KR20200115285A

KR20200115285A - 바이오 센서

Info

Publication number: KR20200115285A
Application number: KR1020200036181A
Authority: KR
Inventors: 이영근; 유민수; 조수호; 권혜림; 최병진
Original assignee: 동우 화인켐 주식회사
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2020-10-07
Also published as: KR102255442B1

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예들의 바이오 센서는 기판, 기판 상에 요철 형상을 가지며 서로 마주보는 제1 대향면 및 제2 대향면을 각각 포함하는 작업 전극 및 기준 전극을 포함한다. 작업 전극 및 기준 전극이 서로 마주보는 면의 면적이 증가하여, 센싱 성능이 향상될 수 있다.

Description

바이오 센서{BIO SENSOR}

본 발명은 바이오 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 작업 전극 및 기준 전극을 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.

인간의 평균 수명이 증가함에 따라, 헬스 케어 산업이 급속히 팽창하고 있다. 특히, 여러 가지 생체 신호들을 어디서든 편리하게 측정할 수 있는 휴대 가능한 소형 바이오 센서에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.

종래의 바이오 센서는 체액(땀, 눈물, 혈액 등)에 포함된 화학종들과 반응하는 효소를 사용하였다. 상기 효소가 상기 화학종과 반응하여 전류가 발생하면, 이를 측정하여 해당 화학종의 농도를 측정한다.

바이오 센서에 대한 대부분의 연구들은 예를 들면, 대한민국 등록특허공보 제10-1107506호에 개시된 바와 같이, 글루코스의 글루코노락톤 (gluconolactone)으로의 산화를 촉진하는 글루코스 산화 효소(glucose oxidase) 또는 글루코스 탈수소 효소와 같은 효소의 고정에 기반을 두고 있다.

바이오 센서를 구동하려면 센서 전극에 소정량의 시료를 공급하여야 한다. 센서의 최소 시료 요구량이 많을 수록, 해당 량의 시료(예를 들면, 땀 또는 혈액)를 확보하기 어렵다.

대한민국 등록특허공보 제10-1107506호

본 발명의 일 과제는 편의성 및 센싱 성능이 향상된 바이오 센서를 제공하는 것이다.

1. 기판; 상기 기판 상에 배치되며 요철 형상을 갖는 제1 대향면을 포함하는 작업 전극; 및 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 마주보며 이격되고, 상기 제1 대향면과 마주보며 요철 형상을 갖는 제2 대향면을 포함하는 기준 전극을 포함하는, 바이오 센서.

2. 위 1에 있어서, 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면은 볼록부 및 오목부를 포함하는, 바이오 센서.

3. 위 2에 있어서, 상기 제1 대향면의 상기 볼록부는 상기 제2 대향면의 상기 오목부와 마주보고 배치되며, 상기 제1 대향면의 상기 오목부는 상기 제2 대향면의 상기 볼록부와 마주보고 배치되는, 바이오 센서.

4. 위 3에 있어서, 상기 볼록부의 형상 및 상기 오목부의 형상은 상보 관계인, 바이오 센서.

5. 위 1에 있어서, 상기 요철 형상은 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면의 전체에 형성된, 바이오 센서.

6. 위 1에 있어서, 상기 제1 대향면의 상기 요철 형상과 상기 제2 대향면의 상기 요철 형상은 상기 작업 전극과 상기 기준 전극의 중앙선을 넘어가지 않는, 바이오 센서.

7. 위 1에 있어서, 상기 작업 전극 및 상기 기준 전극은 센싱 전극을 정의하며, 상기 센싱 전극의 전체 폭은 0.3 내지 5mm인, 바이오 센서.

8. 위 1에 있어서, 상기 작업 전극의 면적은 상기 기준 전극의 면적보다 크거나 같은, 바이오 센서.

9. 위 1에 있어서, 상기 작업 전극의 면적은 상기 기준 전극의 면적 대비 1 내지 15배인, 바이오 센서.

10. 위 1에 있어서, 상기 작업 전극은, 상기 기판 상에 배치된 도전층; 상기 도전층 상에 배치된 전자 수송층; 및 상기 전자 수송층 상에 배치된 효소 반응층을 포함하는, 바이오 센서.

11. 위 10에 있어서, 상기 효소 반응층은 글루코스 산화 효소, 콜레스테롤 산화 효소, 락테이트 산화 효소, 아스코빅산 산화 효소 및 알코올 산화 효소 중 적어도 하나의 산화 효소 또는 글루코스 탈수소 효소, 글루탐산 탈수소 효소, 락테이트 탈수소 효소 및 알코올 탈수소 효소 중 적어도 하나의 탈수소 효소를 포함하는, 바이오 센서.

12. 위 10에 있어서, 상기 전자 수송층은 프러시안 블루(Prussian blue)를 포함하는, 바이오 센서.

13. 위 10에 있어서, 상기 도전층은 금속층 및 금속 보호층을 포함하는, 바이오 센서.

14. 위 13에 있어서, 금속층은 Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 바이오 센서.

15. 위 13에 있어서, 금속 보호층은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)를 포함하는, 바이오 센서.

16. 위 10에 있어서, 상기 작업 전극은 상기 효소 반응층 상에 배치된 필터층을 더 포함하는, 바이오 센서.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 작업 전극 및 기준 전극은 서로 마주보고 배치되며, 대향면들은 각각 요철 형상의 프로파일을 갖는다. 이 경우, 센싱 전극의 전체 크기 대비 마주보는 면의 면적을 증가시킬 수 있다. 따라서, 최소 시료 요구량을 감소시키고, 센싱 민감도 및 속도를 향상시킬 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 제1 대향면 및 제2 대향면의 요철 패턴들을 상보적으로 마주보고 배치될 수 있다. 따라서, 센싱 전극의 전체 면적 대비 마주보는 면의 면적을 보다 증가시킬 수 있다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 평면도이다.
도 2 내지 도 4는 예시적인 실시예들에 따른 센싱 전극의 개략적인 평면도이다.
도 5 및 도 6은 비교예들에 따른 센싱 전극의 개략적인 평면도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 센싱 전극의 개략적인 단면도이다.
도 8은 실시예 및 비교예에 따른 바이오 센서로 글루코스 시료를 측정한 시간-전류 그래프이다.
도 9는 실시예들에 따른 바이오 센서로 글루코스 시료를 측정한 시간-전류 그래프이다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 기판, 기판 상에 요철 형상을 가지며 서로 마주보는 제1 대향면 및 제2 대향면을 각각 포함하는 작업 전극 및 기준 전극을 포함하는 바이오 센서를 제공한다. 작업 전극 및 기준 전극이 서로 마주보는 면의 면적이 증가하여, 센싱 성능이 향상될 수 있다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 평면도이다.

도 1을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서(10)는 기판(100), 작업 전극(110), 기준 전극(120) 및 배선(140)을 포함한다. 또한, 보조 센서(130)를 더 포함할 수 있다.

기판(100)은 작업 전극(110), 기준 전극(120), 배선(140) 및/또는 보조 센서(130)가 배치되는 기재층으로 제공된다.

예를 들어, 기판(100)은 플렉서블 특성을 갖는 기재 필름일 수 있으며, 구체적인 예로는, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌이소프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지; 디아세틸셀룰로오스, 트리아세틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스계 수지; 폴리카보네이트계 수지; 폴리메틸(메타)아크릴레이트, 폴리에틸(메타)아크릴레이트 등의 아크릴계 수지; 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체 등의 스티렌계 수지; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 시클로계 또는 노보넨 구조를 갖는 폴리올레핀, 에틸렌-프로필렌 공중합체 등의 폴리올레핀계 수지; 염화비닐계 수지; 나일론, 방향족 폴리아미드 등의 아미드계 수지; 이미드계 수지; 폴리에테르술폰계 수지; 술폰계 수지; 폴리에테르에테르케톤계 수지; 황화 폴리페닐렌계 수지; 비닐알코올계 수지; 염화비닐리덴계 수지; 비닐부티랄계 수지; 알릴레이트계 수지; 폴리옥시메틸렌계 수지; 에폭시계 수지 등과 같은 열가소성 수지로 구성된 필름을 들 수 있으며, 상기 열가소성 수지의 블렌드물로 구성된 필름도 사용할 수 있다. 또한, (메타)아크릴계, 우레탄계, 아크릴우레탄계, 에폭시계, 실리콘계 등의 열경화성 수지 또는 자외선 경화형 수지로 된 필름을 이용할 수도 있다.

기판(100)의 두께는 적절히 결정될 수 있지만, 강도, 취급성, 작업성, 박층성 등을 고려하여, 1 내지 500㎛일 수 있다. 1 내지 300㎛가 바람직하고, 5 내지 200㎛가 보다 바람직하다.

예를 들면, 상기 기재 필름에는 1종 이상의 첨가제가 함유될 수 있다. 첨가제로는, 예컨대 자외선흡수제, 산화방지제, 윤활제, 가소제, 이형제, 착색방지제, 난연제, 핵제, 대전방지제, 안료, 착색제 등을 들 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 기재 필름은 필름의 일면 또는 양면에 하드코팅층, 반사방지층, 가스 배리어층과 같은 다양한 기능성층을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 기재 필름은 표면 처리될 수 있다. 예를 들면, 표면 처리는 플라즈마(plasma) 처리, 코로나(corona) 처리, 프라이머(primer) 처리 등의 건식 처리, 검화 처리를 포함하는 알칼리 처리 등의 화학 처리를 포함할 수 있다.

센싱 전극은 기판(100) 상에 형성될 수 있다. 상기 센싱 전극은 서로 마주보며 이격된 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)은 좌우로 마주보고 배치될 수 있다.

따라서, 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)의 사이에 시료를 공급할 경우, 상기 시료가 작업 전극(110) 및 기준 전극(120) 사이에서 전자/정공 및 산화-환원 물질의 이동을 매개할 수 있다. 따라서, 적은 양의 시료로 바이오 센서(10)를 구동할 수 있다.

도 2는 예시적인 실시예들에 따른 센싱 전극의 개략적인 평면도이다.

도 2를 참조하면, 작업 전극(110)은 제1 대향면(112)을 포함할 수 있으며, 기준 전극(120)은 제2 대향면(122)을 포함할 수 있다.

제1 대향면(112)은 작업 전극(110)이 기준 전극(120)과 마주보는 면으로 정의될 수 있다. 제2 대향면(122)은 기준 전극(120)이 작업 전극(110)과 마주보는 면으로 정의될 수 있다. 예를 들면, 작업 전극(110)과 기준 전극(120)이 서로 마주보는 두 면이 각각 제1 대향면(112) 및 제2 대향면(122)으로 정의될 수 있다.

작업 전극(110)의 제1 대향면(112) 및 기준 전극(120)의 제2 대향면(122)은 좌우로 마주볼 수 있다. 제1 대향면(112) 및 제2 대향면(122)은 요철 형상을 가질 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 제1 대향면(112) 및 제2 대향면(122)의 프로파일은 각각 요철 형상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 평면 방향으로 바라보았을 때, 제1 대향면(112) 및 제2 대향면(122)의 마주보는 선분들은 요철 형상을 가질 수 있다. 상기 대향면들이 요철 프로파일을 포함할 경우, 센싱 전극의 크기 대비 마주보는 면의 면적이 증가할 수 있다. 상기 요철 형상은 제1 대향면(112) 및 제2 대향면(122)의 전체에 형성될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 요철 형상은 볼록부 및 오목부를 포함할 수 있다. 상기 볼록부 및 오목부는 교대로 반복될 수 있다.

예를 들면, 제1 대향면(112)은 제1 볼록부(112a) 및 제1 오목부(112b)를 포함할 수 있으며, 제2 대향면(122)은 제2 오목부(122a) 및 제2 볼록부(122b)를 포함할 수 있다.

제1 볼록부(112a), 제1 오목부(112b), 제2 오목부(122a) 및 제2 볼록부(122b)는 뭉툭한 곡선 프로파일을 가질 수 있다. 상기 뭉툭한 곡선 프로파일은 예를 들면, 물결 형상을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 작업 전극(110)의 측면 중 제1 대향면(112)을 제외한 나머지 부분은 요철이 없는 곡면 형상을 가질 수 있다. 상기 요철이 없는 곡면 형상은 예를 들면, 심리스(seamless)한 형상일 수 있다. 기준 전극(120)의 측면 중 제2 대향면(122)을 제외한 나머지 부분 또한 요철이 없는 곡면 형상을 가질 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)은 전체적으로 반원 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)은 제1 대향면(112) 및 제2 대향면(122)을 제외한 측면(측벽)이 반원 프로파일을 가질 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 제1 볼록부(112a)는 제2 오목부(122a)와 마주보고 배치되고, 제1 오목부(112b)는 제2 볼록부(122b)와 마주보고 배치될 수 있다. 따라서, 오목-볼록 형상이 짝을 이룸으로써, 센서의 단위 크기 당 마주보는 면적이 증가할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 볼록부의 형상 및 상기 오목부의 형상은 상보 관계일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 “상보 관계”는 두 형상을 붙였을 때, 실질적으로 빈 공간 없이 일체화되는 것을 의미하나, 소정의 공차를 포함하는 경우를 포괄할 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)을 이어 붙일 경우, 일체화된 원 또는 타원이 형성될 수 있다. 상기 상보 관계를 만족할 경우, 센서의 단위 크기 당 마주보는 면적이 증가할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 제1 대향면(112)의 길이는 제2 대향면(122)의 길이와 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 대향면(112) 및 제2 대향면(122)의 길이는 상기 요철 프로파일의 길이를 의미할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)은 센싱 전극을 정의할 수 있다. 상기 센싱 전극은 대향하는 한 쌍의 작업 전극(110), 기준 전극(120) 및 그 사이의 이격된 공간을 포괄할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어 “센싱 전극의 전체 폭”은 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)의 가장 멀리 떨어진 두 지점 사이의 거리를 의미할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 센싱 전극의 전체 폭은 0.3 내지 5mm일 수 있다. 상기 전체 폭이 0.3mm 미만일 경우, 감지 대상 물질 측정 시 발생하는 전기신호(전류)의 양이 감소하여 바이오 센서의 감도, 측정 속도 및/또는 최대 측정 농도가 감소할 수 있다. 상기 전체 폭이 5mm 초과일 경우, 상기 센싱 전극의 구동에 필요한 최소 시료 양이 증가할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 바이오 센서(10)의 최소 시료 요구량은 0.1 내지 1㎕일 수 있다. 예를 들면, 상기 센싱 전극의 전체 폭은 0.3 내지 5mm일 경우, 약 1㎕ 이하의 시료로 바이오 센서(10)를 구동할 수 있다.

도 3은 예시적인 실시예들에 따른 센싱 전극의 개략적인 평면도이다. 도 2를 참조로 설명한 구성과 실질적으로 동일한 구성에 대한 설명은 생략될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 센싱 전극은 작업 전극(111) 및 기준 전극(121)을 포함할 수 있다. 작업 전극(111)은 제1 대향면(113)을 포함할 수 있으며, 제1 대향면(113)은 제1 볼록부(113a) 및 제1 오목부(113b)를 포함할 수 있다. 기준 전극(121)은 제2 대향면(123)을 포함할 수 있으며, 제2 대향면(123)은 제2 오목부(123a) 및 제2 볼록부(123b)를 포함할 수 있다.

제1 볼록부(113a), 제1 오목부(113b), 제2 오목부(123a) 및 제2 볼록부(123b)는 첨단부를 포함할 수 있다. 제1 볼록부(113a) 및 제1 오목부(113b)는 톱니 형상을 형성할 수 있다. 또한, 제2 오목부(123a) 및 제2 볼록부(123b)는 톱니 형상을 형성할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 작업 전극(110)과 기준 전극(120)은 실질적으로 동일한 면적을 가질 수 있다.

도 4는 예시적인 실시예들에 따른 센싱 전극의 개략적인 평면도이다.

도 4를 참조하면, 작업 전극(110)의 면적은 기준 전극(120)의 면적보다 클 수 있다. 이 경우, 상기 센싱 전극의 전체 면적 중 작업 전극(110)의 면적 비율이 증가할 수 있다. 따라서, 작업 전극(110)에 보다 많은 양의 시료가 적용될 수 있으며, 검출 감도 및 속도가 향상될 수 있다. 또한, 시료의 양이 적은 경우에도 충분한 센싱 감도를 확보할 수 있다.

작업 전극(110) 및 기준 전극(120)의 면적은 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)에 연결된 배선들(142, 144)를 제외한 전극 자체의 면적을 의미할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 작업 전극(110)의 면적은 기준 전극(120)의 면적 대비 1 내지 15배일 수 있다. 작업 전극(110)의 면적이 1배 미만일 경우, 센싱 성능이 향상되지 않을 수 있다. 작업 전극(110)의 면적이 15배 초과일 경우, 기준 전극(120)의 면적이 과도하게 감소하여 기준 전극으로서 역할을 하지 못해 센서가 구동되지 않을 수 있다. 바람직하게는, 작업 전극(110)의 면적은 기준 전극(120)의 면적 대비 3 내지 12배일 수 있다.

도 5는 일 비교예에 따른 센싱 전극의 개략적인 평면도이다.

도 5를 참조하면, 비교예의 센싱 전극은 작업 전극(210) 및 기준 전극(220)을 포함하며, 각각 제1 배선(242) 및 제2 배선(244)에 연결될 수 있다.

도 5의 센싱 전극은 기준 전극(220)이 작업 전극(210)을 둘러싼 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 센서의 구동을 위해서 작업 전극(210) 및 기준 전극(220)을 함께 커버할 수 있는 양의 시료가 필요할 수 있다. 따라서, 센서 구동에 필요한 최소 시료 요구량이 증가할 수 있다.

또한, 비교예의 작업 전극(210)의 크기를 실시예의 작업 전극(110)의 크기와 매칭시킬 경우, 비교예의 센싱 전극의 전체 크기가 증가할 수 있다. 따라서, 작업 전극(210) 및 기준 전극(220)을 함께 커버하기 위한 상기 최소 시료 요구량이 증가할 수 있다. 비교예의 센싱 전극의 전체 크기를 실시예의 센싱 전극의 전체 크기와 매칭시킬 경우, 비교예의 작업 전극(210)의 크기가 실시예의 작업 전극(110)의 크기보다 작아질 수 있다. 따라서, 센서의 민감도, 최대 측정 농도 및 센싱 속도가 감소할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 제1 대향면(112)의 상기 요철 형상과 제2 대향면(122)의 상기 요철 형상은 작업 전극(110)과 기준 전극(120)의 중앙선(CL)을 넘어가지 않을 수 있다.

중앙선(CL)은 제1 대향면(112)의 제1 오목부(112b)와 제2 대향면(122)의 제2 오목부(122a) 사이의 중간 지점을 가로지르는 선으로 정의될 수 있다. 예를 들면, 중앙선(CL)은 상기 센싱 전극의 폭 방향에 대하여 제1 오목부(112b)와 제2 오목부(122a)가 이격된 거리의 중간 지점으로부터 수직인 선을 의미할 수 있다. 또한, 중앙선(CL)은 작업 전극(110)에 연결된 제1 배선(142)과 기준 전극(120)에 연결된 제2 배선(144) 사이의 중간 지점을 가로지르는 선을 의미할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 제1 대향면(112)의 제1 볼록부(112a)는 제2 대향면(122)의 제2 오목부(122a)에 삽입되지 않을 수 있다. 예를 들면, 제1 볼록부(112a)는 제2 대향면(122) 및 제2 볼록부(122b)들의 최대 돌출 지점들을 연결한 선을 넘어가지 않을 수 있다.

도 6은 일 비교예에 따른 센싱 전극의 개략적인 평면도이다.

도 6을 참조하면, 비교예의 센싱 전극은 작업 전극(310)의 요철 형상의 일부분과 기준 전극(320)의 요철 형상의 일부분이 중앙선(CL)을 넘어갈 수 있다.

이 경우, 예를 들면 작업 전극(310)의 제조 시 효소 반응층 형성용 조성물의 표면 장력에 의하여 효소 반응층이 작업 전극(310) 전면에 고르게 도포되지 않을 수 있다. 따라서, 바이오 센서의 센싱 감도, 센싱 정확도 및 센싱 정밀도가 저하될 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 전극의 형상을 작업 전극(110)과 기준 전극(120)의 상기 요철 형상들이 중앙선(CL)을 넘어가지 않도록 설계함으로써, 작업 전극(110) 상에 균일한 효소 반응층을 형성할 수 있다. 이 경우, 센싱 감도, 센싱 정확도 및 센싱 정밀도가 향상될 수 있다.

배선(140)은 상기 센싱 전극에 연결될 수 있다. 배선(140)은 작업 전극(110)과 연결되는 제1 배선(142) 및 기준 전극(120)과 연결되는 제2 배선(144)을 포함할 수 있다. 또한, 보조 센서(130)와 연결되는 제3 배선(146)을 포함할 수도 있다.

보조 센서(130)는 열감지 센서, pH 센서 및/또는 습도 센서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 보조 센서(130)는 온도, pH 및/또는 습도를 측정하여, 바이오 센서(10)의 측정 오차를 정정할 수 있다.

도 7은 예시적인 실시예들에 따른 센싱 전극의 개략적인 단면도이다.

도 7을 참조하면, 작업 전극(110)은 도전층(114), 전자 수송층(115) 및 효소 반응층(116)을 포함할 수 있다. 또한, 필터층(117)을 더 포함할 수 있다. 도전층(114)은 금속층(114a) 및 금속 보호층(114b)을 포함할 수 있다. 기준 전극(120)은 제2 도전층(124) 및 기준 물질층(126)을 포함할 수 있다.

작업 전극(110)에서는 감지 대상 물질(측정 대상 물질)의 산화-환원 반응이 일어날 수 있다. 작업 전극(110)은 시료에 포함된 상기 감지 대상 물질이 반응하여 발생된 전기적 신호를 감지할 수 있다. 시료는 땀, 체액, 눈물, 혈액 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

예를 들면, 상기 감지 대상 물질은 글루코스 또는 젖산(락테이트)을 포함할 수 있다.

도전층(114)은 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 도전층(114)은 감지 대상 물질의 산화-환원 반응에서 발생한 전자 또는 정공이 전달되는 통로로 제공될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 도전층(114)은 금속층(114a) 및 금속 보호층(114b)을 포함할 수 있다.

금속 보호층(114b)은 금속층(114a)의 상면을 전체적으로 덮을 수 있다. 예를 들면, 금속 보호층(114b)은 금속층(114a)과 직접 접촉할 수 있다. 금속 보호층(114b)은 산화-환원 반응으로 인해 금속층(114a)이 산화-환원되는 것을 방지할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 금속층(114a)은 Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, APC(Ag-Pd-Cu) 합금이 사용될 수 있다. 금속층(114a)은 Au, Ag, APC 합금 및 Pt 중 적어도 하나만으로 형성될 수도 있다. 상기 Au, Ag, APC 합금 및 Pt는 도전층(114)의 전기 전도성을 향상시키고 저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 바이오 센서(10)의 검출 성능을 향상시킬 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 금속 보호층(114b)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 금속 보호층(114b)은 ITO 또는 IZO만으로 형성될 수 있다. ITO 및 IZO는 전기 전도성을 가지면서도 화학적으로 안정하여 금속층(114a)을 산화-환원 반응으로부터 효과적으로 보호할 수 있다.

예를 들면, 금속 보호층(114b)은 금속층(114a)이 대기와 직접 접촉하는 것을 방지하여 금속층(114a)을 구성하는 금속 성분의 산화를 방지할 수 있다. 따라서, 금속층(114a)에 의해 감지되는 전기적 신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

전자 수송층(115)은 도전층(114) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 도전층(114)을 직접 덮을 수 있다.

전자 수송층(115)은 상기 산화-환원 반응에서 발생한 전자 또는 정공을 도전층(114)까지 전달하는 전자/정공의 이동 통로 제공될 수 있다.

전자 수송층(115)은 전자 수송 물질을 포함할 수 있다. 상기 전자 수송 물질은 예를 들면, 효소 반응층(116)에서 일어나는 감지 대상 물질의 산화-환원 반응에서 발생한 전자/정공을 수용하여 산화 또는 환원되는 물질을 포함할 수 있다. 상기 산화 또는 환원을 통해 전자/정공이 전달될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전자 수송 물질은 프러시안 블루(Prussian blue)를 포함할 수 있다. 프러시안 블루는 헥사시아노철(II)산철(III)칼륨이 주성분인 청색 안료로서, 높은 산화성을 가질 수 있다. 프러시안 블루를 도전층(114) 상에 배치할 경우 작업 전극(110)의 전기적 감도를 향상시킬 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 전자 수송층(115)은 카본 페이스트를 더 포함할 수 있다.

효소 반응층(116)은 전자 수송층(115) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 전자 수송층(115)의 상면에 직접 접촉할 수 있다.

효소 반응층(116)은 시료에 포함되어 있는 감지 대상 물질의 화학 반응이 일어나는 층으로 제공될 수 있다. 효소 반응층(116)은 감지 대상 물질과 반응하는 산화 효소 또는 탈수소 효소를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 산화 효소는 효소 반응층(116)은 글루코스 산화 효소(glucose oxidase), 콜레스테롤 산화 효소(cholesterol oxidase), 락테이트 산화 효소(lactate oxidase), 아스코빅산 산화 효소(ascorbic acid oxidase) 및 알코올 산화 효소(alcohol oxidase) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 탈수소 효소는 글루코스 탈수소 효소(glucose dehydrogenase), 글루탐산 탈수소 효소(glutamate dehydrogenase), 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydronase) 및 알코올 탈수소 효소(alcohol dehydrogenase) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

따라서, 글루코스, 콜레스테롤, 락테이트, 아스코빅산, 알코올 또는 글루탐산의 농도를 측정할 수 있다.

예를 들면, 바이오 센서(10)가 글루코스 센서일 경우, 효소 반응층(116)은 글루코스 산화효소(Glucose oxidase) 또는 글루코스 탈수소효소(Glucose dehydrogenase)를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 상기 산화 효소 또는 상기 탈수소 효소는 바인더를 통해 고정될 수 있다. 상기 바인더는 당분야에서 통상적으로 사용되는 바인더를 포함할 수 있으며, 예를 들면, 키토산을 포함할 수 있다.

예를 들면, 시료를 바이오 센서(10)에 주입하면, 시료에 포함되어 있는 감지 대상 물질이 산화 효소 또는 탈수소 효소에 의하여 산화되고, 과산화수소가 형성될 수 있다. 상기 전자 수송 물질(예를 들면, 프러시안 블루)는 과산화수소를 환원시키고, 자신은 산화될 수 있다. 산화된 전자 수송 물질은 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 잃고 전기화학적으로 다시 산화될 수 있다.

시료 내의 감지 대상 물질의 농도는 전자 수송 물질이 산화되는 과정에서 발생되는 전류량에 비례하므로, 상기 전류량을 측정함으로써 감지 대상 물질의 농도를 측정할 수 있다.

필터층(117)은 효소 반응층(116) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 효소 반응층(116)의 상면에 직접 덮을 수 있다.

필터층(117)은 효소 반응층(116)을 외부의 물리력으로부터 보호할 수 있다. 또한, 효소 반응층(116)의 산화 효소 또는 탈수소 효소가 외부 환경에 노출되는 것을 방지할 수 있다.

필터층(117)은 시료 중에서 감지 대상 물질만을 통과시킬 수 있다. 따라서, 효소 반응층(116)이 감지 대상 물질 외의 타 물질에 의해 변성, 손상되는 것을 방지할 수 있다.

필터층(117)은 감지 대상 물질을 통과시키는 것이라면, 당분야에서 통상적으로 사용되는 이온 교환막이 사용될 수 있다. 상기 이온 교환막은 퍼플루오로술폰산계 수지 등의 양이온 교환 수지를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 이온 교환막은 나피온(Nafion)을 포함할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 기판(100) 상에 도전층(114)을 형성하고, 도전층(114) 상에 전자 수송층(115)을 형성하고, 전자 수송층(115) 상에 효소 반응층(116)을 형성함으로써, 작업 전극(110)을 제조할 수 있다.

도전층(114)은 기판(100) 상에 Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 금속막을 형성한 후, 이를 패터닝(patterning)하여 형성될 수 있다.

상기 패터닝은 당분야에서 통상적으로 사용되는 패터닝 공법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 포토리소그래피(photolithography)를 사용할 수 있다.

도전층(114)이 금속 보호층(114b)을 더 포함할 경우, 금속층(114a)을 먼저 패터닝한 후 금속 보호층(114b)을 형성하거나, 상기 금속막 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 도전성 산화물막을 형성한 후, 상기 금속막과 도전성 산화물막을 함께 패터닝하여 금속층(114a) 및 금속 보호층(114b)을 함께 형성될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 전자 수송층(115)은 전자 수송 물질 및 카본 페이스트의 혼합물을 도전층(114) 상에 도포하여 형성될 수 있다.

상기 도포는 당분야에서 통상적으로 사용되는 도포법이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 각종 프린팅 방법이 사용될 수 있다.

효소 반응층(116)은 예를 들면, 상기 산화 효소 또는 상기 탈수소 효소를 바인더와 혼합한 조성물을 전자 수송층(115) 상에 도포한 후 건조하여 형성될 수 있다.

기준 전극(120)은 기판(100) 상에 작업 전극(110)과 좌우로 마주보고 배치될 수 있다. 기준 전극(120)과 작업 전극(110)은 전기적으로 분리될 수 있다. 기준 전극(120)은 산화-환원 반응의 상대 전극(counter electrode)로 제공될 수 있다.

기준 전극(120)은 측정 시 작업 전극(110)에서 측정되는 전류 값 또는 전위 값에 대한 기준치를 제공할 수 있다. 기준 전극(120)의 전위 값을 기준치로 하여 작업 전극(110)에서 일어나는 감지 대상 물질의 산화-환원 반응을 특정할 수 있다. 또한, 상기 전류 값의 기준치와 작업 전극(110)에서 측정되는 전류 값을 비교하여 순수하게 감지 대상 물질에 의해 변화한 전류 량을 계산할 수 있다. 따라서, 상기 전류량으로부터 감지 대상 물질의 농도를 도출할 수 있다.

기준 전극(120)의 제2 도전층(124)은 작업 전극(110)의 도전층(114)과 실질적으로 동일한 소재를 포함할 수 있다. 또한, 제2 도전층(124) 상에 전자 수송층(115) 대신 기준 물질층(126)이 배치될 수 있다. 예를 들면, 기준 전극(120)은 기판(100) 상에 제2 도전층(124) 및 상기 기준 물질층(126)이 적층되어 형성될 수 있다.

기준 물질층(126)은 예를 들면, Ag/AgCl 페이스트(paste)를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에 있어서, 배선(140)은 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)에 각각 연결될 수 있다. 작업 전극(110)에 연결된 제1 배선(142) 및 기준 전극(120)에 연결된 제2 배선(144)은 서로 전기적으로 이격될 수 있다. 배선(140)들은 구동 집적 회로(IC) 칩에 연결될 수 있다.

예를 들면, 제1 배선(142)은 작업 전극(110)의 금속층(114a) 및 기준 전극(120)의 제2 도전층(124)과 동일한 소재로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 배선(140)은 작업 전극(110) 및 기준 전극(120)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 기판(100) 상에 금속 막을 형성하고 이를 패터닝함으로써 작업 전극(110) 및 배선(140)을 함께 형성할 수 있다.

작업 전극(110) 및 기준 전극(120)으로부터 측정된 전기적 신호가 배선(140)을 통해 구동 IC 칩에 전달될 수 있으며, 구동 IC 칩이 측정 대상 성분의 농도를 계산할 수 있다.

실시예 1

기판 상에 도 2에 도시된 형상으로 작업 전극 및 기준 전극을 형성하였다.

작업 전극은 약 2000Å 두께의 APC 금속층과 약 500Å 두께의 IZO 금속 보호층이 적층된 도전층, 카본 페이스트 전극(프러시안블루 3wt% 포함, 두께 약 10㎛) 및 글루코스 산화효소가 키토산으로 고정된 효소 반응층을 순서대로 적층하여 준비하였다.

기준 전극은 Ag/AgCl로 형성하였다.

실시예 2

작업 전극 및 기준 전극의 형상을 도 3에 도시된 톱니 형상으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 센싱 전극을 형성하였다.

비교예 1

도 5에 도시된 바와 같이, 기준 전극이 원형의 작업 전극을 둘러싼 구조로 센싱 전극을 형성하였다. 센싱 전극의 전체 크기는 실시예 1의 센싱 전극의 전체 크기와 동일하게 형성하였다.

작업 전극 및 기준 전극 각각의 구조 및 소재는 실시예 1과 동일하게 형성하였다.

실험예 1: 전극 형상에 따른 측정 속도 평가

실시예 1, 2 및 비교예 1의 바이오 센서로 시료(글루코스 0.1mM 수용액)로부터 발생하는 전류를 측정하여, 도 8의 시간-전류 그래프를 획득하였다.

도 8을 참조하면, 실시예들의 바이오 센서는 약 9초에서 전류 값이 포화되었다. 하지만, 비교예의 바이오 센서는 10초가 지나도록 전류값이 포화되지 않았다.

따라서, 실시예들의 바이오 센서가 비교예의 바이오 센서에 비하여 센싱 속도가 향상된 것을 확인할 수 있었다.

비교예 2

도 6에 도시된 바와 같이, 기준 전극과 작업 전극이 포크 형상인 센싱 전극을 형성하였다. 센싱 전극의 전체 크기는 실시예 1의 센싱 전극의 전체 크기와 동일하게 형성하였다.

실험예 2: 전극 형상에 따른 측정 정밀도 평가

실시예 2 및 비교예 2의 바이오 센서로 시료(글루코스 0.1mM 수용액)로부터 발생하는 전류를 각 샘플 당 6회 측정하여, 60초에 측정된 각 전류 값의 평균, 표준편차, 상대표준편차를 계산하여 아래 표 1에 나타내었다.

	전류 값 평균(nA; @60초)	표준편차	상대표준편차(%)
실시예 2	48.5	1.8	3.8
비교예 2	48.5	9.4	19.3

표 1을 참조하면, 실시예 및 비교예 전류 측정치 각각의 평균값은 47, 49nA로 큰 차이가 없으나 비교예의 경우 상대적으로 큰 산포를 보이며 상대표준편차(%RSD)값은 3.8% 및 19.3%로서 큰 차이를 보였다.

따라서, 실시예에 따른 바이오 센서는 효소 반응층의 균일한 도포에 의해 측정 정밀도가 향상되는 것이 확인되었다.

실시예 3 내지 5

작업 전극 및 기준 전극의 형상을 도 4에 도시된 바와 같이 작업 전극의 면적이 기준 전극보다 크게 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 센싱 전극을 형성하였다. 이 때, 작업 전극의 면적은 각각 기준 전극의 면적의 3배(실시예 3), 9배(실시예 4) 및 12배(실시예 5)로 제조되었다.

실험예 3: 전극 면적에 따른 측정 속도 평가

실시예 1 및 3 내지 5의 바이오 센서로 시료(글루코스 0.1mM 수용액)로부터 발생하는 전류를 측정하여, 도 9의 시간-전류 그래프를 획득하였다.

도 9를 참조하면, 작업 전극의 면적을 기준 전극보다 크게 한 실시예 3 내지 5의 바이오 센서가 보다 빠르게 포화되었다. 따라서, 센싱 속도가 보다 향상된 것이 확인되었다.

10: 바이오 센서
100: 기판 110: 작업 전극
112: 제1 대향면 114: 도전층
115: 전자 수송층 116: 효소 반응층
117: 필터층
120: 기준 전극 122: 제2 대향면
124: 제2 도전층 126: 기준 물질층
130: 보조 센서 140: 배선
20: 비교예의 센싱 전극

Claims

기판;
상기 기판 상에 배치되며 요철 형상을 갖는 제1 대향면을 포함하는 작업 전극; 및
상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 마주보며 이격되고, 상기 제1 대향면과 마주보며 요철 형상을 갖는 제2 대향면을 포함하는 기준 전극을 포함하는, 바이오 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면은 볼록부 및 오목부를 포함하는, 바이오 센서.
청구항 2에 있어서, 상기 제1 대향면의 상기 볼록부는 상기 제2 대향면의 상기 오목부와 마주보고 배치되며, 상기 제1 대향면의 상기 오목부는 상기 제2 대향면의 상기 볼록부와 마주보고 배치되는, 바이오 센서.
청구항 3에 있어서, 상기 볼록부의 형상 및 상기 오목부의 형상은 상보 관계인, 바이오 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 요철 형상은 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면의 전체에 형성된, 바이오 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 대향면의 상기 요철 형상과 상기 제2 대향면의 상기 요철 형상은 상기 작업 전극과 상기 기준 전극의 중앙선을 넘어가지 않는, 바이오 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 작업 전극 및 상기 기준 전극은 센싱 전극을 정의하며, 상기 센싱 전극의 전체 폭은 0.3 내지 5mm인, 바이오 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 작업 전극의 면적은 상기 기준 전극의 면적보다 크거나 같은, 바이오 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 작업 전극의 면적은 상기 기준 전극의 면적 대비 1 내지 15배인, 바이오 센서.
청구항 1에 있어서, 상기 작업 전극은,
상기 기판 상에 배치된 도전층;
상기 도전층 상에 배치된 전자 수송층; 및
상기 전자 수송층 상에 배치된 효소 반응층을 포함하는, 바이오 센서.
청구항 10에 있어서, 상기 효소 반응층은 글루코스 산화 효소, 콜레스테롤 산화 효소, 락테이트 산화 효소, 아스코빅산 산화 효소 및 알코올 산화 효소 중 적어도 하나의 산화 효소 또는 글루코스 탈수소 효소, 글루탐산 탈수소 효소, 락테이트 탈수소 효소 및 알코올 탈수소 효소 중 적어도 하나의 탈수소 효소를 포함하는, 바이오 센서.
청구항 10에 있어서, 상기 전자 수송층은 프러시안 블루(Prussian blue)를 포함하는, 바이오 센서.
청구항 10에 있어서, 상기 도전층은 금속층 및 금속 보호층을 포함하는, 바이오 센서.
청구항 13에 있어서, 금속층은 Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는, 바이오 센서.
청구항 13에 있어서, 금속 보호층은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)를 포함하는, 바이오 센서.
청구항 10에 있어서, 상기 작업 전극은 상기 효소 반응층 상에 배치된 필터층을 더 포함하는, 바이오 센서.