JP2022544668A - バイオセンサ - Google Patents

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Abstract

本発明の例示的な実施形態のバイオセンサは、基板と、基板上に配置され、反応電極及び反応電極に接続された配線を含むセンシング電極層と、基板及びセンシング電極層を部分的にカバーし、反応電極を露出させる開口部、および、開口部に連通し、外部に接続された試料搬送流路が形成されたスペーサ層と、スペーサ層を覆う保護カバーとを含む。バイオセンサの必要試料量が減少するとともに、センシング信頼性を向上させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオセンサに関する。より具体的には、検知対象物質の濃度を検出できるバイオセンサに関する。
人間の平均寿命が延びていくにともない、ヘルスケア業界は急速に拡大している。特に、様々な生体信号をどこでも便利に測定することができる携帯可能な小型バイオセンサへの需要がますます増加している。
従来のバイオセンサは、体液（汗、涙、血液など）に含まれる化学種と反応する酵素を使用する。前記酵素が前記化学種と反応して電流が発生すると、それを測定して当該化学種の濃度を測定する。
バイオセンサに関するほとんどの研究は、例えば、韓国特許第１０－１１０７５０６号公報に開示されているように、グルコースのグルコノラクトン（gluconolactone）への酸化を促進するグルコースオキシダーゼ（glucose oxidase）またはグルコースデヒドロゲナーゼのような酵素の固定に基づいている。
バイオセンサを駆動するには、センサ電極に所定量の試料を供給しなければならない。センサの必要最小試料量が多いほど、当該量の試料（例えば、汗または血液）を確保することは困難である。
本発明の課題は、利便性およびセンシング性能が向上したバイオセンサを提供することである。
１．基板と、前記基板上に配置され、反応電極及び前記反応電極に接続された配線を含むセンシング電極層と、前記基板及び前記センシング電極層を部分的にカバーし、前記反応電極を露出させる開口部、および、前記開口部に連通し、外部に接続された試料搬送流路が形成されたスペーサ層と、前記スペーサ層を覆う保護カバーとを含む、バイオセンサ。
２．前記項目１において、前記試料搬送流路は、前記バイオセンサの長手方向に前記スペーサ層を横切って前記開口部に接続され、前記開口部は平面方向において前記反応電極を全て含むように拡張されている、バイオセンサ。
３．前記項目１において、前記反応電極は、ギャップを挟んで対向して離隔するように配置された作業電極および基準電極を含む、バイオセンサ。
４．前記項目３において、前記試料搬送流路からの仮想の延長線は、平面方向において前記作業電極と前記基準電極との間の前記ギャップ内に位置する、バイオセンサ。
５．前記項目３において、前記試料搬送流路からの仮想の延長線は、平面方向において前記作業電極、前記基準電極および前記ギャップを含む領域とずれて配置される、バイオセンサ。
６．前記項目１において、前記基板の上面、前記スペーサ層の前記開口部の内壁、および前記保護カバーの内面によって、前記反応電極が収容される反応チャンバが定義される、バイオセンサ。
７．前記項目６において、前記バイオセンサの側面に前記反応チャンバを開放させる通気部をさらに含む、バイオセンサ。
８．前記項目７において、前記通気部の幅は５０～５，０００μｍである、バイオセンサ。
９．前記項目７において、前記通気部は、前記バイオセンサの前記側面に前記試料搬送流路で提供される、試料搬送流路である、バイオセンサ。
１０．前記項目１において、前記保護カバーの水接触角は５０°以下である、バイオセンサ。
１１．前記項目１において、前記試料搬送流路の幅は５０～３，０００μｍである、バイオセンサ。
１２．前記項目１において、前記スペーサ層の厚さは３０～５００μｍである、バイオセンサ。
１３．前記項目１において、前記反応電極は作業電極および基準電極を含む、バイオセンサ。
１４．前記項目１３において、前記作業電極は、前記基板上に配置された導電層と、前記導電層上に配置された電子輸送層と、前記電子輸送層上に配置された酵素反応層とを含む、バイオセンサ。
１５．前記項目１４において、前記酵素反応層は、グルコースオキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼおよびアルコールオキシダーゼの少なくとも１つのオキシダーゼ、又はグルコースデヒドロゲナーゼ、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼおよびアルコールデヒドロゲナーゼの少なくとも１つのデヒドロゲナーゼを含む、バイオセンサ。
１６．前記項目１４において、前記電子輸送層はプルシアンブルー（Prussian blue）を含む、バイオセンサ。
１７．前記項目１４において、前記導電層は金属層および金属保護層を含む、バイオセンサ。
１８．前記項目１７において、前記金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｐｄ、及びこれらの合金の少なくとも１つを含み、前記金属保護層は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）またはＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）を含む、バイオセンサ。
１９．前記項目１４において、前記作業電極は、前記酵素反応層上に配置されたフィルター層をさらに含む、バイオセンサ。
本発明の例示的な実施形態によれば、センシング電極層と保護カバーとの間に開口部を含むスペーサ層が介在し、センシング電極層の反応電極が位置する領域に反応チャンバが設けられる。反応チャンバは、試料搬送流路を介して外部と連通する。試料搬送流路を介して反応チャンバに試料を注入することにより、試料を反応電極に均一に供給することができる。これにより、少量の試料でバイオセンサを駆動することができ、反応チャンバに供給される試料の量を調整することができ、測定のばらつきを低減することができる。
いくつかの実施形態によれば、反応チャンバの側部に通気部を形成することができる。前記通気部を介して反応チャンバから空気を排出することができる。この場合には、試料搬送流路内での毛細管現象による試料供給を容易にすることができる。
図１は、例示的な実施形態によるバイオセンサの概略分解斜視図である。 図２は、例示的な実施形態によるセンシング電極層の概略平面図である。 図３は、例示的な実施形態による反応電極の概略断面図である。 図４は、例示的な実施形態によるスペーサ層のデザインを示す概略平面図である。 図５は、例示的な実施形態によるスペーサ層のデザインを示す概略平面図である。 図６は、例示的な実施形態によるスペーサ層のデザインを示す概略平面図である。 図７は、例示的な実施形態によるスペーサ層のデザインを示す概略平面図である。 図８は、例示的な実施形態によるスペーサ層のデザインを示す概略平面図である。 図９は、例示的な実施形態による反応電極を示す概略平面図である。
本発明の例示的な実施形態は、基板上に反応電極を含むセンシング電極層と、センシング電極層をカバーし、反応電極を露出させる開口部、および、開口部に接続された試料搬送流路を含むスペーサ層と、スペーサ層を覆う保護カバーとを含むバイオセンサを提供するものである。このバイオセンサによると、バイオセンサの必要試料量が減少するとともに、センシング信頼性を向上させることができる。
本明細書で「第１方向」とは、バイオセンサの長手方向（例えば、センシング電極層の配線が延びる方向）を意味し得る。「第２方向」とは、バイオセンサの幅方向（例えば、作業電極と基準電極が向かい合う方向）を意味し得る。「第３方向」とは、バイオセンサの厚さ（高さ）方向を意味し得る。
図１は、例示的な実施形態によるバイオセンサの概略分解斜視図である。
図１を参照すると、例示的な実施形態によるバイオセンサは、基板１００と、センシング電極層１１０と、スペーサ層１２０と、保護カバー１３０と、試料搬送流路１２６とを含む。
基板１００は、センシング電極層１１０が配置される基材層として提供される。
例えば、基板１００は、フレキシブル特性を有する基材フィルムであってもよく、具体例としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル系樹脂；ジアセチルセルロース、トリアセチルセルロースなどのセルロース系樹脂、ポリカーボネート系樹脂；ポリメチル（メタ）アクリレート、ポリエチル（メタ）アクリレートなどのアクリル系樹脂；ポリスチレン、アクリロニトリル－スチレン共重合体などのスチレン系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン、シクロ系またはノルボルネン構造を有するポリオレフィン、エチレン－プロピレン共重合体などのポリオレフィン系樹脂；塩化ビニル系樹脂；ナイロン、芳香族ポリアミドなどのアミド系樹脂；イミド系樹脂；ポリエーテルスルホン系樹脂；スルホン系樹脂；ポリエーテルエーテルケトン系樹脂；硫化ポリフェニレン系樹脂；ビニルアルコール系樹脂；塩化ビニリデン系樹脂；ビニルブチラール系樹脂；アリレート系樹脂；ポリオキシメチレン系樹脂；エポキシ系樹脂などの熱可塑性樹脂からなるフィルムが挙げられ、前記熱可塑性樹脂のブレンド物からなるフィルムも使用できる。また、（メタ）アクリル系、ウレタン系、アクリルウレタン系、エポキシ系、シリコン系などの熱硬化性樹脂または紫外線硬化型樹脂からなるフィルムを使用することもできる。
基板１００の厚さは適宜決定することができるが、強度、取り扱い性、作業性、薄層性などを考慮して、１～５００μｍであってもよい。１～３００μｍが好ましく、５～２００μｍがより好ましい。
例えば、前記基材フィルムには、１種以上の添加剤を含有することができる。添加剤としては、例えば紫外線吸収剤、酸化防止剤、潤滑剤、可塑剤、離型剤、着色防止剤、難燃剤、核剤、帯電防止剤、顔料、着色剤などが挙げられる。
いくつかの実施形態では、前記基材フィルムは、フィルムの片面または両面にハードコート層、反射防止層、ガスバリア層などの様々な機能層を含むことができる。
いくつかの実施形態では、前記基材フィルムは表面処理することができる。例えば、表面処理は、プラズマ（plasma）処理、コロナ（corona）処理、プライマー（primer）処理などの乾式処理、ケン化処理を含むアルカリ処理などの化学処理を含むことができる。
センシング電極層１１０は、基板１００上に形成することができる。センシング電極層１１０は、反応電極１１２及び配線１１４を含むことができる。反応電極１１２は、バイオセンサの検出反応（例えば、酸化還元反応）が起こる電極として提供され、配線１１４は反応電極１１２に接続することができる。
図２は、例示的な実施形態によるセンシング電極層の概略平面図である。
図２を参照すると、反応電極１１２は作業電極３１０と基準電極３２０とを含むことができる。作業電極３１０および基準電極３２０は、基板１００上に配置することができる。作業電極３１０と基準電極３２０は、基板１００の平面上で対向して離隔することができる。作業電極３１０と基準電極３２０が離隔している空間は、ギャップ３３０を定義することができる。例えば、作業電極３１０と基準電極３２０は、左右に対向して配置できる。
作業電極３１０と基準電極３２０との間に試料を供給する場合、前記試料は、作業電極３１０と基準電極３２０との間での電子／正孔および酸化還元物質の移動を媒介することができる。
本明細書で使用される用語「反応電極の全幅」とは、作業電極３１０および基準電極３２０の最も遠い２つの点との間の距離を意味し得る。
例示的な実施形態では、反応電極１１２の全幅は０．３～５ｍｍであってもよい。前記全幅が０．３ｍｍ未満であると、検知対象物質の測定時に発生する電気信号（電流）の量が減少し、バイオセンサの感度、測定速度及び／又は最大測定濃度が減少することがある。前記全幅が５ｍｍを超えると、バイオセンサの駆動に必要な最小試料量が増加することがある。
いくつかの実施形態では、前記バイオセンサの必要最小試料量は０．１～５μｌであってもよい。例えば、反応電極１１２の全幅が０．３～５ｍｍであると、約５μｌ以下の試料で前記バイオセンサを駆動することができる。
スペーサ層１２０は、基板１００およびセンシング電極層１１０を少なくとも部分的にカバーすることができる。スペーサ層１２０は、センシング電極層１１０が形成された基板１００の上面と保護カバー１３０の底面との間に配置できる。
スペーサ層１２０は、センシング電極層１１０の反応電極１１２を覆わなくてもよい。スペーサ層１２０は、反応電極１１２を露出させる開口部１２２を含むことができる。
開口部１２２は、スペーサ層１２０の一側面まで拡張できる。例えば、開口部１２２は、前記第２方向（スペーサ層の幅方向）に拡張することができる。開口部１２２は、平面方向において反応電極１１２を全て含むことができる。この場合、反応電極１１２はスペーサ層１２０によってカバーされずに露出することができる。
例えば、基板１００の上面、スペーサ層１２０の開口部１２２の内壁、および保護カバー１３０の内面は、反応チャンバ１２４を定義することができる。
反応電極１１２は反応チャンバ１２４内に収容できる。試料が供給される空間を反応チャンバ１２４の内部空間に制限することにより、少量の試料が供給されても反応電極１１２と実質的に均一に接触することができる。また、繰り返し測定時に反応チャンバ１２４の設計された容積に応じて反応電極１１２に一定量の試料が供給されるようにすることができる。これにより、バイオセンサの必要最小試料量が減少するとともに、センシング信頼性を向上させることができる。
いくつかの実施形態では、反応チャンバ１２４の通気部１２８の向かい側の内壁は、反応電極１１２の側面と実質的に同じプロファイルを有することができる。前記内壁は、反応電極１１２の側面プロファイルが所定量に拡大されたプロファイルを有することができる。例えば、図２に示すように、反応電極１１２の側面プロファイルが半円形であると、前記内壁のプロファイルも半円形であり得る。この場合、少量の試料を用いて、反応チャンバ１２４の反応電極１１２が位置する領域を効果的に満たすことができる。
スペーサ層１２０は、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ゴム系樹脂、シリコン系樹脂などを含むことができる。また、スペーサ層１２０は、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、ゴム系樹脂、シリコン系樹脂などを含む粘着剤で形成することができ、光学透明粘接着剤（ＯＣＲ）を含むことができる。
スペーサ層１２０は試料搬送流路１２６を含むことができる。試料搬送流路１２６は開口部１２２と接続することができる。試料搬送流路１２６は、試料が供給される通路で提供できる。試料搬送流路１２６は、毛細管現象によって試料を移動させることができる。これにより、少量の試料を開口部１２２および開口部１２２の内部に位置する反応電極１１２に効果的に供給できる。また、試料の供給速度を適切なレベルに調整することができる。
例示的な実施形態では、図２に示されるように、試料搬送流路１２６は、前記第１方向（バイオセンサの長手方向）にスペーサ層１２０を横切って形成することができる。
例示的な実施形態では、試料搬送流路１２６の幅は５０～３，０００μｍであってもよい。前記幅が５０μｍ未満であると、試料が試料搬送流路１２６を通過できないことがある。前記幅が３，０００μｍを超えると、試料搬送流路１２６での毛細管現象が実質的に起こらないことがあり、試料の供給速度を調節できないことがある。このため、定量の試料を供給できないことがある。試料搬送流路１２６の幅は、好ましくは５００～２，０００μｍであってもよい。
例示的な実施形態では、試料搬送流路１２６からの仮想の延長線は、平面方向において作業電極３１０と基準電極３２０との間のギャップ３３０内に位置することができる。この場合、前記バイオセンサに注入された試料を作業電極３１０および基準電極３２０に実質的に均一に搬送することができる。
いくつかの実施形態では、試料搬送流路１２６は反応電極１１２の中心ラインと同じ方向に延びることができる。本明細書で使用される用語「反応電極の中心ライン」とは、反応電極１１２の幅の中心を通って、前記第１方向（センシング電極層の延長方向）に延びる線を意味し得る。
この場合、反応電極１１２の作業電極３１０と基準電極３２０との間に試料を実質的に効率的に供給することができ、作業電極３１０および基準電極３２０に試料を実質的に均一に供給することができる。
例示的な実施形態では、試料搬送流路１２６の高さはスペーサ層１２０の厚さまたは高さと実質的に同じであってもよい。例えば、スペーサ層１２０を所定の幅に除去した領域を試料搬送流路１２６で提供することができる。この場合には、試料搬送流路１２６の十分な高さを確保して試料の移動を促進することができる。
例示的な実施形態では、スペーサ層１２０の厚さは３０～５００μｍであってもよい。スペーサ層１２０の厚さが３０μｍ未満であると、試料搬送流路１２６の高さが不十分で、試料の移動ができないことがある。また、反応チャンバ１２４の内部空間が減少し、反応電極１１２にバイオセンサの駆動に必要な最小量の試料を供給できないことがある。スペーサ層１２０の厚さが５００μｍを超えると、試料搬送流路１２６において毛細管現象が起こらないことがあり、試料供給量および速度を制御できないことがある。また、反応チャンバ１２４の内部空間が増加し、反応電極１１２を覆うのに必要な試料の量が増加することがある。スペーサ層１２０の厚さは、好ましくは５０～３００μｍであってもよく、より好ましくは１５０～３００μｍであってもよい。
保護カバー１３０は、センシング電極層１１０およびスペーサ層１２０を少なくとも部分的にカバーすることができる。例えば、保護カバー１３０は、センシング電極層１１０の上面を覆うことができる。これにより、センシング電極層１１０の汚染を防止することができ、試料以外の他の成分によるセンシング信頼性の低下を防止することができる。
例えば、保護カバー１３０の側壁の内面は、スペーサ層１２０の一部の側面（例えば、スペーサ層の３つの側面）と当接することができる。この場合、スペーサ層１２０の開口部１２２の内壁面は、保護カバー１３０の側壁の内面と離隔することができる。
保護カバー１３０の内面、スペーサ層１２０および基板１００によって囲まれた空間は反応チャンバ１２４を定義することができ、反応電極１１２は反応チャンバ１２４内に位置することができる。この場合、反応チャンバ１２４に試料を定量で供給することができ、少量の試料でも反応電極１１２をカバーすることができる。これにより、前記バイオセンサの必要試料量が減少するとともに、センシング信頼性を向上させることができる。
スペーサ層１２０に形成された試料搬送流路１２６は、保護カバー１３０の側壁を貫通して延びることができる。例えば、保護カバー１３０は、試料搬送流路１２６が延びる方向に注入口１３４を含むことができる。これにより、試料搬送流路１２６は、保護カバー１３０の外部から反応チャンバ１２４の内部に連通することができる。
いくつかの実施形態では、保護カバー１３０は、フィルムの形態でスペーサ層１２０およびセンシング電極層１１０を少なくとも部分的に覆うことができる。いくつかの実施形態では、保護カバー１３０はスペーサ層１２０の上面を全体的に覆うことができる。
例示的な実施形態では、保護カバー１３０の幅（前記第２方向の長さ）はスペーサ層１２０と同じであってもよい。これにより、保護カバー１３０とスペーサ層１２０が幅方向の中心線を基準に整列している場合、スペーサ層１２０の開口部１２２は前記バイオセンサの側面（例えば、前記第２方向）に開放することができる。開口部１２２の開放部は通気部１２８で提供できる。
例示的な実施形態では、保護カバー１３０の一辺は、スペーサ層１２０の搬送流路１２６が形成された辺に整列することができる。これにより、搬送流路１２６は、前記バイオセンサの一側面に開放することができる。例えば、搬送流路１２６は、前記第１方向に開放することができる。
例示的な実施形態では、保護カバー１３０はセンシング電極層１１０の少なくとも一部を覆わなくてもよい。例えば、保護カバー１３０は、センシング電極層１１０の配線１１４の少なくとも一部を覆わなくてもよい。この場合には、露出した配線１１４を駆動回路チップに接続することができる。
一実施形態では、保護カバー１３０の大きさは、スペーサ層１２０よりも大きくてもよい。この場合、スペーサ層１２０と重畳しない部分は、スペーサ層１２０の周りに沿って折り曲げられ、スペーサ層１２０の側面を覆うことができる。スペーサ層１２０の側面を覆う部分は、保護カバー１３０の側壁で提供できる。
例えば、前記側壁は、スペーサ層１２０の搬送流路１２６と連通する第１ホール、及び／又は開口部１２２と連通する第２ホールを含むことができる。前記第１ホールおよび前記第２ホールによって、搬送流路１２６および開口部１２２を外部に接続することができる。
いくつかの実施形態では、保護カバー１３０は基板１００と接合することができる。例えば、保護カバー１３０の前記側壁の底面を基板１００の上面と接合することができる。例えば、基板１００は、保護カバー１３０内に挿入することができ、基板１００の側面は、保護カバー１３０の側壁の内面と接合することができる。
いくつかの実施形態では、基板１００の底面上に下部保護カバー（図示せず）を配置することができ、保護カバー１３０と前記下部保護カバーを接合することができる。
例示的な実施形態では、通気部１２８は反応チャンバ１２４と連通することができる。通気部１２８は、反応チャンバ１２４内の空気が排出される通路で提供できる。例えば、試料とともに注入された空気が反応チャンバ１２４内の圧力を増加させると、試料搬送流路１２６における毛細管現象による試料の移動性が低下することがある。通気部１２８によって反応チャンバ１２４内の空気が排出されると、試料搬送流路１２６を介して試料を円滑に供給することができる。
例示的な実施形態では、通気部１２８の幅は５０～５，０００μｍであってもよい。前記幅が５０μｍ未満であると、反応チャンバ１２４からの空気排出が不十分なことがある。前記幅が５，０００μｍを超えると、試料以外の物質が通気部１２８を介して反応チャンバ１２４に混入することがある。通気部１２８の幅は、好ましくは２，０００～４，０００μｍであってもよい。
例えば、通気部１２８は、反応チャンバ１２４から前記第２方向（バイオセンサの幅方向）に形成することができる。
例示的な実施形態では、保護カバー１３０の水接触角は５０°以下であってもよい。保護カバー１３０の水接触角が５０°を超えると、血液、汗などの試料が保護カバー１３０の前記注入口を十分な速度で通過できないことがある。また、保護カバー１３０の内面が試料搬送流路１２６の上面で提供されるところ、前記試料が試料搬送流路１２６を通過できないことがある。例えば、保護カバー１３０にコロナ処理、プラズマ処理などの表面処理を施して前記水接触角の範囲を実現することができる。
保護カバー１３０は、フレキシブル特性を有する基材フィルムであってもよく、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル系樹脂；ジアセチルセルロース、トリアセチルセルロースなどのセルロース系樹脂；ポリカーボネート系樹脂；ポリメチル（メタ）アクリレート、ポリエチル（メタ）アクリレートなどのアクリル系樹脂；ポリスチレン、アクリロニトリル－スチレン共重合体などのスチレン系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン、シクロ系またはノルボルネン構造を有するポリオレフィン、エチレン－プロピレン共重合体などのポリオレフィン系樹脂；塩化ビニル系樹脂；ナイロン、芳香族ポリアミドなどのアミド系樹脂；イミド系樹脂；ポリエーテルスルホン系樹脂；スルホン系樹脂；ポリエーテルエーテルケトン系樹脂；硫化ポリフェニレン系樹脂；ビニルアルコール系樹脂；塩化ビニリデン系樹脂；ビニルブチラール系樹脂；アリレート系樹脂；ポリオキシメチレン系樹脂；エポキシ系樹脂などの熱可塑性樹脂からなるフィルムが挙げられ、前記熱可塑性樹脂のブレンド物からなるフィルムも使用できる。また、（メタ）アクリル系、ウレタン系、アクリルウレタン系、エポキシ系、シリコン系などの熱硬化性樹脂または紫外線硬化型樹脂からなるフィルムを使用することもできる。
例示的な実施形態では、前記バイオセンサは複数のセンシング電極層１１０を含むことができる。センシング電極層１１０は、それぞれが異なる検知対象物質を検知してもよく、同一の検知対象物質を検知してもよい。
図３は、例示的な実施形態による反応電極の概略断面図である。
図３を参照すると、反応電極１１２は、基板１００上に配置された作業電極３１０および基準電極３２０を含むことができる。
作業電極３１０は、導電層３１２、電子輸送層３１４、および酵素反応層３１６を含むことができる。また、フィルタ層３１８をさらに含むことができる。導電層３１２は、金属層３１２ａと金属保護層３１２ｂとを含むことができる。基準電極３２０は、第２導電層３２２と基準物質層３２４とを含むことができる。
作業電極３１０では、検知対象物質（測定対象物質）の酸化還元反応が起こり得る。作業電極３１０は、試料に含まれた前記検知対象物質が反応して発生した電気的信号を検知することができる。試料は汗、体液、涙、血液などであってもよいが、これらに限定されるものではない。
例えば、前記検知対象物質は、グルコースまたは乳酸（ラクテート）を含むことができる。
導電層３１２は基板１００上に配置することができる。導電層３１２は、検知対象物質の酸化還元反応で発生した電子又は正孔が搬送される通路で提供できる。
例示的な実施形態では、導電層３１２は金属層３１２ａと金属保護層３１２ｂとを含むことができる。
金属保護層３１２ｂは、金属層３１２ａの上面を全体的に覆うことができる。例えば、金属保護層３１２ｂは金属層３１２ａと直接接触することができる。金属保護層３１２ｂは、酸化還元反応による金属層３１２ａの酸化還元を防止することができる。
例示的な実施形態では、金属層３１２ａは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｐｄ、およびそれらの合金の少なくとも１つを含むことができる。例えば、ＡＰＣ（Ａｇ－Ｐｄ－Ｃｕ）合金を用いることができる。金属層３１２ａは、Ａｕ、Ａｇ、ＡＰＣ合金及びＰｔの少なくとも１つのみで形成することもできる。前記Ａｕ、Ａｇ、ＡＰＣ合金およびＰｔは、導電層３１２の電気伝導性を向上し、抵抗を低減することができる。これにより、前記バイオセンサの検出性能を向上させることができる。
例示的な実施形態では、金属保護層３１２ｂは、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）またはＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）を含むことができる。例えば、金属保護層３１２ｂは、ＩＴＯまたはＩＺＯのみで形成することができる。ＩＴＯおよびＩＺＯは電気伝導性を有しながらも化学的に安定し、金属層３１２ａを酸化還元反応から効果的に保護できる。
例えば、金属保護層３１２ｂは、金属層３１２ａが大気と直接接触することを防止することにより、金属層３１２ａを構成する金属成分の酸化を防止することができる。これにより、金属層３１２ａによって検知される電気的信号の信頼性を向上させることができる。
電子輸送層３１４は、導電層３１２上に配置することができる。例えば、導電層３１２を直接覆うことができる。
電子輸送層３１４は、前記酸化還元反応で発生した電子または正孔を導電層３１２まで搬送する電子／正孔の移動通路で提供できる。
電子輸送層３１４は電子輸送物質を含むことができる。前記電子輸送物質は、例えば、酵素反応層３１６で起こる検知対象物質の酸化還元反応で発生した電子／正孔を受けて酸化または還元される物質を含むことができる。前記酸化または還元によって電子／正孔を搬送することができる。
例示的な実施形態では、前記電子輸送物質はプルシアンブルー（Prussian blue）を含むことができる。プルシアンブルーとは、ヘキサシアノ鉄（ＩＩ）酸鉄（ＩＩＩ）カリウムが主成分である青色顔料であり、高い酸化性を有することができる。プルシアンブルーを導電層３１２上に配置すると、作業電極３１０の電気的感度を向上させることができる。
いくつかの実施形態では、電子輸送層３１４はカーボンペーストをさらに含むことができる。
酵素反応層３１６は、電子輸送層３１４上に配置することができる。例えば、電子輸送層３１４の上面に直接接触することができる。
酵素反応層３１６は、試料に含まれる検知対象物質の化学反応が起こる層として提供できる。酵素反応層３１６は、検知対象物質と反応するオキシダーゼまたはデヒドロゲナーゼを含むことができる。
例示的な実施形態では、前記オキシダーゼは、グルコースオキシダーゼ（glucose oxidase）、コレステロールオキシダーゼ（cholesterol oxidase）、乳酸オキシダーゼ（lactate oxidase）、アスコルビン酸オキシダーゼ（ascorbic acid oxidase）およびアルコールオキシダーゼ（alcohol oxidase）の少なくとも１つを含むことができる。前記デヒドロゲナーゼは、グルコースデヒドロゲナーゼ（glucose dehydrogenase）、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ（glutamate dehydrogenase）、乳酸デヒドロゲナーゼ（lactate dehydronase）、およびアルコールデヒドロゲナーゼ（alcohol dehydrogenase）の少なくとも１つを含むことができる。
したがって、グルコース、コレステロール、乳酸、アスコルビン酸、アルコールまたはグルタミン酸の濃度を測定することができる。
例えば、前記バイオセンサがグルコースセンサである場合、酵素反応層３１６は、グルコースオキシダーゼ（Glucose oxidase）またはグルコースデヒドロゲナーゼ（Glucose dehydrogenase）を含むことができる。
いくつかの実施形態では、前記オキシダーゼまたは前記デヒドロゲナーゼは、バインダーによって固定することができる。前記バインダーは、当分野で通常使用されるバインダーを含むことができ、例えば、キトサンを含むことができる。
例えば、試料を前記バイオセンサに注入すると、試料に含まれている検知対象物質がオキシダーゼまたはデヒドロゲナーゼによって酸化され、過酸化水素が形成され得る。前記電子輸送物質（例えば、プルシアンブルー）は過酸化水素を還元し、それ自身は酸化することができる。酸化された電子輸送物質は、一定電圧が印加された電極表面で電子を失い、電気化学的に再酸化され得る。
試料中の検知対象物質の濃度は、電子輸送物質が酸化する過程で発生する電流量に比例するので、前記電流量を測定することによって検知対象物質の濃度を測定することができる。
フィルタ層３１８は酵素反応層３１６上に配置することができる。例えば、酵素反応層３１６の上面を直接覆うことができる。
フィルタ層３１８は、酵素反応層３１６を外部の物理力から保護することができる。また、酵素反応層３１６のオキシダーゼまたはデヒドロゲナーゼが外部環境に露出することを防止することができる。
フィルタ層３１８は、試料中で検知対象物質のみを通過させることができる。これにより、酵素反応層３１６が検知対象物質以外の他の物質によって変性、損傷することを防止することができる。
フィルタ層３１８は、検知対象物質を通過させるものであれば、当分野で通常用いられるイオン交換膜を用いることができる。前記イオン交換膜は、パーフルオロスルホン酸系樹脂などのカチオン交換樹脂を含むことができる。例えば、前記イオン交換膜はナフィオン（Nafion）を含むことができる。
本発明の例示的な実施形態によれば、基板１００上には導電層３１２を形成し、導電層３１２上には電子輸送層３１４を形成し、電子輸送層３１４上には酵素反応層３１６を形成することにより、作業電極３１０を製造することができる。
導電層３１２は、基板１００上にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｐｄ及びこれらの合金の少なくとも一つを含む金属膜を形成した後、それをパターニング（patterning）して形成することができる。
前記パターニングは、当分野で通常使用されるパターニング技術を使用できる。例えば、フォトリソグラフィ（photolithography）を使用することができる。
導電層３１２が金属保護層３１２ｂをさらに含む場合には、金属層３１２ａを先にパターニングした後に金属保護層３１２ｂを形成するか、または前記金属膜上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）またはＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）導電性酸化物膜を形成した後、前記金属膜と導電性酸化物膜を共にパターニングして金属層３１２ａおよび金属保護層３１２ｂを共に形成することができる。
例示的な実施形態では、電子輸送層３１４は、電子輸送物質とカーボンペーストの混合物を導電層３１２上に塗布することによって形成することができる。
前記塗布は、当分野で通常使用される塗布法を使用することができ、例えば、各種のプリンティング方法を使用することができる。
酵素反応層３１６は、例えば、前記オキシダーゼまたは前記デヒドロゲナーゼをバインダーと混合した組成物を電子輸送層３１４上に塗布した後、乾燥して形成することができる。
基準電極３２０は、基板１００上に作業電極３１０と左右に対向して配置することができる。基準電極３２０と作業電極３１０は電気的に分離することができる。基準電極３２０は、酸化還元反応の対電極（counter electrode）で提供できる。
基準電極３２０は、測定時の作業電極３１０で測定される電流値または電位値の基準値を提供することができる。基準電極３２０の電位値を基準値として、作業電極３１０で起こる検知対象物質の酸化還元反応を特定することができる。また、前記電流値の基準値と作業電極３１０で測定される電流値とを比較して、純粋に検知対象物質によって変化した電流量を算出することができる。これにより、前記電流量から検知対象物質の濃度を導出することができる。
基準電極３２０の第２導電層３２２は、作業電極３１０の導電層３１２と実質的に同じ材料および構造を含むことができる。例えば、第２導電層３２２は、金属層および金属保護層の積層体を含むことができる。
第２導電層３２２上に電子輸送層３１４の代わりに基準物質層３２４を配置することができる。例えば、基準電極３２０は、基板１００上に第２導電層３２２および前記基準物質層３２４を積層して形成することができる。
基準物質層３２４は、例えば、Ａｇ／ＡｇＣｌペースト（paste）を含むことができる。
いくつかの実施形態では、配線１１４は、作業電極３１０および基準電極３２０にそれぞれ接続することができる。作業電極３１０に接続された配線と、基準電極３２０に接続された配線とは、電気的に離隔することができる。配線１１４は駆動集積回路（ＩＣ）チップに接続することができる。
例えば、配線１１４は、作業電極３１０の金属層３１２ａおよび基準電極３２０の第２導電層３２２と同じ材料で形成することができる。いくつかの実施形態では、配線１１４は、作業電極３１０および基準電極３２０と一体に形成することができる。例えば、基板１００上に金属膜を形成し、それをパターニングすることにより、センシング電極層１１０および配線１１４を共に形成することができる。
作業電極３１０および基準電極３２０から測定された電気的信号は、配線１１４を介して駆動ＩＣチップに伝達され、駆動ＩＣチップは測定対象成分の濃度を計算することができる。
図４～図８は、例示的な実施形態によるスペーサ層のデザインを示す概略平面図である。
図４～図８を参照すると、スペーサ層１２０の開口部１２２および試料搬送流路１２６の位置および大きさは変更することができる。
図４および図６を参照すると、開口部１２２および反応チャンバ１２４の前記第２方向の長さはスペーサ層１２０の幅と同じであってもよい。例えば、開口部１２２および反応チャンバ１２４は、スペーサ層１２０を前記幅方向（前記第２方向）に貫通することができる。この場合、反応チャンバ１２４の両側部にそれぞれ第１通気部１２８及び第２通気部１２９を形成することができる。
図４を参照すると、開口部１２２および反応チャンバ１２４の内壁は直線状に延びることができる。この場合、両側部に形成された第１通気部１２８及び第２通気部１２９は、大きさ（幅）が同じであってもよい。
図５を参照すると、開口部１２２および反応チャンバ１２４の内壁は、前記第２方向に行くほど狭くなるプロファイルを有することができる。この場合、第１通気部１２８と第２通気部１２９の大きさ（幅）は異なってもよい。
図６を参照すると、開口部１２２および反応チャンバ１２４は、曲げプロファイルを有することができる。例えば、開口部１２２および反応チャンバ１２４は２回曲げられていてもよく、両側部に第１通気部１２８および第２通気部１２９をそれぞれ形成することができる。この場合、第１通気部１２８と第２通気部１２９は、互いにずれた位置に形成することができる。例えば、第１通気部１２８および第２通気部１２９は、前記第２方向に重畳しなくてもよい。
例示的な実施形態では、通気部１２８は、前記バイオセンサの側面試料搬送流路で提供できる。この場合、通気部１２８を介して試料の供給および反応チャンバ１２４内の空気の排出を共に行うことができる。
図７および図８に示すように、試料搬送流路１２６からの仮想の延長線は、平面方向において作業電極３１０、基準電極３２０、およびギャップ３３０を含む領域とずれて配置することができる。例えば、図７および図８に示すように、試料搬送流路１２６は反応電極１１２の中心ラインと平行移動して配置することができる。
例えば、反応チャンバ１２４の一側壁（例えば、通気部１２８が形成された壁の反対壁）から反応試料が満たされるようにして、試料と共に混入される空気を容易に排出することができる。これにより、試料の供給時に気泡が発生せず、センシング信頼性を向上させることができる。
いくつかの実施形態では、センシング電極層１１０は補助センサ１１６をさらに含むことができる。補助センサ１１６は、熱検知センサ、ｐＨセンサ及び／又は湿度センサを含むことができる。例えば、補助センサ１１６は、温度、ｐＨ及び／又は湿度を測定し、バイオセンサの測定誤差を補正することができる。
補助センサ１１６は、開口部１２２および反応チャンバ１２４の内部に配置することができる。センシング電極層１１０は補助センサ配線１１８をさらに含むことができる。補助センサ配線１１８は、補助センサ１１６と電気的に接続することができる。補助センサ配線１１８は、配線１１４と同じ材料を含むことができる。
例えば、図８に示すように、前記バイオセンサが補助センサ１１６を含む場合、試料搬送流路１２６は補助センサ１１６側に移すことができる。この場合、少量の試料を用いても、補助センサ１１６および反応電極１１２に試料を効果的に分配できる。
いくつかの実施形態では、試料搬送流路１２６は通気部１２８と一体化することができる。これにより、前記バイオセンサにおいて、第１方向に延びる試料搬送流路１２６を省略することができる。
いくつかの実施形態では、別の試料搬送流路１２６を含まず、反応チャンバ１２４の側面に連通する通気部１２８を介して試料を注入することもできる。
図９は、例示的な実施形態による反応電極の形状を示す概略平面図である。
図９を参照すると、反応電極１１２の作業電極３１０および基準電極３２０の対向面は鋸歯状を有することができる。
作業電極３１０は第１対向面２１３を含むことができ、第１対向面２１３は第１凸部２１３ａと第１凹部２１３ｂとを含むことができる。基準電極３２０は第２対向面２２３を含むことができ、第２対向面２２３は第２凹部２２３ａと第２凸部２２３ｂとを含むことができる。第１凸部２１３ａ、第１凹部２１３ｂ、第２凹部２２３ａ及び第２凸部２２３ｂは、先端部を含むことができる。第１凸部２１３ａ及び第１凹部２１３ｂは鋸歯状を形成することができる。また、第２凹部２２３ａ及び第２凸部２２３ｂは鋸歯状を形成することができる。この場合、作業電極３１０と基準電極３２０の対向面積が増加し、前記バイオセンサの検知性能を向上させることができる。
例示的な実施形態では、第１凸部２１３ａは第２凹部２２３ａと対向して配置され、第１凹部２１３ｂは第２凸部２２３ｂと対向して配置され得る。これにより、凹凸形状が対をなすことにより、センサの単位大きさあたりの対向面積を増やすことができる。
例示的な実施形態では、前記凸部の形状および前記凹部の形状は相補関係であってもよい。本明細書で使用される用語「相補関係」とは、２つの形状を貼り付けたとき、実質的に空きスペースなしで一体化されることを意味するが、所定の公差を含む場合を包括することができる。例えば、図９に示す作業電極３１０と基準電極３２０とを貼り付けると、一体化された円または楕円を形成することができる。前記相補関係を満たすと、センサの単位大きさあたりの対向面積を増加させることができる。
以下、本発明の理解を助けるために好適な実施例を提示するが、これらの実施例は本発明を例示するものに過ぎず、添付の特許請求の範囲を制限するものではない。これらの実施例に対し、本発明の範疇および技術思想の範囲内で種々の変更および修正を加えることが可能であることは当業者にとって明らかであり、これらの変形および修正が添付の特許請求の範囲に属することも当然のことである。
製造例１：スペーサ層の製造
窒素ガスが還流され、冷却装置を備えた１Ｌの反応器にエチルヘキシルアクリレート、エチルヘキシルメタクリレート、イソボルニルアクリレートからなる単量体混合物を投入した。酸素を除去するために窒素ガスで１時間パージした後、８０℃に維持した。前記単量体混合物を均一に混合し、前記単量体混合物合計１００重量部を基準に光開始剤として１－ヒドロキシ－シクロヘキシル－フェニル－ケトンを０．５重量部投入した。その後、攪拌し、ＵＶランプ（１０ｍＷ）を照射して、転化率２５％の（メタ）アクリレートシロップを製造した。
前記製造された（メタ）アクリレートシロップ１００重量部に、光重合開始剤として２，４，６－トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシドを投入し、攪拌及び脱泡した。脱泡されたシロップを離型フィルム上に塗布し、下記表１の厚さに予備塗膜を形成し、前記予備塗膜上に追加の離型フィルムを接合し、ＵＶを介して粘着シートを製造した。
実施例１～５
基板上に約２０００Å厚のＡＰＣ金属層と約５００Å厚のＩＺＯ金属保護層、約１０μｍ厚のカーボンペースト電極層（プルシアンブルー３ｗｔ％を含む）、グルコースオキシダーゼがキトサンで固定された酵素反応層を順に積層して作業電極を形成した。
基板上に作業電極と離隔してＡｇ／ＡｇＣｌ基準電極を形成した。
製造例１の粘着シートをレーザーまたは打ち抜いて図２～図８のデザインに従って開口部を形成し、片面の離型フィルムを剥がした後、コロナ処理をした１８８μｍのＰＥＴと接合した。反対面の離型フィルムを剥がして粘着面にコロナ処理をした後、作業電極及び基準電極が開口部の内部領域に配置されるように整列して基板と接合した。
比較例１及び２
基板上に実施例１と同様の作業電極及び基準電極を形成し、粘着シート及びＰＥＴフィルムを貼り付けていない比較例のバイオセンサを用意した。
実験例
実施例および比較例のバイオセンサに、下記表１に示す量の０．５ｍＭのグルコース標準溶液を注入して濃度を測定した。
５回測定に対する標準偏差を平均で割って相対標準偏差（ＲＳＤ）を計算し、下記表１に示す。
Figure 2022544668000002
表１に示すように、実施例のバイオセンサは少ない試料量でも効果的に駆動され、相対標準偏差が小さいことが確認された。

Claims (19)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置され、反応電極及び前記反応電極に接続された配線を含むセンシング電極層と、
    前記基板及び前記センシング電極層を部分的にカバーし、前記反応電極を露出させる開口部、および、前記開口部に連通し、外部に接続された試料搬送流路が形成されたスペーサ層と、
    前記スペーサ層を覆う保護カバーとを含む、バイオセンサ。
  2. 前記試料搬送流路は、前記バイオセンサの長手方向に前記スペーサ層を横切って前記開口部に接続され、
    前記開口部は、平面方向において前記反応電極を全て含むように拡張されている、請求項１に記載のバイオセンサ。
  3. 前記反応電極は、ギャップを挟んで対向して離隔するように配置された作業電極および基準電極を含む、請求項１に記載のバイオセンサ。
  4. 前記試料搬送流路からの仮想の延長線は、平面方向において前記作業電極と前記基準電極との間の前記ギャップ内に位置する、請求項３に記載のバイオセンサ。
  5. 前記試料搬送流路からの仮想の延長線は、平面方向において前記作業電極、前記基準電極、および前記ギャップを含む領域とずれて配置される、請求項３に記載のバイオセンサ。
  6. 前記基板の上面、前記スペーサ層の前記開口部の内壁、および前記保護カバーの内面によって、前記反応電極が収容される反応チャンバが定義される、請求項１に記載のバイオセンサ。
  7. 前記バイオセンサの側面に前記反応チャンバを開放する通気部をさらに含む、請求項６に記載のバイオセンサ。
  8. 前記通気部の幅は５０～５，０００μｍである、請求項７に記載のバイオセンサ。
  9. 前記通気部は、前記バイオセンサの前記側面に前記試料搬送流路で提供される試料搬送流路である、請求項７に記載のバイオセンサ。
  10. 前記保護カバーの水接触角は５０°以下である、請求項１に記載のバイオセンサ。
  11. 前記試料搬送流路の幅は５０～３，０００μｍである、請求項１に記載のバイオセンサ。
  12. 前記スペーサ層の厚さは３０～５００μｍである、請求項１に記載のバイオセンサ。
  13. 前記反応電極は作業電極および基準電極を含む、請求項１に記載のバイオセンサ。
  14. 前記作業電極は、
    前記基板上に配置された導電層と、
    前記導電層上に配置された電子輸送層と、
    前記電子輸送層上に配置された酵素反応層とを含む、請求項１３に記載のバイオセンサ。
  15. 前記酵素反応層は、グルコースオキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼおよびアルコールオキシダーゼの少なくとも１つのオキシダーゼ、またはグルコースデヒドロゲナーゼ、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼおよびアルコールデヒドロゲナーゼの少なくとも１つのデヒドロゲナーゼを含む、請求項１４に記載のバイオセンサ。
  16. 前記電子輸送層はプルシアンブルー（Prussian blue）を含む、請求項１４に記載のバイオセンサ。
  17. 前記導電層は金属層および金属保護層を含む、請求項１４に記載のバイオセンサ。
  18. 前記金属層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｐｄおよびそれらの合金の少なくとも１つを含み、前記金属保護層は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）またはＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）を含む、請求項１７に記載のバイオセンサ。
  19. 前記作業電極は、前記酵素反応層上に配置されたフィルタ層をさらに含む、請求項１４に記載のバイオセンサ。
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