KR100998648B1 - 바이오센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작동전극이 구비된 상부 기판 또는 하부 기판을 결합하기 위한 결합층에 전도성 물질을 형성하여 보조전극 또는 시료 인식전극으로 사용하는 바이오센서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 바이오센서는,

상부 기판 또는 절연 기판 중 적어도 어느 하나의 기판에 형성되며, 분석물질에 의해 형성된 신호를 측정하기 위한 1개 이상의 작동전극; 상기 두 기판을 결합하며, 전기적 전도성을 갖는 1개 이상의 전도성 결합층; 상기 결합된 두 기판과 상기 전도성 결합층에 의해 1개 이상의 분석물질의 반응공간을 형성하며, 상기 반응공간에 노출된 상기 전도성 결합층의 일측면이 상기 분석물질에 의해 형성된 신호를 측정하기 위한 보조전극으로 형성된 것을 특징으로 한다.

바이오센서, 전도성 결합층

Description

바이오센서{biosensor}

본 발명은 바이오센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작동전극이 구비된 상부 기판 또는 하부 기판을 결합하기 위한 결합층에 전도성 물질을 형성하여 보조전극 또는 시료 인식전극으로 사용하는 바이오센서에 관한 것이다.

바이오센서와 관련된 배경기술에는 다음과 같은 것들이 있다. 하기의 번호들은 모두 미국 등록특허번호이다.

5,437,999;포토리소그라피 방법을 사용하여 절연체 기판 위에 작동전극(working eletrode) 또는 보조전극(counter electrode)을 정밀한 면적으로 전극을 패터닝한 후, 상기 전극이 형성된 기판을 중간 결합층을 사용하여 서로 마주보게 결합하여 전극을 형성한다. 상기 중간 결합층의 일측에는 측정 시료 주입을 위한 빈 공간이 형성되어 있으며, 상기 빈 공간에는 분석물질과 반응하는 시약이 형성되며, 상기 작동전극 또는 보조전극이 형성된 기판에는 공기 배출을 위한 공기배출구가 형성되어 있다.

5,582,697; 시료에 존재하는 효소 기질(substrate)을 전기화학적 방법으로 정량하는 바이오센서, 절연 기판 위에 작동전극, 보조전극, 그라고 제3 전극을 구비한 형태로, 산화환원 효소(oxidoreductase)를 포함하는 반응층이 작동전극과 보조전극 위에 형성된 바이오센서. 제3 전극은 시료 주입을 감지하는 전극으로 사용되며, 시료주입구로부터 적어도 작동전극과 보조전극보다 더 멀리 위치한다.

6,071,391 및 6,156,173; 상부 기판과 하부 기판이 중간 결합층에 의해 결합되어, 시료 주입을 위한 공간을 형성하며, 작동전극 또는 보조전극이 상기 두 기판에 형성되어 서로 마주보는 형태로 구성된 바이오센서에서, 상기 두 기판에는 공기배출구가 형성되지 않는 형태이며, 시료를 주입하는 부위의 작동전극과 보조전극이 구비된 기판은 끝이 뾰족한 형태를 갖는다. 또한, 상기 상부 기판에 형성된 전극을 하부기판에 형성된 도선에 연결하기 위해 결합층 일부에 구멍을 뚫어 전도성 물질을 채워 넣어 연결한다.

6,576,101; 1uL 이하의 시료를 사용하여 전기화학적으로 시료를 측정하는 바이오센서에서, 공기 중에서 산화가 가능한 산화환원 물질을 고분자에 결합하여 작동전극 위에 반응에 참여하는 효소와 같이 코팅한 형태로 전극을 제작하는 방식으로, 상기 고분자에 결합된 산화/환원 물질은 작동전극 또는 효소와의 반응시 전자전달물질(mediator) 역할을 하며, 시료용액 속으로 확산되지 않는 성질을 갖는 다.

6,618,934; 다수의 전기화학 센서를 제작하는 방법으로, 기판 위에 다수의 작동전극과 보조전극을 첫번째 전극 구역과 두번째 전극 구역에 형성한 후, 스페이서(spacer)층을 상기 전극 구역 중 하나에 형성한 후, 시료 반응 챔버를 형성하기 위해 스페이서의 일부를 제거한 후, 상기 첫번째 전극 구역과 두번째 전극 구역이 층을 이루도록 상기 기판을 접어서 전기화학 센서를 제작한 후, 각각의 센서로 분리하는 방법으로, 각각의 센서는 적어도 1개 이상의 작동전극과 보조전극 그리고 시료 반응 챔버로 구성된다.

6,863,800; 전극 기판에 형성된 전극과 덮게 기판에 형성된 전극 사이에 스페이서가 위치한 분석물질을 측정하는 바이오센서 구성에서, 작동전극은 분석물질과 반응하는 시약과 전도성 물질, 전자전달물질(mediator)로 이루어진 잉크로 구성되어 있으며, 기준전극(reference electrode)은 전도성 물질 위에 분석물질과 반응하는 물질과 전자 전달 물질이 코팅되어 형성되며, 보조전극은 전도성 물질로 구성된 전극 기판과 덮게 기판이 서로 마주보게 위치한다.

6,885,196; 작동전극이 형성된 첫번째 절연 기판과 보조전극이 형성된 두번째 절연 기판이 서로 마주보고 있는 바이오센서 구조에서, 상기 두 기판 사이에 시료 유입 공간이 형성되어 있으며, 상기 시료 유입 공간 내부에 상기 작동전극과 보 조전극 그리고 산화환원효소 (oxidoredutase)를 포함하는 반응층이 노출되어 있으며, 작동전극과 보조전극 사이의 거리는 150마이크로미터 이하이며, 시료 유입 공간에 노출된 보조전극의 면적이 노출된 작동전극의 면적보다 작은 바이오센서이다.

6,942,769B2; 전극형성을 위한 기판 위에 전극을 형성한 후, 기판 및 상기 전극 위에 절연막, 접착제층, 10 ~ 40%의 다공성을 갖는 층, 접착제층, 덮게판을 순서대로 결합하여 조립된 바이오센서에서, 상기 절연막과 덮게판에는 구멍이 형성되어 있으며, 상기 다공성층은 절연막과 덮게판에 형성된 구멍으로 분석물질의 흐름과 부피를 제어한다.

7,022,218; 극미량 시료분석을 위한 바이오센서에서, 첫번째 절연 기판 위에 다수의 가지를 갖는 작동전극과, 다수의 가지를 갖는 보조전극을 서로 교대로 번갈아 배치하고, 두번째 절연 기판에는 또 다른 보조전극 가지를 형성하여 상기 두 기판을 서로 마주보게 조립하여 제작하며, 두 기판 사이에 형성된 시료 유입 공간에는 산화환원효소로 구성된 반응시약과 교대로 배치된 작동전극과 보조전극이 위치한다.

7,050,843; 전도성 표면을 갖는 절연성 첫번째 기판과 전도성 표면을 갖는 두번째 기판이 중간층에 의해 서로 마주보게 결합되며, 상기 두 기판과 중간층에 의해 형성된 모세관 채널에는 시료와 반응하는 시약이 건조된 형태로 형성된 바이 오센서에서, 상기 전도성 표면에는 "V" 형태를 갖는 절연성 패턴 라인을 형성하여 시료의 흐름을 조정하며, 상기 전도성 표면을 2개의 구획으로 나눈다.

2006/0008581 A1; 전기화학 센서를 제조하는 방법에서, 첫번째 절연체 위에 작동전극을 구비하고 다수의 절연층을 상기 작동전극 위에 형성한 후, 상기 작동전극을 관통하는 구멍을 뚫어 용기를 형성하며, 상기 잘려진 작동전극의 단면이 용기 벽에 노출된 형태이며 추가적으로 기준전극을 상기 다수의 절연체 중 최상위층에 형성하고 추가적으로 하부 판을 결합하여 제조하는 방법이다.

상기 선행기술에서 기술하는 전기화학적으로 분석물질을 측정하는 바이오센서는, 기본적으로 상부 절연체 기판, 하부 절연체 기판과 상기 두 기판을 결합하는 중간층으로 구성되며, 상기 두 기판과 중간층에 의해 시료주입 또는 시료반응을 위한 공간으로 구성되며, 상기 두 기판에는 전기화학적 산화 또는 환원을 측정하기 위한 작동전극과 보조전극을 구비한 형태이다.

특히, 전기화학적 산화/환원 전류를 측정하기 위해서는 상기 기판 위에 형성된 작동 전극과 보조전극이 시료와 접촉하는 면적이 중요하며, 일반적으로 전기화학적 신호는 전극 면적에 비례하여 증가한다. 동일한 시료의 부피를 사용하여 보다 큰 전기화학적 신호를 얻기 위해, 상기 특허들은 상기 두 기판 중 하나에 작동전극을 구비하고, 나머지 다른 기판에는 보조전극을 형성한 후, 중간층을 사용하여 두 전극이 서로 마주보게 형성한다. 이러한 전극의 배열은 상기 두 전극을 동일한 기판에 형성하는 것 보다 전극 면적을 효율적으로 극대화할 수 있는 장점을 갖는다.

그러나, 대부분의 전극에 사용되는 전도성 물질은 불투명하므로, 상기 두 기판 모두에 전극을 형성할 경우 시료 주입 시 육안 확인이 어려운 단점이 있다.

이러한 문제점을 보완하기 위해 시료 주입을 확인하기 위한 작동전극과 보조전극 이외의 다른 전극을 형성하는 방법을 사용하지만, 한정된 면적에 제3의 전극형성으로 인해 작동전극 또는 보조전극의 면적이 축소되거나 측정을 위한 시료량이 증가하는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 작동전극이 구비된 상부 기판 또는 하부 기판을 결합하기 위한 결합층에 전도성 물질을 형성하여 보조전극 또는 시료 인식전극으로 사용하는 바이오센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 바이오센서는,

시료 내의 분석물질을 측정하기 위한 바이오센서에 있어서,

상부 기판 또는 절연 기판 중 적어도 어느 하나의 기판에 형성되며, 분석물질에 의해 형성된 신호를 측정하기 위한 1개 이상의 작동전극; 상기 두 기판을 결 합하며, 전기적 전도성을 갖는 1개 이상의 전도성 결합층; 상기 결합된 두 기판과 상기 전도성 결합층에 의해 1개 이상의 분석물질의 반응공간을 형성하며, 상기 반응공간에 노출된 상기 전도성 결합층의 일측면이 상기 분석물질에 의해 형성된 신호를 측정하기 위한 보조전극으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 작동전극은 전도성 고분자, 금, 팔라듐, 흑연, 탄소, ITO입자, 금속 입자, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도성 결합층의 일측면에 요철 또는 굴곡이 형성하여 시료와의 접촉면적을 증가한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도성 결합층은 절연층의 양면에 전도성 접착물질을 인쇄 또는 코팅하여 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도성 결합층은 절연층의 일면에 전도성 접착물질이 형성되고, 절연층의 다른 일면에 비전도성 접착물질이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도성 결합층은 전도성 접착물질로만 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도성 결합층은 전도성 고분자, 금, 은, 염화은, 팔라듐, 흑연, 탄소, ITO입자, 금속 입자, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 기판과 절연 기판, 그리고 상기 전도성 결합층과의 결합은 압력, 열, 또는 빛을 이용하여 결합된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응공간에는 상기 분석물질과 반응하는 하나 이상의 효소와, 상기 효소와 반응하여 산화 또는 환원이 가능한 전자전달물질을 포함하는 반응층이 형성된 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 반응층은 상기 반응공간과 상기 전도성 결합층의 하부에 형성되는 것이 바람직하다. 또한 이때, 상기 반응층은 수용성 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 또한 이때, 상기 반응층에 포함된 효소는 산화환원효소, 전달효소, 가수분해효소, 분해효소, 이성화효소, 합성효소 중 적어도 어느 하나 이상의 효소인 것이 바람직하다. 또한 이때, 상기 반응층은 pH2 내지 pH9의 완충용액 물질을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전도성 결합층의 두께는 1μm 내지 1000μm 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전도성 결합층의 면저항은 10Ω 내지 500kΩ인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 작동전극 위에 형성되며, 상기 전도성 결합층에 의해 결합되는 다공성층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 다공성층은 시료 내의 적혈구를 제거할 수 있는 10 ㎛ 이하의 미세 다공성으로 이루어진 것이 바람직하다. 또한 이때, 상기 다공성층은 시료 내의 분석물질과 반응하는 효소를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상부 기판, 상기 절연 기판, 그리고 상기 전도성 결합층에 의해 형성된 반응공간 내에 전도성 결합층으로 형성되며, 상기 반응공간으로 유입된 시 료를 감지하기 위한 시료인식전극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 시료인식전극은 시료 주입을 위한 시료주입부와 이격되어 형성되되, 상기 작동전극보다 먼 위치에서 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상부 기판, 상기 절연 기판, 그리고 상기 전도성 결합층에 의해 형성된 상기 반응공간에 연결된 공기 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 바이오센서에 의하면, 전도성 결합층이 보조전극 또는 시료 인식전극으로 사용되므로, 별도로 상기 전극들을 기판 위에 구비할 필요가 없어 작동전극의 면적을 최대화할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서의 단면도, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서에서 반응공간에 반응층이 형성된 것을 도시한 단면도, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서에서 반응공간과 전도성 결합층의 일부 하부에 반응층이 형성된 것을 도시한 단면도, 도 5는 본 발명에 따른 바이오센서의 전도성 결합층을 도시한 단면도, 도 6은 본 발명에 따른 바이오센서에서 반응공간으로 유입된 시료를 감지하기 위한 시료인식전극을 포함하는 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도, 도 7은 본 발명에 따른 바이오센서에서 작동전극 위에 형성되며, 전도성 결합층에 의해 결합되는 다공성층을 포함하는 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도, 도 8은 본 발명에 따른 바이오센서에서 바이오센서의 양쪽 측면에 시료주입부와 시료 반응공간을 구비한 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다수의 반응공간을 구비한 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 대면형 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도, 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 대면형 바이오센서의 단면도, 도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다수의 반응공간을 구비한 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도, 도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 다수의 반응공간을 구비한 바이오센서의 단면도, 도 14는 회전 가능한 회전체에 장착된 본 발명에 따른 바이오센서를 도시한 도이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도이다.

도 1(a)를 참조하면, 먼저 절연기판(10) 표면에 전도성층(20, 30)을 형성한 다. 상기 전도성층은 인쇄, 코팅, 증착 등 다양한 방법으로 형성할 수 있다.

그 다음, 상기 전도성층(20, 30)과 절연기판(10)에 절연층(40)을 도 1(b)에 도시된 바와 같은 패턴으로 형성하여 후공정에서 형성될 전도성 결합층(50A)과 접촉하는 전도성층(20)의 일부를 가린 후, 작동전극(30A)과 작동전극의 측정기기 연결부(30B)를 형성하며, 전도성 결합층(50B)과 전도성층(20)과의 전기적 연결을 위한 연결부(20A) 및 측정기기 연결부(20B)를 형성한다.

그 다음, 전도성 결합물질을 도 1(c)에 도시된 바와 같은 패턴으로 형성하여 전도성 결합층(50A, 50B)을 형성한다. 도 1(c)에는 전도성 결합층(50A, 50B)과 시료와 접촉하는 전도성 물질의 일부인 노출부(20C)가 함께 보조전극으로 사용하는 경우가 도시된 것이고, 도 1(c')에는 전도성 결합층(50A, 50B)이 전기화학센서에서 보조전극으로 사용되는 경우가 도시된 것이다.

상기 전도성 결합층은 전기적 전도성과 접착성을 구비한 물질로 구성된 층으로 이에 대하여는 도 5를 참조하여 후술한다.

그 다음, 도 1(d)에 도시된 바와 같이, 상기 전도성 결합층의 접착력을 이용하여 상기 절연기판(10)과 상부기판(80)을 결합한다. 도 1(a) ~ 도 1(d)에 도시된 바와 같은 패턴으로 절연기판과 상부기판을 전도성 결합층으로 결합하므로써, 측정 시료 주입을 위한 시료 주입구(90), 측정 분석물질이 반응하는 시료 반응공간(70), 상기 시료 주입구(90)를 통한 시료 주입에 의한 시료 반응공간(70) 내부의 공기 배출을 위한 공기 배출부(60)가 형성된다. 이때, 상기 상부 기판과 절연 기판, 그리고 상기 전도성 결합층과의 결합은 압력, 열, 또는 빛을 이용하여 결합하 는 것이 바람직하다. 또한 상기 전도성 결합층(50A, 50B)을 전도성 물질로 구성하므로 연결부(20A)를 통하여 전도성층(20)과 전기적으로 연결하는 역할을 한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 시료 반응공간(70)에 노출된 전도성 결합층(50C, 50D)는 분석시료와 접촉하여, 전기화학센서에서 보조전극 또는 기준전극 또는 상기 시료 반응공간(70)으로의 시료 유입을 감지하기 위한 시료인식 전극으로 사용된다. 상기 전도성 결합층(50A, 50B, 50C, 50D)의 이러한 전극으로의 사용은 제한된 시료 반응공간(70) 내부에서 최소한의 공간 점유율을 가지므로 상대적으로 최대한의 작동전극(working electrode, 30A) 면적을 유지할 수 있는 장점을 갖는다. 이때, 상기 작동전극은 전도성 고분자, 금, 팔라듐, 흑연, 탄소, ITO입자, 금속 입자, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서에서 반응공간에 반응층이 형성된 것을 도시한 단면도, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서에서 반응공간과 전도성 결합층의 일부 하부에 반응층이 형성된 것을 도시한 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 시료의 분석물질 측정을 위한 반응층(500)을 바이오센서(100)의 시료 반응공간(70)에 형성한 형태로, 상기 반응층(500)은 작동전극(30A)에 형성이 가능하며, 상기 반응층(500)의 일부(500A, 500B)를 전도성 결합 층(50A, 50B) 아래에 형성 가능하다. 상기 반응층(500)은 분석물질과 반응하여 작동전극(30A)에서 측정 가능한 분석 신호를 제공하며, 분석물질에 따라 다양한 종류의 효소로 구성되며, 고분자와 함께 반응층(500)을 형성한다.

특히, 도 4에 도시된 바와 같이, 반응층의 일부(500A, 500B)가 전도성 결합층(50A, 50B) 아래에 형성될 경우, 시료 유입에 의해 상기 반응층이 용해되거나 습윤 또는 시료를 흡수하여 접촉하고 있는 전도성 결합층과 연결되며, 상대적으로 시료와 전도성 결합층과의 접촉 면적을 반응층을 통해 넓힐 수 있다. 상기 반응층(500, 500A, 500B)의 고분자는 수용성 고분자 또는 비수용성 고분자를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 수용성 고분자가 적합하다.

이때, 상기 반응층(500)에 구비된 효소는 측정 분석물질에 따라 산화환원효소(oxidoreductase), 전달효소(transferase), 가수분해효소(hydrolase), 분해효소(lyase), 이성화효소(isomerase), 합성효소(synthetase) 중 적어도 어느 하나 이상의 효소를 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 선택된 효소의 활성(activity)을 유지하기 위해 pH 2 ~ pH 9 사이의 완충용액(buffer) 물질을 추가로 사용할 수 있다. 추가적으로 상기 반응층(500)은 상기 효소와 반응하여 산화-환원이 가능한 전자전달물질(mediator)을 포함하며, 상기 전자전달물질은 작동전극에서 일정한 전압을 인가했을 때 산화 또는 환원하여, 산화 전류 또는 환원 전류를 생성한다.

상기 반응층에 대한 설명은 본 발명의 제1 실시예 뿐만 아니라, 후술하는 제2 내지 제4 실시예에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 바이오센서의 전도성 결합층을 도시한 단면도이다.

도 5를 참조하면, 상기 전도성 결합층(50)은 절연 기판과 상부 기판을 결합하여 시료 주입부, 시료 반응공간을 형성하며 추가적으로 상기 반응공간에 노출된 전도성 결합층은 바이오센서에서 보조전극 및 시료 인식 전극으로 사용된다. 본 발명에 따른 바이오센서에서 상기 전도성 결합층(50)은 단일 전도층(400)(도 5(a)참조)으로 구성될 수 있으며, 전기적 전도성과 절연기판과 상부 기판을 결합하는 접착성을 모두 갖는다.

또한, 상기 전도성 결합층(50)은 다층의 형태로도 가능하다. 예를 들면, 절연층(450)의 양면에 전도층(400)이 구비된 형태(도 5(b)참조), 또는 절연층(450) 일면에는 전도층(400), 다른 일면에는 비전도성 접착층(500)으로 이루어질 수 있으며(도 5(c)참조), 상기 두 층(400, 500) 모두는 상부 기판 또는 절연 기판에 접착성을 가진다. 또한, 상기 비전도성 접착층(500)과 전도층(400) 사이에 형성된 절연층(450)을 제거하여 사용할 수 있다(도 5(d)참조).

또한, 상기 전도성 결합층의 일측면에 요철 또는 굴곡이 형성하여 시료와의 접촉면적이 증가되도록 할 수 있다.

또한, 상기 전도성 결합층의 두께는 1μm 내지 1000μm 인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 전도성 결합층의 두께가 1000μm이상일 경우, 시료와 접촉하는 보조전극의 면적이 증가하여 안정적인 전기적 신호를 얻을 수 있으나, 형성된 반응공간의 부피가 커 많은 양의 시료가 요구되어지며, 1μm이의 경우 결합층의 두께가 낮아 절연기판(10)과 상부 기판(80)과의 접착력이 낮아 결합이 어려우며, 두께의 오차가 심해 형성된 반응공간의 부피가 일정하지 않으며, 또한 시료와 접촉하는 보조전극의 면적이 감소하여 보조전극으로의 역할이 어렵기 때문이다.

또한, 상기 전도성 결합층의 면저항은 10Ω 내지 500kΩ인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 전도성 결합층의 면저항이 10Ω이하일 경우, 전도성 결합층에 전도성 물질의 비율을 높여야 하며 이로 인해 상대적으로 접착물질의 함량이 감소하여 접착력이 떨어지며, 500kΩ이상의 저항을 갖을 경우, 저항이 높아 안정적인 전기적 신호 측정이 어려운 단점이 있기 때문이다.

상기 전도성 결합층(50)의 절연 기판 또는 상부 기판의 접착성은 상기 전도성 결합층에 열, 압력, 자외선 조사 등의 방법으로 이루어지며, 상기 전도층(400)에 전도성 고분자, 금, 은, 염화은, 팔라듐, 흑연, 탄소, ITO 입자, 금속 입자, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 등 전도성을 갖는 물질과 접착성을 갖는 물질을 혼합하여 제작할 수 있으며, 그 밖에 상용화된 물질을 사용할 수도 있다.

상기 전도성 결합층에 대한 설명은 제1 실시예 뿐만 아니라, 후술하는 제2 내지 제4 실시예에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 바이오센서에서 반응공간으로 유입된 시료를 감지하기 위한 시료인식전극을 포함하는 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도이다.

먼저, 절연기판(10) 표면에 전기화학센서에서 작동전극으로 사용하기 위한 전도성 물질(30), 후공정에서 형성될 전도성 결합층과 전기적으로 연결되어 상기 전도성 결합층(50A, 50B)이 보조전극으로 사용되기 위한 전도성 물질(20), 후공정에서 형성될 전도성 결합층(50E)과 전기적으로 연결되어 상기 전도성 결합층(50E)이 시료 반응공간(70)에 유입된 시료를 감지하는 시료인식전극으로 이용하기 위한 전도성 물질(110)을 도 6(a)에 도시된 바와 같은 패턴으로 형성한다.

그 다음, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 상기 전도성 물질(20, 30, 110)의 일부에 절연층(40)을 형성하여, 보조전극으로 사용되는 전도성 결합층(50A, 50B)과 전기적 연결을 위한 연결부(20A), 시료 인식전극으로 사용되는 전도성 결합층(50E)과 전기적 연결을 위한 연결부(110A), 자동전극(30A)을 형성한다.

그 다음, 도 6(c)에 도시된 바와 같은 패턴으로 전도성 결합층(50A ,50B ,50E)을 형성한다. 상기 전도성 결합층(50A, 50B)은 보조전극으로 사용되고, 상기 전도성 결합층(50E)는 시료 주입 인식을 위한 시료인식전극으로 사용된다.

그 다음, 도 6(d)에 도시된 바와 같이, 상기 전도성 결합층(50A ,50B ,50E)을 이용하여 절연기판(10)과 상부기판(80)을 결합하여, 시료의 반응을 위한 시료 반응공간(70), 상기 반응공간으로 시료 유입에 따른 공간 내부의 공기 배출을 위한 공기 배출부(60), 시료 주입을 위한 시료 주입부(90), 상기 각각의 전도성 물질(20, 30, 110)을 측정기기와 전기적 연결을 위한 각각의 연결선(20B, 30B, 110B)을 형성한다.

추가적으로 시료의 분석물질을 측정하기 위해 분석물질과 반응하는 물질을 상기 시료 반응공간(70)에 구성할 수 있으며, 예를 들면 상기 시료 반응공간(70)에 노출된 작동전극(30A) 또는 노출된 상부 기판(80)에 시료의 분석물질과 반응하는 시약을 형성할 수 있다.

시료가 시료 주입부(90)를 통해 주입되어 시료 반응공간(70)으로 유입되며, 이때 반응공간 내부의 공기는 공기 배출부(60)를 통해 외부로 배출된다. 상기 시료는 시료 반응공간(70) 일부에 형성된 시료 인식용 전도성 결합층(50E)에 의해 시료의 완전한 주입 유무를 전기화학적으로 감지할 수 있으며, 시료 감지 후, 일정한 시간 동안 반응공간에서 반응시킨 후, 작동전극(30A)과 보조전극용 전도성 결합층(50A, 50B)을 사용하여 전기화학적 방법으로 시료를 측정한다.

이러한 시료 인식용 전극을 절연기판(10) 또는 상부 기판(80)에 형성할 경우 여분의 면적을 사용하게 되며, 결과적으로 시료 반응공간(70)의 부피를 증가시키므로 시료 분석물 측정시 상대적으로 많은 양의 시료를 필요로 한다.

이러한 문제점을 해결하여 상대적으로 소량의 시료를 사용하여 분석물질을 측정하기 위해 시료 인식용 전도성 결합층(50E)를 형성할 경우, 따로 절연기판(10) 또는 상부 기판(80) 시료 인식용 전극을 사용할 필요가 없다.

그리고, 상기 시료인식전극에 대한 설명은 본 발명의 제1 실시예 뿐만 아니라, 후술하는 제2 내지 제4 실시예에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 바이오센서에서 작동전극 위에 형성되며, 전도성 결합층에 의해 결합되는 다공성층을 포함하는 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도이다.

먼저, 절연 기판(10)에 전도성 물질(20, 30)을 도 7(a)에 도시된 바와 같이 형성한다.

그 다음, 도 7(b)에 도시된 바와 같은 패턴으로 절연층(40)을 상기 전도성 물질 일부에 형성하여 작동전극(30A)과 보조전극으로 사용되는 전도성 결합층(50)을 전기적으로 연결하기 위한 연결부(20A), 상기 전도성 물질을 전기적으로 전기화학 측정기기에 연결하기 위한 연결선(20B, 30B)을 형성한다.

그 다음, 도 7(c)에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(40) 위에 전도성 결합층(50)을 형성한다. 이때, 상기 전도성 결합층(50)은 상기 작동전극(30A)를 덮지 않도록 한다.

그 다음, 도 7(d)에 도시된 바와 같이, 다공성 층(200)을 상기 작동전극(30A) 위에 전도성 결합층(50)을 사용하여 결합한 후, 상부기판을 결합하여 바이오센서(100)를 제조한다. 상기 다공성층(200)은 미세 다공성으로 구성되어 있으며, 시료 내에 존재하는 미세입자를 제거하는 역할을 한다. 이때, 상기 다공성층은 시료 내의 적혈구를 제거할 수 있는 10μm 미만의 미세 다공성으로 이루어진 것이 바람직하다. 또한 이때, 상기 다공성층은 분석물질과 반응하는 효소를 포함하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 상기 다공성층(200) 위로 전혈 시료를 가할 경우, 전혈 시료에 존재하는 적혈구가 제거된 혈청 성분만 다공성층(200)을 통과하여 작동전극(30A)으로 흘러가며, 일부 분리된 혈청시료는 보조전극인 전도성 결합층(50)으로 유입되어, 상기 작동전극(30A)과 보조전극 전도성 결합층(50)을 전기적으로 연결한다.

도 8은 본 발명에 따른 바이오센서에서 바이오센서의 양쪽 측면에 시료주입부와 시료 반응공간을 구비한 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도이다.

먼저, 절연기판(10)에 도 8(a)에 도시된 바와 같은 패턴으로 전도성 물질(20, 30)을 형성한다.

그 다음, 도 8(b)에 도시된 바와 같은 패턴으로 절연층(40)을 형성하여 상기 전도성 물질(20, 30)에 작동전극(30A), 보조전극으로 사용되는 전도성 결합층(50A, 50B)과의 전기적 연결을 위한 연결부(20A), 측정 기기와 각각의 전도성 물질(20, 30)을 전기적으로 연결하기 위한 연결선(20B, 30B)을 형성한다.

그 다음, 도 8(c)에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(40) 위에 전도성 결합층(50A, 50B)을 형성한다.

그 다음, 상기 전도성 결합층을 사용하여 절연기판(10)과 상부기판(80)을 결합하여, 양쪽 측면에 시료 주입을 위한 시료 주입부(90)와 시료 반응공간(70)이 형성된 바이오센서(100)를 제조한다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다수의 반응공간을 구비한 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도이다.

먼저, 절연기판에 도 9(a)에 도시된 바와 같은 패턴으로 다수의 전도성 물질(20, 30, 110)을 형성한다.

그 다음, 도 9(b)에 도시된 바와 같은 패턴으로 절연층(40)을 상기 다수의 전도성 물질에 형성하여 다수의 작동전극(30A), 다수의 전도성 결합층(50A, 50B, 50E)과 상기 다수의 전도성 물질의 전기적 연결을 위한 다수의 연결부(20A, 30A, 1l0A), 측정 기기와 상기 다수의 전도성 물질을 전기적으로 연결하기 위한 다수의 연결선(20B, 30B, 110B)을 형성한다.

그 다음, 도 9(c)에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(40) 위에 전도성 결합층(50A, 50B, 50E)을 형성한다.

그 다음, 상기 전도성 결합층을 사용하여 절연기판(10)과 상부기판(80)을 결합하여, 시료 반응공간(70) 내부로 유입된 시료를 감지하기 위한 시료 인식 전극용 전도성 결합층(50E), 보조전극용 전도성 결합층(50A, 50B)을 제작하며, 시료 주입에 의한 반응공간(70) 내부의 공기 배출을 위한 다수의 공기 배출부(60)를 구성한다.

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 대면형 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도이다.

먼저, 절연기판에 도 10(a)에 도시된 바와 같은 패턴으로 절연기판(10)에 전도성 물질(20, 30, 120)을 형성하고, 도 10(b)에 도시된 바와 같은 패턴으로 상부기판(80)에 전도성 물질(130)을 형성한다.

그 다음, 도 10(c)에 도시된 바와 같은 패턴으로 상기 절연기판(10)에 절연층(40)을 형성하여 상기 전도성 물질(20, 30, 120)의 일부에 작동전극(30A), 전도성 결합층(50A, 50B)과 상기 전도성 물질(20, 120)과의 전기적 연결을 위한 연결 부(20A, 120A), 상기 전도성 물질(20, 30, 120)과 측정기기와의 전기적 연결을 위한 연결선(20B, 30B, 120B)을 형성한다. 상기 절연층(40) 및 연결부(20A, 120A)에 전도성 결합층(50A, 50B, 50E)을 형성하며, 상기 전도성 결합층(50E)은 분석 시료와 직접 닿지 않으며 상부 기판(80)에 형성된 연결부(130B)와 전기적으로 연결된다.

그 다음, 도 10(d)에 도시된 바와 같은 패턴으로 상기 상부기판(80)에 절연층(40)을 형성하여 작동전극(130A)과 전도성 결합층(50E)과 전기적 연결을 위한 연결부(130B)를 형성한다.

그 다음, 도 10(e)에 도시된 바와 같은 패턴으로 상기 절연기판(10)에 전도성 결합층(50A, 50B, 50E)을 형성한다.

그 다음, 도 10(f)에 도시된 바와 같이, 상기 전도성 결합층을 이용하여 상기 절연기판(10)과 상부기판(80)을 결합하여 시료 주입을 위한 시료 주입부(90), 시료 반응공간(70), 공기 배출부(60)를 포함하는 바이오센서(100)를 제조한다.

도 11은 상기 제3 실시예에 따른 대면형 바이오센서의 단면도로써, 이를 참조하면, 전도성 결합층(50B, 50A)에 의해 절연 기판(10)과 상부 기판(80)을 결합하여 시료반응공간(70)을 형성하고 상기 반응공간에 노출된 전도성 물질(130A, 30A)은 전기화학 센서에서 작동전극으로 사용되며, 전도성 결합층(50A, 50B) 중 반응공간 방향으로 노출된 부분(50C, 50D)은 보조전극으로 사용된다.

이러한 구조의 바이오센서에서는 한정된 반응공간(70)에서 시료 분석용 작동 전극을 다수로 구비 가능하므로, 소량의 시료를 사용하여 다수의 분석 물질을 측정하는 장점과, 상기 전도성 결합층의 반응공간 노출부(50C, 50D)가 보조전극으로 사용되므로, 각각의 작동전극에 대응하는 보조전극을 제작할 필요가 없다. 추가적으로 상기 반응공간(70) 내부의 작동전극(30A, l30A)에 시료 분석물질과 반응하여 전기적 검출신호를 발생하는 반응물질이 형성될 수 있다.

도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다수의 반응공간을 구비한 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도이고, 도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 다수의 반응공간을 구비한 바이오센서의 단면도이다.

먼저, 절연기판(10)에 도 12(a)에 도시된 바와 같은 패턴으로 다수의 전도성 물질(20, 30)을 형성한다.

그 다음, 도 12(b)에 도시된 바와 같은 패턴으로 절연층(40)을 상기 다수의 전도성 물질(20, 30)에 형성하여 다수의 작동전극(30A)과, 전도성 결합층(50) 연결부(20A)와 각각의 전도성 물질(20, 30)과 측정 기기와의 전기적 연결을 위한 다수의 연결선(20B, 30B)을 형성한다.

그 다음, 도 12(c)에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(40) 위에 전도성 결합층(50)을 형성한다.

그 다음, 상기 전도성 결합층을 사용하여 절연기판(10)과 상부기판(80)을 결합하여 다수의 시료 반응공간(70)을 형성한다.

이와 같이 제조된 바이오센서(100)에서 다수의 시료 반응공간(70)에 노출된 상기 다수의 전도성 결합층(50)의 노출부(50F)(도 13참조)는 보조전극으로 사용된다. 상기와 같은 바이오센서는 다수의 시료를 한번에 측정할 수 있는 장점이 있다.

도 14는 회전 가능한 회전체에 장착된 본 발명에 따른 바이오센서를 도시한 도이다.

도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오센서는 전술한 바와 같은 절연기판(10), 절연층(40), 전도성 결합층(50), 상부 기판(80)으로 구성되며, 작동전극으로 사용되는 전도성 물질이 상기 절연기판 또는 상부 기판 또는 두 기판 모두에 형성가능하며, 하나의 바이오센서에서 다수의 분석물질을 측정할 수 있다.

상기 바이오센서는 절연 기판(10) 또는 상부 기판(80)에 절연층(40)을 형성하여 다수의 작동전극을 위한 전도성 물질 및 상기 전도성 결합층(50)과의 전기적 연결을 위한 다수의 전도성 물질, 측정 기기와의 전기적 연결을 위한 다수의 연결선(20B, 30B)을 형성한 후, 분석 시료 또는 유체가 이동하는 다수의 유로(310, 310A), 다수의 시료와의 반응공간(70), 다수의 상기 시료 반응공간 내부의 공기 배출부(60)를 상기 전도성 결합층(50)을 사용하여 형성한다.

또한 상기 전도성 결합층(50)의 상기 유로(310, 310A) 및 시료 반응공간(70)의 노출 부위는 시료 내의 분석물질 측정을 위한 전기화학 바이오센서에서 보조전극 역할을 수행하며, 상기 유로(310, 31OA) 및 반응공간(70), 공기 배출부(60) 형성은 절연 기판(10)과 상부 기판(80)을 상기 전도성 결합층(50)으로 결합하여 형성한다.

상기 바이오센서(100)는 시료의 이동, 혼합, 반응, 전처리 등을 센서의 회전에 의한 힘으로 구현되며, 측정 기기와의 다수의 전기적 연결도 상기 센서의 회전에 의해 이루어진다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바이오센서를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도,

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서의 단면도,

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서에서 반응공간에 반응층이 형성된 것을 도시한 단면도,

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오센서에서 반응공간과 전도성 결합층의 일부 하부에 반응층이 형성된 것을 도시한 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 바이오센서의 전도성 결합층을 도시한 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 바이오센서에서 반응공간으로 유입된 시료를 감지하기 위한 시료인식전극을 포함하는 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도,

도 7은 본 발명에 따른 바이오센서에서 작동전극 위에 형성되며, 전도성 결합층에 의해 결합되는 다공성층을 포함하는 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도,

도 8은 본 발명에 따른 바이오센서에서 바이오센서의 양쪽 측면에 시료주입부와 시료 반응공간을 구비한 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도,

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다수의 반응공간을 구비한 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도,

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 대면형 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도,

도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 대면형 바이오센서의 단면도,

도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다수의 반응공간을 구비한 바이오센서를 제조하는 과정을 도시한 공정도,

도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 다수의 반응공간을 구비한 바이오센서의 단면도,

도 14는 회전 가능한 회전체에 장착된 본 발명에 따른 바이오센서를 도시한 도이다.

Claims (21)

1. 시료 내의 분석물질을 측정하기 위한 바이오센서에 있어서,

   상부 기판 또는 절연 기판 중 적어도 어느 하나의 기판에 형성되며, 분석물질에 의해 형성된 신호를 측정하기 위한 1개 이상의 작동전극;

   상기 두 기판을 결합하며, 전기적 전도성을 갖는 1개 이상의 전도성 결합층;

   상기 결합된 두 기판과 상기 전도성 결합층에 의해 1개 이상의 분석물질의 반응공간을 형성하며, 상기 반응공간에 노출된 상기 전도성 결합층의 일측면이 상기 분석물질에 의해 형성된 신호를 측정하기 위한 보조전극;을 포함하되,

   상기 반응공간에는 상기 분석물질과 반응하는 하나 이상의 효소와, 상기 효소와 반응하여 산화 또는 환원이 가능한 전자전달물질을 포함하는 반응층이 형성된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 작동전극은 전도성 고분자, 금, 팔라듐, 흑연, 탄소, ITO입자, 금속 입자, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 전도성 결합층의 일측면에 요철 또는 굴곡이 형성하여 시료와의 접촉면 적을 증가한 것을 특징으로 하는 바이오센서.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 전도성 결합층은 절연층의 양면에 전도성 접착물질을 인쇄 또는 코팅하여 형성된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 전도성 결합층은 절연층의 일면에 전도성 접착물질이 형성되고, 절연층의 다른 일면에 비전도성 접착물질이 형성된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 전도성 결합층은 전도성 접착물질로만 형성된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 전도성 결합층은 전도성 고분자, 금, 은, 염화은, 팔라듐, 흑연, 탄소, ITO입자, 금속 입자, 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 상부 기판과 절연 기판, 그리고 상기 전도성 결합층과의 결합은 압력, 열, 또는 빛을 이용하여 결합된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
9. 삭제
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 반응층이 상기 반응공간과 상기 전도성 결합층의 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
11. 청구항 1에 있어서,

    상기 반응층은 수용성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
12. 청구항 1에 있어서,

    상기 반응층에 포함된 효소는 산화환원효소, 전달효소, 가수분해효소, 분해효소, 이성화효소, 합성효소 중 적어도 어느 하나 이상의 효소인 것을 특징으로 하는 바이오센서.
13. 청구항 1에 있어서,

    상기 반응층은 pH2 내지 pH9의 완충용액 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
14. 청구항 1에 있어서,

    상기 전도성 결합층의 두께는 1μm 내지 1000μm 인 것을 특징으로 하는 바이오센서.
15. 청구항 1에 있어서,

    상기 전도성 결합층의 면저항은 10Ω 내지 500kΩ인 것을 특징으로 하는 바이오센서.
16. 청구항 1에 있어서,

    상기 작동전극 위에 형성되며, 상기 전도성 결합층에 의해 결합되는 다공성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
17. 청구항 16에 있어서,

    상기 다공성층은 시료 내의 적혈구를 제거할 수 있는 10 ㎛ 이하의 미세 다공성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오센서.
18. 청구항 16에 있어서,

    상기 다공성층은 시료 내의 분석물질과 반응하는 효소를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
19. 청구항 1에 있어서,

    상기 상부 기판, 상기 절연 기판, 그리고 상기 전도성 결합층에 의해 형성된 반응공간 내에 전도성 결합층으로 형성되며, 상기 반응공간으로 유입된 시료를 감지하기 위한 시료인식전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
20. 청구항 19에 있어서,

    상기 시료인식전극은 시료 주입을 위한 시료주입부와 이격되어 형성되되, 상기 작동전극보다 먼 위치에서 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
21. 청구항 1에 있어서,

    상기 상부 기판, 상기 절연 기판, 그리고 상기 전도성 결합층에 의해 형성된 상기 반응공간에 연결된 공기 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로하는 바이오센서.

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