 활용될 수 있다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 프로세싱 및 통신 유닛(105)은 아날로그-디지털 컨버터들 및 신호 조정 및 프로세싱 회로를 포함하고, 이들은, 유닛(1050)에 대한 전원으로서의 바이오연료 셀 디바이스(120)과 인터페이싱할 수 있다. 프로세싱 및 통신 유닛(1050)은, 신호 프로세싱 및 (예를 들어, 외부 디바이스들로의) 통신들이 가능한 데이터 프로세싱 유닛, 및 DC/DC 컨버터들 및/또는 신호 조정 회로들을 포함한다. 데이터 프로세싱 및 통신 유닛(1050)은, 데이터 프로세싱 유닛에 의해 프로세싱되거나 신호 조정 회로들에 의해 조정된 데이터를 외부 디바이스에 무선으로 송신하는 무선 송신기/수신기 회로를 포함한다.
유닛(1050)의 데이터 프로세싱 유닛은, 데이터를 프로세싱하는 프로세서, 및 데이터를 저장하기 위해 프로세서와 통신하는 메모리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 마이크로제어기 유닛(MCU)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리는, 프로세서-실행가능 코드를 포함 및 저장할 수 있고, 프로세서-실행가능 코드는, 프로세서에 의해 실행되는 경우, 예를 들어, 정보, 커맨드들 및/또는 데이터를 수신하는 것, 정보 및 데이터를 프로세싱하는 것, 및 정보/데이터를 다른 엔티티 또는 사용자에게 송신 또는 제공하는 것과 같은 다양한 동작들을 수행하도록 데이터 프로세싱 유닛을 구성한다. 일부 구현들에서, 데이터 프로세싱 유닛은, 하나 이상의 원격 계산 프로세싱 디바이스들(예를 들어, 클라우드의 서버들)을 포함하는, 인터넷('클라우드'로 지칭됨)을 통해 액세스가능한 통신 네트워크 또는 컴퓨터 시스템에 의해 구현될 수 있다. 데이터 프로세싱 유닛의 다양한 기능들을 지원하기 위해, 메모리는, 명령들, 소프트웨어, 값들, 이미지들, 및 프로세서에 의해 프로세싱되거나 참조되는 다른 데이터와 같은 정보 및 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 다양한 타입들의 랜덤 액세스 메모리(RAM) 디바이스들, 판독 전용 메모리(ROM) 디바이스들, 플래쉬 메모리 디바이스들 및 다른 적절한 저장 매체들이 메모리 유닛의 저장 기능들을 구현하기 위해 이용될 수 있다. 데이터 프로세싱 유닛은, 외부 인터페이스, 데이터 저장 소스 또는 디스플레이 디바이스에 접속될 수 있는 입력/출력 유닛(I/O)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예를 들어, 범용 직렬 버스(USB), IEEE 1394 (FireWire), 블루투스, IEEE 802.111, 무선 로컬 영역 네트워크(WLAN), 무선 개인 영역 네트워크(WPAN), 무선 광역 네트워크(WWAN), WiMAX, IEEE 802.16 (WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)), 3G/4G/LTE 셀룰러 통신 방법들 및 병렬적 인터페이스들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌, 통상적인 데이터 통신 표준들과 호환가능한 다양한 타입들의 유선 또는 무선 인터페이스들이, 무선 송신기/수신기 유닛을 통해 데이터 프로세싱 유닛의 통신들에서 이용될 수 있다. 데이터 프로세싱 유닛의 I/O는 또한, 프로세서에 의해 프로세싱되어, 메모리 유닛에 저장되거나 외부 디바이스의 출력 유닛 상에 나타날 수 있는 데이터 및 정보를 조회 및 전송하기 위해, 다른 외부 인터페이스들, 데이터 저장 소스 및/또는 시각적 또는 청각적 디스플레이 디바이스들 등과 인터페이싱할 수 있다. 예를 들어, 외부 디스플레이 디바이스는, 예를 들어, 무엇보다도 스마트폰, 태블릿 및/또는 웨어러블 기술 디바이스를 포함할 수 있는 시각적 디스플레이 디바이스, 청각적 디스플레이 디바이스 및/또는 감각 디바이스를 포함할 수 있는 I/O를 통해, 데이터 프로세싱 유닛과 데이터 통신하도록 구성될 수 있다.
일부 구현들에서, 예를 들어, 데이터 프로세싱 유닛은, 프로세싱 및 통신 유닛(1050)에 탑재된 전기화학적 분석기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기화학적 분석기는, 전위가변기 디바이스 또는 정전류기 디바이스로부터 입력되는 데이터를 포착 및 프로세싱할 수 있는 전기 또는 전자 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 및 통신 유닛(1050)의 일부 구현들에서, 유닛(1050)은, 유닛(1050)의 모듈들에 전력 공급하기 위한 배터리와 같은 내부적 또는 추가적 전원을 포함할 수 있다.
통합된 플랫폼의 2개의 예시적인 실시예들에 대한 일부 예시적인 규격들이 표 1에 제공된다. 통합된 바이오센서, 바이오연료 셀 및 전자 디바이스 플랫폼(1000)의 다른 실시예들은, 표 1에 도시된 예시적인 규격들 중 하나 이상을 구성할 수 있거나, 표 1에 도시되지 않은 다른 규격들에 대해 구성될 수 있다.
| 예시적인 성능 메트릭들 | 규격예 1 | 규격예 2 |
| 대사물질들 | 포도당, 젖산 | 포도당, 젖산 |
| 데이터 포착 | < 15초 | < 5초 |
| 전력 소모(시스템) | < 5mW | < 1mW |
| 저장 | 6 개월 RT | > 6 개월 RT |
| 동작 온도 | 10-50C | 5-60C |
| 저장 온도 | 5-60C | 0-70C |
| 감도 | > 0.4㎂/mM(대사물질) | > 1㎂/mM(대사물질) |
| 안정성 | >8 시간 연속 감지 | > 24 시간 연속 감지 |
| 선택도 | 임의의 물리적 간섭자로부터 < 10% 전류 레벨 편차 | 임의의 물리적 간섭자로부터 < 5% 전류 레벨 편차 |
| 반응 시간 | < 5초 | < 1초 |
| 검출 제한 | 최저 생리학적 레벨 | 최저 생리학적 레벨 |
| 검출 RSD & R^2 | < 10%, > 0.09 | < 5%, > 0.95 |
| 히스테리시스 | < 10% | < 5% |
| 정밀도 | < 10% | < 5% |
| 배치-대-배치 변화 | < 10% | < 5% |
개시된 통합된 플랫폼은, 착용자 또는 원하는 바이오감지 작업에 대한 정확한 형상 및 구성으로, 개시된 기술의 예시적인 마우스가드 디바이스들의 추가적 제조를 위한 프로세스들을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 제조 플랫폼은, 요구에 따라 임의적인 폼 팩터 및 구성으로 제조되는 다양한 웨어러블 디바이스들에 적용가능할 수 있다. 예를 들어, 디지털의 추가적인 어셈블리가 가능한 일반적인 제조 플랫폼이 웨어러블 시스템들의 범위를 개방할 수 있다. 이러한 제조 플랫폼은, 설계로부터, 많은 상이한 타입들의 센서들을 위한 디바이스로의 신속한 전이 뿐만 아니라 개인화를 가능하게 하는 것을 허용할 수 있다.
예시적인 요산 바이오센서들
일부 구현들에서, 개시된 웨어러블 마우스-기반 타액 바이오센서들은, 고요산혈증의 진단 및 모니터링 처치를 위해 타액의 요산을 검출하도록 활용될 수 있다. 하기 내용은, 요산의 연속적인 마우스 내 모니터링의 구현들에서 이용되는 예시적인 마우스-기반 바이오센서의 예시적인 설계들 및 생체외 특성들을 설명한다.
도 11a는, 마우스가드와 통합되는 예시적인 스크린-프린팅되는 전기화학적 센서의 사진을 도시한다. 도 11a에 도시된 예에서, 전기화학적 센서(100)는, 마우스가드에 부착 또는 통합될 수 있는 기판(101) 상의 스크린-프린팅가능 전기화학적 센서로서 생성된다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 바이오센서 디바이스(100)의 작동 전극 및 기준 전극은 전극 구조(1102)로 구성된다.
도 11b는, 디바이스(100)의 전극들(102) 중 작동 전극에서와 같이 활용될 수 있는 예시적인 전극 구성(1102)의 개략도를 도시한다. 도 11b에 도시된 예는, 개시된 기술의 타액 요산 바이오센서의 실시예들에 포함될 수 있다. 변형된 전극(1102)의 구조는, 기판(예를 들어, PET 기판) 상에 배치되는, 예를 들어, 프러시안 블루 카본과 같은 전기화학적으로 비활성인 전기적 전도 재료를 포함하는 전극(1105)을 포함할 수 있다. 변형된 전극(1102)은, 전극(1105) 상에 고정된 효소(예를 들어, BSA 및 Glut와 혼합된 우리카아제)의 시약 층(1107)을 포함할 수 있다. 변형된 전극(1102)은, 고정된 효소를 전극에 유지하기 위한 인트랩먼트 층(1109)(예를 들어, OPD)을 포함할 수 있다.
예시적인 마우스가드 요산 바이오센서의 예시적인 구현들은 하기 화학물질들 및 시약들을 포함하였다. 우리카아제, 1,2-페닐렌디아민(o-Pd), L-락트산, L-아스코르브산(AA), 요산(UA), 황산나트륨, 염화나트륨, 염화칼슘, 염화 칼륨, 구연산, 칼륨 티오 시아네이트, 염화암모늄, 1산칼륨, 2산칼륨, BSA(bovine serum albumin), 및 글루타르알데히드(Glit) 용액이 획득되었고, 추가적인 정화 또는 변형 없이 이용되었다. 초순수(18.2 MΩ·cm)가 예시적인 구현들에서 이용되었다.
예시적인 마우스가드 젖산 바이오센서의 예시적인 구현들은 하기 기구를 포함하였다. 전극들을 프린팅하기 위해 MPM SPM 반자동 스크린 프린터가 이용되었다. AutoCAD를 이용하여 센서 패턴들이 설계되었고, 75 μm 두께의 스테인레스 강 스텐실(stencil)들 상에 스텐실들이 패터닝되었다. 전기화학적 측정들을 위해 CH 기구 모델 621A 전기화학적 분석기가 이용되었다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 예시적인 마우스가드-기반 타액 전기화학적 센서 디바이스는, 앞서 설명된 제조 기술들을 이용하여 제조될 수 있고 마우스가드에 통합될 수 있다. 이러한 실시예의 경우, 예를 들어, 작동 전극은 효소 및 바이오파울링 방지(anti-biofouling) 멤브레인을 갖도록 화학적으로 변형된다. 예를 들어, 우리카아제 효소가 하기 방식으로 고정된다. 먼저, 우리카아제(예를 들어, 3.0 mg)가 인산칼륨 충전액(예를 들어, 200 μL)에서 BSA(예를 들어, 2 mg) 및 글루타르알데히드(예를 들어, 1 μL의 저장 용액)와 혼합될 수 있다. 혼합된 용액(예를 들어, 3 μL의 혼합된 용액)은 작동 전극 상에 드롭 캐스트될 수 있고, (예를 들어, 30 분 동안) 건조될 수 있다. 다음으로, o-페닐렌디아민(OPD)이 타액으로부터의 바이오파울링 및 간섭 효과를 차단하기 위해 전기중합될 수 있다. 이것은, 질소로 퍼지될 수 있는 10 mM o-Pd, 5 mM 황산나트륨을 포함하는 0.1 M 인산염 완충(pH 7.0) 용액에 5 분 동안 (Ag/AgCl 에 대한) 0.6 V를 인가함으로써 달성될 수 있다. 도 11b의 개략도는, 마우스가드 플랫폼 상의 예시적인 변형된 작동 전극의 화학적 조성을 도시한다.
마우스가드와 통합된 예시적인 타액 요산 바이오센서의 전기화학적 성능은, 인간의 타액과 유사한 전해질 조성을 갖는 인공 타액에서 평가되었다. 예를 들어, 정규의 타액 요산 레벨은 250 uM 내지 350 uM이다. 고요산혈증 환자의 요산 레벨을 커버하기 위해, (Ag/AgCl 에 대한) -0.3V 단계들로 측정된 0-1 mM 요산에 대한 전류 응답에서 동적 농도 범위가 검사되었다. 예를 들어, 인공 타액은, 희석된 물에 5 mM의 NaCl, 1 mM의 CaCl2, 15 mM의 KCl, 1 mM의 시트르산, 1.1 mM의 KSCN, 4 mM의 NH4Cl을 용해함으로써 준비되었다. 예시적인 PB-PPD-우리카아제 바이오센서에서 요산의 시간대전류법적 측정들은, 샘플 용액에서 1 분의 배양기간 이후 60 초 동안 전위를 (Ag/AgCl에 대한) -0.3 V로 스테핑함으로써 수행되었다. 예시적인 구현들에서, 인가된 전위는 바이오센서 순환 전압전류법으로부터 선택되었고, 여기서 요산의 응답은 타액의 생리학적 범위 내에서 구별가능한 전류 응답을 나타냈다. 바이오센서의 안정성은 2 시간의 동작에 걸쳐 10 분 간격으로 350 μM 요산에서 검사되었다. 예시적인 센서는 이러한 연속적인 측정들 사이에 인공 타액에서 유지되었다. 선택도는, 관련된 전기활성적 생리학적 간섭자들의 존재 시에 인공 타액의 350 μM 요산에서 평가되었다.
도 12a는, (파형들(1200a-1200u)에 도시된) 1 mM까지 50 μM 증분들로 요산 농도를 증가시키는 것에 대해 획득된 예시적인 바이오센서의 응답을 도시하는 시간대전류적 데이터 플롯을 도시한다. 결과적 교정 곡선은 도 12a의 삽도에 도시된다. 도 12b는, 공통의 전기활성적 생리학적 간섭자들의 존재 시에 350 μM 요산에 대한 응답을 도시하는 선택도 테스트의 예시적인 결과들을 도시한다. 도 12c는, 10 분 간격으로 2 시간 동작 동안 350 μM 요산에 대한 전기화학적 응답 안정성을 도시하는 예시적인 결과들을 도시한다. 도 12c의 삽도는 원래의 전류 응답(T=0초)에 기초한 상대적 전류를 도시한다. 예시적인 센서는 이러한 연속적인 측정들 사이에 인공 타액에서 유지되었다. 구현들은, (Ag/AgCl에 대한) Eapp= -0.3 V 및 60 초의 전류 샘플링 시간으로 수행되었다.
예시적인 데이터는, (도 12a의 삽도 교정 플롯에 도시된 바와 같이) 요산 농도에 비례하는 잘 정의된 시간대전류도면 및 전류 응답으로, 예시적인 PB-PPD-우리카아제 바이오센서가 요산에 대해 매우 민감도가 넓은 선형 범위를 가짐을 표시한다. 예를 들어, 타액 매트릭스가 너무 많은 간섭자들을 갖기 때문에, 인간 타액 샘플에서의 실제 적용의 경우 선택도는 보장되어야 한다. 선택도는, 포도당, 젖산, 아르코르브산 및 아세트아미노펜을 포함하는 인간의 타액의 관련 전기활성적 종의 생리학적 레벨들의 존재 시에 평가되었다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 예시적인 바이오센서는 0.35 mM 요산에 대한 우호적인 응답을 나타내는 한편, 다른 전기활성적 간섭 종들에 대한 응답은 무시가능하다. 일부 구현들의 경우, 예를 들어, 급성 통풍의 처치 효과를 연속적으로 모니터링하기 위해, 바이오센서의 안정성은 0.35 mM 요산에 대한 응답으로 10 분 간격으로 2 시간 동안 검사되었다. 도 12c는, 2 시간 동작 이후 유지되는 응답을 디스플레이하고, 안정된 응답은 BSA 및 글루타르알데히드의 교차-결합 반응 뿐만 아니라 PPD 층에 기인하고, PPD 층은, 2 시간 측정 동안에도 효소의 온전한 고정을 돕는다.
예시적인 마우스가드 요산 바이오센서의 예시적인 구현들은 희석되지 않은 인간의 타액에서의 측정들을 포함하였다. 뮤신과 같은 단백질들 및 미처리된 인간의 타액의 점성으로 인해, 전극 표면 상의 바이오-파울링을 차단하기 위한 전기화학적 측정은 매우 어려울 수 있다. 샘플들은, 희석되지 않은 인간의 타액에서 예시적인 측정들을 획득하기 위한 '수동 드룰' 방법을 이용함으로써, 건강한 자원자들로부터 수집되었다. 수집된 샘플들은 어떠한 처리 없이 전기화학적 측정을 위해 직접 이용되었다. 타액 샘플들의 요산의 농도는, 인공 타액에서 이용된 것과 동일한 조건들을 적용함으로써 표준 첨가 방법을 통해 결정되었다(예를 들어, 60 초 동안 EAPP = -0.3V). 실제 타액 샘플의 연속적 측정의 경우, 신호는 매 20 분마다 측정되었고, 샘플은, 마우스 내의 타액의 유량(예를 들어, 미자극: 1 mL/min, 자극: 2 mL/min)을 고려하여 매 측정마다 샘플을 교체되었다. 예를 들어, 센서는 이러한 연속적인 실행들 사이에 타액에서 침지되었다. 요산에 대한 인간 타액의 시간대전류법적 응답은, 표준 첨가 방법을 통해 0.1-0.5mM의 요산을 스파이크함으로써 획득된다.
도 13은, (파형들(1300a-1300f)에 의해 도시된 바와 같이) 0.2 mM 증분들로 상이한 농도들의 요산을 스파이킹하여, 희석되지 않은 인간의 타액에서 예시적인 PB-PPD-우리카아제 바이오센서의 전기화학적 응답을 도시하는 시간대전류법적 데이터를 도시한다. 결과적 교정 곡선은 도 13a의 삽도에 도시된다. 도 13b는, 350 μM 요산으로 스파이크된 인간의 타액 샘플에 대한 응답의 안정성을 도시하는 데이터 플롯을 도시한다. 2 시간의 기간에 걸쳐 20 분의 간격으로 반복적 측정들이 수행되었다. 도 13b의 삽도는 원래의 전류 응답(T=0초)에 기초한 상대적 전류이다. 예시적인 센서는, 이러한 연속적인 측정들 사이에 타액에서 유지되었고, 예시적인 조건들은 (Ag/AgCl에 대한) EAPP = -0.3 V 및 t = 60 초를 포함하였다.
도 13a에 예시된 바와 같이, 바이오센서는 희석되지 않은 인간 타액의 요산의 상이한 농도들에 대해 우호적으로 응답한다. 예를 들어, 도 13a의 삽도의 결과적 교정 플롯은 양호한 감도 및 선형성을 나타냈다. 타액의 요산 레벨은 어떠한 자극없이 인간의 타액의 정규의 범위에서 추정되었다. 타액의 단백질들과 같은 간섭자들로 인해, 실제 타액의 감도는 인공 타액의 감도에 비해 약간 감소되었지만, 현재의 응답은 잘 정의되었고, 요산의 생리학적 레벨에 대해 구별가능하였다. 또한, 도 13b에 도시된 바와 같이, 타액의 단백질들로부터 바이오파울링 방지를 확인하기 위해 인간의 타액에서 안정성이 평가되었고, 여기서, 예시적인 결과들은, 본 요산 바이오센서는, 예를 들어, 급성 통풍의 모니터링 처치의 이용으로 확장될 수 있다. 예를 들어, 급성 통풍은 실시간 모니터링 및 신속한 처치를 포함해야 하고, 이는, 예시적인 PB-PPD-우리카아제 바이오센서에 의해 처리될 수 있다. 특히, 타액의 요산 레벨은, 혈액의 요산 레벨보다 치료약에 대해 더 신속한 응답을 나타낸다. 예시적인 마우스가드 타액 요산 바이오센서는, 희석되지 않은 인간의 타액에서 양호한 선형 응답 및 안정된 응답을 나타내고, 이는, 고요산혈증 환자에 대한 실제 임상적 사용을 의미한다.
PB-PPD-우리카아제 바이오센서의 예시적인 구현들은, 치료약 처치 하의 고요산혈증 환자의 타액 요산 레벨들을 모니터링하는 것을 포함하였다. 타액의 요산 레벨은, 개발된 마우스가드 바이오센서에 의해, 건강한 사람과 (의사로부터 이미 진단받은) 고요산혈증 환자 사이에 비교되었다. 하루 동안 타액 요산 레벨의 변동을 검증하기 위해, 타액은, 5 시간 동안 매시간마다 각각의 대상(정상인과 고요산혈증 환자)으로부터, 타액 샘플에 대한 어떠한 처리도 없이 수집 및 측정되었다. 각각의 샘플은 타액 샘플에서 요산의 양을 알기 위해 표준 첨가 방법에 의해 측정되었다.
정규의 타액 요산 레벨은 250 μM 내지 350 μM인 것으로 고려되고, 350 μM보다 높은 레벨을 갖는 사람은 고요산혈증으로 고려될 수 있다. 임상에서 실제 이용을 체크하기 위해, 정상인과 의사로부터 고요산혈증으로 이미 진단받은 환자로부터 타액 요산 레벨이 측정되고 비교되었다. 고요산혈증 환자가 정상 레벨보다 높은 타액 요산 레벨을 갖는 경우, 잇달은 치료약에 후속하여 4 일 동안 Allopurinol® 치료약이 복용되었고, 치료(예를 들어, Alopurinol®)의 처치 효과를 확인하기 위해 매일의 타액 요산 레벨이 측정되었다. Alopurinol®은, 크산틴 산화효소를 금지하는 치료약이고, 이는, 고요산혈증 및 통풍을 포함하는 그의 관련된 증상을 처치할 수 있다. 이러한 예시적인 구현들의 경우, 타액은 매일, 하루에 3번 수집되었고, 표준 첨가 방법이 수행되었다.
도 14a는, 정상인('●', 적색 원) 및 고요산혈증 환자('■', 적색 사각형)에 대해 5 시간 동안 예시적인 바이오센서를 이용하여 연속적으로 모니터링함으로써 획득되는 타액의 요산 레벨들에 대한 데이터 플롯을 도시한다. 도 14b는, Alopurinol®을 이용한 고요산혈증에 대한 처치 하에서, 5 일 동안 예시적인 바이오센서를 이용하여 모니터링되는 고요산혈증 환자의 타액의 요산 레벨들에 대한 데이터 플롯을 도시한다. 예시적인 결과는 3회의 측정에 대한 평균에 의해 획득된다.
도 14a의 데이터 플롯에 도시된 바와 같이, 예시적인 PB-PPD-우리카아제 바이오센서를 이용하여 안정적 타액 요산 값이 연속적으로 모니터링되었다. 예시적인 결과들은, 타액의 요산 레벨들이 정상인이든 환자든 무관하게 시간에 따라 변동되지 않음을 나타냈다. 또한, 환자로부터의 타액에서 높은 재생가능한 요산 값은, 예시적인 마우스가드 센서의 고요산혈증에 대한 진단 툴로서의 실현가능성을 입증하였다.
Allopurinol 치료약은 요산 레벨을 정상 범위로 다시 되돌리기 위해 이용되었다. 고요산혈증 환자의 요산 레벨들을 제어하기 위해 이러한 치료약이 이용되었음을 주목한다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 첫날(즉, 날 0)에는 타액 요산의 높은 레벨이 확인되었고, 대상은 잇달아 4 일 동안 Allopurinol 치료약을 복용하기 시작했다. 치료약의 4일간의 복용 이후, 타액의 요산 레벨은 다시 정상 레벨로 되돌아왔고, 이 모든 것은 예시적인 PB-PPD-우리카아제 바이오센서에 의해 모니터링되었다.
타액에 존재하는 다른 생화학물질들이 또한 검출될 수 있고, 개시된 마우스-기반 바이오센서 및 바이오연료 셀 디바이스 플랫폼에 의해 에너지를 추출하기 위해 활용될 수 있다. 일례에서, 코르티솔은 개시된 타액 바이오센서를 이용하여 전기화학적으로 (예를 들어, 0.05 μg/dL 내지 0.5 μg/dL의 범위에서) 검출될 수 있고, 타액 바이오센서로부터, 예를 들어, 쿠싱 증후군(Cushing's Syndrome)과 같은 물리학적 또는 심리학적 스트레스 마커들 또는 장애들을 표시 또는 결정하기 위한 데이터가 이용될 수 있다. 타액 코르티솔 바이오센서의 하나의 예시적인 실시예에서, 바이오센서(100)의 변형된 전극 구조(102a)는, 전극(106)에 인트랩된 코르티솔(예를 들어, 코르티솔 Ag-Ab/AP)을 포함하는 층(예를 들어, 층(107))을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 알파-아밀라아제가, 개시된 타액 바이오센서를 이용하여 전기화학적으로 (예를 들어, 10 U/mL 내지 250 U/mL의 범위에서) 검출될 수 있고, 타액 바이오센서로부터, 물리학적 또는 심리학적 스트레스 마커들 또는 장애들을 표시 또는 결정하기 위한 데이터가 이용될 수 있다. 타액 알파-아밀라아제 바이오센서의 하나의 예시적인 실시예에서, 바이오센서(100)의 변형된 전극 구조(102a)는, 전극(106)에 인트랩된 글루코시다아제(GD)를 갖는 포도당 산화효소(GOx)를 포함하는 층(예를 들어, 층(107))을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 타액의 인산염이, 개시된 타액 바이오센서를 이용하여 전기화학적으로 (예를 들어, 마이크로몰 범위에서) 검출될 수 있고, 타액 바이오센서로부터의 데이터는, 예를 들어, 고인산혈증 또는 배란과 같은 다양한 조건들을 표시하기 위해 또는 치아 보호의 과정에서 이용될 수 있다. 타액 인산염 바이오센서의 하나의 예시적인 실시예에서, 바이오센서(100)의 변형된 전극 구조(102a)는, 전극(106)(예를 들어, 프러시안 블루 카본)에 인트랩된 젖산 산화효소(LOx) 또는 피루브산 산화효소(PyOx)를 포함하는 층(예를 들어, 층(107))을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 카드뮴이, 개시된 타액 바이오센서를 이용하여 전기화학적으로 (예를 들어, 100 μg/L까지 또는 그 초과의 범위에서) 검출될 수 있고, 타액 바이오센서로부터의 데이터는, 예를 들어, 사용자의 환경에 존재하는 환경적 요인들 또는 흡연의 바이오모니터링과 같은 다양한 애플리케이션들에 대해 이용될 수 있다. 다른 예에서, 타액의 불소 또는 칼슘이, 개시된 타액 바이오센서를 이용하여 전기화학적으로 (예를 들어, 0.05 ppm 내지 0.01 ppm의 범위에서, 또는 심지어 0.01 ppm 미만의 범위들에서) 검출될 수 있고, 타액 바이오센서로부터의 데이터는, (예를 들어, 치아 구멍의 존재를 식별하는 것과 같은) 치아 보호에서 이용될 수 있다. 다른 예에서, pH 레벨들이, 개시된 타액 바이오센서를 이용하여 검출될 수 있고, 타액 바이오센서로부터의 데이터는, 구강 건강과 관련된 다양한 조건들을 표시하거나 스트레스 마커들의 존재를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
예들
하기 예들은, 본 기술의 몇몇 실시예들을 예시한다. 본 기술의 다른 예시적인 실시예들이, 하기 나열된 예들 이전에 또는 하기 나열될 예들 이후에 제시될 수 있다.
본 기술의 일례(예 1)에서, 타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스는, 전기적 절연 재료를 포함하는 기판; 기판 상에서 제 1 위치에 배치되는 제 1 전극 ―제 1 전극은, 타액의 분석물에 대응하는 반응물 또는 촉매를 포함하는 화학적 물질을 포함하는 표면을 포함함―; 및 기판 상에서 간격 구역에 의해 제 1 전극으로부터 분리된 제 2 위치에 배치되는 제 2 전극을 포함하고, 제 1 및 제 2 전극들은, 전기적 신호를 생성하기 위해, 화학적 물질 및 분석물을 포함하는 산화-환원(redox) 반응을 지속할 수 있어서, 디바이스가 사용자의 마우스(mouth)에 존재하고 전기적 회로에 전기적으로 커플링되는 경우, 디바이스는, 사용자의 타액에서 분석물을 검출하도록 동작가능하다.
예 2는, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 제 1 전극의 표면은, 폴리머 필름 또는 선택적으로 투과가능한 스캐폴드(scaffold)의 전기폴리머(electropolymer) 인트랩먼트(entrapment)에 의해 제 1 전극 표면 상에 고정된 화학적 물질을 포함하도록 구조화된다.
예 3은, 예 2에서와 같은 디바이스를 포함하고, 폴리머 필름은 폴리(o-페닐렌디아민)을 포함한다.
예 4는, 예 2에서와 같은 디바이스를 포함하고, 선택적으로 투과가능한 스캐폴드는 나피온 또는 키토산을 포함한다.
예 5는, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 제 1 전극의 표면은, 제 1 전극을 형성하는 재료 내에 산재되는 화학적 물질을 포함하도록 구조화된다.
예 6은, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 제 1 전극의 표면은, 표면에 정전기적으로 또는 공유결합으로 부착된 화학적 물질을 포함하는 층을 포함하도록 구조화된다.
예 7은, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 화학적 물질은 젖산 산화효소(LOx; lactate oxidase)를 포함하고, 디바이스에 의한 검출을 위한 분석물은 젖산을 포함한다.
예 8은, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 화학적 물질은 포도당 산화효소(GOx; glucose oxidase)를 포함하고, 디바이스에 의한 검출을 위한 분석물은 포도당을 포함한다.
예 9는, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 화학적 물질은 요산 산화효소(우리카아제)를 포함하고, 디바이스에 의한 검출을 위한 분석물은 요산을 포함한다.
예 10은, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 제 1 전극, 제 2 전극 또는 둘 모두는, 전기화학적 촉매를 포함하는 전기적 전도성 재료를 포함한다.
예 11은, 예 10에서와 같은 디바이스를 포함하고, 제 1 전극, 제 2 전극 또는 둘 모두는, 프러시안-블루 카본(Prussian-Blue Carbon)을 포함하는 전기적 전도체를 포함한다.
예 12는, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 기판은, 사용자의 마우스 내에 피팅(fit)되도록 맞춰진 마우스가드에 포함되고, 제 1 및 제 2 전극들의 제 1 및 제 2 위치들은, 사용자의 혀에 근접하게 마우스가드의 내부 구역 상에 위치된다.
예 13은, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 기판 상에 배치되고, 전기적으로 전도성인 제 1 도관을 통해 제 1 전극에 전기적으로 커플링되는 제 1 전극 인터페이스 컴포넌트; 및 기판 상에 배치되고, 전기적으로 전도성인 제 2 도관을 통해 제 2 전극에 전기적으로 커플링되는 제 2 전극 인터페이스 컴포넌트를 더 포함하고, 제 1 및 제 2 전극 인터페이스 컴포넌트들은 전기적 회로에 전기적으로 커플링된다.
예 14는, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 제 1 전극은 작동 전극으로 동작가능하고, 제 2 전극은, 전류법 측정들을 위한 카운터 전극으로 동작가능하고, 디바이스는, 기판 상에서 작동 전극과 카운터 전극 사이에 위치되고, 화학적 물질을 포함하는 표면을 갖는 기준 전극을 더 포함한다.
예 14는, 예 1에서와 같은 디바이스를 포함하고, 기판 상에 배치되고, 디바이스에 전력을 제공하기 위해 타액으로부터의 에너지를 전기화학적으로 추출하는 바이오연료 셀; 및 전기적 회로를 더 포함하고, 바이오연료 셀은, 기판 상에 배치되고, 전기적으로 전도성인 재료를 포함하는 애노드 ―애노드는, 애노드에서 캡쳐된 전자들을 릴리스하는 산화 프로세스에서 타액의 연료 물질을 제 1 산물(product)로 변환하여 연료 물질로부터 에너지를 추출하는 것을 촉진하는 연료 셀 촉매를 포함함―; 및 기판 상에서 애노드에 인접하고 분리되게 배치되는 캐소드 ―캐소드는, 전기적으로 전도성이고, 제 2 산물이 전자들을 획득하는 화학적 환원 프로세스에서, 타액의 산소화된 물질을 제 2 산물로 환원시킬 수 있는 재료를 포함함―를 포함하고; 전기적 회로는, 전기적 상호접속들을 통해 바이오연료 셀과 제 1 및 제 2 전극들 사이에 전기적으로 커플링되어, 바이오연료 셀로부터의 추출된 에너지를 전기적 에너지로서 획득하고, 전기적 에너지를 디바이스의 제 1 및 제 2 전극들에 공급한다.
예 16은, 예 15에서와 같은 디바이스를 포함하고, 연료 셀 촉매는, 전도성 폴리머의 형태인 다공성 스캐폴드 구조로 애노드의 표면 상에서 케이스화된다.
예 17은, 예 17에서와 같은 디바이스를 포함하고, 전도성 폴리머는, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜), 폴리(p-페닐렌설파이드), 폴리플루오렌, 폴리페닐렌, 폴리피렌, 폴리아줄렌, 폴리나프탈렌, 폴리(아세틸렌), 폴리(-페닐렌 비닐렌) 또는 폴리페닐디아민 중 적어도 하나를 포함한다.
예 18은, 예 15에서와 같은 디바이스를 포함하고, 연료 셀 촉매는, 애노드의 표면에 커플링되는 선택적으로 투과가능한 멤브레인(membrane)에서 인트랩된다.
예 19는, 예 18에서와 같은 디바이스를 포함하고, 투과가능한-선택적인 멤브레인은 나피온 또는 키토산 중 적어도 하나를 포함한다.
예 20은, 예 15에서와 같은 디바이스를 포함하고, 연료 셀 촉매는, 애노드의 표면에 정전기적으로 또는 공유결합으로 결속된다.
예 21은, 예 15에서와 같은 디바이스를 포함하고, 애노드는, 연료 셀 촉매의 활성 사이트(site)와 애노드의 표면 사이에서 전자 이송을 촉진하기 위한 전기활성적 중재자를 포함하도록 구조화된다.
예 22는, 예 15에서와 같은 디바이스를 포함하고, 연료 셀 촉매는, LOx, GOx 또는 우리카아제를 포함한다.
예 23은, 예 15에서와 같은 디바이스를 포함하고, 캐소드는, 제 2 산물이 전자들을 획득하는 화학적 환원 프로세스에서, 타액의 산소화되지 않은 물질을 제 2 산물로 환원시킬 수 있는 전기활성적 중재자를 포함한다.
예 24는, 예 15에서와 같은 디바이스를 포함하고, 전기적 회로는, 바이오연료 셀에 의해 추출되는 전기적 에너지를 변형하는 것, 또는 제 1 및 제 2 전극들에 의해 검출된 전기적 신호를 증폭하는 것, 또는 둘 모두를 위한 신호 조정 회로를 포함한다.
예 25는, 예 15에서와 같은 디바이스를 포함하고, 전기적 회로는, 검출된 전기적 신호에 기초하여 데이터를 프로세싱하는 프로세서 및 데이터를 저장 또는 버퍼링하는 메모리를 포함하는 데이터 프로세싱 유닛을 포함한다.
본 기술의 일례(예 26)에서, 타액의 분석물을 검출하고 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하는 방법은, 애노드에서 캡쳐된 전자들을 릴리스하는 산화 프로세스에서, 바이오연료 물질을 제 1 산물로 전환하고, 캐소드에서 제 2 산물이 전자들을 획득하는 화학적 환원 프로세스에서 타액의 화학적 물질을 제 2 산물로 환원시킴으로써, 사용자의 마우스에 착용가능한 마우스-기반 디바이스에 부착된 바이오연료 셀의 애노드 및 캐소드 전극들에서, 타액에 존재하는 바이오연료 물질로부터 전기적 에너지를 추출하는 단계; 전기화학적 센서를 활성화시키기 위해, 추출된 전기적 에너지를, 마우스-기반 디바이스에 부착된 전기화학적 센서의 전극들에 공급하는 단계; 및 사용자의 마우스에서 타액과 접촉하는 활성화된 전기화학적 센서의 전극들에서, 전기화학적 센서의 전극에 커플링되는 화학작용제 및 타액의 분석물과 관련된 산화-환원 반응의 결과로 생성되는 전기적 신호를 검출하는 단계를 포함한다.
예 27은, 예 26에서와 같은 방법을 포함하고, 전기적 신호는 전류법, 전압전류법 또는 전위차법을 이용하여 검출된다.
예 28은, 예 26에서와 같은 방법을 포함하고, 분석물의 파라미터를 결정하기 위해 전기적 신호를 프로세싱하는 단계를 더 포함한다.
예 29는, 예 28에서와 같은 방법을 포함하고, 파라미터는, 분석물의 농도 레벨을 포함한다.
예 30은, 예 26에서와 같은 방법을 포함하고, 검출된 전기적 신호를 외부 디바이스에 무선으로 송신하는 단계를 더 포함한다.
본 기술의 일례(예 31)에서, 타액의 분석물을 검출하고 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스는, 전기적 절연 재료를 포함하는 기판 ―기판은, 사용자의 마우스 내에 피팅할 수 있는 마우스-착용 디바이스에 부착되도록 구조화됨―; 타액의 분석물을 검출하기 위한 전기화학적 센서; 디바이스에 전력을 제공하기 위해, 타액으로부터의 에너지를 전기화학적으로 추출하는 바이오연료 셀; 및 전기적 상호접속들을 통해 바이오연료 셀과 전기화학적 센서 사이에 전기적으로 커플링되어, 바이오연료 셀로부터의 추출된 에너지를 전기적 에너지로서 획득하고, 전기적 에너지를 전기화학적 센서에 공급하는 전기적 회로를 포함한다. 전기화학적 센서는, 기판 상에서 제 1 위치에 배치되는 제 1 전극 ―제 1 전극은, 타액의 분석물에 대응하는 반응물 또는 촉매를 포함하는 화학적 물질을 포함하는 표면을 포함함―; 및 기판 상에서 간격에 의해 제 1 전극으로부터 분리된 제 2 위치에 배치되는 제 2 전극을 포함하고, 제 1 및 제 2 전극들은, 제 1 및 제 2 전극들에 의해 검출가능한 전기적 신호를 생성하기 위해, 화학적 물질 및 타액의 분석물과 관련된 산화-환원 반응을 지속하도록 동작가능하다. 바이오연료 셀은, 기판 상에 배치되고, 전기적으로 전도성인 재료를 포함하는 애노드 ―애노드는, 애노드에서 캡쳐된 전자들을 릴리스하는 산화 프로세스에서 타액의 연료 물질을 제 1 산물로 변환하여 연료 물질로부터 에너지를 추출하는 것을 촉진하는 연료 셀 촉매를 포함함―; 및 기판 상에서 애노드에 인접하고 분리되게 배치되는 캐소드 ―캐소드는, 전기적으로 전도성이고, 제 2 산물이 전자들을 획득하는 화학적 환원 프로세스에서, 타액의 산소화된 물질을 제 2 산물로 환원시킬 수 있는 재료를 포함함―를 포함한다. 디바이스가 사용자의 마우스에 존재하는 경우, 디바이스는, 사용자의 타액에서 타액의 분석물을 검출하도록 동작가능하다.
예 32는, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 전기적 회로는, 바이오연료 셀에 의해 추출되는 전기적 에너지를 변형하는 것, 또는 제 1 및 제 2 전극들에 의해 검출된 전기적 신호를 증폭하는 것, 또는 둘 모두를 위한 신호 조정 회로를 포함한다.
예 33은, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 전기적 회로는, 검출된 전기적 신호에 기초하여 데이터를 프로세싱하는 프로세서 및 데이터를 저장 또는 버퍼링하는 메모리를 포함하는 데이터 프로세싱 유닛을 포함한다.
예 34는, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 전기적 회로는, 검출된 전기적 신호를 외부 디바이스에 무선으로 송신하는 무선 통신 유닛을 포함한다.
예 35는, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 제 1 전극의 표면은, 폴리머 필름 또는 선택적으로 투과가능한 스캐폴드(scaffold)의 전기폴리머(electropolymer) 인트랩먼트(entrapment)에 의해 제 1 전극 표면 상에 고정된 화학적 물질; 또는 제 1 전극을 형성하는 재료 내에 산재되는 화학적 물질; 또는 표면에 정전기적으로 또는 공유결합으로 부착된 화학적 물질을 포함하는 층을 포함하도록 구조화된다.
예 35는, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 폴리머 필름은 폴리(o-페닐렌디아민)을 포함하거나, 또는 선택적으로 투과가능한 스캐폴드는 나피온 또는 키토산을 포함한다.
예 37은, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 전기화학적 센서는, 하기의 것, 즉, 화학적 물질은 젖산 산화효소(LOx; lactate oxidase)를 포함하고, 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 젖산을 포함하는 것; 화학적 물질은, 포도당 산화효소(GOx; glucose oxidase)를 포함하고, 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 포도당을 포함하는 것; 화학적 물질은 요산 산화효소(우리카아제)를 포함하고, 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 요산을 포함하는 것; 화학적 물질은 코르티솔(cortisol)의 항체를 포함하고, 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 코르티솔을 포함하는 것; 화학적 물질은 GOx 및 글루코시다아제(GD)를 포함하고, 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 알파-아밀라아제를 포함하는 것; 및/또는 화학적 물질은 LOx 또는 피루브산 산화효소(PyOx)를 포함하고, 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 인산염을 포함하는 것 중 하나 이상에 의해 구성된다.
예 38은, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 기판은, 사용자의 마우스 내에 피팅(fit)되도록 맞춰진 마우스가드에 포함되고, 제 31 및 제 2 전극들의 제 1 및 제 2 위치들은, 사용자의 혀에 근접하게 마우스가드의 내부 구역 상에 위치된다.
예 39는, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 제 1 전극은 작동 전극으로 동작가능하고, 제 2 전극은, 전류법 측정들을 위한 카운터 전극으로 동작가능하고, 전기화학적 센서는, 기판 상에서 작동 전극과 카운터 전극 사이에 위치되고, 화학적 물질을 포함하는 표면을 갖는 기준 전극을 더 포함한다.
예 40은, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 연료 셀 촉매는, 전도성 폴리머의 형태인 다공성 스캐폴드 구조로 애노드의 표면 상에서 케이스화되거나; 또는 연료 셀 촉매는, 애노드의 표면에 커플링되는 선택적으로 투과가능한 멤브레인에서 인트랩되거나; 또는 연료 셀 촉매는, 애노드의 표면에 정전기적으로 또는 공유결합으로 결속된다.
예 41은, 예 40에서와 같은 디바이스를 포함하고, 전도성 폴리머는, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜), 폴리(p-페닐렌설파이드), 폴리플루오렌, 폴리페닐렌, 폴리피렌, 폴리아줄렌, 폴리나프탈렌, 폴리(아세틸렌), 폴리(-페닐렌 비닐렌) 또는 폴리페닐디아민 중 적어도 하나를 포함한다.
예 42는, 예 40에서와 같은 디바이스를 포함하고, 투과가능한-선택적인 멤브레인은 나피온 또는 키토산 중 적어도 하나를 포함한다.
예 43은, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 애노드는, 연료 셀 촉매의 활성 사이트(site)와 애노드의 표면 사이에서 전자 이송을 촉진하기 위한 전기활성적 중재자를 포함하도록 구조화된다.
예 44는, 예 31에서와 같은 디바이스를 포함하고, 연료 셀 촉매는, LOx, GOx 또는 우리카아제를 포함한다.
본 특허 문헌에서 설명된 요지 및 기능적 동작들의 구현들은, 본 명세서에서 개시된 구조들 및 이들의 구조적 균등물들, 또는 이들의 하나 이상의 조합들을 포함하는 다양한 시스템들, 디지털 전자 회로 또는 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어에서 구현될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 요지의 구현들은, 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 물건들, 즉, 데이터 프로세싱 장치에 의한 실행을 위해 또는 데이터 프로세싱 장치의 동작을 제어하기 위해, 유형의(tangible) 비일시적인 컴퓨터 판독가능 매체 상에 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령들의 하나 이상의 모듈들로 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는, 머신-판독가능 저장 디바이스, 머신-판독가능 저장 물질, 메모리 디바이스, 머신-판독가능 전파 신호를 이행하는 물질의 조성, 또는 이들 중 하나 이상의 조합일 수 있다. 용어 "데이터 프로세싱 장치"는, 예를 들어, 프로그래머블 프로세서, 컴퓨터 또는 다수의 프로세서들 또는 컴퓨터들을 포함하는, 데이터를 프로세싱하기 위한 모든 장치, 디바이스들 및 머신들을 포함한다. 장치는, 하드웨어 뿐만 아니라, 예를 들어, 프로세서 펌웨어, 프로토콜 스택, 데이터베이스 관리 시스템, 운영 시스템 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 구성하는 코드와 같은, 해당 컴퓨터 프로그램에 대한 실행 환경을 생성하는 코드를 포함할 수 있다.
컴퓨터 프로그램(또한, 프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션, 스크립트 또는 코드로 공지됨)은, 컴파일링되거나 해석된 언어들을 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 기록될 수 있고, 독립형 프로그램, 또는 모듈, 컴포넌트, 서브루틴 또는 컴퓨팅 환경에서의 이용에 적합한 다른 유닛을 포함하는 임의의 형태로 배치될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 반드시 파일 시스템의 파일에 대응할 필요는 없다. 프로그램은, 다른 프로그램들 또는 데이터(예를 들어, 마크업 언어 문헌에 저장된 하나 이상의 스크립트들)를 유지하는 파일의 일부에, 해당 프로그램에 전용되는 단일 파일에, 또는 다수의 협력 파일들(예를 들어, 하나 이상의 모듈들, 서브 프로그램들, 또는 코드 부분들을 저장하는 파일들)에 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은, 한 장소에 위치된 하나의 컴퓨터 또는 다수의 컴퓨터들 상에서 실행되도록 배치될 수 있거나, 다수의 장소들에 걸쳐 분산되어 통신 네트워크에 의해 상호접속되도록 배치될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 프로세스들 및 로직 흐름들은, 입력 데이터에 대해 작용하고 출력을 생성함으로써 기능들을 수행하도록, 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들을 실행하는 하나 이상의 프로그래머블 프로세서들에 의해 수행될 수 있다. 프로세스들 및 로직 흐름들은 또한 장치에 의해 수행될 수 있고, 장치는 또한 특수 목적 로직 회로, 예를 들어, FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이) 또는 ASIC(주문형 집적 회로)로 구현될 수 있다.
컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 프로세서들은, 예를 들어, 범용 및 특수 목적 마이크로프로세서들 둘 모두, 및 임의의 종류의 디지털 컴퓨터의 임의의 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 프로세서는, 판독 전용 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리 또는 둘 모두로부터 명령들 및 데이터를 수신할 것이다. 컴퓨터의 필수적 엘리먼트들은, 명령들을 수행하기 위한 프로세서, 및 명령들 및 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 메모리 디바이스들이다. 일반적으로, 컴퓨터는 또한, 예를 들어, 자기, 광자기 디스크들 또는 광 디스크들과 같이, 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 대량 저장 디바이스들을 포함하거나, 그로부터 데이터를 수신하거나, 그에 데이터를 전송하거나, 둘 모두를 수행하도록 동작가능하게 커플링될 것이다. 그러나, 컴퓨터는 이러한 디바이스들을 가질 필요가 없다. 컴퓨터 프로그램 명령들 및 데이터를 저장하기에 적합한 컴퓨터 판독가능 매체는, 예를 들어, EPROM, EEPROM 및 플래쉬 메모리 디바이스와 같은 반도체 메모리 디바이스들을 포함하는, 모든 형태의 비휘발성 메모리, 매체 및 메모리 디바이스들을 포함한다. 프로세서 및 메모리는, 특수 목적 로직 회로에 의해 보조되거나 그에 통합될 수 있다.
본 특허 문헌은 많은 세부사항들을 포함하지만, 이러한 세부사항들은, 어떠한 발명의 범주 또는 청구될 수 있는 것에 대한 제한들로 해석되는 것이 아니라, 특정 발명들의 특정 실시예들에 특정될 수 있는 특징들의 설명들로 해석되어야 한다. 별개의 실시예들의 상황에서 본 특허 문헌에 설명되는 특정 특징들은 또한 단일 실시예에서 결합하여 구현될 수 있다. 반대로, 단일 실시예의 상황에서 설명된 다양한 특징들은 또한 다수의 실시예들에서 별개로 또는 임의의 적절한 하위조합으로 구현될 수 있다. 또한, 특징들은, 특정 조합들로 동작하는 것으로 앞서 설명될 수 있고 심지어 처음에 그와 같이 청구될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은, 일부의 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있고, 청구된 조합은 하위조합 또는 하위조합의 변화예로 의도될 수 있다.
유사하게, 동작들은 특정 순서로 도면들에 도시되지만, 이것은, 바람직한 결과들을 달성하기 위해, 이러한 동작들이 도시된 특정 순서로 또는 순차적인 순서로 수행되는 것, 또는 모든 예시된 동작들이 수행되는 것을 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 특허 문헌에서 설명된 실시예들의 다양한 시스템 컴포넌트들의 분리는, 모든 실시예들에서 이러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
오직 몇몇 구현들 및 예시들만이 설명되고, 본 특허 문헌에서 설명되고 예시된 것에 기초하여 다른 구현들, 향상들 및 변화예들이 행해질 수 있다.
Claims (44)
- 타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스로서,
전기적 절연 재료를 포함하는 기판;
상기 기판 상에서 제 1 위치에 배치되는 제 1 전극 ―상기 제 1 전극은, 타액의 분석물에 대응하는 반응물 또는 촉매를 포함하는 화학적 물질을 포함하는 표면을 포함함―; 및
상기 기판 상에서 간격 구역에 의해 상기 제 1 전극으로부터 분리된 제 2 위치에 배치되는 제 2 전극을 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 전극들은, 전기적 신호를 생성하기 위해, 상기 화학적 물질 및 분석물을 포함하는 산화-환원(redox) 반응을 지속할 수 있고,
상기 디바이스가 사용자의 마우스(mouth)에 존재하고 전기적 회로에 전기적으로 커플링되는 경우, 상기 디바이스는, 사용자의 타액에서 상기 분석물을 검출하도록 동작가능한,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극의 표면은, 폴리머 필름 또는 선택적으로 투과가능한 스캐폴드(scaffold)의 전기폴리머(electropolymer) 인트랩먼트(entrapment)에 의해 상기 제 1 전극 표면 상에 고정된 상기 화학적 물질을 포함하도록 구조화되는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 2 항에 있어서,
상기 폴리머 필름은 폴리(o-페닐렌디아민)을 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 2 항에 있어서,
상기 선택적으로 투과가능한 스캐폴드는 나피온 또는 키토산을 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극의 표면은, 상기 제 1 전극을 형성하는 재료 내에 산재되는 상기 화학적 물질을 포함하도록 구조화되는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극의 표면은, 상기 표면에 정전기적으로 또는 공유결합으로 부착된 상기 화학적 물질을 포함하는 층을 포함하도록 구조화되는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 화학적 물질은 젖산 산화효소(LOx; lactate oxidase)를 포함하고, 상기 디바이스에 의한 검출을 위한 분석물은 젖산을 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 화학적 물질은 포도당 산화효소(GOx; glucose oxidase)를 포함하고, 상기 디바이스에 의한 검출을 위한 분석물은 포도당을 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 화학적 물질은 요산 산화효소(우리카아제)를 포함하고, 상기 디바이스에 의한 검출을 위한 분석물은 요산을 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 또는 둘 모두는, 전기화학적 촉매를 포함하는 전기적 전도성 재료를 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 또는 둘 모두는, 프러시안-블루 카본(Prussian-Blue Carbon)을 포함하는 전기적 전도체를 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은, 상기 사용자의 마우스 내에 피팅(fit)되도록 맞춰진 마우스가드에 포함되고, 상기 제 1 및 상기 제 2 전극들의 상기 제 1 및 제 2 위치들은, 상기 사용자의 혀에 근접하게 상기 마우스가드의 내부 구역 상에 위치되는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판 상에 배치되고, 전기적으로 전도성인 제 1 도관을 통해 상기 제 1 전극에 전기적으로 커플링되는 제 1 전극 인터페이스 컴포넌트; 및
상기 기판 상에 배치되고, 전기적으로 전도성인 제 2 도관을 통해 상기 제 2 전극에 전기적으로 커플링되는 제 2 전극 인터페이스 컴포넌트를 더 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 전극 인터페이스 컴포넌트들은 상기 전기적 회로에 전기적으로 커플링되는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 작동 전극으로 동작가능하고, 상기 제 2 전극은, 전류법 측정들을 위한 카운터 전극으로 동작가능하고,
상기 디바이스는,
상기 기판 상에서 상기 작동 전극과 카운터 전극 사이에 위치되고, 상기 화학적 물질을 포함하는 표면을 갖는 기준 전극을 더 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판 상에 배치되고, 상기 디바이스에 전력을 제공하기 위해 상기 타액으로부터의 에너지를 전기화학적으로 추출하는 바이오연료 셀; 및
상기 전기적 회로를 더 포함하고,
상기 바이오연료 셀은,
상기 기판 상에 배치되고, 전기적으로 전도성인 재료를 포함하는 애노드 ―상기 애노드는, 상기 애노드에서 캡쳐된 전자들을 릴리스하는 산화 프로세스에서 상기 타액의 연료 물질을 제 1 산물(product)로 변환하여 상기 연료 물질로부터 에너지를 추출하는 것을 촉진하는 연료 셀 촉매를 포함함―; 및
상기 기판 상에서 상기 애노드에 인접하고 분리되게 배치되는 캐소드 ―상기 캐소드는, 전기적으로 전도성이고, 제 2 산물이 전자들을 획득하는 화학적 환원 프로세스에서, 상기 타액의 산소화된 물질을 상기 제 2 산물로 환원시킬 수 있는 재료를 포함함― 를 포함하고;
상기 전기적 회로는, 전기적 상호접속들을 통해 상기 바이오연료 셀과 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이에 전기적으로 커플링되어, 상기 바이오연료 셀로부터의 추출된 에너지를 전기적 에너지로서 획득하고, 상기 전기적 에너지를 상기 디바이스의 상기 제 1 및 제 2 전극들에 공급하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 15 항에 있어서,
상기 연료 셀 촉매는, 전도성 폴리머의 형태인 다공성 스캐폴드 구조로 상기 애노드의 표면 상에서 케이스화되는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 16 항에 있어서,
상기 전도성 폴리머는, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜), 폴리(p-페닐렌설파이드), 폴리플루오렌, 폴리페닐렌, 폴리피렌, 폴리아줄렌, 폴리나프탈렌, 폴리(아세틸렌), 폴리(-페닐렌 비닐렌) 또는 폴리페닐디아민 중 적어도 하나를 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 15 항에 있어서,
상기 연료 셀 촉매는, 상기 애노드의 표면에 커플링되는 선택적으로 투과가능한 멤브레인(membrane)에서 인트랩되는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 18 항에 있어서,
상기 투과가능한-선택적인 멤브레인은 나피온 또는 키토산 중 적어도 하나를 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 15 항에 있어서,
상기 연료 셀 촉매는, 상기 애노드의 표면에 정전기적으로 또는 공유결합으로 결속되는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 15 항에 있어서,
상기 애노드는, 상기 연료 셀 촉매의 활성 사이트(site)와 상기 애노드의 표면 사이에서 전자 이송을 촉진하기 위한 전기활성적 중재자를 포함하도록 구조화되는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 15 항에 있어서,
상기 연료 셀 촉매는, LOx, GOx 또는 우리카아제를 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 15 항에 있어서,
상기 캐소드는, 상기 제 2 산물이 전자들을 획득하는 상기 화학적 환원 프로세스에서, 상기 타액의 산소화되지 않은 물질을 상기 제 2 산물로 환원시킬 수 있는 전기활성적 중재자를 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 15 항에 있어서,
상기 전기적 회로는, 상기 바이오연료 셀에 의해 추출되는 상기 전기적 에너지를 변형하는 것, 또는 상기 제 1 및 제 2 전극들에 의해 검출된 전기적 신호를 증폭하는 것, 또는 둘 모두를 위한 신호 조정 회로를 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 제 15 항에 있어서,
상기 전기적 회로는, 상기 검출된 전기적 신호에 기초하여 데이터를 프로세싱하는 프로세서 및 상기 데이터를 저장 또는 버퍼링하는 메모리를 포함하는 데이터 프로세싱 유닛을 포함하는,
타액에서 분석물들을 검출하기 위한 전기화학적 센서 디바이스. - 타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하는 방법으로서,
애노드에서 캡쳐된 전자들을 릴리스하는 산화 프로세스에서, 바이오연료 물질을 제 1 산물로 변환하고, 캐소드에서 제 2 산물이 전자들을 획득하는 화학적 환원 프로세스에서 상기 타액의 화학적 물질을 상기 제 2 산물로 환원시킴으로써, 사용자의 마우스에 착용가능한 마우스-기반 디바이스에 부착된 바이오연료 셀의 애노드 및 캐소드 전극들에서, 상기 타액에 존재하는 상기 바이오연료 물질로부터 전기적 에너지를 추출하는 단계;
전기화학적 센서를 활성화시키기 위해, 상기 추출된 전기적 에너지를, 상기 마우스-기반 디바이스에 부착된 상기 전기화학적 센서의 전극들에 공급하는 단계; 및
상기 사용자의 마우스에서 타액과 접촉하는 활성화된 전기화학적 센서의 전극들에서, 상기 전기화학적 센서의 전극에 커플링되는 화학작용제 및 상기 타액의 분석물과 관련된 산화-환원 반응의 결과로 생성되는 전기적 신호를 검출하는 단계를 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하는 방법. - 제 26 항에 있어서,
상기 전기적 신호는 전류법, 전압전류법 또는 전위차법을 이용하여 검출되는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하는 방법. - 제 26 항에 있어서,
상기 분석물의 파라미터를 결정하기 위해 상기 전기적 신호를 프로세싱하는 단계를 더 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하는 방법. - 제 28 항에 있어서,
상기 파라미터는, 상기 분석물의 농도 레벨을 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하는 방법. - 제 26 항에 있어서,
상기 검출된 전기적 신호를 외부 디바이스에 무선으로 송신하는 단계를 더 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하는 방법. - 타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스로서,
전기적 절연 재료를 포함하는 기판 ―상기 기판은, 사용자의 마우스 내에 피팅할 수 있는 마우스-착용 디바이스에 부착되도록 구조화됨―;
타액의 분석물을 검출하기 위한 전기화학적 센서;
상기 디바이스에 전력을 제공하기 위해, 상기 타액으로부터의 에너지를 전기화학적으로 추출하는 바이오연료 셀; 및
전기적 회로를 포함하고,
상기 전기화학적 센서는,
상기 기판 상에서 제 1 위치에 배치되는 제 1 전극 ―상기 제 1 전극은, 타액의 분석물에 대응하는 반응물 또는 촉매를 포함하는 화학적 물질을 포함하는 표면을 포함함―; 및
상기 기판 상에서 간격에 의해 상기 제 1 전극으로부터 분리된 제 2 위치에 배치되는 제 2 전극을 포함하고,
상기 제 1 및 제 2 전극들은, 상기 제 1 및 제 2 전극들에 의해 검출가능한 전기적 신호를 생성하기 위해, 상기 화학적 물질 및 상기 타액의 분석물과 관련된 산화-환원 반응을 지속하도록 동작가능하고,
상기 바이오연료 셀은,
상기 기판 상에 배치되고, 전기적으로 전도성인 재료를 포함하는 애노드 ―상기 애노드는, 상기 애노드에서 캡쳐된 전자들을 릴리스하는 산화 프로세스에서 상기 타액의 연료 물질을 제 1 산물로 변환하여 상기 연료 물질로부터 에너지를 추출하는 것을 촉진하는 연료 셀 촉매를 포함함―; 및
상기 기판 상에서 상기 애노드에 인접하고 분리되게 배치되는 캐소드 ―상기 캐소드는, 전기적으로 전도성이고, 제 2 산물이 전자들을 획득하는 화학적 환원 프로세스에서, 상기 타액의 산소화된 물질을 상기 제 2 산물로 환원시킬 수 있는 재료를 포함함― 를 포함하고;
상기 전기적 회로는, 전기적 상호접속들을 통해 상기 바이오연료 셀과 상기 전기화학적 센서 사이에 전기적으로 커플링되어, 상기 바이오연료 셀로부터의 추출된 에너지를 전기적 에너지로서 획득하고, 상기 전기적 에너지를 상기 전기화학적 센서에 공급하고,
상기 디바이스가 사용자의 마우스에 존재하는 경우, 상기 디바이스는, 상기 사용자의 타액에서 상기 타액의 분석물을 검출하도록 동작가능한,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 31 항에 있어서,
상기 전기적 회로는, 상기 바이오연료 셀에 의해 추출되는 상기 전기적 에너지를 변형하는 것, 또는 상기 제 1 및 제 2 전극들에 의해 검출된 전기적 신호를 증폭하는 것, 또는 둘 모두를 위한 신호 조정 회로를 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 31 항에 있어서,
상기 전기적 회로는, 상기 검출된 전기적 신호에 기초하여 데이터를 프로세싱하는 프로세서 및 상기 데이터를 저장 또는 버퍼링하는 메모리를 포함하는 데이터 프로세싱 유닛을 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 31 항에 있어서,
상기 전기적 회로는, 상기 검출된 전기적 신호를 외부 디바이스에 무선으로 송신하는 무선 통신 유닛을 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 31 항에 있어서,
상기 제 1 전극의 표면은,
폴리머 필름 또는 선택적으로 투과가능한 스캐폴드의 전기폴리머 인트랩먼트에 의해 상기 제 1 전극 표면 상에 고정된 상기 화학적 물질; 또는
상기 제 1 전극을 형성하는 재료 내에 산재되는 상기 화학적 물질; 또는
상기 표면에 정전기적으로 또는 공유결합으로 부착된 상기 화학적 물질을 포함하는 층
을 포함하도록 구조화되는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 35 항에 있어서,
상기 폴리머 필름은 폴리(o-페닐렌디아민)을 포함하거나, 또는 상기 선택적으로 투과가능한 스캐폴드는 나피온 또는 키토산을 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 31 항에 있어서,
상기 화학적 물질은 젖산 산화효소(LOx; lactate oxidase)를 포함하고, 상기 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 젖산을 포함하거나; 또는
상기 화학적 물질은, 포도당 산화효소(GOx; glucose oxidase)를 포함하고, 상기 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 포도당을 포함하거나; 또는
상기 화학적 물질은 요산 산화효소(우리카아제)를 포함하고, 상기 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 요산을 포함하거나; 또는
상기 화학적 물질은 코르티솔(cortisol)의 항체를 포함하고, 상기 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 코르티솔을 포함하거나; 또는
상기 화학적 물질은 GOx 및 글루코시다아제(GD)를 포함하고, 상기 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 알파-아밀라아제를 포함하거나; 또는
상기 화학적 물질은 LOx 또는 피루브산 산화효소(PyOx)를 포함하고, 상기 전기화학적 센서에 의한 검출을 위한 분석물은 인산염을 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 31 항에 있어서,
상기 기판은, 상기 사용자의 마우스 내에 피팅되도록 맞춰진 마우스가드에 포함되고, 상기 제 1 및 상기 제 2 전극들의 상기 제 1 및 제 2 위치들은, 상기 사용자의 혀에 근접하게 상기 마우스가드의 내부 구역 상에 위치되는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 31 항에 있어서,
상기 제 1 전극은 작동 전극으로 동작가능하고, 상기 제 2 전극은, 전류법 측정들을 위한 카운터 전극으로 동작가능하고,
상기 전기화학적 센서는,
상기 기판 상에서 상기 작동 전극과 카운터 전극 사이에 위치되고, 상기 화학적 물질을 포함하는 표면을 갖는 기준 전극을 더 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 31 항에 있어서,
상기 연료 셀 촉매는, 전도성 폴리머의 형태인 다공성 스캐폴드 구조로 상기 애노드의 표면 상에서 케이스화되거나; 또는
상기 연료 셀 촉매는, 상기 애노드의 표면에 커플링되는 선택적으로 투과가능한 멤브레인에서 인트랩되거나; 또는
상기 연료 셀 촉매는, 상기 애노드의 표면에 정전기적으로 또는 공유결합으로 결속되는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 40 항에 있어서,
상기 전도성 폴리머는, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜), 폴리(p-페닐렌설파이드), 폴리플루오렌, 폴리페닐렌, 폴리피렌, 폴리아줄렌, 폴리나프탈렌, 폴리(아세틸렌), 폴리(-페닐렌 비닐렌) 또는 폴리페닐디아민 중 적어도 하나를 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 40 항에 있어서,
상기 투과가능한-선택적인 멤브레인은 나피온 또는 키토산 중 적어도 하나를 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 31 항에 있어서,
상기 애노드는, 상기 연료 셀 촉매의 활성 사이트(site)와 상기 애노드의 표면 사이에서 전자 이송을 촉진하기 위한 전기활성적 중재자를 포함하도록 구조화되는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스. - 제 31 항에 있어서,
상기 연료 셀 촉매는, LOx, GOx 또는 우리카아제를 포함하는,
타액의 분석물을 검출하고 상기 타액으로부터 디바이스에 전력을 공급하기 위한 디바이스.
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