KR102447193B1 - Multi-gap electrochemical sensor and quantitative analysis method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 멀티 갭 전기화학 센서 및 이를 이용한 정량분석 방법을 개시한다. 본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서는 베이스 기판의 표면 중 서로 인접한 제1 및 제2 영역에 각각 형성된 제1 및 제2 센싱 소자부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 센싱 소자부 각각은 상기 베이스 기판의 표면에 배열되고 서로 이격된 제1 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 센싱 소자부의 제1 전극과 제2 전극은 제1 간격으로 이격되고, 상기 제2 센싱 소자부의 상기 제1 간격과 다른 제2 간격으로 이격된 것을 특징으로하며, 검정 곡선 및 기준 시료 없이 직접 정량이 가능하며, μM의 농도에서도 정확한 직접 정량 분석이 가능한 효과가 있다.The present invention discloses a multi-gap electrochemical sensor and a quantitative analysis method using the same. The multi-gap electrochemical sensor of the present invention includes first and second sensing element portions respectively formed in first and second regions adjacent to each other on a surface of a base substrate, and each of the first and second sensing element portions is formed on the base substrate and first and second electrodes arranged on the surface of the It is characterized by being spaced apart at a different second interval, and direct quantification is possible without a calibration curve and a reference sample, and there is an effect of enabling accurate direct quantitative analysis even at a concentration of μM.
Description
본 발명은 다양한 전극 간의 간격(gap)이 존재하는 전극을 이용하여 시료에 함유된 대상물질의 직접 정량분석을 수행할 수 있는 멀티 갭 전기화학 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-gap electrochemical sensor capable of performing direct quantitative analysis of a target material contained in a sample by using an electrode having a gap between various electrodes.
전기화학 센서는 다양한 측정방식을 통해 농도에 따른 전기화학적 신호 분석이 가능하다. 도파민(dopamine), 아미노페놀(aminophenol) 등과 같은 작은 분자에서부터 DNA와 단백질 등의 큰 분자에 이르는 다양한 타켓을 검출하고 정량할 수 있다. 전기화학 센서를 이용하여 정량분석에 대표적으로 이용되는 표준검정곡선법(standard calibration curve method)은 3개 이상의 농도에서 신호를 측정하여 얻은 검정 곡선(calibration curve)을 이용하는 방법으로, 기준시료(standard material)가 필요하며, 정확한 정량을 위해서 여러 농도에서 신호를 측정해야한다. 이 과정에서 시료 준비 과정 및 측정 시간, 장소의 변화와 같은 불확실한 요인(uncertainty)에 의해 정량 오차(quantitation error)가 발생할 가능성이 있다. 이러한 방법 외에도 기준시료의 신호와 측정시료의 신호를 비교하여 정량하는 내/외부 표준법(internal/external standard method)도 전기화학 센서를 이용한 정량분석에 적용되고 있다. 내/외부 표준법은 검정 곡선을 얻을 필요는 없으나, 기준시료의 신호를 따로 측정하고 기준시료와 함께 측정하기 위해서는 기준시료에 영항을 주지 않는 물질을 기준으로 선정해야하는 어려움이 있다.The electrochemical sensor can analyze the electrochemical signal according to the concentration through various measurement methods. It can detect and quantify various targets ranging from small molecules such as dopamine and aminophenol to large molecules such as DNA and proteins. The standard calibration curve method, which is typically used for quantitative analysis using an electrochemical sensor, is a method using a calibration curve obtained by measuring signals at three or more concentrations. ) is required, and for accurate quantification, signals must be measured at different concentrations. In this process, there is a possibility that a quantitation error may occur due to uncertainty factors such as changes in the sample preparation process, measurement time, and location. In addition to these methods, an internal/external standard method that compares and quantifies a signal of a reference sample and a signal of a measurement sample is also applied to quantitative analysis using an electrochemical sensor. The internal/external standard method does not need to obtain a calibration curve, but in order to measure the signal of the reference sample separately and measure it together with the reference sample, there is a difficulty in selecting a material that does not affect the reference sample as a standard.
상기에서 언급한 바와 같이, 대부분의 전기화학 센서는 표준검정곡선법을 기반으로 이용하고 있으며, 그 중 가장 대표적인 예는 글루코스 센서(glucose sensor)이다. 전기화학적 글루코스 센서는 센서에 존재하는 글루코스 산화효소(glucose oxidase) 에 의해 혈액 내 글루코스가 산화되는 과정 중 나타나는 전기화학적 변화를 읽어내는 장치로, 혈액 샘플에 의해 측정된 전류를 미리 확보된 검정 곡선에 적용함으로써 글루코스의 정량분석을 수행한다. 글루코스는 mM 이상의 높은 농도 수준에서 정량이 요구되고, mM 이상의 글루코스에 의해 생성되는 전류량이 크므로 검정 곡선을 비교적 정확히 확보할 수 있어 상용화 센서로 많이 응용되고 있다. 그러나 일반적으로 측정되는 산화환원 전류(redox current)에는 농도에 의한 전류뿐만 아니라 용매의 조성, 장치(device)의 구조와 같은 복합적 요인에 의해 생기는 백그라운드 전류(backgraound current)가 함께 존재하므로 저농도 구간에서 정량 오차가 높아질 가능성이 크다. 이러한 이유로 도파민 또는 암 표지물질 등과 같은 저농도 정량이 필요한 타켓들은 전기화학적으로 정량하는 연구가 꾸준히 진행되어 왔음에도 불구하고, 글루코스 센서를 제외한 분야에 실질적으로 적용되기 어려운 문제점이 있다.As mentioned above, most electrochemical sensors are used based on the standard calibration curve method, and the most representative example among them is a glucose sensor. The electrochemical glucose sensor is a device that reads the electrochemical change that occurs during the process of oxidizing glucose in the blood by glucose oxidase present in the sensor. Quantitative analysis of glucose is performed by application. Since glucose is required to be quantified at a high concentration level of mM or higher, and the amount of current generated by glucose higher than mM is large, a calibration curve can be obtained relatively accurately, and thus it is widely applied as a commercial sensor. However, in the generally measured redox current, not only the concentration-dependent current but also the background current caused by complex factors such as solvent composition and device structure exist together. The error is likely to increase. For this reason, although research on electrochemically quantifying targets requiring low-concentration quantification, such as dopamine or cancer markers, has been steadily progressing, it is difficult to be practically applied to fields other than the glucose sensor.
이렇듯 검정 곡선 또는 기준시료 없이 μM 수준까지도 직접 정량이 가능한 전기화학 정량분석법의 개발이 필요하다. 그러나 현재까지 진행된 전기화학적 정량분석 연구는 표준검정곡선법과 같은 기존 정량법을 이용한 새로운 형태의 전기화학 센서의 개발을 통해 검출한계(Limit of Detection, LOD)를 개선하는 것이 대부분이다. 최근 직접 정량(direct quantitation) 개발 연구는 주로 질량 분석 기기(Mass spectrometry)를 이용한 방식이고, 그에 비해 직접적인 정량이 가능한 전기화학적 정량분석 방법 개발 연구는 매우 제한적이다. Chem group에서 전기화학적 질량 분석법을 이용하여 타켓을 직접 정량할 수 있는 방법을 개발하였고, 이 방식을 통해 다양한 물질을 낮은 정량 오차(quantitation error)로 정량할 수 있음을 증명하였다. 그러나 이 방식도 산화 전류 측정 장비와 질량 분석 기기(mass spectrometer)를 동시에 이용해야 하므로 쉽게 접근하기 어려운 측면이 있다. 따라서 직접 정량이 가능한 전기화학 분석 방법의 개발이 필요한 실정이다.As such, it is necessary to develop an electrochemical quantitative analysis method that can directly quantify even to the μM level without a calibration curve or reference sample. However, most of the electrochemical quantitative analysis studies conducted so far improve the limit of detection (LOD) through the development of a new type of electrochemical sensor using existing quantitative methods such as the standard calibration curve method. Recent research on the development of direct quantitation is mainly a method using mass spectrometry, whereas research on the development of an electrochemical quantitative analysis method capable of direct quantification is very limited. The Chem group developed a method to directly quantify the target using electrochemical mass spectrometry, and proved that various substances can be quantified with low quantitation error through this method. However, this method is also difficult to access because it requires the simultaneous use of an oxidation current measuring device and a mass spectrometer. Therefore, there is a need to develop an electrochemical analysis method capable of direct quantification.
본 발명의 일 목적은 다양한 간격으로 배치된 전극들을 이용하여 검정 곡선 및 기준시료 없이 직접 정량이 가능한 전기화학 센서를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide an electrochemical sensor capable of direct quantification without a calibration curve and a reference sample using electrodes arranged at various intervals.
본 발명의 다른 목적은 상기 전기화학 센서를 이용하여 전극 간의 갭 간격에 따른 산화환원 전류 변화의 상관 관계를 분석함으로써, 시료에 함유된 대상물질의 정량분석 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for quantitative analysis of a target material contained in a sample by analyzing the correlation of redox current change according to the gap interval between electrodes using the electrochemical sensor.
본 발명의 일 목적을 위한 멀티 갭 전기화학 센서는 베이스 기판의 표면 중 서로 인접한 제1 및 제2 영역에 각각 형성된 제1 및 제2 센싱 소자부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 센싱 소자부 각각은 상기 베이스 기판의 표면에 배열되고 서로 이격된 제1 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 센싱 소자부의 제1 전극과 제2 전극은 제1 간격으로 이격되고, 상기 제2 센싱 소자부의 상기 제1 간격과 다른 제2 간격으로 이격된 것을 특징으로 한다.A multi-gap electrochemical sensor for one purpose of the present invention includes first and second sensing element units respectively formed in first and second regions adjacent to each other on a surface of a base substrate, and the first and second sensing element units, respectively includes first and second electrodes arranged on the surface of the base substrate and spaced apart from each other, the first electrode and the second electrode of the first sensing element part being spaced apart by a first distance, and the second sensing element part being spaced apart from each other. It is characterized in that it is spaced apart by a second interval different from the first interval.
일 실시예에서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에는 시료에 함유된 대상물질을 산화 혹은 환원시킬 수 있는 전압을 인가할 수 있다.In an embodiment, a voltage capable of oxidizing or reducing a target material contained in a sample may be applied to the first electrode and the second electrode.
일 실시예에서, 상기 제1 전극은 제1 방향으로 연정된 제1 수직부 및 상기 제2 수직부로부터 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되고 서로 일정한 간격으로 이격된 복수의 제1 수평부들을 포함하고, 상기 제2 전극은 상기 제1 수직부와 이격된 위치에서 상기 제1 방향으로 연장된 제2 수직부 및 상기 제2 수직부로부터 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 제1 수평부들 사이에 각각 배치된 복수의 제2 수평부들을 포함할 수 있다.In an embodiment, the first electrode may include a plurality of first portions extending in a second direction orthogonal to the first direction from a first vertical portion connected in a first direction and the second vertical portion and spaced apart from each other at regular intervals. horizontal portions, wherein the second electrode extends in the second direction from the second vertical portion and a second vertical portion extending in the first direction at a position spaced apart from the first vertical portion in the first horizontal direction It may include a plurality of second horizontal portions respectively disposed between the portions.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 수평부들의 적어도 일부를 노출시키고, 상기 제1 및 제2 수직부를 커버하며, 시료를 수용하는 공간을 형성하는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.In an embodiment, a passivation layer exposing at least a portion of the first and second horizontal portions, covering the first and second vertical portions, and forming a space for accommodating a sample may be further included.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 센싱 소자부와 다른 제3 센싱 소자부를 더 포함하고, 상기 제3 센싱 소자부에 형성된 상기 제1 및 제2 전극은 상기 제1 및 제2 간격과 다른 제3 간격으로 이격될 수 있다.In an embodiment, it further includes a third sensing element part different from the first and second sensing element parts, wherein the first and second electrodes formed in the third sensing element part are different from the first and second intervals. It may be spaced apart at a third interval.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 간격은 1 나노미터 내지 100 마이크로 미터일 수 있다.In an embodiment, the first and second intervals may be 1 nanometer to 100 micrometers.
본 발명의 다른 목적을 위한 상기 멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 시료에 함유된 대상물질을 정량 분석하는 방법에 있어서, 멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 정량분석 방법은 상기 멀티 갭 전기화학 센서에 시료를 사용하여 상기 시료에 함유된 대상물질의 산화 및 환원 전류（redox current)를 측정하는 제1 단계, 상기 제1 및 제2 전극 간 간격의 변화에 따른 상기 측정된 산화 또는 환원 전류의 변화를 포함하는 정보를 획득하는 제2 단계, 및 상기 정보로부터 상기 시료에 함유된 상기 대상물질의 농도를 도출하는 제3 단계를 포함한다.In the method for quantitative analysis of a target material contained in a sample using the multi-gap electrochemical sensor for another object of the present invention, the quantitative analysis method using the multi-gap electrochemical sensor uses a sample for the multi-gap electrochemical sensor a first step of measuring the redox current of the target material contained in the sample, information including a change in the measured oxidation or reduction current according to a change in the distance between the first and second electrodes a second step of obtaining , and a third step of deriving the concentration of the target substance contained in the sample from the information.
일 실시예에서, 상기 제3 단계는, 상기 제1 및 제2 전극 간 간격에 대한 상기 산화 또는 환원 전류의 변화율을 도출하는 단계, 상기 산화 또는 환원 전류의 변화율 및 상기 대상물질의 선결 확산 계수(predetermined diffusion coefficient)를 이용하여 상기 대상물질의 농도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the third step is a step of deriving the rate of change of the oxidation or reduction current with respect to the interval between the first and second electrodes, the rate of change of the oxidation or reduction current, and a pre-diffusion coefficient of the target material ( calculating the concentration of the target material using a predetermined diffusion coefficient).
일 실시예에서, 상기 대상물질의 농도는 하기의 비례식 1을 통해 산출될 수 있고, 상기 멀티 갭 전기화학 센서의 제1 및 제2 전극 간의 간극 크기를 제외한 센서의 구조를 동일하게 유지하며, 상기 대상 물질의 선결 확산 계수(predetermined diffusion coefficient)를 적용하고, 상기 멀티 갭 전기화학 센서 내 제1 및 제2 전극 간의 간극 크기 변화를 독립변수로 이용하며, 산화환원 전류 변화를 종속변수로 이용하여 농도를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the concentration of the target material may be calculated through the following
<비례식 1><
I∝C×D×EI∝C×D×E
상기 비례식 1에서 I 는 상기 대상물질의 산화 또는 환원 전류이고, C 는 상기 대상물질의 농도이며, D 는 상기 대상물질의 선결확산계수이고, E 는 전극의 개수, 길이, 폭, 전극 간극에 의해 결정되는 상기 갭 센서의 구조 효과를 나타낸다.In the
일 실시예에서, 상기 제1 단계에서, 상기 제1 전극에 상기 시료에 함유된 대상물질의 산화 전압을 인가하는 경우, 상기 제2 전극에는 상기 시료에 함유된 대상물질의 환원 전압을 인가하고, 상기 제1 전극에 상기 시료에 함유된 대상물질의 환원 전압을 인가하는 경우, 상기 제2 전극에는 상기 시료에 함유된 대상물질의 산화 전압을 인가할 수 있다.In one embodiment, in the first step, when the oxidation voltage of the target material contained in the sample is applied to the first electrode, the reduction voltage of the target material contained in the sample is applied to the second electrode, When the reduction voltage of the target material contained in the sample is applied to the first electrode, the oxidation voltage of the target material contained in the sample may be applied to the second electrode.
일 실시예에서, 상기 제2 단계에서, 상기 시료에 함유된 상기 대상물질이 환원종일 경우, 상기 제1 또는 제2 전극에서 측정된 산화 전류를 이용하여 기울기를 도출하고, 상기 시료에 함유된 상기 대상물질이 산화종일 경우, 상기 제1 또는 제2 전극에서 측정된 환원 전류를 이용하여 기울기를 도출할 수 있다.In one embodiment, in the second step, when the target material contained in the sample is a reducing species, a slope is derived using the oxidation current measured at the first or second electrode, and the When the target material is an oxidizing species, a slope may be derived using the reduction current measured at the first or second electrode.
일 실시예에서, 상기 시료에 함유된 상기 대상물질은 유기 화합물, 무기 화합물 및 생체 분자 중 어느 하나일 수 있다.In an embodiment, the target material contained in the sample may be any one of an organic compound, an inorganic compound, and a biomolecule.
일 실시예에서, 상기 시료에 함유된 대상물질의 농도는 1 pM 내지 5 mM일 수 있다.In one embodiment, the concentration of the target substance contained in the sample may be 1 pM to 5 mM.
본 발명에 따르면, 다양한 간격으로 배치된 전극을 포함하는 전기화학 센서를 이용하여 검정 곡선, 기준 시료의 이용 및 별도의 분석 장비 없이도 비교적 간단한 방법으로도 전기화학적 정량분석을 수행할 수 있으며, 또한 용매의 조성과 상관없이 μM 수준 이하의 낮은 농도 범위를 갖는 시료에 함유된 대상물질의 직접 정량분석이 가능한 장점이 있다.According to the present invention, electrochemical quantitative analysis can be performed by using an electrochemical sensor including electrodes arranged at various intervals, using a calibration curve, a reference sample, and a relatively simple method without separate analysis equipment. Regardless of the composition of
도 1은 본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서 및 이를 이용한 정량분석 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 전극 간 거리(measured gap distance)에 따른 산화전류(oxidation current, Iox)그래프를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 전극 간 간격(the gap distance)에 의해 결정되는 값인 G Factor 의 변화에 따른 산화전류(Iox)의 변화를 확인할 수 있는 그래프를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1의 도파민의 농도에 따른 G Factor에 대한 산화전류(Iox)의 변화율을 확인할 수 있는 그래프를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 전기화학적 센서를 이용한 대상물질의 정량분석 방법을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에서 선결 확산 계수 값에 따른 정량 정확도를 나타내기 위한 도면이다. 상기 그래프 상에서 기울기가 1에 가까울수록 정량 정확도가 높음을 의미하며, Measured D는 기준 시료에 의해 도출된 선결 확산 계수 값을 이용한 경우를 의미하고, Literature D는 이론값 선결 확산 계수를 이용한 경우를 의미한다.
도 7은 본 발명의 실시예 2의 K3[Fe(CN)6] 정량분석의 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 3의 아미노페놀 정량분석의 결과를 나타낸 도면이다. 1 is a view for explaining a multi-gap electrochemical sensor of the present invention and a quantitative analysis method using the same.
2 is a view showing an oxidation current (I ox ) graph according to the distance between electrodes (measured gap distance) of Example 1 of the present invention.
3 is a graph showing a change in the oxidation current (I ox ) according to a change in G Factor, which is a value determined by the gap distance, in Example 1 of the present invention.
4 is a view showing a graph that can confirm the rate of change of the oxidation current (I ox ) with respect to the G factor according to the concentration of dopamine in Example 1 of the present invention.
5 is a diagram specifically illustrating a method for quantitative analysis of a target material using the electrochemical sensor of the present invention.
6 is a diagram for illustrating quantitative accuracy according to a value of a predetermined diffusion coefficient in Example 1 of the present invention. On the graph, the closer the slope to 1, the higher the quantification accuracy. Measured D means using the pre-diffusion coefficient value derived from the reference sample, and Literature D means using the theoretical value pre-diffusion coefficient. do.
7 is a view showing the results of K 3 [Fe(CN) 6 ] quantitative analysis of Example 2 of the present invention.
8 is a view showing the results of the aminophenol quantitative analysis of Example 3 of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, and includes one or more other features or steps. , it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of , operation, components, parts or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
도 1은 본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서 및 이를 이용한 정량분석 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a multi-gap electrochemical sensor of the present invention and a quantitative analysis method using the same.
도 1을 참조하면, 본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서는, 베이스 기판의 표면 중 서로 인접한 제1 및 제2 영역에 각각 형성된 제1 및 제2 센싱 소자부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 센싱 소자부 각각은 상기 베이스 기판의 표면에 배열되고 서로 이격된 제1 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 센싱 소자부의 제1 전극과 제2 전극은 제1 간격으로 이격되고, 상기 제2 센싱 소자부의 상기 제1 간격과 다른 제2 간격으로 이격된 것을 특징으로 할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the multi-gap electrochemical sensor of the present invention includes first and second sensing element portions respectively formed in first and second regions adjacent to each other among the surface of a base substrate, and the first and second sensing Each element unit includes first and second electrodes arranged on the surface of the base substrate and spaced apart from each other, and the first electrode and the second electrode of the first sensing element unit are spaced apart from each other by a first interval, and the second sensing element unit is spaced apart from each other. The device portion may be spaced apart at a second interval different from the first interval.
상기 베이스 기판은 상기 센서가 안정적으로 작동될 수 있도록 절연 효과를 갖는 물질로 형성된 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 기판은 실리콘(Si)을 포함하는 물질로 형성된 기판일 수 있다. 바람직하게는, 상기 베이스 기판은 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 및 상기 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 산화막(SiO2)층을 갖는 구조를 포함할 수 있다.The base substrate may be a substrate formed of a material having an insulating effect so that the sensor can be stably operated. For example, the base substrate may be a substrate formed of a material including silicon (Si). Preferably, the base substrate may include a structure having a silicon wafer (Si wafer) and an oxide film (SiO 2 ) layer formed on the silicon wafer.
상기 제1 및 제2 전극은 작동 전극(working electrode)으로서 이용되는 전극으로, 전도성 물질로 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극은 금(Au), 구리(Cu), 크롬(Cr), 백금(Pt) 등과 같은 금속 물질 중에서 선택된 어느 하나의 금속 물질 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The first and second electrodes are electrodes used as working electrodes, and may be formed of a conductive material. For example, the first and second electrodes may be formed of any one metal material selected from among metal materials such as gold (Au), copper (Cu), chromium (Cr), platinum (Pt), or an alloy thereof. . However, it is not necessarily limited thereto.
상기 제1 간격은 상기 제2 간격과 다른 간격을 가지며, 상기 제2 간격보다 크거나 작을 수 있다. 상기 제1 간격 및 상기 제1 간격과 다른 제2 간격은 1 나노미터 내지 100 마이크로 미터일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 간격은 약 0.5 ㎛, 2 ㎛, 5 ㎛ 및 10 ㎛등과 같은 간격을 가질 수 있다.The first interval may have a different interval from the second interval, and may be larger or smaller than the second interval. The first interval and the second interval different from the first interval may be 1 nanometer to 100 micrometers. For example, the first and second intervals may have intervals such as about 0.5 μm, 2 μm, 5 μm, and 10 μm.
한편, 상기 제1 전극은 제1 방향으로 연장된 제1 수직부 및 상기 제2 수직부로부터 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되고 서로 일정한 간격으로 이격된 복수의 제1 수평부들을 포함하고, 상기 제2 전극은 상기 제1 수직부와 이격된 위치에서 상기 제1 방향으로 연장된 제2 수직부 및 상기 제2 수직부로부터 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 제1 수평부들 사이에 각각 배치된 복수의 제2 수평부들을 포함할 수 있다.Meanwhile, the first electrode includes a first vertical portion extending in a first direction and a plurality of first horizontal portions extending from the second vertical portion in a second direction orthogonal to the first direction and spaced apart from each other at regular intervals. a second vertical portion extending in the first direction at a position spaced apart from the first vertical portion and the second electrode extending in the second direction from the second vertical portion and interposed between the first horizontal portions It may include a plurality of second horizontal portions respectively disposed.
이 때, 상기 제1 및 제2 수평부들의 적어도 일부를 노출시키고, 상기 제1 및 제2 수직부를 커버하며, 시료를 수용하는 공간을 형성하는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 전기화학 센서와 시료를 반응시키는 경우, 바람직하게는 상기 시료를 페시베이션층에 의해 노출된 상기 제1 및 제2 센싱 소자부의 상기 제1 및 제2 수평부들 모두와 반응할 수 있도록 적하할 수 있다.In this case, the passivation layer may further include a passivation layer exposing at least a portion of the first and second horizontal portions, covering the first and second vertical portions, and forming a space for accommodating the sample. In one embodiment, when the electrochemical sensor and the sample are reacted, the sample is preferably reacted with both the first and second horizontal portions of the first and second sensing element portions exposed by the passivation layer. It can be loaded so that
상기 패시베이션층은 외부의 물리적, 화학적, 전기적 손상으로부터 상기 전극들을 보호(Passivation)하고, 상기 베이스 기판 상에 형성된 전극과 상기 시료가 반응할 수 있도록 상기 베이스 기판과 함께 시료를 수용하는 공간을 형성하는 층일 수 있다. 상기 패시베이션층은 절연 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 패시베이션층은 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물 및 실리콘 질화물 등과 같은 물질로 형성될 수 있다.The passivation layer protects the electrodes from external physical, chemical, and electrical damage, and forms a space for accommodating the sample together with the base substrate so that the electrode formed on the base substrate and the sample can react can be layered. The passivation layer may be formed of a material having insulating properties. For example, the passivation layer may be formed of a material such as silicon oxide, aluminum oxide, and silicon nitride.
추가적으로, 상기 전기화학 센서는 상기 제1 및 제2 센싱 소자부와 다른 제3 센싱 소자부를 더 포함하고, 상기 제3 센싱 소자부에 형성된 상기 제1 및 제2 전극은 상기 제1 및 제2 간격과 다른 제3 간격으로 이격될 수 있다. 즉, 본 발명의 전기화학 센서는 제1 및 제2 전극의 간격이 각각의 영역마다 상이한 크기를 갖는 n(n = 1, 2, 3, 4…)개의 영역들을 더 포함할 수 있다.Additionally, the electrochemical sensor further includes a third sensing element unit different from the first and second sensing element units, and the first and second electrodes formed in the third sensing element unit are spaced apart from each other by the first and second intervals. and may be spaced apart from each other by a third interval. That is, the electrochemical sensor of the present invention may further include n (n = 1, 2, 3, 4...) regions having different sizes for each region in which the first and second electrodes are spaced apart.
상기 전기화학 센서는 상기 시료에 함유된 대상물질의 산화환원 사이클링(Redox Cycling)을 유도하여 측정된 산화환원 전류(redox current)를 통해 상기 시료에 함유된 대상물질을 정량분석을 수행할 수 있다. 이 때, 상기 대상물질의 화학종에 따라 상기 제1 및 제2 전극에 각각 다른 전압을 인가할 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에는 시료에 함유된 대상물질에 산화 혹은 환원시킬 수 있는 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극에 산화 전압을 인가하는 경우, 제2 던극에는 환원 전압을 인가하고, 제1 전극에 환원 전압을 인가하는 경우, 제2 전극에는 산화 전압을 인가할 수 있다. 본 발명의 전기화학 센서를 이용하여 정량분석을 수행할 경우, 정량분석은 대상물질에 따라 측정된 산화 또는 환원 전류를 통해 수쟁될 수 있다. 구체적으로, 상기 대상물질이 환원종일 경우, 산화 전압을 인가한 상기 제1 또는 제2 전극을 통해 측정된 산화 전류를 이용하고, 상기 대상물질이 산화종일 경우, 환원 전압을 인가한 제1 또는 제2 전극을 통해 측정된 환원 전류를 이용할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 대상물질이 도파민(dopamine)인 경우, 상기 제1 전극에는 산화 전압을 인가하고 상기 제2 전극에는 환원 전압을 인가하고, 상기 제1 전극에서 측정된 산화 전류를 이용하여 정량분석을 수행할 수 있다.The electrochemical sensor may perform quantitative analysis of the target material contained in the sample through a redox current measured by inducing redox cycling of the target material contained in the sample. In this case, different voltages may be applied to the first and second electrodes according to the chemical species of the target material. In other words, a voltage capable of oxidizing or reducing the target material contained in the sample may be applied to the first electrode and the second electrode. For example, when an oxidation voltage is applied to the first electrode, a reduction voltage may be applied to the second pole, and when a reduction voltage is applied to the first electrode, an oxidation voltage may be applied to the second electrode. When quantitative analysis is performed using the electrochemical sensor of the present invention, quantitative analysis may be performed through an oxidation or reduction current measured according to a target material. Specifically, when the target material is a reducing species, an oxidation current measured through the first or second electrode to which an oxidation voltage is applied is used. The reduction current measured through the two electrodes can be used. In one embodiment, when the target material is dopamine, an oxidation voltage is applied to the first electrode and a reduction voltage is applied to the second electrode, and quantification using the oxidation current measured at the first electrode analysis can be performed.
본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 정량분석 방법은 상기 전극들 간의 간격이 줄어듦에 따라 산화환원 전류 신호가 증가하고, 상기 산화환원 전류 신호가 증가하는 정도는 시료의 농도에 의존하는 현상에 기인한 방법으로, 상기 멀티 갭 전기화학 센서를 이용하여 전극 간 간격과 측정된 산화환원 전류 신호를 도출하고, 이의 상관 관계를 해석하여 상기 시료의 정량분석을 수행할 수 있다. 따라서 시료는 상기 제1 및 제2 센싱 소자부의 제1 및 제2 수평부들과 모두 반응할 수 있도록 적하되는 것이 바람직할 것이다.In the quantitative analysis method using the multi-gap electrochemical sensor of the present invention, the redox current signal increases as the distance between the electrodes decreases, and the degree of increase in the redox current signal is caused by a phenomenon dependent on the concentration of the sample As one method, a quantitative analysis of the sample may be performed by deriving an inter-electrode gap and a measured redox current signal using the multi-gap electrochemical sensor, and analyzing a correlation thereof. Therefore, it is preferable that the sample is dropped so as to react with both the first and second horizontal portions of the first and second sensing element portions.
이하에서는, 본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 정량분석 방법을 설명한다.Hereinafter, a quantitative analysis method using the multi-gap electrochemical sensor of the present invention will be described.
본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 정량분석 방법은 상기 멀티 갭 전기화학 센서에 시료를 사용하여 상기 시료에 함유된 대상물질의 산화 및 환원 전류（redox current)를 측정하는 제1 단계, 상기 제1 및 제2 전극 간 간격의 변화에 따른 상기 측정된 산화 또는 환원 전류의 변화를 포함하는 정보를 획득하는 제2 단계, 및 상기 정보로부터 상기 시료에 함유된 상기 대상물질의 농도를 도출하는 제3 단계를 포함할 수 있다.The quantitative analysis method using the multi-gap electrochemical sensor of the present invention includes a first step of measuring oxidation and reduction currents of a target material contained in the sample using a sample in the multi-gap electrochemical sensor, the first step A second step of obtaining information including a change in the measured oxidation or reduction current according to a change in an interval between the first and second electrodes, and a third step of deriving the concentration of the target substance contained in the sample from the information may include steps.
상기 시료는 상기 전기화학 센서의 패시베이션층에 의해 노출된 제1 및 제2 수평부과 반응할 수 있도록 도입될 수 있다. 바람직하게는, 상기 시료는 상기 제1 및 제2 수평부들 전부와 반응할 수 있도록 도입될 수 있다. The sample may be introduced to react with the first and second horizontal portions exposed by the passivation layer of the electrochemical sensor. Preferably, the sample may be introduced to react with all of the first and second horizontal portions.
상기 제1 단계에서, 상기 제1 및 제2 전극에는 상기 시료에 함유된 대상물질의 산화 및 환원 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 상기 대상물질이 환원종일 경우, 상기 제1 전극들에는 산화 전압을 인가하면 상기 제2 전극들에는 반대 전압인 환원 전압을 인가할 수 있다. 상기 시료가 산화종일 경우, 상기 제1 전극들에는 환원 전압을 인가하면 상기 제2 전극들에는 산화 전압을 인가할 수 있다.In the first step, oxidation and reduction voltages of the target material contained in the sample may be applied to the first and second electrodes. For example, when the target material is a reducing species, when an oxidation voltage is applied to the first electrodes, a reduction voltage, which is an opposite voltage, may be applied to the second electrodes. When the sample is an oxidizing species, when a reduction voltage is applied to the first electrodes, an oxidation voltage may be applied to the second electrodes.
상기 제2 단계에서, 상기 시료에 함유된 상기 대상물질이 환원종일 경우, 상기 제1 또는 제2 전극에서 측정된 산화 전류를 이용하여 기울기를 도출하고, 상기 시료에 함유된 상기 대상물질이 산화종일 경우, 상기 제1 또는 제2 전극에서 측정된 환원 전류를 이용하여 기울기를 도출할 수 있다. 상기 기울기는 상기 제1 및 제2 전극 간 간격의 변화에 따른 산화 또는 환원전류의 변화를 포함하는 정보일 수 있다.In the second step, when the target material contained in the sample is a reducing species, a gradient is derived using the oxidation current measured at the first or second electrode, and the target material contained in the sample is an oxidized species In this case, the slope may be derived using the reduction current measured at the first or second electrode. The slope may be information including a change in oxidation or reduction current according to a change in the distance between the first and second electrodes.
상기 제3 단계는, 상기 제1 및 제2 전극 간 간격에 대한 상기 산화 또는 환원 전류의 변화율을 도출하는 단계, 상기 산화 또는 환원 전류의 변화율 및 상기 대상물질의 선결 확산 계수(predetermined diffusion coefficient)를 이용하여 상기 대상물질의 농도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.The third step is a step of deriving the rate of change of the oxidation or reduction current for the interval between the first and second electrodes, the rate of change of the oxidation or reduction current and a predetermined diffusion coefficient of the target material It may include calculating the concentration of the target substance using the.
상기 대상물질의 농도는 하기의 비례식 1을 통해 산출될 수 있다.The concentration of the target substance can be calculated through the following
<비례식 1><
I∝C×D×EI∝C×D×E
상기 비례식 1에서, I 는 상기 대상물질의 산화 또는 환원 전류이고, C 는 상기 대상물질의 농도이며, D 는 상기 대상물질의 선결확산계수이고, E 는 전극의 개수, 길이, 폭, 전극 간극에 의해 결정되는 상기 갭 센서의 구조 효과를 나타낸다. In the
상기 비례식 1에서 극의 개수, 길이, 폭, 전극 간극에 의해 결정되는 상기 갭 센서의 구조 효과를 나타내는 E는 하기의 등식 1과 같이 나타낼 수 있다.E, which represents the structural effect of the gap sensor determined by the number, length, width, and electrode gap of the poles in
<등식 1><
E=f(number of electrodes×length of electrode×width of electrode×gap distance)E=f(number of electrodes×length of electrode×width of electrode×gap distance)
등식 1에서 f 는 비례상수를 의미한다.In
일 실시예에서, 본 발명의 센서를 통해 대상물질의 농도를 구하는 경우에 상기 비례식 1에서, 대상 물질의 선결 확산 계수(D)로 적용하고, 멀티 갭 전기화학 센서 내 제1 및 제2 전극 간의 간극 크기(E) 변화를 독립변수로 이용하며, 산화 또하는 환원 전류(I) 변화를 종속변수로 이용함으로써, 대상 물질의 농도(C)를 도출할 수 있다.In one embodiment, when the concentration of the target material is obtained through the sensor of the present invention, it is applied as the pre-diffusion coefficient (D) of the target material in the
상기 비례식 1에서 대상물질의 선결 확산 계수(D)는 이론값 또는 측정값 중에서 선택된 어느 하나의 값을 사용할 수 있다. 상기 측정값은 기준 시료(standard material)를 이용하여 도출된 선결 확산 계수 값을 의미한다. 선결 확산 계수 값으로 측정값을 이용하는 경우, 이론값을 이용하는 경우 보다 더 정확한 정량 분석이 가능한 효과가 있다. In
한편, 상기 시료에 함유된 상기 대상물질은 유기 화합물, 무기 화합물 및 생체 분자 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 대상물질은 도파민, 페리시안화 칼륨, 아미노페놀 등일 수 있다. 또한, 상기 시료에 함유된 대상물질의 농도는 약 1 pM 내지 5 mM일 수 있다.Meanwhile, the target material contained in the sample may be any one of an organic compound, an inorganic compound, and a biomolecule. For example, the target substance may be dopamine, potassium ferricyanide, aminophenol, or the like. In addition, the concentration of the target substance contained in the sample may be about 1 pM to 5 mM.
본 발명에 따르면, 기준 시료의 이용 및 별도의 분석 장비 없이도 비교적 간단한 방법으로도 μM 수준의 농도를 갖는 시료의 직접 정량분석이 가능한 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage that direct quantitative analysis of a sample having a concentration of μM is possible even with a relatively simple method without the use of a reference sample and no separate analysis equipment.
이하에서, 구체적인 실시예들 및 비교예들을 통해서 본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서 및 이를 이용한 정량분석 방법에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the multi-gap electrochemical sensor of the present invention and a quantitative analysis method using the same will be described in more detail through specific examples and comparative examples. However, the embodiments of the present invention are merely some embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
실시예Example
멀티 갭 전기화학 센서의 제조Fabrication of multi-gap electrochemical sensors
먼저, 멀티 갭 전기화학 센서를 제조하였다.First, a multi-gap electrochemical sensor was fabricated.
실리콘 웨이퍼(Si Wafer) 상에 실리콘 산화막(SiO2)이 200 nm 두께로 증착된 기판 상에 감광제를 약 2 ㎛의 두께로 코팅하고, 상기 감광제가 코팅된 기판에 포토 마스크(photo mask)를 이용하여 254 nm 파장의 자외선(ultraviolet, UV)에 노출시켜 상기 포토 마스트에 그려진 전극 모양으로 상기 감광제에 전극 모양을 형성한 후, 현상 과정을 통해 자외선에 반응된 감광제를 상기 기판 상에서 제거하였다. 그런 다음, 크롬(Cr)과 금(Ag)을 각각 10 nm 및 200 nm 으로 증착시키고, 리프트 오프 공정(lift off process)을 통해 상기 전극 패턴이 형성된 곳 이외의 금속 박막을 제거시킨 뒤, 형성된 전극에서 SU-8 감광제를 이용하여 패시베이션층(passivation layer)을 형성하여 본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서를 제조하였다. A photosensitive agent is coated to a thickness of about 2 μm on a substrate on which a silicon oxide film (SiO 2 ) is deposited to a thickness of 200 nm on a silicon wafer (Si Wafer), and a photo mask is used on the substrate coated with the photosensitive agent After exposing to 254 nm wavelength ultraviolet (ultraviolet, UV) to form an electrode shape on the photosensitizer in the shape of an electrode drawn on the photomask, the photosensitizer reacted to UV light was removed from the substrate through a development process. Then, after depositing chromium (Cr) and gold (Ag) at 10 nm and 200 nm, respectively, and removing the metal thin film other than where the electrode pattern was formed through a lift off process, the formed electrode A multi-gap electrochemical sensor of the present invention was prepared by forming a passivation layer using a SU-8 photosensitizer.
이하에서는, 제조된 멀티 갭 전기화학 센서를 "MDGs"라 하며, 상기 패시베이션층에 의해 노출된 상기 베이스 기판과 전극들의 표면을 "IDE"부분이라고 한다.Hereinafter, the manufactured multi-gap electrochemical sensor is referred to as "MDGs", and the surfaces of the base substrate and electrodes exposed by the passivation layer are referred to as "IDE" portions.
상기 MDGs는 제1 및 제2 전극들이 각각 10, 5, 2, 1.5, 1, 0.75, 0.5 ㎛의 간격(이하에서, 갭(gap)과 동일한 의미)을 갖는 19개의 센싱 소자부들이 집적된 형태를 가지며, 각각의 센싱 소자부의 제1 및 제2 전극의 수평부는 모두 140 ㎛의 길이(length), 5㎛의 폭을 갖는다. 여기서 수평부의 길이(length)란, 패시베이션층에 의해 노출된 부분의 길이, 즉 시료에 노출되는 부분을 의미한다. 전극 간 간격은 공칭 전극 거리(Nominal gap distance)이므로, 이는 MGDs 설계상의 수치로써 MGDs 공정 후 달라질 가능성이 크다. 이에 SEM 분석을 통해 정확한 전극 간 간격(gap distance)을 확인하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타냈다.In the MDGs, the first and second electrodes each have an interval of 10, 5, 2, 1.5, 1, 0.75, and 0.5 μm (hereinafter, the same meaning as a gap) in which 19 sensing element units are integrated. , and the horizontal portions of the first and second electrodes of each sensing element part have a length of 140 μm and a width of 5 μm. Here, the length of the horizontal portion means the length of the portion exposed by the passivation layer, that is, the portion exposed to the sample. Since the inter-electrode gap is a nominal gap distance, this is a number in the design of MGDs and is likely to change after MGDs processing. Accordingly, the accurate gap distance between electrodes was confirmed through SEM analysis, and the results are shown in Table 1 below.
<표 1><Table 1>
표 1을 참조하면, 5 및 10 ㎛의 갭을 갖는 센싱 소자부를 제외한 나머지 센싱 소자부들은 전극 간 간격의 측정치(measured gap distance)가 설계상 수치(nominal gap distance)보다 작은 것은 것을 확인할 수 있다. 이하, MGDs를 이용한 실시예에서 분석에 필요한 전극 간 거리(gap distance)는 측정치를 이용하였다.Referring to Table 1, it can be seen that the measured gap distance between electrodes of the remaining sensing element parts except for the sensing element part having gaps of 5 and 10 μm is smaller than the nominal gap distance in design. Hereinafter, in Examples using MGDs, the measured values were used for the gap distance between electrodes required for analysis.
실시예 1: MDGs를 이용한 도파민(Dopamine hydrochloride, DA) 정량분석 방법 및 평가Example 1: Dopamine hydrochloride (DA) quantitative analysis method and evaluation using MDGs
MDGs를 이용한 본 발명의 정량분석 방법 평가를 위해, 먼저, MDGs를 이용하여 1 M의 KCL 및 10 μM PBS(Phosphate buffered saline)가 혼합된 혼합용액에 다양한 농도의 도파민(DA)이 존재하는 시료의 산화환원 전류를 측정하였다. 이 때, 상기 MDGs의 제1 전극에는 0.3 V의 산화 전압을 인가하였고, 상기 제2 전극에는 - 0.1 V의 환원 전압을 인가하였으며, 전류를 10초 동안 측정하였다. 이중 모드 시간대전류법(dual mode chronoamperometry)을 이용하여 산화환원 사이클링(redox cycling)을 유도하였고, 그 결과를 측정된 전극 간 거리(measured gap distance)에 따른 산화전류(oxidation current, Iox)그래프로 도 2에 나타냈다.For the evaluation of the quantitative analysis method of the present invention using MDGs, first, using MDGs, 1 M KCL and 10 μM PBS (Phosphate buffered saline) are mixed in a mixed solution of various concentrations of dopamine (DA) in the sample. The redox current was measured. At this time, an oxidation voltage of 0.3 V was applied to the first electrode of the MDGs, a reduction voltage of -0.1 V was applied to the second electrode, and the current was measured for 10 seconds. Redox cycling was induced using dual mode chronoamperometry, and the result was converted into a graph of oxidation current (I ox ) according to the measured gap distance between electrodes. 2 is shown.
도 2를 참조하면, 전극 간 간격이 좁아짐에 따라 산화전류(Iox)는 증가하는 것을 확인할 수 있다. 50μM DA 시료와 5μM DA 시료를 비교해보면, 50μM DA 시료가 5μM DA 시료보다 전극 간 간격이 줄어듦에 따라 산화전류의 증가 정도가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, DA의 농도가 높을수록 전극 간 거리(gap distance) 변화에 따른 산화전류(Iox)의 변화가 크다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 2 , it can be seen that the oxidation current (I ox ) increases as the distance between the electrodes becomes narrower. Comparing the 50 μM DA sample and the 5 μM DA sample, it can be seen that the 50 μM DA sample has a greater degree of increase in the oxidation current than the 5 μM DA sample as the inter-electrode spacing decreases. That is, it can be seen that the higher the concentration of DA, the greater the change in the oxidation current (I ox ) according to the change in the gap distance between the electrodes.
전기화학적 반응을 통해 측정되는 전류는 대상물질의 농도, 선결 확산 계수, 및 센서의 구조에 의해 결정되며, 하기의 등식 2와 같이 나타낼 수 있다.The current measured through the electrochemical reaction is determined by the concentration of the target material, the predetermined diffusion coefficient, and the structure of the sensor, and can be expressed as
<등식 2><
I ∝ (Concentration)×(Diffusion coefficient)×(Device parameter)I ∝ (Concentration)×(Diffusion coefficient)×(Device parameter)
이러한 상관 관계를 표현하는 식은 Aoki 등에 의해 하기의 수학식 3과 같이 제시되었다. The equation for expressing this correlation was presented as Equation 3 below by Aoki et al.
<등식 3><Equation 3>
상기 등식 3에서, I 는 양극 또는 음극의 전류(current at the anode or cathode)이고, m은 상기 제1 및 제2 전극들의 수(the number of the electrodes)이며, b는 전극의 길이(the length of the electrode)이고, n은 전자들의 수(the number of electrons)이며, F는 패러데이 상수고, D는 상기 대상물질의 선결 확산 계수이며, C는 상기 대상물질의 농도이고, w는 전극의 폭(the width of the electrode) 및 g는 전극 간 간격(the gap distance)을 나타낸다.In Equation 3, I is the current at the anode or cathode, m is the number of the first and second electrodes, and b is the length of the electrode of the electrode, n is the number of electrons, F is the Faraday constant, D is the pre-diffusion coefficient of the target material, C is the concentration of the target material, and w is the width of the electrode (the width of the electrode) and g represent the gap distance.
본 발명에서 사용되는 상기 비례식 1은 상기의 등식 3을 기초로 도출될 수 있다. 본 발명에서는 멀티 갭(multi gap sensor)을 갖는 전기화학 센서를 이용하므로, 상기의 등식 3에서 전극 간 간격 거리를 나타내는 g 와 대상물질의 농도를 나타내는 C가 변수로 이용될 수 있다. 그러나, 종래의 단일 갭을 갖는 전기화학 센서(single gap sensor)를 사용하는 경우에는, 대상물질의 농도를 나타내는 C의 값만이 변수로 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 전기화학 센서를 이용하는 경우, 종래의 전기화학 센서보다 더 민감한 정량분석을 수행할 수 있다.The
상기 MDGs는 상기 비례식 1에 기초하여, 전극 간 간격을 나타내는 g 값만 바뀌므로, 상기 전극 간 간격(the gap distance)에 의해 결정되는 값인 중괄호 부분을 G Factor라는 독립변수로 이용하였고, Iox를 종속변수로 이용하였다.Since the MDGs only change the g value representing the inter-electrode spacing based on the
도 3은 실시예 1에서 전극 간 간격(the gap distance)에 의해 결정되는 값인 G Factor 의 변화에 따른 산화전류(Iox)의 변화를 확인할 수 있는 그래프를 나타낸 도면이다.3 is a view showing a graph showing a change in the oxidation current (I ox ) according to a change in G Factor, which is a value determined by the gap distance between electrodes in Example 1;
도 3을 참조하면, G Factor가 증가함에 따라 전류가 선형적(linear)으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 앞서 살펴본 도 2의 결과와 마찬가지로 전극 간의 간격이 작아질수록 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있고, 이를 통해서, G Factor 에 대한 산화전류(Iox)의 변화율 즉, 기울기(slope)를 도출할 수 있다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that the current linearly increases as the G factor increases. That is, it can be confirmed that the current increases as the distance between the electrodes becomes smaller as in the result of FIG. 2 discussed above, and through this, the rate of change of the oxidation current (I ox ) with respect to the G Factor, that is, the slope can be derived. can
도 4는 실시예 1에서 도파민의 농도에 따른 G Factor에 대한 산화전류(Iox)의 변화율을 확인할 수 있는 그래프를 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing a graph that can confirm the rate of change of the oxidation current (I ox ) with respect to the G factor according to the concentration of dopamine in Example 1.
도 4를 참조하면, 도파민의 농도가 증가할수록 도출된 기울기(slope by MGDs)도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해서 시료의 농도가 높을수록 MGDs 내의 전극 간 간격 변화에 따른 전류의 변화가 크다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4 , it can be seen that as the concentration of dopamine increases, the derived slope (slope by MGDs) also increases. Through this, it can be seen that the higher the concentration of the sample, the greater the change in the current according to the change in the spacing between the electrodes in the MGDs.
이렇게 얻어진 G Factor 에 대한 산화전류(Iox)의 변화율 즉, 전극 간 간격 변화에 대한 산화 또는 환원 전류의 변화율인 기울기(slope)에는 농도에 대한 정보가 포함되어 있으므로, 농도를 직접적으로 유추하는 것이 가능할 수 있다. 이를 확인하기 위하여, DA의 직접 정량을 진행하였다. DA의 직접 정량 수행 과정은 도 5를 통해 확인할 수 있다.Since information about the concentration is included in the rate of change of the oxidation current (I ox ) with respect to the G Factor obtained in this way, that is, the slope, which is the rate of change of the oxidation or reduction current with respect to the change in the inter-electrode spacing, it is better to infer the concentration directly. It may be possible. To confirm this, direct quantification of DA was performed. The process of performing direct quantification of DA can be confirmed through FIG. 5 .
도 5를 참조하면, DA의 직접 정량 수행 과정의 첫 번째는 갭에 따른 전류(gap dependent current)를 측정하는 것으로, 이는 상기 도 3과 같은 G Factor의 변화에 따른 전류(G-factor dependent current)를 얻는 과정이고, 두 번째는 선형 피팅(linear fitting)을 통해 기울기(slope)를 도출하는 것을 나타낸다. 마지막은 상기 도출된 기울기에 선결 확산 계수 값(D)을 적용하여 대상물질의 농도를 직접 얻는 과정을 나타낸다. 본 발명의 비례식 1을 참조하면, 대상물질의 농도를 결정짓는 요인 중에서, 전극들의 수 m(the number of the electrodes), 전극의 길이 b(the length of the electrode) 및 전자들의 수 n(the number of electrons)은 상기 전기화학 센서의 구조에 의해 고정되는 값이며, F는 패러데이 상수이므로, 대상물질의 농도를 구하기 위해서는 선결 확산 계수 값만 설정하면 농도를 구할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the first step of the direct quantification of DA is to measure a gap dependent current, which is a G-factor dependent current as shown in FIG. 3 . is the process of obtaining , and the second represents deriving the slope through linear fitting. Finally, the process of directly obtaining the concentration of the target material by applying the predetermined diffusion coefficient value (D) to the derived slope is shown. Referring to
MGDs를 이용한 도파민의 농도의 정량분석을 위해, 도파민의 선결 확산 계수 값(D)으로 문헌 값(또는 이론값)인 6.74×10-6 cm2/s 을 이용하였고, 그 결과를 도 6에 나타냈다.For quantitative analysis of the concentration of dopamine using MGDs, a literature value (or theoretical value) of 6.74×10 -6 cm 2 /s was used as the pre-diffusion coefficient value (D) of dopamine, and the result is shown in FIG. 6 . .
도 6을 참조하면, 그래프 상 기울기에서의 1에 가까울수록 정량 정확도가 높음을 의미하며, 도파민의 문헌 값으로 선결 확산 계수(Literature D)를 이용하여 도출된 도파민 농도를 도시한 그래프를 통해 0.793의 기울기 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 기울기의 값이 1에서 상당히 벗어난 것은 이론값으로 이용한 선결 확신 계수가 대상물질의 실제 선결 확산 계수와 다르기 때문인 것으로 예상될 수 있다. 따라서 농도를 알고 있는 대상물질을 함유하고 있는 시료(일반적으로, 기준 시료라고 함)를 이용하여 선결 확산 계수의 측정값을 유도하였다. 1mM의 도파민을 함유하고 있는 시료를 이용하여 기울기를 얻고, 이를 통해 선결 확산 계수의 측정값인 5.31×10-6 cm2/s을 도출하였다. 상기 측정값을 앞서 도 5에서 살펴 본 '도출된 기울기에 선결 확산 계수 값(D)을 적용하여 대상물질의 농도를 직접 얻는 과정'에 적용하여, 도파민의 농도를 도출하였다. 그 결과, 기울기가 1.002로 1에 상당히 가까워진 것을 확인할 수 있다. 이를 통해서, 선결 확산 계수로 측정값을 이용하는 경우, 높은 정량 정확도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6 , the closer to 1 in the slope on the graph, the higher the quantification accuracy, and 0.793 through a graph showing the dopamine concentration derived using the pre-diffusion coefficient (Literature D) as the literature value of dopamine. It can be seen that there is a slope value. Here, it can be expected that the value of the slope significantly deviates from 1 because the predetermined confidence coefficient used as a theoretical value is different from the actual predetermined diffusion coefficient of the target material. Therefore, the measured value of the pre-diffusion coefficient was derived using a sample (generally referred to as a reference sample) containing a target substance of known concentration. A gradient was obtained using a sample containing 1 mM dopamine, and 5.31×10 -6 cm 2 /s, a measurement value of the pre-diffusion coefficient, was derived. The concentration of dopamine was derived by applying the measured value to 'the process of directly obtaining the concentration of the target material by applying the pre-diffusion coefficient value (D) to the derived slope' as seen in FIG. 5 above. As a result, it can be seen that the slope is 1.002, which is quite close to 1. Through this, it can be seen that high quantification accuracy can be obtained when the measured value is used as the pre-diffusion coefficient.
선결 확산 계수의 이론값 및 측정값을 각각 이용하여 각각 도출한 도파민의 농도와 정량 오차(quantitation error)를 하기의 표 2에 나타냈다.The concentration and quantitation error of dopamine derived using the theoretical and measured values of the pre-diffusion coefficient, respectively, are shown in Table 2 below.
<표 2><Table 2>
표 2를 참조하면, 선결 확산 계수로 이론값(Literature D)을 이용하는 경우, 측정값(Measured D)을 이용하는 경우보다 정량 정확도가 떨어지는 것을 알 수 있다.Referring to Table 2, it can be seen that when the theoretical value (Literature D) is used as the pre-order diffusion coefficient, the quantitative accuracy is lower than when the measured value (Measured D) is used.
실시예 2: MDGs를 이용한 페리시안화 칼륨(Potassium ferricyanide, KExample 2: Potassium ferricyanide using MDGs (Potassium ferricyanide, K 33 [Fe(CN)[Fe(CN) 66 ])정량분석 방법 및 평가]) Quantitative analysis method and evaluation
다양한 농도의 K3[Fe(CN)6]을 이용하여 본 발명의 정량분석 방법 평가를 수행하였다. MDGs를 이용하여 0.1 M의 KCL 용액에 다양한 농도의 K3[Fe(CN)6]이 존재하는 시료의 환원 전류를 측정하였다. 이 때, 상기 MDGs의 제1 전극에는 0.5 V의 산화 전압을 인가하였고, 상기 제2 전극에는 - 0.1 V의 환원 전압을 인가하였으며, 측정된 전극 간 거리(measured gap distance)에 따른 환원전류(reduction current, Iox)를 G Factor에 따른 그래프로 도시한 후, 기울기를 얻고 측정값의 선결 확산 계수(measured D)를 적용하여 농도를 도출하였다. 상기 선결 확산 계수(measured D)는 1.12×10-5 cm2/s으로, 1mM K3[Fe(CN)6]가 포함된 시료를 기준 시료로 이용하여 도출하였다. 그 결과들을 도 7에 나타냈다.The quantitative analysis method of the present invention was evaluated using various concentrations of K 3 [Fe(CN) 6 ]. Reduction currents of samples in which various concentrations of K 3 [Fe(CN) 6 ] exist in 0.1 M KCL solution using MDGs were measured. At this time, an oxidation voltage of 0.5 V was applied to the first electrode of the MDGs, a reduction voltage of -0.1 V was applied to the second electrode, and a reduction current according to the measured gap distance current, I ox ) was plotted as a graph according to the G Factor, and then the gradient was obtained and the concentration was derived by applying the pre-diffusion coefficient (measured D) of the measured value. The predetermined diffusion coefficient (measured D) was 1.12×10 −5 cm 2 /s, and was derived using a sample containing 1 mM K 3 [Fe(CN) 6 ] as a reference sample. The results are shown in FIG. 7 .
도 7을 참조하면, (a)에서 K3[Fe(CN)6] 의 농도가 높을수록 갭의 변화에 따른 환원전류의 변화가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있고, (b)에서 기울기가 0.934으로 1에 가까운 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7 , in (a), it can be seen that the higher the concentration of K 3 [Fe(CN) 6 ], the greater the change in the reduction current according to the change in the gap, and the slope is 0.934 in (b) 1 It can be seen that close to
추가적으로, 본 발명의 전기화학적 센서를 통해 측정된 농도의 정확도를 분석하기 위해, 선결 확산 계수로 측정값 및 이론값을 이용한 경우 각각의 정량 오차를 도출하여 하기의 표 3 및 4에 각각 나타냈다.In addition, in order to analyze the accuracy of the concentration measured by the electrochemical sensor of the present invention, when the measured value and the theoretical value are used as the pre-diffusion coefficient, each quantitative error was derived and shown in Tables 3 and 4 below, respectively.
<표 3><Table 3>
<표 4><Table 4>
표 3 및 표 4를 함께 참조하면, 선결 확산 계수로 측정값(measured D)을 이용 했을 때의 정량 오차의 평균은 -16.3±18.9 % 인 것을 확인할 수 있고, 선결 확산 계수로 이론값(literature D, 6.56×10-6 cm2/s)을 이용했을 때의 정량 오차의 평균은 43.0±32.2 %인 것을 확인할 수 있다. 따라서, 선결 확산 계수로 측정값을 이용하는 경우의 정량이 더 정확한 것을 알 수 있다.Referring to Table 3 and Table 4 together, it can be seen that the average of the quantitative error when the measured value (measured D) is used as the prerequisite diffusion coefficient is -16.3±18.9 %, and the theoretical value (literature D) as the prerequisite diffusion coefficient , 6.56×10 -6 cm 2 /s), it can be seen that the average of the quantitative error is 43.0±32.2 %. Therefore, it can be seen that the quantification is more accurate when the measured value is used as the pre-diffusion coefficient.
실시예 3: MDGs를 이용한 아미노페놀(Aminophenol, AP) 정량분석 방법 및 평가Example 3: Aminophenol (Aminophenol, AP) quantitative analysis method and evaluation using MDGs
다양한 농도의 아미노페놀(AP)을 이용하여 본 발명의 정량분석 방법 평가를 수행하였다. MDGs를 이용하여 0.1 M의 NTMT 버퍼에 다양한 농도의 AP가 존재하는 시료의 환원 전류를 측정하였다. 이 때, 상기 MDGs의 제1 전극에는 0.4 V의 산화 전압을 인가하였고, 상기 제2 전극에는 - 0.2 V의 환원 전압을 인가하였으며, 측정된 전극 간 거리(measured gap distance)에 따른 산화 또는 환원 전류(reduction current, Iox)를 G Factor에 따른 그래프로 도시한 후, 기울기를 얻고 측정값의 선결 확산 계수(measured D)를 적용하여 농도를 도출하였다. 상기 선결 확산 계수(measured D)는 6.74×10-6 cm2/s으로, 5 mM 아미노페놀이 포함된 시료를 기준 시료로 이용하여 도출하였다. 그 결과들을 도 8에 나타냈다.The quantitative analysis method of the present invention was evaluated using various concentrations of aminophenol (AP). Reduction currents of samples in which various concentrations of AP were present in 0.1 M NTMT buffer using MDGs were measured. At this time, an oxidation voltage of 0.4 V was applied to the first electrode of the MDGs, a reduction voltage of -0.2 V was applied to the second electrode, and an oxidation or reduction current according to the measured gap distance After plotting (reduction current, I ox ) as a graph according to the G Factor, a gradient was obtained and the concentration was derived by applying a pre-diffusion coefficient (measured D) of the measured value. The predetermined diffusion coefficient (measured D) was 6.74×10 -6 cm 2 /s, and was derived using a sample containing 5 mM aminophenol as a reference sample. The results are shown in FIG. 8 .
도 8을 참조하면, (a)에서 아미노페놀의 농도가 높아짐에 따라 갭 거리 변화에 더 민감하게 감응하는 것을 확인할 수 있고, (b)에서 1.08의 값으로 1과 상당히 가까운 것을 확인할 수 있어, 앞서 살펴본 바와 마찬가지로 본 발명의 센서를 이용한 정량 정확도가 매우 높은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, it can be seen that in (a), as the concentration of aminophenol increases, it is more sensitive to the change in the gap distance, and in (b) it can be seen that the value of 1.08 is quite close to 1, As described above, it can be seen that the quantitative accuracy using the sensor of the present invention is very high.
추가적으로, 본 발명의 전기화학적 센서를 통해 측정된 농도의 정확도를 분석하기 위해, 선결 확산 계수로 측정값 및 이론값을 이용한 경우 각각의 정량 오차를 도출하여 하기의 표 5 및 6에 각각 나타냈다.Additionally, in order to analyze the accuracy of the concentration measured by the electrochemical sensor of the present invention, when the measured value and the theoretical value are used as the pre-diffusion coefficient, each quantitative error was derived and shown in Tables 5 and 6 below, respectively.
<표 5><Table 5>
<표 6><Table 6>
표 5 및 표 6을 함께 참조하면, 선결 확산 계수로 측정값(measured D)을 이용 했을 때의 정량 오차의 평균은 1.47±10.0 % 인 것을 확인할 수 있고, 선결 확산 계수로 이론값(literature D, 6.47×10-6 cm2/s)을 이용했을 때의 정량 오차의 평균은 5.72±10.5 %인 것을 확인할 수 있다. 따라서, 앞서 살펴본 결과들과 마찬가지로, 아미노페놀을 이용한 경우에도 선결 확산 계수로 측정값을 이용할 때 더 높은 정량 정확도를 갖는 것을 확인할 수 있다.Referring to Tables 5 and 6 together, it can be seen that the average of the quantitative error when the measured value (measured D) is used as the prerequisite diffusion coefficient is 1.47±10.0 %, and the theoretical value (literature D, 6.47×10 -6 cm 2 /s), it can be seen that the average of the quantitative error is 5.72±10.5 %. Therefore, it can be confirmed that, like the results discussed above, even when aminophenol is used, higher quantification accuracy is obtained when the measured value is used as the pre-diffusion coefficient.
상기의 실시예들을 참조하여, 본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서 및 이를 이용한 정량분석 방법을 통해 도파민(dopamine), 페리시안화 칼륨(Potassium ferricyanide), 아미노페놀(aminophenol) 의 정량분석을 확인하였다. 이를 통해서, 본 발명의 멀티 갭 전기화학 센서 및 이를 이용한 정량분석 방법은 다양한 물질에 적용될 수 있고, 용매의 조성에 상관없이 적용이 가능하며, 상당히 정확한 정량이 가능함을 알 수 있고, 또한, 서브 μM(sub μM) 수준의 농도에 있어서도 간편한 방식으로 측정할 수 있음을 알 수 있다.With reference to the above examples, the quantitative analysis of dopamine, potassium ferricyanide, and aminophenol was confirmed through the multi-gap electrochemical sensor of the present invention and a quantitative analysis method using the same. Through this, it can be seen that the multi-gap electrochemical sensor of the present invention and the quantitative analysis method using the same can be applied to various materials, can be applied regardless of the composition of the solvent, and can be quantified fairly accurately, and also sub μM It can be seen that even at the (sub μM) level of concentration, it can be measured in a simple manner.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 아래의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that you can.
Claims (13)
상기 제1 및 제2 센싱 소자부 각각은 상기 베이스 기판의 표면에 배열되고 서로 이격된 제1 및 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 센싱 소자부의 제1 전극과 제2 전극은 제1 간격으로 이격되고,
상기 제2 센싱 소자부의 제1 전극과 제2 전극은 상기 제1 간격과 다른 제2 간격으로 이격된 것을 특징으로 하는,
멀티 갭 전기화학 센서
and first and second sensing element units respectively formed in first and second regions adjacent to each other among the surface of the base substrate,
Each of the first and second sensing element units includes first and second electrodes arranged on the surface of the base substrate and spaced apart from each other,
The first electrode and the second electrode of the first sensing element part are spaced apart by a first interval,
The first electrode and the second electrode of the second sensing element part are spaced apart by a second interval different from the first interval,
Multi-Gap Electrochemical Sensors
상기 제1 전극과 상기 제2 전극에는 시료에 함유된 대상물질에 산화 혹은 환원시킬 수 있는 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는,
멀티 갭 전기화학 센서.
According to claim 1,
characterized in that a voltage capable of oxidizing or reducing the target material contained in the sample is applied to the first electrode and the second electrode;
Multi-gap electrochemical sensor.
상기 제1 전극은 제1 방향으로 연장된 제1 수직부 및 상기 제1 수직부로부터 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장되고 서로 일정한 간격으로 이격된 복수의 제1 수평부들을 포함하고,
상기 제2 전극은 상기 제1 수직부와 이격된 위치에서 상기 제1 방향으로 연장된 제2 수직부 및 상기 제2 수직부로부터 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 제1 수평부들 사이에 각각 배치된 복수의 제2 수평부들을 포함하는,
멀티 갭 전기화학 센서.
According to claim 1,
The first electrode includes a first vertical portion extending in a first direction and a plurality of first horizontal portions extending from the first vertical portion in a second direction orthogonal to the first direction and spaced apart from each other at regular intervals, ,
The second electrode includes a second vertical portion extending in the first direction at a position spaced apart from the first vertical portion, and a second vertical portion extending from the second vertical portion in the second direction and disposed between the first horizontal portions, respectively. comprising a plurality of second horizontal portions,
Multi-gap electrochemical sensor.
상기 제1 및 제2 수평부들의 적어도 일부를 노출시키고, 상기 제1 및 제2 수직부를 커버하며, 시료를 수용하는 공간을 형성하는 패시베이션층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
멀티 갭 전기화학 센서.
4. The method of claim 3,
Exposing at least a portion of the first and second horizontal portions, covering the first and second vertical portions, characterized in that it further comprises a passivation layer forming a space for accommodating the sample,
Multi-gap electrochemical sensor.
상기 제1 및 제2 센싱 소자부와 다른 제3 센싱 소자부를 더 포함하고,
상기 제3 센싱 소자부에 형성된 상기 제1 및 제2 전극은 상기 제1 및 제2 간격과 다른 제3 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는,
멀티 갭 전기화학 센서.
According to claim 1,
Further comprising a third sensing element unit different from the first and second sensing element units,
The first and second electrodes formed in the third sensing element part are spaced apart by a third gap different from the first and second gaps,
Multi-gap electrochemical sensor.
상기 제1 및 제2 간격은 1 나노미터 내지 100 마이크로 미터인 것을 특징으로 하는
멀티 갭 전기화학 센서.
According to claim 1,
The first and second intervals are characterized in that 1 nanometer to 100 micrometers.
Multi-gap electrochemical sensor.
상기 멀티 갭 전기화학 센서에 시료를 사용하여 상기 시료에 함유된 대상물질의 산화 및 환원 전류（redox current)를 측정하는 제1 단계;
상기 제1 및 제2 전극 간 간격의 변화에 따른 상기 측정된 산화 또는 환원 전류의 변화를 포함하는 정보를 획득하는 제2 단계; 및
상기 정보로부터 상기 시료에 함유된 상기 대상물질의 농도를 도출하는 제3 단계를 포함하는,
멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 직접 정량분석법.
A method for quantitatively analyzing a target material contained in a sample using the multi-gap electrochemical sensor according to claim 1,
a first step of measuring oxidation and reduction currents of a target material contained in the sample using a sample in the multi-gap electrochemical sensor;
a second step of obtaining information including a change in the measured oxidation or reduction current according to a change in an interval between the first and second electrodes; and
A third step of deriving the concentration of the target substance contained in the sample from the information,
Direct quantitation using multi-gap electrochemical sensors.
상기 제3 단계는,
상기 제1 및 제2 전극 간 간격에 대한 상기 산화 또는 환원 전류의 변화율을 도출하는 단계;
상기 산화 또는 환원 전류의 변화율 및 상기 대상물질의 선결 확산 계수(predetermined diffusion coefficient)를 이용하여 상기 대상물질의 농도를 산출하는 단계를 포함하는,
멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 직접 정량분석법.
8. The method of claim 7,
The third step is
deriving a rate of change of the oxidation or reduction current with respect to the interval between the first and second electrodes;
Comprising the step of calculating the concentration of the target material by using the rate of change of the oxidation or reduction current and a predetermined diffusion coefficient (predetermined diffusion coefficient) of the target material,
Direct quantitation using multi-gap electrochemical sensors.
상기 대상물질의 농도는 하기의 비례식 1을 통해 산출되는 것을 특징으로 하고,
상기 멀티 갭 전기화학 센서의 제1 및 제2 전극 간의 간극 크기를 제외한 센서의 구조를 동일하게 유지하며,
상기 대상 물질의 선결 확산 계수(predetermined diffusion coefficient)를 적용하고,
상기 멀티 갭 전기화학 센서 내 제1 및 제2 전극 간의 간극 크기 변화를 독립변수로 이용하며,
산화환원 전류 변화를 종속변수로 이용하여 농도를 도출하는 단계를 포함하는
멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 직접 정량분석법:
<비례식 1>
I∝C×D×E
상기 비례식 1에서 I 는 상기 대상물질의 산화 또는 환원 전류이고, C 는 상기 대상물질의 농도이며, D 는 상기 대상물질의 선결확산계수이고, E 는 전극의 개수, 길이, 폭, 전극 간극에 의해 결정되는 상기 갭 센서의 구조 효과를 나타낸다.
9. The method of claim 8,
The concentration of the target substance is characterized in that it is calculated through the following proportional formula 1,
Maintaining the same structure of the sensor except for the size of the gap between the first and second electrodes of the multi-gap electrochemical sensor,
applying a predetermined diffusion coefficient of the target material,
Using the change in the gap size between the first and second electrodes in the multi-gap electrochemical sensor as an independent variable,
Including the step of deriving the concentration using the redox current change as a dependent variable
Direct quantitation using multi-gap electrochemical sensors:
<Proportional formula 1>
I∝C×D×E
In the proportional formula 1, I is the oxidation or reduction current of the target material, C is the concentration of the target material, D is the pre-diffusion coefficient of the target material, and E is the number, length, width, and electrode gap of the electrode. The structural effect of the gap sensor is determined.
상기 제1 단계에서, 상기 제1 전극에 상기 시료에 함유된 대상물질의 산화 전압을 인가하는 경우, 상기 제2 전극에는 상기 시료에 함유된 대상물질의 환원 전압을 인가하고,
상기 제1 전극에 상기 시료에 함유된 대상물질의 환원 전압을 인가하는 경우, 상기 제2 전극에는 상기 시료에 함유된 대상물질의 산화 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는,
멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 직접 정량분석법
8. The method of claim 7,
In the first step, when an oxidation voltage of the target material contained in the sample is applied to the first electrode, a reduction voltage of the target material contained in the sample is applied to the second electrode,
When a reduction voltage of the target material contained in the sample is applied to the first electrode, an oxidation voltage of the target material contained in the sample is applied to the second electrode,
Direct Quantitation Using Multi-Gap Electrochemical Sensors
상기 제2 단계에서,
상기 시료에 함유된 상기 대상물질이 환원종일 경우, 상기 제1 또는 제2 전극에서 측정된 산화 전류를 이용하여 기울기를 도출하고,
상기 시료에 함유된 상기 대상물질이 산화종일 경우, 상기 제1 또는 제2 전극에서 측정된 환원 전류를 이용하여 기울기를 도출하는 것을 특징으로 하는,
멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 직접 정량분석법
8. The method of claim 7,
In the second step,
When the target material contained in the sample is a reducing species, a slope is derived using the oxidation current measured at the first or second electrode,
When the target material contained in the sample is an oxidizing species, characterized in that the slope is derived using the reduction current measured at the first or second electrode,
Direct Quantitation Using Multi-Gap Electrochemical Sensors
상기 시료에 함유된 상기 대상물질은 유기 화합물, 무기 화합물 및 생체 분자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 직접 정량분석법
8. The method of claim 7,
The target material contained in the sample is characterized in that any one of organic compounds, inorganic compounds and biomolecules,
Direct Quantitation Using Multi-Gap Electrochemical Sensors
상기 시료에 함유된 대상물질의 농도는 1 pM 내지 5 mM인 것을 특징으로 하는,
멀티 갭 전기화학 센서를 이용한 직접 정량분석법8. The method of claim 7,
The concentration of the target substance contained in the sample is characterized in that 1 pM to 5 mM,
Direct Quantitation Using Multi-Gap Electrochemical Sensors
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