KR20160132750A - 바이오 센서용 전극 구조 및 상기한 전극 구조를 포함하는 바이오 센서 - Google Patents
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Abstract
바이오 센서용 전극 구조 및 이를 포함한 바이오 센서를 제공한다. 본 바이오 센서용 전극 구조는, 피검체 내부로 침습가능하고, 피검체내에서, 피검체에 인가된 제1 전기적 자극에 대응하는 제1 전기적 반응을 제2 전기적 반응으로 변환시키는 효소를 포함한 동작 전극 및 피검체에 접촉 가능하고, 피검체로부터 제1 전기적 반응 및 제2 전기적 반응을 수신하며, 상호 이격 배치되는 제1 및 제2 임피던스 전극을 포함한다.
Description
본 개시는 바이오센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 전기화학식 바이오센서에 관한 것이다.
바이오 센서는 생물학적 분석대상물(biological analyte)의 농도 또는 존재를 산출하는 분석 센서(analytical sensor)이다. 생물학적 분석대상물은, 예를 들면, 글루코스, 콜레스테롤, 락테이트, 크레아티닌, 단백질, 과산화수소, 알코올, 아미노산, GPT(glutamic-pyruvic transaminase), GOT(glutamic-oxaloacetic transaminase) 등일 수 있다. 전기화학식 바이오센서는 분석대상물의 전기화학적 산화 또는 환원에서 발생하는 전자(electron)의 흐름 또는 존재를 검출함으로써 수행된다.
바이오 센서의 생물학적 분석 대상물이 피검체 내부에 포함된 물질인 경우, 채혈 등을 통해 분석 대상물을 채취할 수 있다. 그러나, 반복적인 분석 대상물의 채취는 피검체에게 고통을 주게 되고, 분석 대상물이 채취됨으로써 분석 대상물의 상태가 변경되어 정확한 산출이 어려울 수 있다.
일 실시예는 피검체 내부에 있는 타겟 물질을 직접 검출할 수 있는 전극 구조 및 이를 포함한 바이오 센서를 제공한다.
일 유형에 따른 따르는 바이오 센서용 전극 구조는 피검체 내부로 침습가능하고, 상기 피검체내에서, 상기 피검체에 인가된 제1 전기적 자극에 대응하는 제1 전기적 반응을 제2 전기적 반응으로 변환시키는 효소를 포함한 동작 전극; 및 상기 피검체에 접촉 가능하고, 상기 피검체로부터 상기 제1 전기적 반응 및 상기 제2 전기적 반응을 수신하며, 상호 이격 배치되는 제1 및 제2 임피던스 전극;을 포함한다.
그리고, 상기 동작 전극은, 상기 피검체의 내부로 침습 가능하도록 일단이 뾰족한 니들 형상이고, 표면 중 적어도 일부 영역에 효소가 배치된 하나 이상의 효소 전극;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 효소 전극의 최대 폭은 40㎛ 내지 60㎛이내일 수 있다.
그리고, 상기 효소 전극의 길이는 70㎛ 내지 1400㎛일 수 있다.
또한, 상기 효소 전극의 표면을 덮고, 생분해성 물질로 형성된 보호층;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 동작 전극은 상기 제1 및 제2 임피던스 전극과 이격 배치되고, 상기 제1 및 제2 임피던스 전극 사이에 배치될 수 있다.
또한, 상기 동작 전극은, 판 형상이며, 상기 효소 전극의 타단과 접하는 지지 전극;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 임피던스 전극은 절연 물질을 통해 상기 지지 전극과 연결될 수 있다.
또한, 상기 효소 전극의 타단은 상기 제1 및 제2 임피던스 전극 중 적어도 하나와 접할 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 임피던스 전극 중 적어도 하나는, 폭이 길이보다 큰 판 형상일 수 있다.
또한, 상기 피검체의 내부로 침투가능하도록 일단이 뾰족한 니들 형상이고, 타단은 상기 제1 및 제2 임피던스 전극 중 적어도 하나와 접하는 니들 전극;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 임피던스 전극을 통해 상기 제1 전기적 자극이 상기 피검체에 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 전기적 자극은, 교류 전압 또는 교류 전류를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 동작 전극을 통해 상기 효소를 활성화시키는 제2 전기적 자극이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제2 전기적 자극은, 직류 전압 또는 직류 전류를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 피검체에 접촉 가능하고, 상기 제2 임피던스 전극과 이격 배치되는 제3 임피던스 전극;을 더 포함할 수 있다.
또한, 제1 임피던스 전극과 상기 제2 임피던스 전극간의 간격은 상기 제2 임피던스 전극과 상기 제3 임피던스 전극간의 간격과 서로 다를 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 바이오 센서는, 피검체 내부로 침습가능하고, 타겟 물질을 반응시키기 위한 효소를 포함한 동작 전극; 상기 피검체에 접촉 가능하고, 상호 이격 배치되는 복수 개의 임피던스 전극을 포함하는 임피던스 전극부; 상기 임피던스 전극부를 통해 상기 피검체에 제1 전기적 자극을 제공하는 제1 자극부; 상기 동작 전극을 통해 상기 효소를 활성화시키기 위한 제2 전기적 자극을 제공하는 제2 자극부; 및 상기 임피던스 전극부를 통해 상기 피검체로부터 상기 제1 전기적 자극 및 상기 제2 전기적 자극 중 적어도 하나에 대응하는 전기적 반응을 검출하는 제1 검출부;를 포함한다.
그리고, 상기 임피던스 전극부는, 상호 이격 배치되며, 상기 전기적 반응을 상기 제1 검출부로 인가하는 제1 및 제2 임피던스 전극;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 임피던스 전극은, 상기 제1 자극부로부터 상기 제1 전기적 자극을 상기 피검체에 전달할 수 있다.
그리고, 상기 임피던스 전극부는, 상호 이격 배치되며, 상기 제1 자극부로부터 상기 제1 전기적 자극을 상기 피검체에 전달하는 제3 및 제4 임피던스 전극;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전기적 자극은, 교류 전류 및 교류 전압 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전기적 자극 및 상기 전기적 반응을 이용하여 상기 피검체의 바이오 임피던스를 산출하는 산출부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기적 반응은 상기 제1 전기적 자극에 대응하는 제1 전기적 반응과 상기 제1 전기적 자극과 상기 제2 전기적 자극에 대응하는 제2 전기적 반응을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 산출부는, 상기 제1 전기적 자극과 상기 제1 전기적 반응을 이용하여 제1 바이오 임피던스를 산출하고, 상기 제1 전기적 자극과 상기 제2 전기적 반응을 이용하여 제2 바이오 임피던스를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제1 바이오 임피던스와 상기 제2 바이오 임피던스 중 적어도 하나를 이용하여 피검체내 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 제1 바이오 임피던스와 상기 제2 바이오 임피던스의 변화량을 이용하여 상기 타겟 물질의 존재 여부를 결정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 변화량의 시간에 따른 변화를 이용하여 상기 타겟 물질의 변동 여부를 결정할 수 있다.
그리고, 상기 효소는, 상기 제2 전기적 자극에 응답하여 상기 타겟 물질을 반응시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 전기적 자극은 교류 전압 및 교류 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제2 전기적 자극은, 직류 전압 및 직류 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 전기적 자극에 대응하는 제3 전기적 반응을 검출하는 제2 검출부;를 더 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 피검체 내부로 침습가능하고, 타겟 물질을 반응시키기 위한 효소를 포함한 동작 전극과 상기 피검체에 접촉 가능하고, 상호 이격 배치되는 복수 개의 임피던스 전극을 포함하는 바이오 센서의 동작 방법은, 상기 복수 개의 임피던스 전극을 통해 제1 전기적 자극을 상기 피검체에 제공하는 단계; 상기 복수 개의 임피던스 전극을 통해 상기 피검체로부터 상기 제1 전기적 자극에 대응하는 제1 전기적 반응을 검출하는 단계;상기 동작 전극에 통해 상기 효소에 제2 전기적 자극을 제공하는 단계; 및 상기 복수 개의 임피던스 전극을 통해 상기 피검체로부터 상기 제1 전기적 자극과 상기 제2 전기적 자극에 대응하는 제2 전기적 반응을 검출하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 제2 전기적 자극을 제공하는 단계는, 상기 제2 전기적 자극에 응답하여 상기 효소가 상기 타겟 물질을 반응시키는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전기적 자극, 상기 제1 전기적 반응 및 상기 제2 전기적 반응 중 적어도 두 개를 이용하여 바이오 임피던스를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 바이오 임피던스를 산출하는 단계는, 상기 제1 전기적 자극과 상기 제1 전기적 반응을 이용하여 제1 바이오 임피던스를 산출하는 단계; 및 상기 제1 전기적 자극과 상기 제2 전기적 반응을 이용하여 제2 바이오 임피던스를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 바이오 임피던스와 상기 제2 바이오 임피던스의 변화량을 이용하여 상기 타겟 물질에 대한 정보를 결정할 수 있다.
그리고, 상기 타겟 물질에 대한 정보는, 상기 피검체에 상기 타겟 물질의 존재 여부, 상기 타겟 물질의 변동 여부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 전기적 자극에 대응하는 제3 전기적 반응을 검출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전기적 자극은 교류 전압 및 교류 전류 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2 전기적 자극은 직류 전압 및 직류 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 타겟 물질을 검출하는 바이오 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 도 1에 적용 가능한 전극 구조의 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 전극 구조에 대한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 별도의 기준 전극이 없는 바이오 센서용 전극 구조에 대한 평면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 패드 형태의 바이오 센서용 전극 구조에 대한 평면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 일 실시예에 따른 니들 전극에 효소가 결합되는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 제1 및 제2 임피던스 전극에 제1 전기적 자극이 인가되지 않는 상태를 도시한 도면이다.
도 6b는 일 실시예에 따른 제1 및 제2 임피던스 전극에 제1 전기적 자극이 인가된 상태를 도시한 도면이다.
도 6c는 일 실시예에 따른 동작 전극에 제2 전기적 자극이 인가되고 제1 및 제2 임피던스 전극에 제1 전기적 자극이 인가된 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 바이오 센서용 전극 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 효소 전극을 도시한 도면이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 바이오 센서용 전극 구조를 도시한 단면이다.
도 10 내지 도 13은 일 실시예에 따른 효소 전극이 임피던스 전극에 배치된 상태를 도시한 도면이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 니들 전극이 임피던스 전극에 배열된 상태를 도시한 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 피검체의 다른 영역에 복수 개의 전기적 반응을 수신하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 피검체의 다른 영역에 복수 개의 전기적 자극을 제공하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 임피던스 전극간의 간격이 서로 다른 전극 구조를 나타내는 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 바이오 센서의 전기적 자극을 제공하고 전기적 반응을 검출하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 바이오 센서의 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 바이오 센서의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 21a 및 도 21b는 일 실시예에 따른 바이오 센서용 전극 구조에 부착된 이물질을 제거하는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 22은 일 실시예에 따른 전류 산출 기능을 포함하는 바이오 센서를 나타내는 블록도이다.
도 23은 시간에 따른 제3 전기적 반응의 예를 도시한 도면이다.
도 24a 및 도 24b는 시간에 따른 제1 및 제2 전기적 반응의 예를 도시한 도면이다.
도 25는 도 22의 하이브리드형 바이오 센서에 적용되는 전극 구조를 나타내는 평면도이다.
도 26a는 다른 실시예에 따른 도 22의 하이브리드형 바이오 센서에 적용되는 전극 구조의 평면도이다.
도 26b는 도 26a의 전극 구조의 단면도이다.
도 27a은 또 다른 실시예에 따른 도 22의 하이브리드형 바이오 센서에 적용되는 전극 구조의 평면도이다.
도 27b는 도 27a의 전극 구조의 단면도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 도 1에 적용 가능한 전극 구조의 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 전극 구조에 대한 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 별도의 기준 전극이 없는 바이오 센서용 전극 구조에 대한 평면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 패드 형태의 바이오 센서용 전극 구조에 대한 평면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 일 실시예에 따른 니들 전극에 효소가 결합되는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 제1 및 제2 임피던스 전극에 제1 전기적 자극이 인가되지 않는 상태를 도시한 도면이다.
도 6b는 일 실시예에 따른 제1 및 제2 임피던스 전극에 제1 전기적 자극이 인가된 상태를 도시한 도면이다.
도 6c는 일 실시예에 따른 동작 전극에 제2 전기적 자극이 인가되고 제1 및 제2 임피던스 전극에 제1 전기적 자극이 인가된 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 바이오 센서용 전극 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 효소 전극을 도시한 도면이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 바이오 센서용 전극 구조를 도시한 단면이다.
도 10 내지 도 13은 일 실시예에 따른 효소 전극이 임피던스 전극에 배치된 상태를 도시한 도면이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 니들 전극이 임피던스 전극에 배열된 상태를 도시한 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 피검체의 다른 영역에 복수 개의 전기적 반응을 수신하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 피검체의 다른 영역에 복수 개의 전기적 자극을 제공하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 임피던스 전극간의 간격이 서로 다른 전극 구조를 나타내는 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 바이오 센서의 전기적 자극을 제공하고 전기적 반응을 검출하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 19는 일 실시예에 따른 바이오 센서의 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 20은 다른 실시예에 따른 바이오 센서의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 21a 및 도 21b는 일 실시예에 따른 바이오 센서용 전극 구조에 부착된 이물질을 제거하는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 22은 일 실시예에 따른 전류 산출 기능을 포함하는 바이오 센서를 나타내는 블록도이다.
도 23은 시간에 따른 제3 전기적 반응의 예를 도시한 도면이다.
도 24a 및 도 24b는 시간에 따른 제1 및 제2 전기적 반응의 예를 도시한 도면이다.
도 25는 도 22의 하이브리드형 바이오 센서에 적용되는 전극 구조를 나타내는 평면도이다.
도 26a는 다른 실시예에 따른 도 22의 하이브리드형 바이오 센서에 적용되는 전극 구조의 평면도이다.
도 26b는 도 26a의 전극 구조의 단면도이다.
도 27a은 또 다른 실시예에 따른 도 22의 하이브리드형 바이오 센서에 적용되는 전극 구조의 평면도이다.
도 27b는 도 27a의 전극 구조의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 타겟 물질을 검출하는 바이오 센서(100)를 나타내는 블록도이다. 도 1를 참조하면, 바이오 센서(100)는 피검체(10) 내부로 침습가능하고, 피검체(10)에 인가된 전기적 자극에 대응하는 전기적 반응을 변화시키는 효소를 포함한 동작 전극부(110) 및 피검체(10)에 접촉 가능하고, 상기한 전기적 자극을 피검체(10)에 제공하고, 상기한 전기적 반응과 변화된 전기적 반응을 수신하는 임피던스 전극부(120)를 포함할 수 있다.
이하, 임피던스 전극부(120)를 통해 피검체(10)에 인가된 전기적 자극을 제1 전기적 자극이라고 하고, 동작 전극(111)의 효소를 동작 시키기 위한 전기적 자극을 제2 전기적 자극이라고 칭한다. 그리고, 제1 전기적 자극에 대응하는 전기적 반응을 제1 전기적 반응이라고 하고, 효소에 의해 변화된 전기적 반응, 제1 전기적 자극과 제2 전기적 자극에 대응하는 전기적 반응을 제2 전기적 반응이라고 칭한다. 이하 단순히 전기적 반응이라고 하면 제1 전기적 반응과 제2 전기적 반응 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고, 바이오 센서(100)는 임피던스 전극부(120)를 통해 피검체(10)에 제1 전기적 자극을 제공하는 제1 자극부(132), 동작 전극부(110)의 효소를 활성화시키기 위한 전기적 자극인 제2 전기적 자극을 제공하는 제2 자극부(134), 임피던스 전극부(120)를 통해 상기한 피검체(10)로부터 제1 전기적 반응과 제2 전기적 반응을 검출하는 제1 검출부(142) 및 제1 전기적 자극, 제1 전기적 반응 및 제2 전기적 반응을 이용하여 피검체(10)의 바이오 임피던스를 산출하는 산출부(150)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 피검체(10)는 바이오 임피던스를 산출하고자 하는 대상으로서, 피검체(10) 내부에는 전기적 자극에 대응하여 전기적 반응이 형성될 수 있다. 피검체(10)는 사람 또는 동물, 또는 사람 또는 동물의 일부를 포함할 수 있다. 그리고, 사용자는 바이오 임피던스를 산출하고자 하는 대상, 즉 피검체(10)일 수도 있지만, 의료 전문가 등 상기한 바이오 센서(100)를 이용할 수 있는 사람으로서, 피검체(10)보다 넓은 개념일 수 있다.
여기서 제1 전기적 자극은 전압이고, 제1 및 제2 전기적 반응은 전류일 수 있다. 예를 들어, 전압은 교류 전압 및 교류 전압와 직류 전압의 조합일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 제1 전기적 자극은 전류일 수 있고, 제1 및 제2 전기적 반응은 전압일 수 있다. 예를 들어, 전류는 교류 전류 또는 교류 전류와 직류 전류의 조합일 수 있다.
동작 전극부(110)는 피검체(10)에 침습 가능한 하나 이상의 동작 전극(111)과 동작 전극(111)의 전위에 대한 기준이 되는 기준 전극(112)을 포함할 수 있다. 동작 전극(111)은 피검체(10)의 내부로 침습가능하도록 일단이 뾰족한 니들 형상이고, 표면 중 적어도 일부 영역에 효소가 배치된 하나 이상의 효소 전극(210, 도 2 참조)을 포함할 수 있다. 상기한 효소는 피검체(10) 내부의 전기적 자극에 대응하는 전기적 반응을 변화시킬 수 있다. 효소의 종류는 바이오 센서(100)가 검출하고자 하는 타겟 물질의 종류에 따라 다를 수 있다. 효소 및 타겟 물질의 반응에 대해서는 후술하기로 한다.
임피던스 전극부(120)는 피검체(10)의 피부에 이격 배치되는 복수 개의 임피던스 전극을 포함할 수 있다. 임피던스 전극은 크게 두 가지로 분류될 수 있다. 예를 들어, 하나의 임피던스 전극을 통해 피검체(10)에 제1 전기적 자극이 인가되고 상기한 피검체(10)로부터 전기적 반응을 수신할 수 있는 복합형 전극과, 하나의 임피던스 전극을 통해 피검체(10)에 제1 전기적 자극을 인가하고 다른 하나의 임피던스 전극을 통해 피검체(10)로부터 전기적 반응을 수신하는 단일형 전극으로 구분될 수 있다.
임피던스 전극이 복합형인 경우, 임피던스 전극부(120)는 적어도 두 개의 임피던스 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 전극부(120)는 이격 배치되는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122, 도 2b 참조)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 통해 피검체(10)에 제1 전기적 자극이 인가되고, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 통해 피검체(10)로부터 전기적 반응을 수신할 수 있다.
복합형 전극을 이용하여 바이오 임피던스를 산출하는 경우, 임피던스 전극의 개수가 작기 때문에 바이오 센서(100)의 구성이 간단할 수 있다. 그러나, 바이오 임피던스 산출시 임피던스 전극과 피검체(10)의 접촉에 따른 접촉 임피던스가 발생하고, 제1 전기적 자극의 주파수에 따라 바이오 임피던스가 영향을 받을 수 있다. 그리하여 바이오 임피던스의 보정에 많은 로드가 발생할 수 있다
임피던스 전극이 단일형인 경우, 임피던스 전극부(120)는 적어도 네 개의 임피던스 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 전극부(120)는 이격 배치되는 제1 내지 제4 임피던스 전극(121, 122, 123, 124, 도 7 참조)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 통해 피검체(10)에 제1 전기적 자극이 인가되고, 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)을 통해 전기적 반응을 수신할 수 있다.
단일형 임피던스 전극은 바이오 임피던스를 간접적으로 산출하기 때문에 임피던스 전극과 피검체(10)간의 접촉 임피던스가 작아질 수 있다. 예를 들어, 임피던스 전극에 전압을 인가하는 전압원의 입력 임피던스와 임피던스 전극의 전류를 검출하는 전류계(ammeter)의 출력 임피던스를 접촉 임피던스보다 상당히 크게 하면 임피던스 전극 자체의 임피던스 및 접촉 임피던스의 영향을 최소화할 수 있다.
임피던스 전극은 피검체(10)의 표면에만 접촉하고 피검체(10)의 내부로 침습하지 않는 비침습형 전극일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 임피던스 전극은 피검체(10)의 내부로 침습 가능한 침습형 전극일 수도 있다. 예를 들어, 비침습형 전극은 피검체(10)의 피부에 접촉이 용이한 판 형상을 포함할 수 있다. 또한, 침습형 전극은 피검체(10)의 내부로 침습이 이용하도록 니들 형상을 포함할 수 있다.
제1 자극부(132)는 임피던스 전극부(120)을 통해 피검체(10)에 제1 전기적 자극을 제공할 수 있다. 상기한 제1 전기적 자극은 전압일 수 있다. 예를 들어, 전압은 교류 전압 또는 교류 전압과 직류 전압의 조합일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 제1 전기적 자극은 전류일 수 있다. 예를 들어, 전류는 교류 전류 또는 교류 전류와 직류 전류의 조합일 수 있다.
제1 자극부(132)가 교류 전압 또는 교류 전류를 제1 전기적 자극으로 제공하는 경우, 교류 전압 또는 교류 전류의 동작 주파수는 스윕(sweep)하는 형태일 수도 있고 단일한 형태일 수도 있다. 특히, 동작 주파수가 고주파일수록 피검체의 피부 중 더 깊은 영역을 센싱할 수 있다.
제1 전기적 자극의 동작 주파수는 타겟 물질에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 예를 들어, 제1 전기적 자극의 동작 주파수는 약 0 Hz 내지 약 1 GHz일 수 있다. 상기한 제1 전기적 자극이 전압인 경우 제1 자극부(132)는 전압원으로 구현될 수 있고, 상기한 제1 전기적 자극이 전류인 경우 제1 자극부(132)는 전류원으로 구현될 수 있다.
제2 자극부(134)는 효소를 활성화시키기 위한 전기적 자극인 제2 전기적 자극을 동작 전극(111)에 제공할 수 있다. 효소가 타겟 물질과 반응하기 위해서는 일정한 전기적 자극이 필요하다. 상기한 제2 전기적 자극은 직류 전압 또는 직류 전류일 수 있다. 상기한 제2 전기적 자극은 효소에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 효소가 글루코스 옥사이드(Glucose Oxidase)인 경우, 제2 전기적 자극은 기준 전극(112)에 대비하여 약 0.3 내지 약 0.7V일 수 있다. 그리고, 효소가 락테이트 옥사이드(Lactate Oxidase)인 경우, 제2 전기적 자극은 기준 전극(112)에 대비하여 약 0.6V일 수 있다.
제1 검출부(142)는 임피던스 전극부(120)을 통해 피검체(10)으로부터 전기적 반응을 검출할 수 있다. 제1 전기적 자극이 전압인 경우 제1 검출부(142)는 전류를 검출하는 전류계일 수 있고, 제1 전기적 자극이 전류인 경우 제1 검출부(142)는 전압을 검출하는 전압계(voltmeter)일 수도 있다.
산출부(150)는 제1 전기적 자극, 제1 전기적 반응 및 제2 전기적 반응을 이용하여 피검체(10)의 바이오 임피던스를 산출할 수 있다. 피검체(10)의 모든 성분들은 고유한 저항과 유전율을 갖고 있기 때문에 피검체(10)의 성분에 따라 바이오 임피던스가 다를 수 있다. 그리하여, 바이오 센서(100)는 임피던스 기법을 이용하여 피검체(10)의 성분 특히 타겟 물질의 존재 유무, 타겟 물질의 농도에 대한 변동 여부, 타겟 물질의 농도 값 등을 검출할 수 있다.
하지만, 피검체(10)는 다양한 성분을 포함하고 있기 때문에 산출된 바이오 임피던스는 피검체(10)에 포함된 다양한 성분들의 조합에 따른 결과이다. 그리하여, 단순히 바이오 임피던스로 피검체(10)에 포함된 특정 성분, 즉, 타겟 물질을 분석하는데 어려움이 있을 수 있다.
그리하여, 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)는 피검체(10)에 침습 가능하고 효소를 포함한 효소 전극(210, 도 2b 참조)을 포함하며, 상기한 효소가 피검체(10)가 타겟 물질을 화학적으로 반응시켜 피검체(10) 내부의 전기적 반응을 변화시킬 수 있다. 즉, 전기적 반응의 변화는 타겟 물질에 기인할 수 있다.
구체적으로, 산출부(150)는 제1 전기적 자극과 제1 전기적 반응을 이용하여 제1 바이오 임피던스를 산출하고, 제1 전기적 자극과 제2 전기적 반응을 이용하여 제2 바이오 임피던스를 산출할 수 있다. 예를 들어, 제1 전기적 자극이 전압이고, 제1 및 제2 전기적 반응이 전류인 경우, 산출부(150)는 전류에 대한 전압의 복소비 또는 복소비의 실수부분으로 바이오 임피던스를 산출할 수 있다.
제어부(160)는 바이오 센서(100)의 전반적인 동작을 제어하고, 산출부(150)에서 산출된 바이오 임피던스를 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)는 제1 전기적 자극이 피검체(10)에 제공되도록 제1 자극부(132)를 제어하고, 제2 전기적 자극이 효소에 제공되도록 제2 자극부(134)를 제어할 수도 있다. 또한, 제어부(160)는 효소가 활성되지 않는 상태에서 제1 전기적 반응이 검출되도록 제1 검출부(142)를 제어하고, 효소가 활성화된 상태에서 제2 전기적 반응이 검출되도록 제1 검출부(142)를 제어할 수도 있다. 뿐만 아니라, 제어부(160)는 바이오 임피던스를 산출할 수도 있도록 산출부(150)를 제어할 수도 있다.
제어부(160)는 산출부(150)에서 산출한 제1 바이오 임피던스와 제2 바이오 임피던스의 변화량을 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 제1 바이오 임피던스와 제2 바이오 임피던스의 변화량이 기준 값 미만인 경우, 제어부(160)는 타겟 물질이 피검체(10) 내에 부존재한다고 결정할 수 있다. 그리고, 제1 바이오 임피던스와 제2 바이오 임피던스의 변화량이 기준 값 이상인 경우, 바이오 센서(100)는 타겟 물질이 존재한다고 결정할 수 있다.
뿐만 아니라, 제어부(160)는 시간에 따른 상기한 변화량의 변화를 이용하여 타겟 물질의 변동 여부를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 제어부(160)는 시간에 따라 상기한 변화량의 변화가 감소하면 피검체(10) 내에서 타겟 물질의 농도가 감소한다고 결정할 수 있고, 시간에 따라 변화량의 변화가 증가하면 피검체(10)내에서 타겟 물질의 농도가 증가한다고 결정할 수 있다.
또한, 제어부(160)는 타겟 물질의 정량적 분석도 할 수 있다. 정량적 분석시, 제어부(160)는 바이오 임피던스의 변화와 타겟 물질 농도간의 관계가 정의된 룩업 테이블을 참고할 수 있다. 상기한 룩업 테이블은 바이오 센서(100)에 기저장되어 있을 수 있다. 또는 제어부(160)는 외부 기기에 저장된 룩업 테이블을 이용할 수도 있다. 이와 같은 경우, 바이오 센서(100)는 외부는 통신 가능한 통신부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
타겟 물질에 대한 분석은 바이오 센서(100) 자체가 수행할 수도 있지만, 바이오 센서(100)는 바이오 임피던스만을 산출하고 그 결과를 외부 기기(예를 들어, 휴대폰)에 전송하며, 외부 기기가 타겟 물질을 분석할 수 있음도 물론이다. 상기와 같은 경우, 바이오 센서(100)는 제어부(160)를 포함하고 있지 않아도 된다. 대신 바이오 센서(100)는 외부 기기와 통신할 수 있는 통신부(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 바이오 임피던스를 산출할 수 있는 산출부(150)도 외부 기기에 포함될 수 있음도 물론이다. 외부 기기는 바이오 센서(100)를 제어하는 마스터로서 동작하고, 바이오 센서(100)는 외부 기기의 제어에 따라 동작하는 슬레이브일 수도 있다.
이하, 바이오 센서(100)에 적용되는 전극 구조에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2a는 일 실시예에 따른 도 1에 적용 가능한 전극 구조의 평면도이고, 도 2b는 도 2a의 전극 구조에 대한 단면도이다. 이하 바이오 센서에 적용되는 전극 구조를 바이오 센서용 전극 구조라고 한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 바이오 센서용 전극 구조(200a)는 이격 배치되어 있는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)과 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 사이에 배치되는 동작 전극(111)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 동작 전극(111)을 기준으로 대칭되게 배치될 수 있다. 또는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 동작 전극(111)을 기준으로 대칭된 형상일 수 있다.
제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 피검체(10)의 피부 표면에 탈부착될 수 있다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 단면이 길이(l)보다 상대적으로 큰 판 형상일 수 있다. 그리하여, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 피검체(10)의 피부 표면과 탈부착이 용이할 수 있다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)의 단면은 사각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)의 단면은 원형, 타원형, 다각형 등 다양한 형상일 수 있다.
제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 전도성 물질로서 금속 또는 전도성 금속 산화물 등으로 형성될 수 있다. 예를 들어 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 Ti, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W 또는 Cu와 같은 금속 또는 ITO(indium tin oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO2(Tin oxide) 또는 In2O3, AgCl 등의 금속산화물일 수 있다.
또는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 임의의 물질상에 전도성 물질이 코팅되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 폴리머 물질에 전도성 물질이 코팅될 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)는 피검체(10)의 피부 내에 있는 타겟 물질을 검출하는데 이용될 수 있다. 피부는 외부로부터 표피(epidermis), 진피(dermis), 피하조직(subcutaneous layer) 등으로 구분될 수 있다. 표피는 방수 기능을 하고 감염으로부터 차단막 역할을 한다. 상기한 표피는 진피로부터의 확산에 의해 영양분을 공급받는다. 한편, 진피는 피부의 부속물을 위한 공간으로서, 완충작용을 하여 피검체(10)를 압력과 장력(stress and strain)으로부터 보호할 수 있다. 진피는 세포간액(Interstitial fluid, ISF) 및 모세혈관을 포함할 수 있다. 그리고, 피하조직은 다량의 지방 조직을 가지고 있고 영양분이 저장되어 있다. 그리하여, 건강 상태를 판단할 수 있는 타겟 물질은 진피와 피하조직에 다량 존재할 수 있다.
그리하여, 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)는 상기한 피부, 특히, 진피와 피하조직 내에 포함된 타겟 물질을 검출하는데 이용될 수 있다. 진피와 피하조직은 표피의 아래쪽에 배치되어 있기 때문에 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)는 피검체(10)의 내부, 예를 들어, 진피와 피하조직까지 침습 가능한 동작 전극(111)을 포함할 수 있다. 물론 표피에도 세포 간액 및 타겟 물질이 존재하므로, 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)는 피검체(10)의 표피에 침습하여 바이오 임피던스를 검출할 수도 있다.
동작 전극(111)은 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)과 이격 배치될 수 있으며, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 사이에 배치될 수 있다. 동작 전극(111)은 피검체(10)의 내부로 침습가능하도록 일단이 뾰족하고, 표면 중 적어도 일부 영역에 효소가 배치된 하나 이상의 효소 전극(210)을 포함할 수 있다. 동작 전극(111)은 침습가능하기 때문에 침습형이라고 할 수 있다.
효소 전극(210)의 길이(l)는 피검체(10)에 침습되는 깊이에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 효소 전극(210)은 피검체(10)의 표피를 지나 진피까지 침습될 수 있다. 인체의 경우, 진피까지는 거의 통증을 느끼지 않기 때문에, 효소 전극(210)이 진피까지 침습될 수 있는 길이(l)를 가질 수 있다. 진피에서 타겟 물질을 검출하고자 하는 경우, 효소 전극(210)의 길이(l)는 대략 70㎛ 내지 1400㎛ 정도일 수 있다.
피검체(10)의 진피가 분포하는 깊이 범위는 피검체(10)의 영역 별로 다를 수 있다. 예를 들어, 인체의 복부에서 표피의 두께는 대략 79.4㎛ ± 33.9㎛ 정도이며, 진피의 두께는 대략 1248.4㎛ ± 262.5㎛ 정도일 수 있다. 또한, 인체의 팔 뒤편에서는 표피의 두께는 대략 83.5㎛ ± 36.2㎛ 정도이며, 진피의 두께는 1030.4㎛ ± 327.8㎛ 정도일 수 있다. 따라서, 효소 전극(210)은 피검체(10)의 피부 표면으로부터 대략 70㎛ 내지 1300㎛ 정도 깊이까지 침습될 수 있다.
전술한 설명에서는 효소 전극(210)이 피검체(10)의 진피 영역까지 침습되는 것을 예시적으로 설명하였다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 효소 전극(210)은 표피까지만 침습될 수도 있다. 이 경우, 효소 전극(210)의 길이(l)는 대략 70㎛ 내외일 수 있다. 또한, 효소 전극(210)은 피검체(10)의 피하조직 안으로도 침습될 수 있다. 이 경우, 효소 전극(210)의 길이(l)는 1400㎛보다 더 클 수도 있다.
효소 전극(210)의 최대 폭(w)은 길이(l)보다 작을 수 있다. 효소 전극(210)의 최대 폭(w)은 효소 전극(210)이 피검체(10)의 내부로 침습될 때 고통을 덜 주는 크기일 수 있다. 예를 들어, 효소 전극(210)의 최대 폭(w)은 약 수십 내지 수백(약, 500) ㎛일 수 있다. 또는 효소 전극(210)의 최대 폭(w)은 약 40㎛ 내지 60㎛ 일 수 있다. 다만, 상기한 수치는 예시적인 것에 불과하며 이에 한정되지 않는다. 또한, 효소 전극(210)의 최대 폭(w)은 검출하고자 하는 타겟 물질의 위치 및 피검체(10)의 종류 등에 따라 달라 질 수 있다.
효소 전극(210)에 대해 구체적으로 살펴보면, 효소 전극(210)은 단면에 비해 길이(l)가 긴 니들 형상인 니들 전극(310)과 니들 전극(310)의 표면에 시약이 배치된 시약층(320)을 포함할 수 있다. 상기한 시약층(320)에는 효소가 포함되어 있을 수 있다.
니들 전극(310)의 일단은 뾰족할 수 있다. 그리하여, 효소 전극(210)의 일단이 피검체(10)의 내부로 침습이 용이할 수 있다. 니들 전극(310)은 테이퍼진 형상으로 일단이 뾰족할 수 있다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 니들 전극(310)은 타단에서 일단으로 갈수록 점진적으로 폭이 좁아지는 형상일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 니들 전극(310)내 일부 영역의 폭은 균일하지만, 나머지 영역의 폭은 일단으로 갈수록 좁아질 수 있다.
니들 전극(310)은 효소를 활성화시키기 위한 제2 전기적 자극을 제2 자극부(134)로부터 제공받을 수 있다. 상기한 제2 전기적 자극은 전압 또는 전류일 수 있다. 예를 들어, 직류 전압 또는 직류 전류일 수 있다. 제2 전기적 자극의 크기는 효소의 종류에 따라 다를 수 있다.
니들 전극(310)의 폭 및 길이는 효소의 양, 타겟 물질을 산출하고자 하는 피검체(10)의 영역, 니들 전극(310)이 피검체(10)에 침투하였을 때, 피검체(10)가 느끼는 고통 등을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 니들 전극(310)의 폭이 크면 니들 전극(310)에 많은 효소가 배치될 수 있지만 니들 전극(310)이 피검체(10)에 침습되었을 때 피검체(10)가 고통을 느낄 수 있다. 또한, 니들 전극(310)의 길이가 작으면 타겟 물질이 있는 위치에 효소가 침습되지 않을 수도 있다.
니들 전극(310)의 단면은 다각형(예를 들면, 삼각형, 사각형 등), 원형 또는 타원형일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 일반적으로 니들 전극(310)의 크기가 효소 전극(210)의 크기를 결정할 수 있다.
니들 전극(310)은 전기적 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 니들 전극(310)은 Ti, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W 또는 Cu와 같은 금속으로 형성될 수도 있고, 임의의 물질에 상기한 금속 등이 코팅되어 형성될 수도 있다. 니들 전극(310)은 앞서 기술한 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)보다 전도성이 크거나 같을 수 있다.
시약층(320)은 니들 전극(310)의 적어도 일부 영역에 배치될 수 있다. 시약층(320)에는 타겟 물질을 반응시키는 효소를 포함할 수 있다. 피검체(10)의 내부, 예를 들어, 세포 간액(interstitial fluid)에는 타겟 물질이 분포되어 있을 수 있다. 니들 전극(310)에 일정한 제2 전기적 자극이 인가되면, 시약층(320) 내의 효소가 활성화될 수 있다. 상기한 제2 전기적 자극은 동작 전극(111)과 기준 전극(112)간의 전압에 의해 제공될 수 있다.
활성화된 효소는 세포 간액에서 유동하는 타겟 물질을 반응시켜 반응물을 생성할 수 있다. 상기한 반응물은 피검체(10) 내부의 전기적 반응을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 반응물은 세포 간액의 전해 성분을 변화시키고, 전해 성분의 변화는 세포 간액의 전류량 즉, 전기적 반응을 변화시킬 수 있다.
변화된 전기적 반응은 타겟 물질의 양에 의존할 수 있다. 예를 들어, 타겟 물질이 많을수록 전기적 반응의 변화가 클 수 있다. 그리하여, 바이오 센서(100)는 바이오 임피던스의 변화량으로 타겟 물질에 대한 정보를 획득할 수 있다.
시약층(320) 내 효소는 타겟 물질의 종류에 따라 다를 수 있다. 타겟 물질이 글루코스인 경우, 효소는 글루코스 산화 효소 및 글루코스 탈수소화 효소 중 적어도 하나일 수 있다. 타겟 물질이 콜레스테롤인 경우, 효소는 콜레스테롤 산화 효소, 콜레스테롤 에스테르화 효소 등일 수 있다. 한편, 시약층(320)에는 조효소를 더 포함할 수 있다. 조효소는 효소가 타겟 물질과 반응하는 것을 도울 수 있다. 조효소는, 예를 들면, FAD(flavin adenine dinucleotide) 또는 NAD(nicotinamide adenine dinucleotide)일 수 있다.
동작 전극(111)은 하나 이상의 효소 전극(210)을 지지하는 지지 전극(220)을 더 포함할 수 있다. 상기한 지지 전극(220)은 피검체(10)의 피부 표면에 탈부착될 수 있다. 지지 전극(220)은 단면이 길이보다 상대적으로 큰 판 형상일 수 있다. 그리하여, 지지 전극(220)은 피검체(10)의 피부 표면과 탈부착이 이용할 수 있다. 도면에는 지지 전극(220)의 단면이 사각형으로 도시되어 있으나 이에 한정되지 않는다. 지지 전극(220)의 단면은 원형, 타원형, 다각형 등 다양한 형상일 수 있다.
지지 전극(220)은 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 금속 또는 전도성 금속 산화물 등으로 형성될 수 있다. 예를 들어 지지 전극(220)은 Ti, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W 또는 Cu와 같은 금속 또는 ITO(indium tin oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), SnO2(Tin oxide) 또는 In2O3 등의 금속산화물일 수 있다. 또는 지지 전극(220)은 임의의 물질상에 전도성 물질이 코팅되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 지지 전극(220)은 폴리머 물질에 전도성 물질이 코팅될 수 있다.
지지 전극(220) 중 피검체(10)의 피부 표면과 접하는 면에는 효소 전극(210)의 타단이 접할 수 있다. 효소 전극(210)은 지지 전극(220)에 대해서 수직하게 배치될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 효소 전극(210)은 지지 전극(220)에 대해 소정 각도 기울어져 배치될 수 있다.
하나의 지지 전극(220)에는 하나 이상의 효소 전극(210)이 배치될 수 있다. 복수 개의 효소 전극(210)이 지지 전극(220)에 배치되는 경우, 복수 개의 효소 전극(210)은 1차원 또는 2차원으로 배열될 수 있다.
또한, 복수 개의 효소 전극(210)은 동일한 크기 및 모양을 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 복수 개의 효소 전극(210) 중 적어도 두 개는 크기 및 모양이 다를 수 있다. 크기 및 모양이 다를 경우, 효소 전극(210)에 분포된 효소가 피검체(10) 내에서 보다 넓은 범위에 배열될 수 있다. 또한, 복수 개의 효소 전극(210)은 균일한 간격으로 배열될 수도 있고, 비균일한 간격으로 배열될 수 있다. 효소 전극(210)들의 배열 상태, 크기 및 모양 등은 타겟 물질의 종류, 피검체(10)의 상태 등에 따라 다양하게 구현될 수 있다.
상기한 지지 전극(220)은 효소 전극(210)을 지지하고 효소 전극(210)에 제2 전기적 자극을 제공하는 기능을 하기 때문에 필수 구성요소가 아니다. 즉, 동작 전극(111)은 효소 전극(210)만으로 구성될 수도 있고, 다른 전극이 지지 전극(220) 역할을 할 수도 있다.
또한, 기준 전극(112)은 동작 전극(111)과 이격 배치될 수 있다. 상기한 기준 전극(112)은 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)과도 이격 배치되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 중 어느 하나가 기준 전극(112)이 될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 별도의 기준 전극이 없는 바이오 센서용 전극 구조(200b)에 대한 평면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 구조(200b)는 기준 전극(112)을 포함하지 않을 수 있다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 중 적어도 하나가 기준 전극(112) 역할을 수행할 수도 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 패드 형태의 바이오 센서용 전극 구조(200c)에 대한 평면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 바이오 센서용 전극 구조(200c) 즉, 임피던스 전극부(120)와 동작 전극부(110)는 절연 물질(180)에 의해 연결될 수 있다. 그리하여, 바이오 센서용 전극 구조(200c)에 포함된 전극들을 일정한 간격을 유지할 수 있다. 또한, 바이오 센서용 전극 구조(200c)는 하나의 패드 형태가 될 수 있기 때문에 피검체(10)에 탈부착이 용이할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 일 실시예에 따른 니들 전극(310)에 효소(322)가 결합되는 방법을 설명하는 참조도면이다. 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 효소(321)는 니들 전극(310)에 레진(322)에 의해 결합될 수 있다. 니들 전극(310)의 표면에 레진(322)이 도포될 수 있다. 그리고, 도 5a에 도시된 바와 같이, 효소(321)는 레진(322)에 흡착되어 결합될 수 있다. 또는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 효소(321)는 레진(322)과 공유 결합으로 결합될 수 있다. 효소(321)가 레진(322)과 공유 결합하게 되면 흡착에 의한 결합보다 결합 강도가 높을 수 있다.
또는, 도 5c에 도시된 바와 같이, 일부 효소(321)는 레진(322)과 공유 결합하고 나머지 효소(321)는 인접하는 다른 효소와 공유 결합으로 결합될 수 있다. 상기와 같이 효소(321)들간의 가교(crosslinking)은 보다 많은 효소(321)가 니들 전극(310)에 배치될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 5d에 도시된 바와 같이, 니들 전극(310)에 폴리머(323)가 도포되고 폴리머(323) 사이에 효소(321)가 캡슐화(encapsulation)하여 결합될 수 있다. 폴리머(323)를 이용한 효소(321)의 결합은 공유 결합에 의한 배치보다 제조가 용이한 이점이 있다.
이하, 효소를 이용하여 바이오 임피던스를 산출하는 방법을 구체적으로 설명한다.
도 6a는 일 실시예에 따른 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 제1 전기적 자극, 예를 들어, 전압이 인가되지 않는 상태를 도시한 도면이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 제1 전기적 자극이 인가되지 않았기 때문에 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 사이의 피검체(10)에는 제1 전기적 자극에 대응하는 제1 전기적 반응이 형성되어 있지 않다.
도 6b는 일 실시예에 따른 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 제1 전기적 자극이 인가된 상태를 도시한 도면이다. 여기서 제1 전기적 자극은 교류 전압일 수 있다. 동작 주파수는 스윕하는 형태일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 제1 전기적 자극이 인가되면, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 기준으로 바이오 센서(100)와 피검체(10)가 폐회로를 형성할 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 전압이 인가되면, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 기준으로 피검체(10)의 내부에 전류 패스가 형성될 수 있다. 상기한 전류 패스는 피검체(10)의 상태에 따라 달라질 수 있다. 피검체(10)도 일종의 임피던스이므로, 피검체(10) 내부의 물질의 성분, 예를 들어, 지방, 수분 등에 따라 피검체(10)에 흐르는 전류 값이 달라질 수 있다. 상기한 전류 패스가 제1 전기적 반응(V1)에 해당할 수 있다. 도 6b에서 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에는 제1 전기적 자극이 인가된 상태이지만, 동작 전극(111)에 제2 전기적 자극이 인가되지 않아. 효소가 활성화되지 않는 상태이다.
한편, 도 6c는 일 실시예에 따른 동작 전극(111)에 제2 전기적 자극이 인가되고 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 제1 전기적 자극이 인가된 상태를 도시한 도면이다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 동작 전극(111)에 제2 전기적 자극 예를 들어, 효소를 활성화시키는 전압이 인가될 수 있다. 상기한 전압은 직류 전압일 수 있다. 전압의 크기는 기준 전극(112)을 기준으로 한다. 동작 전극(111)에 제2 전기적 자극이 인가되면, 효소는 활성화되어 타겟 물질을 반응시켜 반응물을 생성할 수 있다. 상기한 반응물은 세포간액의 전해 성분을 변화시킬 수 있고, 전해 성분의 변화는 세포 간액의 전류 즉, 제1 전기적 반응(V1)을 제2 전기적 반응(V2)으로 변화시킬 수 있다.
예를 들어, 동작 전극(111)에 포도당 산화 효소가 배치될 수 있다. 동작 전극(111)에 제2 전기적 자극이 인가될 수 있다. 그러면, 포도당 산화 효소는 활성화된다. 포도당 산화 효소는 동작 전극(111)에 인접하게 배치된 타겟 물질, 즉 포도당을 산소와 반응시켜 반응물을 생성할 수 있다. 구체적으로, 포도당 산화 효소는, 하기 화학식 1과 같이, 포도당과 산소를 반응시켜 글루콘산(Gluconic acid)과 과산화 수소(H2O2)를 생성할 수 있다. 그리고, 과산화수소는 깨지면서 전자를 발생시킬 수 있다.
[화학식 1]
또는 동작 전극(111)에 락테이트 산화 효소가 배치될 수 있다. 동작 전극(111)에 제2 전기적 자극, 예를 들어, 약 0.6V의 직류 전압이 인가될 수 있다. 그러면, 락테이트 산화 효소는 활성화 상태가 될 수 있다. 그리고, 락테이트 산화 효소는 동작 전극(111)에 인접하게 배치된 타겟 물질, 즉 락테이트를 반응시켜 반응물을 생성할 수 있다. 구체적으로, 락테이트 산화 효소는, 하기 화학식 2과 같이, 락테이트와 산소를 반응시켜 피루빈산(Pyruvate)과 과산화 수소(H2O2)를 생성할 수 있다. 그리고,과산화수소는 깨지면서 전자를 발생시킬 수 있다.
[화학식 2]
한편, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 제1 전기적 자극이 인가된 상태이기 때문에 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 사이의 피검체(10)의 내부에 전류 패스가 형성될 수 있다. 상기한 전류 패스는 효소에 의해 생성된 전자에 의해 변화될 수 있다. 즉, 전자에 의해 세포 간액의 전해질 성분이 변하기 때문에 전류 패스의 전류값이 달라질 수 있다. 예를 들어, 효소가 활성화될 때 검출된 제2 전기적 반응(V2)는 효소가 활성화되지 않을 때의 제1 전기적 반응(V1)보다 클 수 있다.
상기한 제1 전기적 반응과 상기한 제2 전기적 반응의 변화량은 피검체(10)의 내부, 특히, 피검체(10)의 피부에 분포된 타겟 물질에 기인한다고 할 수 있다, 상기한 변화량의 크기는 타겟 물질의 양에 비례할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 전기적 반응의 변화량으로부터 타겟 물질의 존재 여부, 타겟 물질의 변화 여부 및 타겟 물질의 농도 등이 결정될 수 있다.
6c에서는 동작 전극(111)에 제2 전기적 자극이 인가된 상태에서 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 제1 전기적 자극을 인가한다고 하였다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 동작 전극(111)에 제2 전기적 자극을 잠시 동안 인가하였다가 제2 전기적 자극의 인가를 중단한 직후에 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 제1 전기적 자극을 인가할 수도 있다. 상기와 같이, 제2 전기적 자극과 제1 전기적 자극을 교대로 인가함으로써 제2 전기적 자극과 제1 전기적 자극의 간섭을 줄일 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 바이오 센서용 전극 구조(200d)를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 바이오 센서용 전극 구조(200d)는 이격 배치되는 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)을 더 포함할 수 있다. 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124) 사이에는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)과 동작 전극(111)이 배치될 수 있다. 그리고, 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)도 동작 전극(111)을 기준으로 대칭되게 배치될 수 있으며, 동작 전극(111)을 기준으로 대칭된 형상일 수 있다.
제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)은 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)과 크기 및 모양 등이 같을 수 있다. 구체적으로, 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)은 피검체(10)의 피부 표면에 탈부착될 수 있다. 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)은 단면이 길이보다 상대적으로 큰 판 형상일 수 있다. 그리하여, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 피검체(10)의 피부 표면과 탈부착이 이용할 수 있다. 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)은 전도성 물질로 형성되거나 전도성 물질로 코팅될 수 있다.
제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)을 통해 제1 전기적 자극이 피검체(10)에 인가될 수 있다. 그러면, 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124) 사이의 피검체(10)에 전류 패스가 형성될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 통해 제1 전기적 반응 및 제2 전기적 반응이 검출될 수 있다. 상기와 같이 전기적 자극을 인가하는 전극과 전기적 반응을 검출하는 전극을 분리함으로써 전극과 피검체(10)간의 접촉 저항 등을 줄여 노이즈를 줄일 수 있다.
기술한 바와 같이, 제1 전기적 자극은 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 통해 피검체(10)에 인가될 수도 있고, 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)을 통해 피검체(10)에 인가될 수 있다. 설명의 편의를 도모하기 위해 이하에서 언급한 임피던스 전극은 복합형으로 가정하여 설명한다. 그러나, 이에 한정되지 않음은 물론이다. 즉 제1 전기적 자극을 인가하는 전극과 전기적 반응을 수신하는 전극은 다를 수 있으나, 이하 전기적 반응을 수신하는 관점에 중점을 두어 설명한다.
도 8은 다른 실시예에 따른 효소 전극(210a)을 도시한 도면이다. 효소 전극(210a)의 효소가 외부에 노출되어 있으면, 효소에 이물질 등이 결합되거나 외부 자극에 의해 효소가 손상될 수 있다. 그리하여, 도 8에 도시된 바와 같이, 효소 전극(210a)은 시약층(320)을 덮는 보호층(330)을 더 포함할 수 있다. 보호층(330)은 피검체(10)에 침습되기 전까지 효소를 보호할 수 있다.
보호층(330)은 효소 전극(210)이 피검체(10)에 침습되면 분해될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호층(330)은 피검체(10) 내에서 분해되는 생분해성 폴리머 물질을 포함할 수 있다. 상기한 생분해성 폴리머 물질은 polylactic acid, poly(lactic-co-glycolic) acid, poly(caprolactone), polyhydroxyalkanoates, poly(propylene fumarate), polydioxanone, polyglycolide, polyanhydrides, polyacetals, poly(ortho esters), polycarbonates, polyurethanes, polyphosphazenes 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다만, 상기한 생분해성 폴리머 물질들은 예시적인 것에 불과할 뿐 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 효소 전극(210)이 피검체(10)에 침습되면 생분해성 폴리머 물질은 세포간액 또는 혈액에서 분해됨으로써 효소를 피검체(10)에 노출시킬 수 있다.
또는, 보호층(330)은 물이나 타겟 물질 등이 투과할 수 있는 투과성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보호층(330)은 내피온(Nafion) 등의 물질을 포함할 수 있다. 타겟 물질이나 물 등은 보호층(330)을 투과하여 효소 전극(210)과 반응하는 반면 보호층(330)은 타겟 물질보다 큰 이물질이 효소 전극(210)에 흡착되는 것을 방지하기 때문에 흡착에 따른 효소 전극(210)의 검출 감도의 저해를 억제할 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 바이오 센서용 전극 구조(200e)를 도시한 단면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 중 적어도 하나에 피검체(10)의 내부로 침습 가능한 하나 이상의 니들 전극(310)이 더 배치될 수 있다. 니들 전극(310)의 일단은 뾰족하고 타단은 임피던스 전극과 접할 수 있다. 도면에는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 모두 니들 전극(310)이 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 중 어느 하나에만 니들 전극(310)이 더 배치될 수 있다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 니들 전극(310)이 배치되기 때문에 임피던스를 산출하는 전극도 침습형 전극이라고 할 수 있다.
니들 전극(310)의 길이 및 폭은 동작 전극(111)의 길이 및 폭과 대응될 수 있다. 구체적으로, 니들 전극(310)의 길이는 피검체(10)에 침습되는 깊이에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 니들 전극(310)은 피검체(10)의 진피까지 침습될 수 있다. 인체의 경우, 진피까지는 통증을 느끼지 않기 때문에, 니들 전극(310)이 진피까지 침습되더라도 피검체(10)에게 부담이 되지 않을 수 있다. 진피에서 타겟 물질을 검출하고자 하는 경우, 니들 전극(310)의 길이는 대략 70㎛ 내지 1400㎛ 정도일 수 있다.
니들 전극(310)의 폭은 길이보다 작을 수 있다, 니들 전극(310)의 폭(w)은 니들 전극(310)이 피검체(10)의 내부로 침습될 때 고통을 덜 주는 크기일 수 있다. 예를 들어, 니들 전극(310)의 최대 폭은 약 40㎛ 내지 60㎛ 일 수 있다. 다만, 상기한 수치는 예시적인 것에 불과하며 이에 한정되지 않는다. 니들 전극(310)의 단면은 다각형(예를 들면, 삼각형, 사각형 등), 원형 또는 타원형일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
니들 전극(310)은 전기적 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 니들 전극(310)은 Ti, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W 또는 Cu와 같은 금속으로 형성될 수도 있고, 다른 물질에 상기한 금속 등이 코팅되어 형성될 수도 있다. 니들 전극(310)은 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)보다 전도성이 크거나 같을 수 있다.
임피던스 전극에 니들 전극(310)이 배치되기 때문에 니들 전극(310)과 동작 전극(111)간의 전기장은 니들 전극(310)이 없는 임피던스 전극과 동작 전극(111)간의 전기장보다 더 균일할 수 있다. 균일한 전기장으로 인해 보다 정확한 바이오 임피던스의 산출이 가능하다. 또한, 전류 패스가 피검체(10)의 피부 표면까지 형성되지 않기 때문에 각질 등에 의한 노이즈가 감소될 수 있다.
도 10 내지 도 13은 일 실시예에 따른 효소 전극(210)이 임피던스 전극에 배치된 상태를 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 효소 전극(210)은 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 중 어느 하나의 임피던스 전극에 배치될 수 있다. 예를 들어, 효소 전극(210)이 제1 임피던스 전극(121)에 배치될 수 있다. 즉 제1 임피던스 전극(121)이 지지 전극(220)의 역할을 한다. 효소 전극(210)의 일단은 뾰족할 수 있고, 타단은 제1 임피던스 전극(121)과 접할 수 있다. 제1 임피던스 전극(121)은 효소 전극(210)에 제2 전기적 자극을 제공하는 역할도 수행하기 때문에 바이오 센서(100)의 전극 구조가 간소화될 수 있다. 이하 효소 전극(210)이 임피던스 전극에 배치되는 경우, 효소 전극(210)과 임피던스 전극을 통칭하여 동작 전극(111)이라고 한다.
바이오 센서(100)의 제2 자극부(134)(도 1 참조)는 제1 임피던스 전극과 기준 전극(112)(도 1 참조)에 연결될 수 있다. 그리하여, 제2 자극부(134)는 제1 임피던스 전극(121)을 통해 효소 전극(210)에 제2 전기적 자극을 제공할 수 있다. 또한, 제1 자극부(132)는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 연결될 수 있다. 그리하여, 제1 자극부(132)는 제1 및 제2 임피던스 자극(121, 122)을 통해 제1 전기적 자극을 피검체(10)에 제공할 수 있다.
또는, 제2 임피던스 전극(122)이 기준 전극(112)이 될 수도 있다. 이와 같은 경우, 제1 자극부(132)와 제2 자극부(134)가 하나의 자극부로 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나의 자극부가 제1 및 제2 임피던스(121, 122)를 통해 피검체(10)에 제1 전기적 자극을 제공하고, 효소 전극(210)에 제2 전기적 자극을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 자극부는 직류 전압과 교류 전압의 조합으로 제1 및 제2 전기적 자극을 동시에 제공할 수도 있고, 교류 전압으로 제1 전기적 자극을 제공할 수도 있다. 이와 같은 경우 자극부는 전압원으로 구현될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 자극부는 전류 형태로 제1 및 제2 전기적 자극을 제공할 수도 있다. 이와 같은 경우, 자극부는 교류원으로 구현될 수 있다.
또는, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 임피던스 전극(122)에 하나 이상의 니들 전극(310)이 더 배치될 수 있다. 니들 전극(310)의 일단은 뾰족하고 타단은 제2 임피던스 전극과 접할 수 있다. 니들 전극(310)의 길이 및 폭은 효소 전극(210)의 길이 및 폭과 대응될 수 있다. 도 11에 도시된 바이오 센서용 전극 구조(200g)에도 제1 및 제2 자극부(132, 134)가 별도로 마련될 수도 있고, 하나의 자극부로 구현될 수도 있다. 제2 임피던스 전극에 니들 전극(310)이 배치되기 때문에 피검체(10) 내부에서 좀 더 균일한 전기장 형성이 가능할 수 있다.
또는, 도 12에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 모두에 하나 이상의 효소 전극(210)이 배치될 수 있다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 모두에 효소 전극(210)이 배치됨으로써 효소 전극(210)의 수를 집적화시킬 수 있고, 그에 따라 보다 많은 타겟 물질을 반응시킬 수 있다.
또는, 도 13에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 중 적어도 하나에는 니들 전극(310)과 효소 전극(210)이 조합하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 니들 전극(310)과 효소 전극(210)은 교차하여 배치될 수 있다. 니들 전극(310)과 효소 전극(210)은 1차원으로 배열될 수도 있고, 2차원으로 배열될 수도 있다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)의 중심축을 기준으로 니들 전극(310)과 효소 전극(210)이 서로 대칭되게 배열되거나 서로 교차하게 배열될 수도 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 니들 전극(310)이 임피던스 전극에 배열된 상태를 도시한 도면이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에는 하나 이상의 니들 전극(310)이 배치될 수 있다. 니들 전극(310)의 일단은 뾰족하고 타단은 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 접할 수 있다. 하나의 임피던스 전극에 니들 전극(310)이 복수 개 배열되는 경우, 니들 전극(310)은 1차원 또는 2차원으로 배열될 수 있다. 또한, 제1 임피던스 전극(121)에 배치된 니들 전극(310)과 제2 임피던스 전극(122)에 배치된 니들 전극(310)은 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)사이의 중심을 기준으로 서로 대칭될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 니들 전극(310)이 피검체(10)의 내부로 침습되기 때문에 산출된 바이오 임피던스는 피검체(10) 표면의 각질 등에 의한 노이즈가 제거될 수 있다. 그리하여, 바이오 센서(100)는 피검체(10)의 특정 지점(피검체(10)의 피부내 특정 지점)에 있는 바이오 임피던스를 산출할 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 피검체의 다른 영역에 복수 개의 전기적 반응을 수신하는 방법을 설명하는 도면이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 바이오 센서용 전극 구조(200k)는 제2 임피던스 전극(122)과 이격 배치되는 제5 임피던스 전극(125)을 더 포함할 수 있다. 제2 임피던스 전극(122)과 제5 임피던스 전극(125)간의 간격은 제1 임피던스 전극(121)과 제2 임피던스 전극(122)간의 간격과 같을 수 있다. 또한, 제5 임피던스 전극(125)에 배치된 니들 전극(310)은 제2 임피던스 전극(122)에 배치된 니들 전극(310)과 길이 및 폭 등이 대응될 수 있다.
피검체(10)의 제1 영역(11)과 제2 영역(12)의 물질 구성이 유사하다면 효소가 활성화되지 않는 상태에서 제1 영역(11)의 바이오 임피던스와 제2 영역(12)의 바이오 임피던스도 거의 동일할 수 있다. 하지만, 바이오 임피던스는 물, 열 등의 환경 변화에 의해서도 변경될 수 있다.
제2 임피던스 전극(122)과 제5 임피던스 전극(125)을 이용하여 환경 변화 등에 따른 바이오 임피던스를 검출하고, 상기한 검출된 바이오 임피던스를 이용하여 제1 임피던스 전극(121)과 제2 임피던스 전극(122)로부터 검출된 바이오 임피던스를 보정할 수 있다.
도 15에는 제2 및 제5 임피던스 전극(122, 125)에 니들 전극(310)이 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제2 및 제5 임피던스 전극(122, 125)에는 니들 전극(310)이 배치되어 있지 않을 수도 있다.
도 16은 다른 실시예에 따른 피검체(10)의 다른 영역에 복수 개의 전기적 자극을 제공하는 방법을 설명하는 도면이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 제6 임피던스 전극(126)은 제1 임피던스 전극(121)을 중심으로 제2 임피던스 전극(122)과 대칭되게 배열될 수 있다. 제1 임피던스 전극(121)과 제6 임피던스 전극(126)간의 간격은 제1 임피던스 전극(121)과 제2 임피던스 전극(122)간의 간격과 같을 수 있다.
바이오 센서(100)는 피검체(10)의 복수 영역에 대한 바이오 임피던스를 산출함으로써 타겟 물질에 대한 정보를 보다 정확하게 결정할 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서(100)는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 이용하여 바이오 임피던스의 변화량(이하 '제1 변화량'이라고 한다)을 산출할 수 있다. 또한, 바이오 센서(100)는 제1 및 제6 임피던스 전극(121, 126)을 이용하여 바이오 임피던스의 변화량(이하 '제2 변화량'이라고 한다)을 산출할 수 있다. 그리고, 제1 변화량과 제2 변화량의 평균으로 최종적인 바이오 임피던스의 변화량을 결정함으로써 노이즈를 줄일 수 있다. 도면에는 두 영역에 대한 바이오 임피던스를 산출한다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 3개 이상의 영역에 대한 바이오 임피던스의 산출도 가능하다.
도 17은 일 실시예에 따른 임피던스 전극간의 간격이 서로 다른 전극 구조(200m)를 나타내는 도면이다. 도 17에 도시된 바와 같이, 바이오 센서용 전극 구조(200m)는 서로 다른 영역에서 바이오 임피던스를 산출할 수 있는 복수 개의 임피던스 전극(121, 122, 127, 128)이 이격 배치될 수 있다. 예를 들어, 동작 전극(111)에서 제2 임피던스 전극(122) 방향으로 제7 임피던스 전극(127) 및 제8 임피던스 전극(128)이 순차적으로 배치될 수 있다. 임피던스 전극간 간격(d1, d2, d3)은 동작 전극(111)에서 제8 임피던스 전극(128)으로 갈수록 점진적으로 커질 수 있다. 예를 들어, 제2 임피던스 전극(122)과 제7 임피던스 전극(127)간의 간격(d2)은 제1 임피던스 전극(121)과 제2 임피던스 전극(122)간의 간격(d1)보다 크고, 제7 임피던스 전극(127)과 제8 임피던스 전극(128)간의 간격(d3)은 제2 임피던스 전극(122)과 제7 임피던스 전극(127)간의 간격(d2)보다 클 수 있다.
임피던스 전극간의 간격(d1, d2, d3)은 바이오 임피던스가 산출되는 피검체(10)의 깊이(l1, l2, l3)와 관련이 있다. 예를 들어, 임피던스 전극간의 간격이 클수록 바이오 임피던스가 산출되는 피검체(10)의 깊이는 깊을 수 있다. 임피던스 전극간 간격을 달리함으로써 피검체(10)의 다른 깊이에서의 바이오 임피던스를 산출할 수 있다. 이는 타겟 물질이 혈관으로부터 피부로 퍼지는 정도를 확인하는데 이용될 수 있다.
그리고, 타겟 물질이 제1 영역(11)으로 퍼지는 시점을 예상하여 동작 전극(111)을 동작시킴으로써 효소를 활성화시킬 수 있다. 그리고, 피검체(10)의 제1 영역(11)에 대한 바이오 임피던스의 변화로 타겟 물질에 대한 정보를 결정할 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 바이오 센서의 전기적 자극을 제공하고 전기적 반응을 검출하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 18을 참조하면, 바이오 센서(100)의 제1 자극부(132)는 제1 전기적 자극을 임피던스 전극부(120)를 통해 피검체(10)에 제공할 수 있다(S1810). 제1 자극부(132)는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 통해 제1 전기적 자극을 제공할 수도 있고, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)과 다른 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)을 통해 제1 전기적 자극을 제공할 수 있다. 이때 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)의 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 제1 전기적 자극은 교류 전압 및 교류 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리하여, 제1 자극부(132)는 교류원 또는 전압원으로 구현될 수 있다.
제1 검출부(142)는 피검체(10)로부터 제1 전기적 자극에 대응하는 제1 전기적 반응을 임피던스 전극부(120)를 통해 검출할 수 있다(S1820). 제1 검출부(142)는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 통해 제1 전기적 반응을 검출할 수 있다. 제1 자극부(132)가 제1 전기적 자극을 피검체(10)에 제공하면, 피검체(10)의 내부에는 전류 패스가 형성되는 바, 제1 검출부(142)는 상기한 전류 패스로부터 제1 전기적 반응, 예를 들어, 전류를 검출할 수 있다.
한편, 제2 자극부(134)는 동작 전극(111)의 효소에 제2 전기적 자극을 제공할 수 있다(S1830). 효소는 제2 전기적 자극에 반응하여 피검체(10)내 특정 물질인 타겟 물질을 반응시킬 수 있다. 효소에 의해 타겟 물질이 반응함으로써 반응물은 피검체(10)의 전해 성분을 변화시키고, 상기한 전해 성분의 변화는 제1 전기적 반응을 제2 전기적 반응으로 변화시킬 수 있다.
그리고, 제1 검출부(142)는 피검체(10)로부터 제1 전기적 자극과 상기 제2 전기적 자극에 대응하는 제2 전기적 반응을 검출할 수 있다(S1840).
도 19는 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)의 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 19을 참조하면, 바이오 센서(100)의 산출부(150)는 제1 전기적 자극과 제1 전기적 반응을 이용하여 제1 바이오 임피던스를 산출할 수 있다(S1910). 제1 전기적 자극이 전압이고 제1 전기적 반응이 전류인 경우, 산출부(150)는 제1 전기적 반응에 대한 제1 전기적 자극의 복소비로 제1 바이오 임피던스를 산출할 수 있다. 또는 산출부(150)는 제1 전기적 반응에 대한 제1 전기적 자극의 복소비 중 실수 성분을 제1 바이오 임피던스로 산출할 수 있다. 실수 성분만을 제1 바이오 임피던스로 산출하는 경우, 피검체(10)의 노이즈 성분을 줄일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 바이오 임피던스를 산출함에 있어서, 제1 전기적 반응에 대한 제1 전기적 자극의 복소비의 실수 성분과 허수 성분을 모두 이용할 수도 있다.
또한, 산출부(150)는 제1 전기적 자극과 제2 전기적 반응을 이용하여 제2 바이오 임피던스를 산출할 수 있다(S1920). 제2 전기적 반응도 전류일 수 있다. 효소의 반응에 의한 반응물에 전자가 포함된 경우, 제2 전기적 반응은 제1 전기적 반응보다 클 수 있다. 산출부(150)는 제2 전기적 반응에 대한 제1 전기적 자극의 복소비 또는 복소비의 실수 성분으로 제2 바이오 임피던스를 산출할 수 있다. 그리하여, 제2 바이오 임피던스는 제1 바이오 임피던스 보다 작을 수 있다.
제어부(160)는 제1 바이오 임피던스와 제2 바이오 임피던스를 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득할 수 있다(S1930). 예를 들어, 제어부(160)는 제1 바이오 임피던스와 제2 바이오 임피던스의 변화량이 기준 값 이상인 경우, 타겟 물질이 존재한다고 판단할 수 있다. 그리고, 제어부(160)는 상기한 변화량이 시간에 따라 증가하면 타겟 물질의 농도가 증가한다고 결정하고, 상기한 변화량이 시간에 따라 감소하면 타겟 물질의 농도가 감소한다고 결정할 수 있다. 또한, 바이오 임피던스의 변화로 니들 전극이 피검체 내에 잘 삽입되었는지 결정할 수 있다. 도 20은 다른 실시예에 따른 바이오 센서의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다. 이하 설명의 편의를 도모하기 위해 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 니들 전극(310)이 배치되었다고 가정한다.
도 20을 참조하면, 바이오 센서(100)의 제1 자극부(132)는 제1 전기적 자극을 임피던스 전극부(120)를 통해 피검체(10)에 제공할 수 있다(S2010). 제1 자극부(132)는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 통해 제1 전기적 자극을 제공할 수도 있고, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)과 다른 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)을 통해 제1 전기적 자극을 제공할 수 있다. 이때 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 제3 및 제4 임피던스 전극(123, 124)의 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 제1 전기적 자극은 교류 전압 및 교류 전류 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리하여, 제1 자극부(132)는 교류원 또는 전압원으로 구현될 수 있다.
제1 검출부(142)는 피검체(10)로부터 제1 전기적 자극에 대응하는 제1 전기적 반응을 임피던스 전극부(120)를 통해 검출할 수 있다(S2020). 제1 검출부(142)는 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)을 통해 제1 전기적 반응을 검출할 수 있다. 제1 자극부(132)가 제1 전기적 자극을 피검체(10)에 제공하면, 피검체(10)의 내부에는 전류 패스가 형성되는 바, 제1 검출부(142)는 상기한 전류 패스로부터 제1 전기적 반응, 예를 들어, 전류를 검출할 수 있다.
바이오 센서(100)의 산출부(150)는 제1 전기적 자극과 제1 전기적 반응을 이용하여 제1 바이오 임피던스를 산출할 수 있다(S2030). 제1 전기적 자극이 전압이고 제1 전기적 반응이 전류인 경우, 산출부(150)는 제1 전기적 반응에 대한 제1 전기적 자극의 복소비로 제1 바이오 임피던스를 산출할 수 있다. 또는 산출부(150)는 제1 전기적 반응에 대한 제1 전기적 자극의 복소비 중 실수 성분을 제1 바이오 임피던스로 산출할 수 있다. 실수 성분만을 제1 바이오 임피던스로 산출하는 경우, 피검체(10)의 노이즈 성분을 줄일 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 바이오 임피던스를 산출함에 있어서, 제1 전기적 반응에 대한 제1 전기적 자극의 복소비의 실수 성분과 허수 성분을 모두 이용할 수도 있다.
제어부(160)는 제1 바이오 임피던스가 기준값 이하인지 여부를 판단할 수 있다(S2040). 니들 전극이 공기중에 노출된 경우의 제1 바이오 임피던스와 니들 전극이 피검체내에 삽입된 경우의 제1 바이오 임피던스는 그 차이가 있다. 예를 들어, 니들 전극이 피부를 뚫고 들어가면 제1 바이오 임피던스는 급격히 작아진다. 그리하여, 제어부(160)는 제1 바이오 임피던스의 값을 이용하여 니들 전극이 피검체 내에 삽입되었는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제1 바이오 임피던스가 기준값 이하인 경우, 제어부(160)는 니들 전극이 피검체에 삽입되었다고 판단한다. 여기서, 기준값은 니들 전극이 피검체에 삽입되었을 때의 통상적인 값으로서, 실험 등에 의해 기정의될 수 있다.
제1 바이오 임피던스가 기준값 이하이면(S2040-Y), 제어부(160)는 제2 자극부(134)가 동작 전극(111)의 효소에 제2 전기적 자극을 제공할 수 있도록 제어할 수 있다(S2050).
그러나, 제1 바이오 임피던스가 기준값을 초과하면(S2040-N), 제어부(160)는 니들 전극(310)이 피검체에 삽입되지 않는 것으로 판단할 수 있다(S2050). 그리하여, 니들 전극(310)이 피검체에 삽입되지 않았음을 알리는 인디케이터를 제공할 수 있다. 상기한 인디케이터는 음향, 텍스트, 이미지 등으로 제공될 수 있다. 사용자는 상기한 인디케이터를 확인하고, 니들 전극이 피검체에 삽입되도록 바이오 센서(100)을 조작할 수 있다.
도 21a 및 도 21b는 일 실시예에 따른 바이오 센서용 전극 구조에 부착된 이물질을 제거하는 방법을 설명하는 참조도면이다. 도 21a에 도시된 바와 같이, 효소 전극(210)이 피검체(10)에 침습된 상태를 유지하게 되면 효소 전극(210)에 이물질(40)이 부착될 수 있다. 상기한 이물질(40)은 예를 들어, 면역 물질 또는 단백질 등이 있을 수 있다. 상기한 이물질(40)은 효소가 타겟 물질과 반응하는 것을 저해할 수 있기 때문에 정확한 타겟 물질에 대한 정보 획득이 어려울 수 있다.
일 실시예에 따른 제2 자극부(134)는 효소 전극(210)과 제2 임피던스 전극(122)간의 비균일한(non-uniform) 전기장이 형성되도록 제3 전기적 자극을 제공할 수 있다. 여기서 제3 전기적 자극은 효소 전극(210)에 부착된 이물질(40)을 제거하기 위한 전기적 자극을 의미한다. 예를 들어, 제2 자극부(134)는 교류 전압 또는 교류 전류로 제3 전기적 자극을 제공할 수 있다. 그러면, 피뢰침 효과에 의해 효소 전극(210)의 뾰족한 영역에 밀한 전기장이 형성될 수 있다. 상기한 비균일한 전기장은 유전 이동 힘(dielectrophoresis force)를 유도하고, 상기한 유전 이동 힘에 의해 이물질(40)이 효소 전극(210)으로부터 분리될 수 있다.
상기와 같이, 이물질이 부착되었을 때, 이를 감지하여 보정하는 것이 아니라 유전 영동 힘에 의해 이물질을 떼어냄으로써 바이오 센서용 전극 구조의 성능을 유지할 수 있다.
또는, 도 21b에 도시된 바와 같이, 제2 임피던스 전극(122)에 니들 전극(310)이 배치되어 있을 수 있으며, 니들 전극(310)의 표면에는 이물질과 반응하는 효소들이 포함된 분해층(340)이 도핑되어 있을 수 있다. 상기한 분해층(340)에 포함된 효소는 이물질을 분해하거나, 이물질과 합성하여 신체에 유용한 물질을 생성할 수 있는 효소일 수 있다. 예를 들어, 상기한 분해층(340)은 지방을 분해할 수 있는 라파아제 효소를 포함할 수 있다. 그리하여, 전기 영동 힘에 의해 분해층(340)으로 이동한 지방을 분해할 수 있다. 또는 분해층(340)은 활성 산소를 제거할 수 있는 카탈라아제, 글루타티온 과산화효소(Glutathion peroxidase) 또는, 단백질을 분해할 수 있는 카르복실기 분해 효소 등을 포함할 수도 있다. 그리하여, 유전 영동 힘에 의해 바이오 임피던스를 측정하는 영역(12)에 있는 이물질을 제거할 수도 있다. 바이오 센서는 바이오 임피던스 산출 이외에 피검체(10)의 전류(amperometric)를 산출하는 기능도 수행할 수 있다. 도 22는 일 실시예에 따른 전류 산출 기능을 포함하는 바이오 센서(600)를 나타내는 블록도이다. 이하 바이오 임피던스 산출과 전류 산출이 가능한 바이오 센서(600)를 하이브리드형 바이오 센서라고 칭한다. 도 22를 참조하면, 바이오 센서(600)의 동작 전극부(110)는 피검체(10)의 내부로 침습가능하고 피검체(10)내 특정 물질과 반응하는 효소를 포함한 동작 전극(working electrode)(111), 상기한 동작 전극(111)의 기준이 되는 기준 전극(reference electrode)(112) 및 피검체(10)내 전류를 측정하기 위한 상대 전극(counter electrode)(113)을 포함할 수 있다.
바이오 센서(600)는 임피던스 전극부(120)에 제1 전기적 자극을 제공하는 제1 자극부(132), 동작 전극(111)에 제2 전기적 자극을 제공하는 제2 자극부(134), 임피던스 전극부(120)을 통해 피검체(10의) 제1 및 제2 전기적 반응을 검출하는 제1 검출부(142), 상대 전극(113)으로부터 제2 전기적 자극에 대응하는 제3 전기적 반응을 검출하는 제2 검출부(144) 및 제1 전기적 자극, 제1 전기적 반응와 및 제2 전기적 반응을 이용하여 바이오 임피던스를 산출하는 산출부(150)를 포함할 수 있다. 또한, 바이오 센서(100)는 검출된 제3 전기적 반응과 산출된 바이오 임피던스로부터 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 제어부(160)를 더 포함할 수 있다.
여기서 제1 전기적 자극은 교류 전압 또는 교류 전류일 수 있고, 제2 전기적 자극은 직류 전압 또는 직류 전류일 수 있다. 그리고, 제1 전기적 반응은 제1 전기적 자극에 의해 피검체(10)에 형성된 전류 패스일 수 있으며, 제2 전기적 반응은 효소의 활성에 의해 제1 전기적 반응이 변화된 값일 수 있다. 또한, 제3 전기적 반응은 효소의 활성에 의한 형성된 전류 패스일 수 있다.
효소의 활성화에 따른 제3 전기적 반응의 검출은 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는데 이용할 수 있다. 예를 들어, 제2 자극부(134)가 동작 전극(111)에 제2 전기적 반응을 인가하고, 제2 검출부(144)는 피검체(10)로부터 제3 전기적 반응을 검출할 수 있다. 제어부(160)는 검출된 제3 전기적 반응이 기준값 이하인 경우, 타겟 물질이 존재하지 않는다고 결정할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 시간에 따른 제3 전기적 반응의 변화를 이용하여 타겟 물질의 증가 또는 감소 여부를 결정할 수 있다.
하지만, 앞서 기술한 바와 같이, 동작 전극(111)에 이물질 등이 흡착되어 효소가 타겟 물질을 반응시키지 않을 수도 있다. 이와 같은 경우에도 검출된 제3 전기적 반응은 감소할 수 있지만, 제3 전기적 반응은 타겟 물질의 농도 변화에 기인하지 않을 수도 있다.
도 23은 시간에 따른 제3 전기적 반응의 예를 도시한 도면이다. 도 23에 도시된 바와 같이, 제2 전기적 자극이 동작 전극(111)에 인가되지 않는 시간 동안(t1, t3)에는 제3 전기적 반응은 검출되지 않는다. 그리고, 제2 전기적 자극이 동작 전극(111)에 인가되는 시간 동안(t2, t4) 제3 전기적 반응(I1, I2)이 검출될 수 있다. 한편, 제4 시간 동안(t4)의 제3 전기적 반응(I2)이 제2 시간 동안(t2)의 제3 전기적 반응(I1)보다 작을 수 있다.
이와 같은 피검체(10)내 타겟 물질의 농도가 낮아진 경우도 있을 수 있지만, 이물질 등이 동작 전극(111)에 흡착되어 효소가 타겟 물질과 반응하지 않을 수도 있고, 효소 자체가 손상될 수도 있으며, 피검체 내부의 물질 함유율등이 변경될 수 있다. 그리하여, 바이오 센서는 제3 전기적 반응의 감소로부터 타겟 물질에 대한 정보를 획득하기 어려울 수 있다.
하지만, 일 실시예에 따른 하이브리드형 바이오 센서(600)는 바이오 임피던스를 산출함으로써 타겟 물질에 대한 정보를 보다 정확하게 산출할 수도 있다.
도 24a 및 도 24b는 시간에 따른 제1 및 제2 전기적 반응의 예를 도시한 도면이다. 도 24a에 도시된 바와 같이, 제2 전기적 자극이 동작 전극(111)에 인가되지 않는 시간 동안(t1, t3), 제1 바이오 임피던스(Z0)는 동일할 수 있다. 그리고, 제2 전기적 자극이 동작 전극(111)이 인가되는 시간 동안(t2, t4), 제2 바이오 임피던스가 증가하였다. 예를 들어, 제4 시간 동안(t4)의 제2 바이오 임피던스(Z2)가 제2 시간 동안(t2)의 제2 바이오 임피던스(Z1)보다 커졌다. 이와 같은 경우, 바이오 센서(100)는 효소가 활성화되지 않는 상태에서 바이오 임피던스는 동일한 반면, 효소가 활성화된 상태에서 제2 바이오 임피던스의 증가를 기초로 타겟 물질이 변동되었다고 결정할 수 있다.
또는, 도 24b에 도시된 바와 같이, 제2 전기적 자극이 동작 전극(111)에 인가되지 않는 제3 시간 동안(t3)에 산출된 제1 바이오 임피던스(Z02)가 제2 전기적 자극이 동작 전극(111)에 인가되지 않는 제1 시간 동안(t1)에 산출된 제1 바이오 임피던스(Z01)보다 커졌다. 반면, 제2 전기적 자극이 동작 전극(111)에 인가된 제4 시간 동안(t4)에 산출된 제2 바이오 임피던스(Z2)는 제2 전기적 자극이 동작 전극(111)에 인가된 제2 시간(t2)에 산출된 제2 바이오 임피던스(Z1)와 같다. 그리고, 제3 시간과 제4 시간 동안의 바이오 임피던스의 변화량(?2)은 제1 시간과 제2 시간 동안의 바이오 임피던스의 변화량(?1)보다 커졌다. 그러면, 바이오 센서는 바이오 임피던스의 변화(?1, ?2)를 기초로 피검체 내부 환경이 변경되거나, 전극에 이물질 등이 부착되거나, 전극이 손상되었다고 결정하고, 제2 바이오 임피던스가 변하지 않았다는 결과를 기초로 타겟 물질의 농도도 증가하였다고 결정할 수 있다.
물론, 타겟 물질의 정량 분석은 전극 상태에 대한 정보, 환경 정보 등의 데이터가 더 필요로 할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 바이오 임피던스를 이용하여 타겟 물질의 정보 획득은, 전류를 이용한 타겟 물질의 정보 획득보다, 전극 상태 및 피검체의 환경 변화 등이 더 반영될 수 있다.
다만 바이오 임피던스를 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 경우, 제1 전기적 자극과 제2 전기적 자극을 교번적으로 제공하여야 하고 임피던스를 산출하기 때문에 전류 측정보다 로드가 많이 걸릴 수도 있다.
따라서, 하이브리드형 바이오 임피던스는 전류를 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 결정하고, 검출된 제3 전기적 반응이 감소하는 등, 특별한 경우에 바이오 임피던스를 이용하여 타겟 물질에 대한 정보를 결정할 수 있다.
뿐만 아니라, 하이브리드형 바이오 센서(600)는 전류를 이용하여 타겟 물질에 대한 정보와 바이오 임피던스를 이용한 타겟 물질에 대한 정보를 조합하여 최종적으로 타겟 물질에 대한 정보를 결정할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드형 바이오 센서(600)는 전류를 이용한 타겟 물질에 대한 정보와 바이오 임피던스를 이용한 타겟 물질에 대한 정보의 평균값을 최종적인 타겟 물질에 대한 정보로 결정할 수 있다.
도 25는 도 22의 하이브리드형 바이오 센서(600)에 적용되는 전극 구조를 나타내는 평면도이다. 도 25에 도시된 바와 같이, 하이브리드형 바이오 센서(600)에 적용되는 전극 구조는 동작 전극(111)을 가운데 두고 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)이 이격 배치되며, 동작 전극(111)을 가운데 두고 기준 전극(112)과 상대 전극(113)이 이격 배치될 수 있다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122), 상대 전극 및 기준 전극(112)은 동작 전극(111)과 이격 배치되면서 동작 전극(111)을 둘러쌓을 수 있다. 이 때, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 제1 동작 전극(111), 상대 전극(113), 제2 동작 전극(111) 및 기준 전극(112) 순으로 배열될 수 있다.
도 25에서의 A-A를 자르는 단면은 도 2b에 도시된 바와 같으므로, 구체적인 설명은 생략한다. 동작 전극(111)은 하나 이상의 효소 전극(210)을 포함하고 있다. 효소 전극(210)이 복수 개인 경우, 효소 전극(210)들은 1차원 또는 2차원으로 배열될 수 있다. 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 중 적어도 하나는 하나 이상의 니들 전극(310)을 포함하거나 포함하지 않을 수도 있다. 또한, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)은 동작 전극(111)을 중심으로 대칭되게 배치될 수 있다.
한편, 기준 전극(112)과 상대 전극(113)도 동작 전극(111)을 사이에 두고 이격 배치될 수 있다. 기준 전극(112)의 폭은 동작 전극(111)과 같을 수도 있고, 다를 수도 있다. 상대 전극(113)은 전류를 검출하기 때문에상대 전극(113)의 단면은 동작 전극(111)보다 클 수 있다. 예를 들어, 상대 전극(113)은 동작 전극(111)과 대응되게 배치되면서 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 중 적어도 일부 영역과 대응되게 배치될 수 있다.
도면에는 도시되어 있지 않지만, 기준 전극(112), 상대 전극(113), 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122) 중 적어도 하나에 하나 이상의 니들 전극(310)이 더 배치될 수 있다. 니들 전극(310)의 크기는 동작 전극(111)의 효소 전극(210)의 크기와 대응될 수 있다. 그리고, 니들 전극(310)들은 동작 전극(111)을 기준으로 대칭될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 임피던스 전극(121, 122)에 니들 전극(310)이 배치되거나, 기준 전극(112)과 상대 전극(113)에 니들 전극(310)이 배치될 수 있다.
도 25에는 기준 전극(112)이 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 임피던스 전극(121) 및 제2 임피던스 전극(122) 중 어느 하나가 기준 전극(112)이 될 수도 있다. 이와 같은 경우, 별도의 기준 전극(112)이 구비되지 않아도 된다.
도 26a는 다른 실시예에 따른 도 22의 하이브리드형 바이오 센서(600)에 적용되는 전극 구조의 평면도이고, 도 26b는 도 26a의 전극 구조의 단면도이다. 도 26a 및 도 26b에 도시된 바와 같이, 제2 임피던스 전극(122)에 효소 전극(210)이 배치될 수 있다. 그리하여, 제2 임피던스 전극(122)과 효소 전극(210)이 동작 전극(111)이 될 수 있다. 상기와 같이, 효소 전극(210)이 제2 임피던스 전극(122)에 배치됨으로써 전극 구조가 간단해질 수 있다.
상대 전극(113)은 동작 전극(111)이 이격 배치될 수 있다. 상대 전극(113)은 동작 전극(111)과 대응되게 배치될 뿐만 아니라, 제1 임피던스 전극(121) 및 기준 전극(112)의 적어도 일부 영역과도 대응되게 배치될 수 있다. 그리하여, 상대 전극(113)의 단면 크기를 넓힘으로써 검출 강도를 높힐 수 있다. 제1 임피던스 전극(121)이 기준 전극(112)이 되는 경우, 기준 전극(112)은 별도로 구비되지 않아도 된다.
도 27a은 또 다른 실시예에 따른 도 22의 하이브리드형 바이오 센서(600)에 적용되는 전극 구조의 평면도이고, 도 27b는 도 27a의 전극 구조의 단면도이다.
도 27a 및 도 27b에 도시된 바와 같이, 제2 임피던스 전극(122)에 효소 전극(210)이 배치될 수 있다. 그리하여, 제2 임피던스 전극(122)과 효소 전극(210)이 제1 동작 전극(111a)이 될 수 있다. 그리하여, 하이브리드형 바이오 센서(600)는 제1 임피던스 전극(121)과 제1 동작 전극(111a)을 이용하여 바이오 임피던스를 산출할 수 있다.
또한, 하이브리드형 바이오 센서(600)는 제2 동작 전극(111b) 및 상대 전극(113)을 더 포함할 수 있다. 제2 동작 전극(111b)은 지지 전극(220) 및 효소 전극(210)을 포함하고 있다. 제1 동작 전극(111a)은 바이오 임피던스를 산출하기 위해 이용되는 반면 제2 동작 전극(111b)은 전류를 산출하기 위해 이용될 수 있다. 제2 동작 전극(111b)은 상대 전극(113)에 의해 의해 둘러싸일 수 있다. 기준 전극이 별도로 구비될 수도 있지만, 상대 전극(113)가 기준 전극이 될 수도 있다.
상기와 같이 동작 전극부(110)가 제1 및 제2 동작 전극(111a, 111b)으로 분리됨으로써 동작 전극을 공유함으로써 발생할 수 있는 신호 간섭을 줄일 수 있다.
하이브리드형 바이오 센서(600)에도 도 15 내지 도 17에 도시된 바와 같이, 다른 영역의 바이오 임피던스를 산출하기 위한 임피던스 전극(예를 들어, 제3 임피던스 내지 제8 임피던스 등)을 더 포함할 수 있다. 임피던스 전극간의 간격은 바이오 임피던스를 산출하고자 하는 영역 및 깊이에 따라 달라질 수 있다.
지금까지 바이오 임피던스를 측정하기 위해 효소를 이용한다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 효소 이외에 항체를 이용할 수도 있다. 항체도 검출하고자 하는 타겟 물질의 종류에 따라 다를 수 있다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다. 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100, 600: 바이오 센서
110: 동작 전극부 111: 동작 전극
112: 기준 전극 120: 임피던스 전극부
121: 제1 임피던스 전극 122: 제2 임피던스 전극
132: 제1 자극부 134: 제2 자극부
142: 제1 검출부 144: 제2 검출부
150: 산출부 160: 제어부
210: 효소 전극 220: 지지 전극
310: 니들 전극 320: 시약층
110: 동작 전극부 111: 동작 전극
112: 기준 전극 120: 임피던스 전극부
121: 제1 임피던스 전극 122: 제2 임피던스 전극
132: 제1 자극부 134: 제2 자극부
142: 제1 검출부 144: 제2 검출부
150: 산출부 160: 제어부
210: 효소 전극 220: 지지 전극
310: 니들 전극 320: 시약층
Claims (40)
- 피검체 내부로 침습가능하고, 상기 피검체내에서, 상기 피검체에 인가된 제1 전기적 자극에 대응하는 제1 전기적 반응을 제2 전기적 반응으로 변환시키는 효소를 포함한 동작 전극; 및
상기 피검체에 접촉 가능하고, 상기 피검체로부터 상기 제1 전기적 반응 및 상기 제2 전기적 반응을 수신하며, 상호 이격 배치되는 제1 및 제2 임피던스 전극;을 포함하는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 1항에 있어서,
상기 동작 전극은,
상기 피검체의 내부로 침습 가능하도록 일단이 뾰족한 니들 형상이고, 표면 중 적어도 일부 영역에 효소가 배치된 하나 이상의 효소 전극;을 포함하는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 2항에 있어서,
상기 효소 전극의 최대 폭은 40㎛ 내지 60㎛이내인 바이오 센서용 전극 구조. - 제 2항에 있어서,
상기 효소 전극의 길이는 70㎛ 내지 1400㎛인 바이오 센서용 전극 구조. - 제 2항에 있어서,
상기 효소 전극의 표면을 덮고, 생분해성 물질을 포함하는 보호층;을 더 포함하는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 2항에 있어서,
상기 동작 전극은 상기 제1 및 제2 임피던스 전극과 이격 배치되고, 상기 제1 및 제2 임피던스 전극 사이에 배치되는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 2항에 있어서,
상기 동작 전극은,
판 형상이며, 상기 효소 전극의 타단과 접하는 지지 전극;을 더 포함하는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 7항에 있어서,
상기 제1 및 제2 임피던스 전극은 절연 물질을 통해 상기 지지 전극과 연결된 바이오 센서용 전극 구조. - 제 2항에 있어서,
상기 효소 전극의 타단은 상기 제1 및 제2 임피던스 전극 중 적어도 하나와 접하는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 임피던스 전극 중 적어도 하나는,
폭이 길이보다 큰 판 형상인 바이오 센서용 전극 구조. - 제 1항에 있어서,
상기 피검체의 내부로 침투가능하도록 일단이 뾰족한 니들 형상이고, 타단은 상기 제1 및 제2 임피던스 전극 중 적어도 하나와 접하는 니들 전극;을 더 포함하는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 임피던스 전극을 통해 상기 제1 전기적 자극이 상기 피검체에 제공되는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 12항에 있어서,
상기 제1 전기적 자극은
교류 전압 또는 교류 전류를 포함하는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 1항에 있어서,
상기 동작 전극을 통해 상기 효소를 활성화시키는 제2 전기적 자극이 제공되는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 14항에 있어서,
상기 제2 전기적 자극은
직류 전압 또는 직류 전류를 포함하는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 1항에 있어서,
상기 피검체에 접촉 가능하고, 상기 제2 임피던스 전극과 이격 배치되는 제3 임피던스 전극;을 더 포함하는 바이오 센서용 전극 구조. - 제 16항에 있어서,
제1 임피던스 전극과 상기 제2 임피던스 전극간의 간격은 상기 제2 임피던스 전극과 상기 제3 임피던스 전극간의 간격과 서로 다른 바이오 센서용 전극 구조. - 피검체 내부로 침습가능하고, 타겟 물질을 반응시키기 위한 효소를 포함한 동작 전극;
상기 피검체에 접촉 가능하고, 상호 이격 배치되는 복수 개의 임피던스 전극을 포함하는 임피던스 전극부; 및
상기 임피던스 전극부를 통해 상기 피검체에 제1 전기적 자극을 제공하는 제1 자극부;
상기 동작 전극을 통해 상기 효소를 활성화시키기 위한 제2 전기적 자극을 제공하는 제2 자극부; 및
상기 임피던스 전극부를 통해 상기 피검체로부터 상기 제1 전기적 자극 및 상기 제2 전기적 자극 중 적어도 하나에 대응하는 전기적 반응을 검출하는 제1 검출부;를 포함하는 바이오 센서. - 제 18항에 있어서,
상기 임피던스 전극부는,
상호 이격 배치되며, 상기 전기적 반응을 상기 제1 검출부로 인가하는 제1 및 제2 임피던스 전극;을 포함하는 바이오 센서. - 제 19항에 있어서,
상기 제1 및 제2 임피던스 전극은,
상기 제1 자극부로부터 상기 제1 전기적 자극을 상기 피검체에 전달하는 바이오 센서. - 제 19항에 있어서,
상기 임피던스 전극부는,
상호 이격 배치되며, 상기 제1 자극부로부터 상기 제1 전기적 자극을 상기 피검체에 전달하는 제3 및 제4 임피던스 전극;을 더 포함하는 바이오 센서. - 제 18항에 있어서,
상기 제1 전기적 자극은,
교류 전류 및 교류 전압 중 적어도 하나를 포함하는 바이오 센서. - 제 18항에 있어서,
상기 제2 전기적 자극은,
직류 전류 및 직류 전압 중 적어도 하나를 포함하는 바이오 센서. - 제 18항에 있어서,
상기 제1 전기적 자극 및 상기 전기적 반응을 이용하여 상기 피검체의 바이오 임피던스를 산출하는 산출부;를 더 포함하는 바이오 센서. - 제 24항에 있어서,
상기 전기적 반응은
상기 제1 전기적 자극에 대응하는 제1 전기적 반응과
상기 제1 전기적 자극과 상기 제2 전기적 자극에 대응하는 제2 전기적 반응을 포함하는 바이오 센서. - 제 25항에 있어서,
상기 산출부는,
상기 제1 전기적 자극과 상기 제1 전기적 반응을 이용하여 제1 바이오 임피던스를 산출하고,
상기 제1 전기적 자극과 상기 제2 전기적 반응을 이용하여 제2 바이오 임피던스를 산출하는 바이오 센서. - 제 26항에 있어서,
상기 제1 바이오 임피던스와 상기 제2 바이오 임피던스 중 적어도 하나를 이용하여 피검체내 타겟 물질에 대한 정보를 획득하는 제어부;를 더 포함하는 바이오 센서. - 제 27항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 바이오 임피던스와 상기 제2 바이오 임피던스의 변화량을 이용하여 상기 타겟 물질의 존재 여부를 결정하는 바이오 센서. - 제 27항에 있어서,
상기 제어부는
상기 변화량의 시간에 따른 변화를 이용하여 상기 타겟 물질의 변동 여부를 결정하는 바이오 센서. - 제 18항에 있어서,
상기 효소는,
상기 제2 전기적 자극에 응답하여 상기 타겟 물질을 반응시키는 바이오 센서. - 제 18항에 있어서,
상기 제2 전기적 자극에 대응하는 제3 전기적 반응을 검출하는 제2 검출부;를 더 포함하는 바이오 센서. - 피검체 내부로 침습가능하고, 타겟 물질을 반응시키기 위한 효소를 포함한 동작 전극과 상기 피검체에 접촉 가능하고, 상호 이격 배치되는 복수 개의 임피던스 전극을 포함하는 바이오 센서의 동작 방법에 있어서,
상기 복수 개의 임피던스 전극을 통해 제1 전기적 자극을 상기 피검체에 제공하는 단계;
상기 복수 개의 임피던스 전극을 통해 상기 피검체로부터 상기 제1 전기적 자극에 대응하는 제1 전기적 반응을 검출하는 단계;
상기 동작 전극에 통해 상기 효소에 제2 전기적 자극을 제공하는 단계; 및
상기 복수 개의 임피던스 전극을 통해 상기 피검체로부터 상기 제1 전기적 자극과 상기 제2 전기적 자극에 대응하는 제2 전기적 반응을 검출하는 단계;를 포함하는 바이오 센서의 동작 방법. - 제 32항에 있어서,
상기 제2 전기적 자극을 제공하는 단계는,
상기 제2 전기적 자극에 응답하여 상기 효소가 상기 타겟 물질을 반응시키는 단계;를 포함하는 바이오 센서의 동작 방법. - 제 32항에 있어서,
상기 제1 전기적 자극, 상기 제1 전기적 반응 및 상기 제2 전기적 반응 중 적어도 두 개를 이용하여 바이오 임피던스를 산출하는 단계;를 더 포함하는 바이오 센서의 동작 방법. - 제 34항에 있어서,
상기 바이오 임피던스를 산출하는 단계는,
상기 제1 전기적 자극과 상기 제1 전기적 반응을 이용하여 제1 바이오 임피던스를 산출하는 단계; 및
상기 제1 전기적 자극과 상기 제2 전기적 반응을 이용하여 제2 바이오 임피던스를 산출하는 단계;를 포함하는 바이오 센서의 동작 방법. - 제 35항에 있어서,
상기 제1 바이오 임피던스와 상기 제2 바이오 임피던스의 변화량을 이용하여 상기 타겟 물질에 대한 정보를 결정하는 단계;를 더 포함하는 바이오 센서의 동작 방법. - 제 36항에 있어서,
상기 타겟 물질에 대한 정보는,
상기 피검체에 상기 타겟 물질의 존재 여부, 상기 타겟 물질의 변동 여부 중 적어도 하나를 포함하는 바이오 센서의 동작 방법. - 제 32항에 있어서,
상기 제2 전기적 자극에 대응하는 제3 전기적 반응을 검출하는 단계;를 더 포함하는 바이오 센서의 동작 방법. - 제 32항에 있어서,
상기 제1 전기적 자극은 교류 전압 및 교류 전류 중 적어도 하나를 포함하는 바이오 센서의 동작 방법. - 제 32항에 있어서,
상기 제2 전기적 자극은 직류 전압 및 직류 전류 중 적어도 하나를 포함하는 바이오 센서의 동작 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20151002 |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| A201 | Request for examination | ||
| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20200923 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20151002 Comment text: Patent Application |
|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20220530 Patent event code: PE09021S01D |
|
| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20221220 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20220530 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |