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KR20220098525A - 바이오센서 - Google Patents

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Publication number
KR20220098525A
KR20220098525A KR1020210000322A KR20210000322A KR20220098525A KR 20220098525 A KR20220098525 A KR 20220098525A KR 1020210000322 A KR1020210000322 A KR 1020210000322A KR 20210000322 A KR20210000322 A KR 20210000322A KR 20220098525 A KR20220098525 A KR 20220098525A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
biosensor
layer
working electrode
buffer
group
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
KR1020210000322A
Other languages
English (en)
Inventor
마동희
이동엽
Original Assignee
동우 화인켐 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 동우 화인켐 주식회사 filed Critical 동우 화인켐 주식회사
Priority to KR1020210000322A priority Critical patent/KR20220098525A/ko
Publication of KR20220098525A publication Critical patent/KR20220098525A/ko
Pending legal-status Critical Current

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    • C12Q1/005—Enzyme electrodes involving specific analytes or enzymes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

본 발명은, 기판 및 상기 기판 상에 형성되는 작업전극과 기준전극을 포함하며, 상기 작업전극은 기판 상에 형성되는 작업전극층 및 상기 작업전극층 상에 형성되는 효소반응층을 포함하며, 상기 효소반응층은 글루코오스 산화 효소(glucose oxidase), 글루코오스 탈수소 효소(glucose dehydrogenase), 락테이트 산화 효소(lactate oxidase) 및 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydrogenase)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 효소; 미디에이터; 및 pH 완충액을 포함하며, 상기 pH 완충액은 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)을 포함하는, 바이오센서에 관한 것이다.

Description

바이오센서{BIOSENSOR}
본 발명은, 바이오센서에 관한 것이다.
바이오센서란, 분석하고자 하는 대상 물질(analyte)을 선택 특이성이 있는 생체 수용체(bio-receptor)와 반응시키고, 그 반응의 정도를 신호 변환기(signal transducer)로 측정하여, 대상 물질(analyte)의 존재나 양을 확인할 수 있는 장치나 소자를 통칭한다.
바이오센서는 그 변환방법에 따라, 전기화학센서, 열감지센서, 광학센서 등으로 구분되며, 최근에는, 분석하고자 하는 대상 물질의 종류에 따라, 글루코오스 센서, 세포 센서, 면역 바이오센서, DNA 칩 등으로 다양하게 명명된다.
이러한 바이오센서는 일반적으로 효소, 항체 또는 세포 등과 같은 생화학물질을 포함하게 되는데, 이는 온도, 습도 및 pH 등의 외부 요인에 큰 영향을 받는다.
특히, 측정 시료의 pH는, 어느 정도 환경 제어가 가능한 온도 내지 습도와 달리 피험자에 따라 개인차가 발생하는 것으로 그 제어가 불가능하여, 바이오센서의 성능에 큰 영향을 미치게 된다.
예를 들어, 인체로부터 발생하는 땀, 타액 등과 같이 pH가 약 4 내지 8 정도인 시료를 측정 시료로 사용하는 바이오센서의 경우 산성도에 따른 측정 편차가 크게 발생하게 되어 정확한 측정이 어려운 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 종래 바이오센서는 센서 내부에 별도의 pH 센서를 도입하거나, 센서 측정 전 산-염기 지시약 또는 pH 시험지를 이용하여 별도의 pH를 측정하는 단계를 수행하고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0002231호 또한, 글루코오스 센서와 인접하게 배치되는 pH 센서를 더 포함하는 바이오 센싱 장치를 제공한다.
그러나, 상기 공개특허 제10-2018-0002231호를 포함한 종래 바이오센서에 따르면, 센서의 소형화가 어렵고 측정 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
이러한 요구에 따라 종래 일부 바이오센서는 인산완충식염수(Phosphate-Buffered Saline; PBS) 등을 pH 완충액으로 사용하였으나, 이러한 종래의 pH 완충액은 바이오센서에 포함된 효소 활성도 저하를 수반함으로써 센서의 감도 저하가 발생하는 문제가 있다.
따라서, 별도의 pH 측정 장치 내지 측정 단계를 포함하지 않으면서도, 센서의 감도 저하를 방지함과 동시에 넓은 범위의 대상 물질(analyte)의 농도에 대하여 pH에 따른 영향성이 저감된 바이오센서의 개발이 필요하다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0002231호
본 발명은, 별도의 pH 측정 장치 내지 측정 단계를 포함하지 않으면서도, 시료의 pH에 따른 측정 편차를 최소화함으로써, 정확성과 정밀성이 향상된 바이오센서를 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 효소 활성도 저하를 방지함으로써, 감도가 향상된 바이오센서를 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
본 발명은, 기판 및 상기 기판 상에 형성되는 작업전극과 기준전극을 포함하며, 상기 작업전극은 기판 상에 형성되는 작업전극층 및 상기 작업전극층 상에 형성되는 효소반응층을 포함하며, 상기 효소반응층은 글루코오스 산화 효소(glucose oxidase), 글루코오스 탈수소 효소(glucose dehydrogenase), 락테이트 산화 효소(lactate oxidase) 및 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydrogenase)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 효소; 미디에이터; 및 pH 완충액을 포함하며, 상기 pH 완충액은 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)을 포함하는, 바이오센서에 관한 것이다.
본 발명은, 그 제1 관점에 있어서, 상기 pH 완충액의 pH가 6.5 내지 8인 것일 수 있다.
본 발명은, 그 제2 관점에 있어서, 상기 pH 완충액에 포함되는 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)의 농도가 50mM 이상 500mM 미만인 것일 수 있다.
본 발명은, 그 제3 관점에 있어서, 상기 미디에이터는 페리시안화칼륨, 시토크롬C, 피로로퀴놀린퀴논(PQQ), NAD+, NADP+, 동착체, 루테늄 화합물, 페나진메토설페이트 및 그 유도체, 포타슘 페리시아나이드(Potassium ferricyanide, K3[Fe(CN)6]), 포타슘 페로시아나이드(Potassium ferrocyanide, K4[Fe(CN)6]), 염화헥사아민루테늄(Ⅲ)(hexaamineruthenium(Ⅲ) chloride), 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체 및 하이드로퀴논(hydroquinone)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은, 그 제4 관점에 있어서, 상기 작업전극층은 탄소전극층 및 금속전극층으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은, 그 제5 관점에 있어서, 상기 금속전극층은 금속층 및 금속보호층으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은, 그 제6 관점에 있어서, 상기 효소반응층 상에 형성되는 고분자막층을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은, 그 제7 관점에 있어서, 상기 고분자막층은 수용성 고분자 및 비수용성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은, 그 제8 관점에 있어서, 상기 수용성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(hydroxyethyl cellulose; HEC), 하이드록시프로필 셀룰로오즈(hydroxypropyl cellulose; HPC), 카르복시메틸 셀룰로오즈(carboxy methyl cellulose; CMC), 셀룰로오즈 아세테이트(cellulose acetate; CA) 및 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone; PVP)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하며, 상기 비수용성 고분자는 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC) 및 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride; PVC)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서는, 효소반응층에 특정한 pH 완충액을 포함하여, 별도의 pH 측정 장치 내지 측정 단계를 포함하지 않으면서도, 시료의 pH에 따른 측정 편차를 최소화함으로써, 센서의 검출 정확성과 정밀성을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서는, 특정한 pH 완충액을 사용하여 효소 활성도 저하를 방지함으로써, 센서의 감도를 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서는, 특정한 pH 완충액의 pH 내지 농도를 조절함으로써, 센서의 감도를 더욱 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서는, 별도의 pH 측정 장치 내지 pH 측정 단계를 포함하지 않아 센서의 제작 공정과 측정 방법을 간소화함으로써, 웨어러블(Wearable) 센서 등의 소형화 센서 제작을 가능하게 하면서도 측정 소요 시간을 단축시키는 것이 가능하다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서를 나타낸 사시도이다.
도 2는, 도 1의 A-A'선을 따라 절단한 면을 나타낸 단면도이다.
도 3은, 도 1의 B-B'선을 따라 절단한 면을 나타낸 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 실험예 1에 따른 평가 결과를 나타낸 도이다.
도 5는, 본 발명의 실험예 2에 따른 평가 결과를 나타낸 도이다.
도 6은, 본 발명의 실험예 3에 따른 평가 결과를 나타낸 도이다.
본 발명은, 효소반응층에 특정한 pH 완충액을 포함함으로써, 별도의 pH 측정 장치 내지 측정 단계를 포함하지 않으면서도, 시료의 pH에 따른 영향성을 저감 시켜, 센서의 검출 정확성 및 정밀성을 향상시키기 위한 바이오센서에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명은, 기판 및 상기 기판 상에 형성되는 작업전극과 기준전극을 포함하며, 상기 작업전극은 기판 상에 형성되는 작업전극층 및 상기 작업전극층 상에 형성되는 효소반응층을 포함하며, 상기 효소반응층에 포함되는 pH 완충액은 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)을 포함하는, 바이오센서에 관한 것이다.
본 발명의 바이오센서에 있어서, 검출 대상 시료는, 혈액, 체액(침, 땀, 눈물 등), 뇨 등의 생체 시료일 수 있으며, 그 외의 액체 시료일 수 있으나, 시료의 다양한 pH에 대한 영향성을 저감 시키기 위한 측면에서, 체액(침, 땀, 눈물 등)이 바람직하다.
상기 검출 대상 시료의 pH는 특별히 한정되는 것은 아니나, 일 실시 예에 있어서 일반적인 생리학적 pH 범위인 5 내지 8일 수 있다.
이하, 도면을 참고하여, 본 발명의 실시 예들을 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않은 한 복수형도 포함한다.
명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래", "하(면)", "위", "상(면)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용 시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래" 또는 "하(면)"으로 기술된 소자는 다른 소자의 "위" 또는 "상(면)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "하(면)" 등은 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
<바이오센서>
본 발명의 바이오센서는, 시료의 pH에 따른 영향성을 저감 시키면서 효소 활성도 저하를 방지하기 위하여, 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)를 포함하는 pH 완충액을 사용함으로써, 시료에 따른 측정 편차를 최소화하며 센서의 감도를 향상시키기 위한 것일 수 있다.
구체적으로, 기판 및 상기 기판 상에 형성되는 작업전극과 기준전극을 포함하며, 상기 작업전극은 기판 상에 형성되는 작업전극층 및 상기 작업전극층 상에 형성되는 효소반응층을 포함하며, 상기 효소반응층은 글루코오스 산화 효소(glucose oxidase), 글루코오스 탈수소 효소(glucose dehydrogenase), 락테이트 산화 효소(lactate oxidase) 및 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydrogenase)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 효소; 미디에이터; 및 pH 완충액을 포함하며, 상기 pH 완충액은 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)을 포함하는 것일 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서를 나타낸 사시도이며, 도 2는, 도 1의 A-A'선을 따라 절단한 면을 나타낸 단면도이며, 도 3은, 도 1의 B-B'선을 따라 절단한 면을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서는, 기판(100), 작업전극(200), 기준전극(300), 배선부(400) 및 절연막(500)을 포함하며, 상기 작업전극(200)은, 작업전극층(210), 효소반응층(220) 및 고분자막층(230)을 포함하는 것일 수 있다.
기판(100)은, 바이오센서를 구성하는 구성요소들의 구조적인 기지(base)를 제공하는 역할을 수행한다.
기판(100)은, 유리 등과 같은 경성 재질을 갖거나, 플렉서블 특성을 갖는 필름 형태로 구현되는 것일 수 있고, 종래 또는 이후에 개발되는 것을 사용할 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 상기 기판(100)은, 실리콘, 유리, 유리에폭시, 세라믹, 폴리에틸렌나프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지; 디아세틸셀룰로오스, 트리아세틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스계 수지; 폴리카보네이트계 수지; 폴리메틸(메타)아크릴레이트, 폴리에틸(메타)아크릴레이트 등의 아크릴계 수지; 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체 등의 스티렌계 수지; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 시클로계 또는 노보넨 구조를 갖는 폴리올레핀, 에틸렌-프로필렌 공중합체 등의 폴리올레핀계 수지; 염화비닐계 수지; 나일론, 방향족 폴리아미드 등의 아미드계 수지; 이미드계 수지; 폴리에테르술폰계 수지; 술폰계 수지; 폴리에테르에테르케톤계 수지; 황화 폴리페닐렌계 수지; 비닐알코올계 수지; 염화비닐리덴계 수지; 비닐부티랄계 수지; 알릴레이트계 수지; 폴리옥시메틸렌계 수지; 에폭시계 수지 등과 같은 열가소성 수지로 구성된 필름일 수 있으며, 상기 열가소성 수지의 블렌드물로 구성된 필름도 사용할 수 있다. 또한, (메타)아크릴계, 우레탄계, 아크릴우레탄계, 에폭시계, 실리콘계 등의 열경화성 수지 또는 자외선 경화형 수지로 된 필름을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(100)의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니나, 일반적으로는 강도나 취급성 등의 작업성, 박층성 등을 고려하여, 1 내지 500㎛일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 300㎛일 수 있고, 더욱 바람직하게는 5 내지 200㎛일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 기판(100)은, 적절한 1종 이상의 첨가제가 함유된 것일 수 있으며, 첨가제는, 예를 들어, 자외선흡수제, 산화방지제, 윤활제, 가소제, 이형제, 착색방지제, 난연제, 핵제, 대전방지제, 안료, 착색제 등을 들 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 기판(100)은, 기판의 일면 또는 양면에 하드코팅층, 반사방지층, 가스배리어층과 같은 다양한 기능성층을 포함하는 구조일 수 있으며, 기능성층은 전술한 것으로 한정되는 것은 아니며, 용도에 따라 다양한 기능성층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 기판(100)은, 필요에 따라 표면 처리된 것일 수 있으며, 상기 표면 처리는, 예를 들어, 플라즈마(plasma) 처리, 코로나(corona) 처리, 프라이머(primer) 처리 등의 건식 처리, 검화 처리를 포함하는 알칼리 처리 등의 화학 처리 등을 들 수 있다.
작업전극(200) 및 기준전극(300)은, 기판(100) 상에 형성될 수 있다.
상기 작업전극(200)은, 시료에 포함되는 분석물의 반응에 의해 발생되는 전기적 신호를 감지하는 역할을 수행하기 위하여 구비되는 것일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 작업전극(200)은 작업전극층(210) 및 효소반응층(220)을 포함하며, 상기 효소반응층(220) 상에 형성되는 고분자막층(230)을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 작업전극층(210)은 기판(100) 상에 배치되는 것일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 작업전극층(210)은 기판(100)의 상면에 접촉하여 배치되는 것일 수 있다. 작업전극층(210)은 감지 대상 물질의 산화-환원 반응 등에서 발생된 전자 또는 정공이 전달되는 통로로 제공될 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 상기 작업전극층(210)은 탄소전극층 및 금속전극층으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 상기 탄소전극층은 카본 페이스트(carbon paste), 파이로리틱그래파이트(pyrolytic graphite), 글래시카본(glassy carbon), 퍼플루오로카본(PFC) 및 카본나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 탄소전극층은 효소반응층(220)에서 발생한 전자 및/또는 정공을 안정적으로 수송할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 작업전극층(210)은 카본 페이스트(carbon paste) 단일층으로 형성될 수 있다. 상기 카본 페이스트(carbon paste) 단일층이 전극으로 제공됨으로써, 금속 전극이 생략될 수 있다. 따라서, 바이오센서의 박막화가 가능하다.
일 실시 예에 있어서, 상기 금속전극층은 금속층 및 상기 금속층 상면에 배치된 금속보호층을 포함하는 것일 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 상기 금속층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 코발트(Co) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들면, APC 합금(Ag-Pd-Cu alloy)이 사용될 수 있다.
상기 금속보호층은, 전기 전도성을 가지면서 금속층의 상면을 전체적으로 덮는 것일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 금속보호층은 상기 금속층의 상면에 접촉하여 배치되는 것일 수 있다. 상기 금속보호층은 작업전극(200)의 산화-환원 반응으로 인해 금속층이 산화-환원 되는 것을 방지하기 위한 것일 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 상기 금속보호층은 ITO(Indium Tin Oxide) 및 IZO(Indium Zinc Oxide)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 ITO 및 IZO는 전기 전도성을 가지면서도 화학적으로 안정하여 상기 금속층의 산화-환원 반응을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 상기 금속보호층은 금속층이 대기와 직접 접촉하는 것을 방지하여 상기 금속층을 구성하는 금속 성분의 산화를 방지할 수 있다. 따라서, 상기 금속층에 의해 감지되는 전기적 신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 금속전극층은 기판 및 탄소전극층 사이에 구비되는 것일 수 있다.
상기 효소반응층(220)은 작업전극층(210) 상에 배치되는 것일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 효소반응층(220)은 작업전극층(210)의 상면에 접촉하여 배치되는 것일 수 있다.
효소반응층(220)은 시료에 포함된 대상 물질(analyte)의 화학반응이 일어나는 층으로 제공될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 효소반응층(220)은 효소, 미디에이터 및 pH 완충액을 포함하는 것일 수 있다.
상기 효소는 시료에 포함된 대상 물질(analyte)과 결합하여 효소-기질 복합체를 형성하여 화학반응의 활성화 에너지를 조절함으로써 물질 대사의 속도를 증가 혹은 감소시키기 위한 것일 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 상기 효소는 산화 효소 및 탈수소 효소로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 글루코오스 산화 효소(glucose oxidase), 글루코오스 탈수소 효소(glucose dehydrogenase), 락테이트 산화 효소(lactate oxidase) 및 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydrogenase)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 락테이트 산화 효소(lactate oxidase) 및 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydrogenase)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 예시적인 산화 효소 또는 탈수소 효소에 따라 측정할 수 있는 검출 대상 물질(analyte)은, 글루코오스(glucose) 및 락테이트(lactate) 중 하나 이상일 수 있으며, 이들의 농도를 측정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 산화 효소 또는 탈수소 효소는 바인더를 통해 고정될 수 있다. 상기 바인더는 본 발명이 속한 기술분야에서 통상적으로 사용되는 바인더를 포함하며, 일 실시 예에 있어서, 나피온(nafion) 이의 유도체 또는 키토산 등이 있을 수 있다.
상기 미디에이터는 페리시안화칼륨, 시토크롬C, 피로로퀴놀린퀴논(PQQ), NAD+, NADP+, 동착체, 루테늄 화합물, 페나진메토설페이트 및 그 유도체, 포타슘 페리시아나이드(Potassium ferricyanide, K3[Fe(CN)6]), 포타슘 페로시아나이드(Potassium ferrocyanide, K4[Fe(CN)6]), 염화헥사아민루테늄(Ⅲ)(hexaamineruthenium(Ⅲ) chloride), 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체 및 하이드로퀴논(hydroquinone) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 루테늄 화합물, 및 페나진메토설페이트 및 그 유도체일 수 있다.
상기 루테늄 화합물로서는 종래 또는 이후 사용되는 루테늄 화합물을 사용할 수 있으며, 루테늄 화합물은 산화형의 루테늄 착체로서 상기 반응계에 존재할 수 있는 것인 것이 바람직하다. 상기 루테늄 착체로서는 미디에이터(전자전달체)로서 기능하면 그 배위자의 종류는 특별히 한정되지 않는다.
상기 페나진메토설페이트 및 그 유도체는 종래 또는 이후 사용되는 화합물을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 페나진메토설페이트 및 1-메톡시-5-메틸페나지늄메틸설페이트(1-메톡시PMS) 등이 있을 수 있다.
상기 pH 완충액은 검출 대상 물질(analyte)을 포함하는 시료의 pH에 따른 영향성을 저감 시킴으로써 다양한 pH 범위를 갖는 시료에 대해서도 일정한 검출 결과를 나타낼 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
상기 pH 완충액은 시료의 pH에 따른 영향성 저감 및 효소 활성도 저하 방지의 측면에서 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)을 포함하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 종래 바이오센서는 생체 내 이온 농도 및 삼투압의 측면에서, pH 완충액으로 인산완충식염수(Phosphate-Buffered Saline; PBS)를 주로 사용하였다.
그러나 PBS 완충액은, 포스페이트(Phosphate; PO4 3-) 이외에도 염화 소듐(NaCl), 염화 포타슘(KCl) 등의 염을 포함하며, 이러한 이온들이 효소의 활성도에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 글루코오스 산화효소(glucose oxidase)의 경우, PBS 완충액에 포함된 염소 이온(Cl-) 등의 할라이드(halide) 이온이 산화 효소의 양성자 형태와 결합하여 방해 인자로 작용하므로, 효소의 활성도를 저하시킬 수 있으며, 특히 본 발명의 바람직한 실시예로 포함된 락테이트 산화 효소(lactate oxidase)의 경우 또한, PBS 완충액에 포함된 염소 이온(Cl-) 및 포스페이트(Phosphate; PO4 3-)가 방해 인자로 작용하여 효소의 활성도를 저하시키게 된다.
따라서, 바이오센서의 시료에 대한 pH 영향성을 저감시키기 위하여 고농도의 PBS 완충액을 사용할 경우 바이오센서의 감도 저하가 수반되는 문제가 있다.
이에, 본 발명은 상술한 종래 바이오센서에 포함되는 pH 완충액, 특히 PBS 완충액의 기술적 과제를 해결하기 위하여 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)을 포함하는 바이오센서를 제공한다.
구체적으로, 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)은, 쯔비터 이온(Zwitter ion)으로 구성되어 있어, 종래 효소 활성도의 저하를 야기시키는 포스페이트(Phosphate; PO4 3-), 염소 이온(Cl-) 등을 포함하지 않아 효소 활성도 저하를 방지함으로써 바이오센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
상기 pH 완충액의 pH는, 다양한 pH 범위를 나타내는 시료에 대해서도 일정한 검출 결과를 나타낼 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 일 실시 예에 있어서, 상기 pH 완충액의 pH는, 6.5 내지 8일 수 있으며, 바람직하게는 6.5 내지 7.5일 수 있고, 더욱 바람직하게는 6.5 내지 7일 수 있다. pH 완충액의 pH가 상기 범위를 만족하는 경우, 다양한 pH 범위를 나타내는 시료에 대한 측정 편차를 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 바이오센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
상기 pH 완충액에 포함되는 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)의 농도는, 다양한 pH 범위를 나타내는 시료에 대해서도 일정한 검출 결과를 나타낼 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 일 실시 예에 있어서, 상기 pH 완충액의 농도는, 50mM 이상 500mM 미만일 수 있다. pH 완충액의 농도가 상기 범위를 만족하는 경우, 다양한 pH 범위를 나타내는 시료에 대한 측정 편차를 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 바이오센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 효소반응층(220)은, 상술한 구성 성분들을 혼합하기 위한 용매로 탈이온수(DI water) 등을 더 포함할 수 있다.
상기 효소반응층(220)에 의한 검출 원리를 예를 들어 설명하면, 검출 대상 물질(analyte)을 포함하는 시료를 바이오센서에 주입하면, 시료에 포함되어 있는 검출 대상 물질(analyte), 예컨대 기질(substrate)이 산화 효소 또는 탈수소 효소에 의해 산화되고, 산화 효소 또는 탈수소 효소는 환원된다. 이때, 전자전달매개체(미디에이터)는 촉매 반응을 일으킴으로써 상기 효소의 반응을 빠르게 유도하게 되며, 산화 효소 또는 탈수소 효소를 산화시키고, 자신은 환원된다. 환원된 전자전달매개체(미디에이터)는 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 잃고 전기화학적으로 다시 산화된다. 시료 내 대상 물질(analyte)의 농도는 전자전달매개체(미디에이터)가 산화되는 과정에서 발생되는 전류량 내지 전류밀도 등에 비례하므로, 이 전류량 내지 전류밀도 등을 측정함으로써 대상 물질(analyte)의 농도를 측정할 수 있다.
상기 고분자막층(230)은, 효소반응층(220) 상에 배치되는 것일 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 고분자막층(230)은 효소반응층(220)의 상면에 접촉하여 배치되는 것일 수 있다. 고분자막층(230)은 효소의 산화를 방지하고, 외부 물질로부터 효소를 보호함으로써 효소의 안정성을 높여, 바이오센서의 검출 성능을 향상시키기 위한 층으로 제공될 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 상기 고분자막층(230)은 수용성 고분자 및 비수용성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 상기 수용성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(hydroxyethyl cellulose; HEC), 하이드록시프로필 셀룰로오즈(hydroxypropyl cellulose; HPC), 카르복시메틸 셀룰로오즈(carboxy methyl cellulose; CMC), 셀룰로오즈 아세테이트(cellulose acetate; CA) 및 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone; PVP)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 상기 비수용성 고분자는 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC) 및 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride; PVC)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 기준전극(300)은, 전위가 일정하며 작업전극(200)의 발생 전위를 얻기 위한 전위의 기준이 되는 전극으로써의 역할을 수행하기 위하여 구비되는 것일 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 상기 기준전극(300)은 은-염화은(Ag/AgCl) 전극, 칼로멜(calomel) 전극, 수은-황산수은(mercury sulfate) 전극, 및 수은-산화수은(mercury-oxide mercury) 전극 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있고, 온도 사이클에 대한 전위의 히스테리시스가 덜하고, 고온까지 전위가 안정하다는 점을 고려할 때, 은-염화은(Ag/AgCl) 전극인 것이 바람직하다. 은-염화은(Ag/AgCl) 전극은, Ag/AgCl 페이스트(paste)로부터 형성될 수 있다.
배선부(400)는, 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 배선부(400)는 기판(100)의 상면에 접촉하여 배치되는 것일 수 있으며, 작업전극(200) 및/또는 기준전극(300)과 전기적으로 연결되는 것일 수 있다. 배선부(400)는, 작업전극(200)과 기준전극(300)으로부터 측정된 신호 및 구동 신호 등의 전기적 신호를 전달하기 위한 채널(Channel)의 역할을 수행하기 위하여 구비되는 것일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 작업전극(200)에 연결된 배선과 기준전극(300)에 연결된 배선은 서로 전기적으로 이격될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 배선부(400)는, 작업전극(200) 및/또는 기준전극(300)의 적어도 일부와 동일한 소재로 형성되는 것일 수 있다. 일부 실시 예에 있어서, 상기 배선부(400)는, 작업전극(200) 및/또는 기준전극(300)의 적어도 일부와 일체로 형성되는 것일 수 있다. 예를 들어, 기판(100) 상에 금속 막을 형성하고 이를 패터닝(patterning)함으로써 배선부(400)를 일체로 형성할 수 있다.
절연막(500)은, 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 일 실시 예에 있어서 절연막(500)은 기판(100)의 상면에 접촉하여 형성되는 것일 수 있으며, 작업전극(200) 및 기준전극(300)의 측면에 인접하여 형성되는 것일 수 있다. 예를 들어, 절연막(500)은 작업전극(200) 및 기준전극(300)의 상면을 전체적으로 노출시킬 수 있다. 절연막(500)은, 작업전극(200) 및 기준전극(300)의 직접적 통전을 방지하기 위한 역할을 수행하기 위하여 구비되는 것일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 절연막(500)은 배선부(400)의 상면 및 측면에 인접하여 형성되는 것일 수 있다. 예를 들어, 각각의 배선을 덮는 형태로 배치되는 것일 수 있다.
<바이오센서 제조방법>
본 발명은, 상기 바이오센서의 제조를 위한 바이오센서 제조방법을 포함한다.
일 실시 예에 있어서, 기판 상에 작업전극층을 형성하고, 작업전극층 상에 효소반응층을 형성하고, 효소반응층 상에 고분자막층을 형성함으로써, 작업전극을 제조할 수 있다.
일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 작업전극층을 형성하는 단계는 스크린 인쇄, 활판 인쇄, 음각 인쇄, 평판 인쇄 및 포토리소그래피(photolithography)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 공정을 포함하여 수행되는 것일 수 있다.
예를 들어, 기판 상에 카본 페이스트(carbon paste)를 스크린 인쇄법으로 인쇄하거나, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 코발트(Co) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 금속막을 형성하고 이를 포토리소그래피(photolithography) 공법 등에 의해 패터닝(patterning)하여 형성될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 작업전극층이 금속보호층을 더 포함할 경우, 금속층을 먼저 패터닝(patterning) 한 후 상기 금속보호층을 형성하거나, 상기 금속막 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 도전성 산화물 막을 형성한 후, 상기 금속막과 도전성 산화물 막을 함께 패터닝하여 금속층 및 금속보호층을 함께 형성할 수 있다.
효소반응층을 형성하는 단계 및 고분자막층을 형성하는 단계는 본 발명이 속한 기술분야에서 통상적으로 사용되는 도포법이 사용될 수 있다. 일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 흐름코팅(flow coating), 잉크젯(ink jet), 및 드롭 캐스팅(drop casting)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 수행될 수 있으며, 드롭 캐스팅(drop casting)인 것이 더욱 바람직하다.
일 실시 예에 있어서, 기준전극은 Ag/AgCl 페이스트(paste) 등을 사용하여 형성될 수 있으며, 실질적으로 상기 작업전극의 제조 방법과 동일한 방법으로 제조될 수 있다.
상기 제조방법에 의해 제조되는 바이오센서는, 상기 항목 <바이오센서>에서 서술한 모든 특성을 나타내는 것일 수 있다.
<바이오센서 신호 측정방법>
본 발명은, 상기 바이오센서 제조방법으로 제조된 바이오센서를 이용한 분석물의 전기화학적 신호 측정방법을 포함한다.
본 명세서에 있어서 「전기 화학적으로 측정한다」란, 전기 화학적인 측정 수법을 적용하여 측정하는 것을 말하며, 일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 전류 측정법, 전위차 측정법, 전량 분석법 등을 들 수 있고, 바람직하게는 전류 측정법일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 본 발명의 바이오센서 신호 측정방법은 시료와의 접촉 후에 상기 작업전극과 기준전극을 포함하는 전극부에 전압을 인가하는 것, 인가 시에 방출되는 응답 전류치를 측정하는 것, 및, 상기 응답 전류치에 기초하여 상기 시료 중의 검출 대상 물질(analyte)의 전기화학적 신호를 산출하는 것을 포함할 수 있다. 인가 전압으로서는 특별히 제한되는 것은 아니나, 일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 은-염화은 전극(Ag/AgCl 전극)을 기준으로, -500 내지 +500mV일수 있으며 바람직하게는 -200 내지 +200 mV일수 있다.
일 실시 예에 있어서, 본 발명의 바이오센서 신호 측정방법은 상기 시료와 접촉 후 소정 시간 비인가의 상태로 유지한 후, 상기 전극부에 전압을 인가해도 되고, 상기 시약과의 접촉과 동시에 전극부에 전압을 인가해도 된다.
본 발명의 바이오센서 신호 측정방법에 의하면, 다양한 pH 범위를 나타내는 시료에 대한 측정 편차를 최소화 함으로써 바이오센서의 정확성과 정밀성을 향상시킬 수 있으며, 바이오센서의 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
<바이오센서 신호 측정시스템>
본 발명은 상기 바이오센서와, 상기 바이오센서의 전극부에 전압을 인가하는 수단과, 전극부에 있어서의 전류를 측정하기 위한 수단을 포함하는, 시료 중의 검출 대상 물질(analyte)의 전기화학적 신호를 측정하기 위한 바이오센서의 전기화학적 신호 측정시스템에 관한 것이다.
본 발명의 바이오센서 신호 측정시스템에 의하면, 다양한 pH 범위를 나타내는 시료에 대해서도 높은 정확성과 정밀도로 측정이 가능하며, 측정 감도가 더욱 향상될 수 있다.
인가 수단으로서는, 바이오센서의 전극부와 도통하고, 전압을 인가 가능하면 특별히 제한되는 것은 아니며, 공지의 인가 수단을 사용할 수 있다. 인가 수단으로서는, 일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 바이오센서의 전극부와 접촉 가능한 접촉자, 및 직류 전원 등의 전원 등을 포함할 수 있다.
측정 수단은, 전압 인가 시에 발생한 전극부에 있어서의 복수의 전류를 측정하기 위한 것으로서, 일 또는 복수의 실시 형태에 있어서, 바이오센서의 전극부로부터 방출되는 전자의 양에 상관하는 응답 전류치를 측정 가능한 것이면 되고, 종래 또는 이후 개발되는 바이오센서에 사용되고 있는 것을 사용할 수 있다.
이하, 구체적으로 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
<실시예, 비교예 및 참고예>
실시예 1
도 1에 도시된 바이오센서와 같은 구조의 실시예 1의 바이오센서를 제작하였다.
우선, 락트산 센서의 기판(100)으로서, PET제 기판(길이 30~40㎜, 폭 3~10㎜, 두께 188㎛)을 준비하고, 그 한쪽의 표면에, 작업전극층(210)으로는 Carbon paste(대주전자재료사제)를, 기준전극(300)으로는 Silver paste(대주전자재료사제)를 각각 10~30㎛ 두께로 250 메쉬 스크린을 사용하여 스크린 인쇄하였다. 그리고 Carbon paste는 100℃에서 20분간, Silver paste는 80℃에서 10분간 가열 처리를 하였다.
이후, 상기 작업전극층(210)과 기준전극(300)을 제외한 전극부 및 배선부(400)의 상면 상에 절연성 페이스트(대주전자재료사제)를 10~50㎛ 두께로 250 메쉬 스크린을 사용하여 스크린 인쇄하였다. 그리고 120℃에서 15분간 가열 처리를 하였다.
이후, 작업전극층(210) 상에 용액 2.0㎕당 락트산 옥시다아제(상품명 「LCO301」, 토요보사제) 8U, Hexaammineruthenium(III) chloride, 98%(363340010, 아크로스사제) 1.5㎍, 1-m-PMS(M8640, 알드리치사제) 20nmol, MES 완충액(pH 7; 100mM) 0.4㎕를 포함하는 용액을 조제하여, 해당 용액 2.0㎕를 검출부에 드롭캐스팅(drop casting)하여 효소반응층(220)을 형성하였다.
이후, 상기 효소반응층(220) 상에 PVA(1% PVA in PBS, 알드리치사제) 1.2㎕를 도포하고 1시간동안 건조하여, 고분자막층(230)을 형성함으로써, 실시예 1의 바이오센서를 제작하였다.
비교예 1
효소반응층(220)에 포함되는 MES 완충액(pH 7; 100mM)을 PBS 완충액(pH 7; 100mM)으로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 비교예 1의 바이오센서를 제작하였다.
비교예 2
효소반응층(220)에 포함되는 MES 완충액(pH 7; 100mM)을 N-(2-아세트아미도)이미노디아세트산(ADA) 완충액(pH 7; 100mM)으로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 비교예 2의 바이오센서를 제작하였다.
참고예 1
효소반응층(220)에 포함되는 MES 완충액(pH 7; 100mM)을 MES 완충액(pH 6; 100mM)으로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 참고예 1의 바이오센서를 제작하였다.
참고예 2
효소반응층(220)에 포함되는 MES 완충액(pH 7; 100mM)을 MES 완충액(pH 6.5; 100mM)으로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 참고예 2의 바이오센서를 제작하였다.
참고예 3
효소반응층(220)에 포함되는 MES 완충액(pH 7; 100mM)을 MES 완충액(pH 7; 50mM)으로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 참고예 3의 바이오센서를 제작하였다.
참고예 4
효소반응층(220)에 포함되는 MES 완충액(pH 7; 100mM)을 MES 완충액(pH 7; 200mM)으로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 참고예 4의 바이오센서를 제작하였다.
참고예 5
효소반응층(220)에 포함되는 MES 완충액(pH 7; 100mM)을 MES 완충액(pH 7; 500mM)으로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 참고예 5의 바이오센서를 제작하였다.
<실험예 1>: pH 완충액의 종류에 따른 바이오센서 평가
상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에 따른 바이오센서를 하기 측정 방법을 이용하여 시료 중의 락트산 농도에 따른 전류 값을 측정함으로써, 다양한 pH 범위의 시료에 대한 pH 안정성을 평가하였다.
시료로서는 10mM, 20mM 및 30mM의 락트산 조합액 10㎕를 사용하고, 측정 장치는 CHI630를 이용했다. 측정은, 25℃, 60~70RH%로 설정한 항온항습의 환경 실험실 내에서, 바이오센서에 시료를 공급한 후, 검체 검지 후 15초 동안 200mV의 전압을 인가함으로써 행했다.
상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에 따른 바이오센서의 평가 결과를 하기 표 1 및 도 4에 나타내었다.
구분 결과 pH 5 pH 6 pH 7 pH 8
비교예 1 검량선
(10 ~ 30mM)		 기울기 0.31 0.40 0.41 0.38
R2 98.5 97.8 95.6 92.8
p-value 10mM 0.000
20mM 0.000
30mM 0.000
비교예 2 검량선
(10 ~ 30mM)		 기울기 0.59 0.66 0.66 0.69
R2 96.1 88.3 95.5 91.1
p-value 10mM 0.271
20mM 0.007
30mM 0.000
실시예 1 검량선
(10 ~ 30mM)		 기울기 0.72 0.75 0.73 0.69
R2 94.2 86.9 93.4 89.2
p-value 10mM 0.466
20mM 0.123
30mM 0.059
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1의 바이오센서의 경우 pH 5 내지 8의 시료에 대하여, 시료 농도 10 내지 30mM에 대한 p-value 값이 0.05 이상을 나타내고 있어, 감응 범위 전체에 대하여 pH 영향성이 저감되었음을 확인할 수 있다.
반면, 비교예 1의 바이오 센서의 경우 pH 5 내지 8의 시료에 대하여, 시료 농도 10 내지 30mM에 대한 p-value 값이 0.000을 나타내고 있어, 시료의 pH에 따른 측정 편차가 증가하였음을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 2의 바이오 센서의 경우 pH 5 내지 8의 시료에 대하여, 시료 농도 20 내지 30mM에 대한 p-value 값이 0.000 내지 0.007을 나타내고 있어, 시료의 pH에 따른 측정 편차가 증가하였음을 확인할 수 있다.
<실험예 2>: MES 완충액의 pH에 따른 바이오센서 평가
상기 실시예 1, 참고예 1 및 2에 따른 바이오센서를 하기 측정 방법을 이용하여 시료 중의 락트산 농도에 따른 전류 값을 측정함으로써, 다양한 pH 범위의 시료에 대한 pH 안정성을 평가하였다.
시료로서는 10mM, 20mM 및 30mM의 락트산 조합액 10㎕를 사용하고, 측정 장치는 CHI630를 이용했다. 측정은, 25℃, 60~70RH%로 설정한 항온항습의 환경 실험실 내에서, 바이오센서에 시료를 공급한 후, 검체 검지 후 15초 동안 200mV의 전압을 인가함으로써 행했다.
상기 실시예 1, 참고예 1 및 2에 따른 바이오센서의 평가 결과를 하기 표 2 및 도 5에 나타내었다.
구분 결과 pH 5 pH 6 pH 7 pH 8
참고예 1 검량선
(10 ~ 30mM)		 기울기 0.52 0.47 0.51 0.47
R2 95.6 92.8 90.9 94.8
p-value 10mM 0.005
20mM 0.000
30mM 0.002
참고예 2 검량선
(10 ~ 30mM)		 기울기 0.60 0.58 0.59 0.61
R2 93.3 94.6 89.9 93.7
p-value 10mM 0.526
20mM 0.269
30mM 0.286
실시예 1 검량선
(10 ~ 30mM)		 기울기 0.72 0.75 0.73 0.69
R2 94.2 86.9 93.4 89.2
p-value 10mM 0.466
20mM 0.123
30mM 0.059
상기 표 2을 참조하면, 실시예 1 및 참고예 2의 바이오센서의 경우 pH 5 내지 8의 시료에 대하여, 시료 농도 10 내지 30mM에 대한 p-value 값이 0.05 이상을 나타내고 있어, 감응 범위 전체에 대하여 pH 영향성이 저감되었음을 확인할 수 있다.
반면, 참고예 1의 바이오센서의 경우 pH 5 내지 8의 시료에 대하여, 시료 농도 10 내지 30mM에 대한 p-value 값이 0.000 내지 0.005를 나타내고 있어, 시료의 pH에 따른 측정 편차가 증가하였음을 확인할 수 있다.
<실험예 3>: MES 완충액의 농도에 따른 바이오센서 평가
상기 실시예 1 및 참고예 3 내지 5에 따른 바이오센서를 하기 측정 방법을 이용하여 시료 중의 락트산 농도에 따른 전류 값을 측정함으로써, 다양한 pH 범위의 시료에 대한 pH 안정성을 평가하였다.
시료로서는 10mM, 20mM 및 30mM의 락트산 조합액 10㎕를 사용하고, 측정 장치는 CHI630를 이용했다. 측정은, 25℃, 60~70RH%로 설정한 항온항습의 환경 실험실 내에서, 바이오센서에 시료를 공급한 후, 검체 검지 후 15초 동안 200mV의 전압을 인가함으로써 행했다.
상기 실시예 1 및 참고예 3 내지 5에 따른 바이오센서의 평가 결과를 하기 표 3 및 도 6에 나타내었다.
구분 결과 pH 5 pH 6 pH 7 pH 8
참고예 3 검량선
(10 ~ 30mM)		 기울기 0.47 0.43 0.43 0.57
R2 88.3 91.8 76.4 89.5
p-value 10mM 0.086
20mM 0.122
30mM 0.129
참고예 4 검량선
(10 ~ 30mM)		 기울기 0.66 0.59 0.66 0.57
R2 94.2 90.2 93.1 86.9
p-value 10mM 0.184
20mM 0.159
30mM 0.330
참고예 5 검량선
(10 ~ 30mM)		 기울기 0.32 0.29 0.15 0.24
R2 89.7 85.6 89.3 78.3
p-value 10mM 0.201
20mM 0.008
30mM 0.059
실시예 1 검량선
(10 ~ 30mM)		 기울기 0.72 0.75 0.73 0.69
R2 94.2 86.9 93.4 89.2
p-value 10mM 0.466
20mM 0.123
30mM 0.059
상기 표 3을 참조하면, 참고예 3, 4 및 실시예 1의 바이오센서의 경우 pH 5 내지 8의 시료에 대하여, 시료 농도 10 내지 30mM에 대한 p-value 값이 0.05 이상을 나타내고 있어, 감응 범위 전체에 대하여 pH 영향성이 저감되었음을 확인할 수 있다.
반면, 참고예 5의 바이오센서의 경우 pH 5 내지 8의 시료에 대하여, 시료 농도 20mM에 대한 p-value 값이 0.008을 나타내고 있어, 시료의 pH에 따른 측정 편차가 증가하였음을 확인할 수 있다.
따라서, pH 완충액에 포함되는 MES의 pH 및 농도를 적절히 조절함으로써, pH 영향성이 저감되면서도 감도가 더욱 향상된 바이오센서를 제작할 수 있다.
100: 기판
200: 작업전극
210: 작업전극층
220: 효소반응층
230: 고분자막층
300: 기준전극
400: 배선부
500: 절연막

Claims (9)

  1. 기판 및 상기 기판 상에 형성되는 작업전극과 기준전극을 포함하며,
    상기 작업전극은 기판 상에 형성되는 작업전극층 및 상기 작업전극층 상에 형성되는 효소반응층을 포함하며,
    상기 효소반응층은 글루코오스 산화 효소(glucose oxidase), 글루코오스 탈수소 효소(glucose dehydrogenase), 락테이트 산화 효소(lactate oxidase) 및 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydrogenase)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 효소; 미디에이터; 및 pH 완충액을 포함하며,
    상기 pH 완충액은 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)을 포함하는, 바이오센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 pH 완충액의 pH가 6.5 내지 8인, 바이오센서.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 pH 완충액에 포함되는 2-(N-모르폴리노)에탄설폰산(MES)의 농도가 50mM 이상 500mM 미만인, 바이오센서.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 미디에이터는 페리시안화칼륨, 시토크롬C, 피로로퀴놀린퀴논(PQQ), NAD+, NADP+, 동착체, 루테늄 화합물, 페나진메토설페이트 및 그 유도체, 포타슘 페리시아나이드(Potassium ferricyanide, K3[Fe(CN)6]), 포타슘 페로시아나이드(Potassium ferrocyanide, K4[Fe(CN)6]), 염화헥사아민루테늄(Ⅲ)(hexaamineruthenium(Ⅲ) chloride), 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체 및 하이드로퀴논(hydroquinone)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 바이오센서.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 작업전극층은 탄소전극층 및 금속전극층으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 바이오센서.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 금속전극층은 금속층 및 금속보호층으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 바이오센서.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 효소반응층 상에 형성되는 고분자막층을 더 포함하는, 바이오센서.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 고분자막층은 수용성 고분자 및 비수용성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 바이오센서.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 수용성 고분자는 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(hydroxyethyl cellulose; HEC), 하이드록시프로필 셀룰로오즈(hydroxypropyl cellulose; HPC), 카르복시메틸 셀룰로오즈(carboxy methyl cellulose; CMC), 셀룰로오즈 아세테이트(cellulose acetate; CA) 및 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone; PVP)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하며,
    상기 비수용성 고분자는 폴리우레탄(polyurethane; PU), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC) 및 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride; PVC)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 바이오센서.
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Comment text: Patent Application

Patent event date: 20210104

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