KR20210112174A - 바이오 센서 - Google Patents

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KR20210112174A
KR20210112174A KR1020200027395A KR20200027395A KR20210112174A KR 20210112174 A KR20210112174 A KR 20210112174A KR 1020200027395 A KR1020200027395 A KR 1020200027395A KR 20200027395 A KR20200027395 A KR 20200027395A KR 20210112174 A KR20210112174 A KR 20210112174A
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working electrode
biosensor
enzyme
electrode layer
layer
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KR1020200027395A
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이영근
권혜림
천승환
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동우 화인켐 주식회사
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Abstract

본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 작업 전극층과, 상기 작업 전극층 상에 형성된 효소 반응층을 포함하는 작업 전극; 및 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격되어 형성된 기준 전극을 포함하고, 상기 효소 반응층이 캡슐화된 효소를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.

Description

바이오 센서{Bio Sensor}
본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원하는 시간에 측정이 가능하고, 측정 산포가 감소될 뿐만 아니라 보관성이 향상된 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.
바이오 센서는 체액에 포함된 화학종들과 반응하는 효소를 사용한다. 상기 효소가 상기 화학종과 반응하여 전류가 발생하면, 이를 측정하여 해당 화학종의 농도를 측정한다.
이러한 화학종 중의 하나로서, 글루코스의 정량 분석은 최근 당뇨병 환자 및 대사질환 환자의 급격한 증가로 인하여 중요해지고 있다.
글루코스 센서는 주로 혈액에 함유된 글루코스를 측정하는 침습형(Invasive)과 주로 침, 땀 등에 함유된 글루코스를 측정하는 비침습형(Non-invasive)으로 구분될 수 있다.
그러나, 침습형 구조는 체내의 이물감 및 동작 불편함을 초래하는 문제점이 있었다.
이에, 비침습적으로 글루코스를 측정하기 위한 패치 형태의 글루코스 센서가 개발되고 있다.
하지만, 이러한 패치형 글루코스 센서는 신체에 부착된 후 피부 표면의 체액에 의해 효소 반응이 시작되어 원하는 측정 시점에 정확한 측정을 수행하는데 한계가 있다. 또한, 측정 개시 전에 효소 반응이 시작되어 측정 산포가 커지는 문제점이 있었다.
따라서, 원하는 시간에 측정이 가능하고, 측정 산포가 감소된 패치형 바이오 센서에 대한 기술 개발이 요구되고 있다. 아울러, 효소가 유기 용매 등의 외부 조건에 의해 안정성이 떨어지므로 효소의 안정성을 높여 바이오 센서의 보관성을 향상시키기 위한 방안이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1624769호
본 발명의 목적은 원하는 시간에 측정이 가능하고, 측정 산포가 감소될 뿐만 아니라 보관성이 향상된 바이오 센서를 제공하는 것이다.
한편으로, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 작업 전극층과, 상기 작업 전극층 상에 형성된 효소 반응층을 포함하는 작업 전극; 및 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격되어 형성된 기준 전극을 포함하고, 상기 효소 반응층이 캡슐화된 효소를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 캡슐화된 효소는 다당류가 가교되어 형성된 쉘 내에 효소가 인캡슐레이션(encapsulation)된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 다당류는 알긴산염, 펙틴, 카라기난 및 한천으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 캡슐화된 효소와 감지 대상 물질 간의 반응 개시는 상기 쉘의 용해 속도를 조절하여 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 캡슐화된 효소와 감지 대상 물질 간의 반응 개시는 상기 쉘을 외력에 의해 붕괴시켜 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서는 글루코스, 젖산, 콜레스테롤, 아스코빅산, 알코올 또는 글루탐산의 농도 측정에 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서는 패치 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서는 효소가 캡슐 형태로 보호되어 원하는 시간에 측정이 가능하고, 보관성이 향상될 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 바이오 센서는 측정 개시와 함께 효소와 감지 대상 물질 간의 반응이 진행되어 측정 산포가 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서의 개략적인 단면도이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1의 바이오 센서의 지연식 글루코스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 바이오 센서의 압착식 글루코스 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시형태는 캡슐화된 효소를 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 바이오 센서(100)는 기판(110), 작업 전극(120) 및 기준 전극(130)을 포함한다.
상기 기판(110)은 바이오 센서를 구성하는 구성요소들의 구조적인 기지(base)를 제공하는 기능을 한다.
예를 들어, 기판(110)은 플렉서블 특성을 갖는 기재 필름 형태로 구현될 수 있다.
기판(110)을 구현하는 기재 필름에 적용될 수 있는 구체적인 물질의 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 등과 같은 열가소성 수지를 들 수 있으며, 상기 열가소성 수지의 블렌드물도 사용할 수 있다. 또한, (메타)아크릴계, 우레탄계, 아크릴우레탄계, 에폭시계, 실리콘계 등의 열경화성 수지 또는 자외선 경화형 수지를 이용할 수도 있다.
이러한 기재 필름은 적절한 1종 이상의 첨가제가 함유된 것일 수도 있다. 첨가제로는, 예컨대 자외선흡수제, 산화방지제, 윤활제, 가소제, 이형제, 착색방지제, 난연제, 대전방지제, 안료, 착색제 등을 들 수 있다. 기재 필름은 필름의 일면 또는 양면에 하드코팅층, 반사방지층, 가스배리어층과 같은 다양한 기능성층을 포함하는 구조일 수 있으며, 기능성층은 전술한 것으로 한정되는 것은 아니며, 용도에 따라 다양한 기능성층을 포함할 수 있다.
또한, 필요에 따라 기재 필름은 표면 처리된 것일 수 있다. 이러한 표면 처리로는 플라즈마(plasma) 처리, 코로나(corona) 처리, 프라이머(primer) 처리 등의 건식 처리, 검화 처리를 포함하는 알칼리 처리 등의 화학 처리 등을 들 수 있다.
상기 기판(110)의 두께는 적절히 결정될 수 있지만, 일반적으로는 강도나 취급성 등의 작업성, 박층성 등을 고려하여, 1 내지 500㎛로 결정될 수 있다. 특히 1 내지 300㎛가 바람직하고, 5 내지 200㎛가 보다 바람직하다.
상기 작업 전극(120)은 감지 대상 물질의 산화-환원 반응이 일어날 수 있다. 작업 전극(120)은 작업 전극층(121)과 상기 작업 전극층 상에 형성된 효소 반응층(122)을 포함한다. 작업 전극(120)은 효소 반응층(122)의 효소와 감지 대상 물질의 반응에 의해 발생된 전기적 신호를 감지할 수 있다. 감지 대상 물질은 인체의 땀, 체액, 혈액 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 작업 전극층(121)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 작업 전극층(121)은 기판(110)에 접촉할 수 있다. 작업 전극층(121)은 감지 대상 물질의 산화-환원 반응에서 발생한 전자 또는 정공이 전달되는 통로로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 작업 전극층(121)은 탄소 전극층을 포함할 수 있다. 상기 탄소 전극층은 카본 페이스트(carbon paste)로 형성될 수 있다. 상기 탄소 전극층은 효소 반응층(122)에서 발생한 전자 및/또는 정공을 안정적으로 수송할 수 있다.
구체적으로, 상기 작업 전극층(121)은 카본 페이스트로 형성되는 단일층의 탄소 전극층으로 형성될 수 있다. 상기 카본 페이스트를 이용하여 단일층 형태로 제공됨으로써, 금속 전극층이 생략될 수 있다. 따라서, 바이오 센서(100)를 박막화할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 작업 전극층(121)은 금속 전극층을 포함할 수 있다. 상기 금속 전극층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 아연(Zn), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co) 또는 이들의 합금(예를 들면, 은-팔라듐-구리(APC))을 포함할 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다. 상기 금속 전극층은 Au, Ag, APC 합금 및 Pt 중 적어도 하나만으로 형성될 수도 있다. 상기 Au, Ag, APC 합금 및 Pt는 작업 전극층(121)의 전기 전도성을 향상시키고 저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 바이오 센서(100)의 검출 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 작업 전극층(121)은 상술한 탄소 전극층과 금속 전극층을 함께 포함할 수 있다. 이 경우, 금속 전극층은 탄소 전극층의 저면 상에 배치될 수 있다. 금속 전극층은 기판(110)과 접촉할 수 있다. 탄소 전극층은 효소 반응층(122)과 접촉할 수 있다.
상기 작업 전극층(121)이 금속 전극층을 포함하는 경우, 금속 전극층의 상면 및/또는 저면에는 금속 보호층이 추가로 형성될 수 있다. 금속 보호층은 전기 전도성을 가지면서 금속 전극층의 표면을 전체적으로 덮을 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 보호층은 상기 금속 전극층과 직접 접촉할 수 있다. 상기 금속 보호층은 작업 전극층(121)의 산화 환원 반응으로 인해 상기 금속 전극층이 산화 환원되는 것을 방지하여 작업 전극층(121)에 의해 감지되는 전기적 신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 금속 보호층은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 보호층은 ITO 또는 IZO만으로 형성될 수 있다. 상기 ITO 및 IZO는 전기 전도성을 가지면서도 화학적으로 안정하여 상기 금속 전극층을 산화 환원 반응으로부터 효과적으로 보호할 수 있다.
상기 작업 전극층(121)은 전자 수송 물질을 포함할 수 있다.
상기 전자 수송 물질은 예를 들면, 효소 반응층(122)에서 일어나는 감지 대상 물질의 산화-환원 반응에서 발생한 전자/정공을 수용하여 산화 또는 환원되는 물질일 수 있다.
상기 전자 수송 물질로는 프러시안 블루(prussian blue, Fe4[Fe(CN)6]3), 포타슘 페리시아나이드(potassium ferricyanide, K3[Fe(CN)6]), 포타슘 철 페로시아나이드(potassium iron ferrocyanide, KFeIII[FeII(CN)6]·xH2O), 페로센, 퀴논, 하이드로퀴논, 루테늄 등을 사용할 수 있으며 별도의 공정으로 도포하거나 카본 페이스트 등과 일체화하여 도포하는 것도 가능하다.
프러시안 블루는 청색 안료로서, 높은 산화성을 가질 수 있다. 전자 수송 물질로서 프러시안 블루를 작업 전극층(121)에 사용할 경우 작업 전극(120)의 전기적 감도를 향상시킬 수 있다.
상기 전자 수송 물질은 작업 전극층(121) 100 중량% 대비 0.05 내지 5 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 전자 수송 물질의 함량이 상기 범위를 만족하면, 감지 대상 물질에 대한 감응 범위(예를 들면, 상한)를 증가시킬 수 있다. 전자 수송 물질의 함량이 상기 범위 미만일 경우 감지 대상 물질을 감지하는 범위가 감소할 수 있다. 전자 수송 물질의 함량이 상기 범위를 초과할 경우 전자 수송 물질이 서로 응집되어 센싱 성능이 감소할 수 있다. 바람직하게는, 상기 전자 수송 물질은 상기 작업 전극층(121) 100 중량% 대비 0.5 내지 3.0 중량%의 양으로 포함될 수 있다.
상기 효소 반응층(122)은 작업 전극층(121) 상에 배치될 수 있다. 상기 효소 반응층은 상기 작업 전극층 상에 상기 작업 전극층을 덮도록 형성될 수 있다. 효소 반응층(122)은 감지 대상 물질의 화학 반응이 일어나는 층으로 제공된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 효소 반응층(122)은 캡슐화된 효소를 포함한다.
상기 캡슐화된 효소는 다당류가 가교되어 형성된 쉘 내에 효소가 인캡슐레이션(encapsulation)된 것일 수 있다.
상기 쉘은 구형, 타원형 등일 수 있다.
상기 다당류는 가교성 다당류일 수 있다. 구체적으로, 상기 다당류로는 알긴산염, 펙틴, 카라기난, 한천 등을 사용할 수 있다. 상기 알긴산염은 알긴산 나트륨과 같은, 1가 양이온과 알긴산의 염일 수 있다. 이들 다당류는 단독으로 또는 2종 이상 조합하여 사용될 수 있다.
상기 캡슐화는 효소, 다당류 및 용매를 포함하는 캡슐화 용액으로부터 액적을 형성한 뒤 상기 액적을 경화시켜 수행될 수 있다. 상기 경화는 다당류의 가교 반응을 통해 수행될 수 있다.
예를 들면, 다당류가 알긴산 나트륨일 경우, 경화 공정은 바람직하기는 나트륨을 대체하고, 효과적으로 알긴산염 중합체를 가교하는 2가 금속이온에 의한 이온성 치환 반응을 포함한다. 다른 다당류들도 경화 동안 유사한 이온성 가교 반응을 겪는다.
이러한 유형의 경화 공정은 수성 2가 금속 이온, 바람직하기는 칼슘 이온 배스(bath)에 액적을 떨어뜨려 수행될 수 있다. 예를 들면, 수성 CaCl2의 배스가 사용될 수 있다. 다른 방안으로, 경화 공정은 액적을 수성 CaCl2 또는 다른 2가 금속 이온의 미스트와 함께 분무하여 수행될 수 있다. 어느 쪽이든, 액적의 표면 위의 칼슘 이온은 나트륨 이온으로 대체되고 알긴산염 중합체가 가교된다.
상기 경화 이후 쉘로부터 과량의 용매를 제거하기 위해 건조 과정을 거칠 수 있다.
상기 캡슐화는 압출기(extruder), 분무건조기(spray dryer), 분무형 유동층 건조기(spray typed fluid bed dryer) 등을 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 캡슐화된 효소와 감지 대상 물질 간의 반응 개시는 상기 쉘의 용해 속도를 조절하여 제어할 수 있다. 이와 같이 반응 시점을 조절하여 지연식 측정이 가능하다. 상기 지연식 측정에 적용하는 경우, 다당류로서 친수성 다당류, 예컨대 알긴산염을 사용하는 것이 쉘의 용해 속도 조절면에서 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 캡슐화된 효소와 감지 대상 물질 간의 반응 개시는 상기 쉘을 외력에 의해 붕괴시켜 제어할 수 있다. 예컨대, 상기 외력은 바이오 센서를 압착하여 가할 수 있다. 이러한 압착식 측정에 적용하는 경우, 다당류로서 키토산을 사용하는 것이 효과적인 외력 전달과 쉘의 빠른 붕괴를 위해서 바람직하다.
상기 효소는 산화 효소 또는 탈수소 효소를 포함할 수 있다. 산화 효소 및 탈수소 효소는 검사 대상 물질의 종류에 따라 선택될 수 있다.
상기 산화 효소는 글루코스 산화 효소(glucose oxidase), 락테이트 산화 효소(lactate oxidase), 콜레스테롤 산화 효소(cholesterol 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), 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydronase), 글루탐산 탈수소 효소(glutamate dehydrogenase) 및 알코올 탈수소 효소(alcohol dehydrogenase) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 바이오 센서는 글루코스, 젖산, 콜레스테롤, 아스코빅산, 알코올 또는 글루탐산, 특히 글루코스의 농도 측정에 사용될 수 있다.
상기 효소 반응층(122)은 미디에이터를 추가로 포함할 수 있다. 미디에이터로는 페리시안화칼륨, 시토크롬 C, 피로로퀴놀린퀴논(PQQ), NAD＋, NADP＋, 동착체, 루테늄 화합물, 페나진메토설페이트 및 그 유도체 등을 들 수 있고, 이것들은 단독으로 사용해도 되고, 2종 이상으로 병용해도 된다.
감지 대상 물질이 포함된 시료를 바이오 센서(100)에 주입하면, 시료에 포함되어 있는 감지 대상 물질이 산화 효소 또는 탈수소 효소와 반응하여 과산화수소 등의 부산물이 생성될 수 있다. 이때, 전자 수송 물질(예를 들면, 프러시안 블루)은 상기 부산물을 환원시키고, 자신은 산화될 수 있다. 산화된 전자 수송 물질은 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 얻어 다시 환원될 수 있다.
시료 내의 감지 대상 물질 농도는 전자 수송 물질이 산화되는 과정에서 발생되는 전류량에 비례한다. 따라서, 상기 전류량을 측정하여 감지 대상 물질 농도를 측정할 수 있다.
상기 산화 효소 또는 탈수소 효소는 바인더를 통해 고정될 수 있다. 상기 바인더는 당분야에서 통상적으로 사용되는 바인더를 포함할 수 있으며, 예를 들면, 나피온 또는 이의 유도체, 키토산, BSA(bovine serum albumin) 또는 Si 겔(gel) 등의 유기재료, 또는 무기재료를 포함할 수 있다.
상기 효소 반응층(122)은 pH 조정이나 용해도를 높이기 위해 산 또는 염기를 소량 추가하는 것도 가능하다.
상기 효소 반응층(122)의 상면에는 보호층(미도시)이 추가로 형성될 수 있다.
상기 보호층은 효소 반응층(122)을 외부의 충격 및 상기 감지 대상 물질을 제외한 화학 물질로부터 보호할 수 있다.
상기 보호층은 감지 대상 물질만을 통과시킬 수 있다. 따라서, 효소 반응층(122)이 감지 대상 물질 외의 타 물질에 의해 변성, 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 보호층은 감지 대상 물질을 통과시키는 것이라면, 당분야에서 통상적으로 사용되는 이온 교환막이 사용될 수 있다.
이온 교환막은 퍼플루오로술폰산 수지 등의 양이온 교환 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이온 교환막은 시판 제품으로서 나피온(Nafion) 등을 포함할 수 있으나, 이는 하나의 예시일 뿐이며, 이에 한정되지는 않는다.
상기 효소 반응층과 보호층의 총 두께는 1 내지 10 ㎛, 바람직하기로 2 내지 5 ㎛일 수 있다. 상기 효소 반응층과 보호층의 총 두께가 1 ㎛ 미만이면 전류가 저하되거나 보호층의 역할을 충분히 발휘하기 어려울 수 있으며, 10 ㎛ 초과인 경우에는 반응 속도가 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 기판(110) 상에 작업 전극층(121)을 형성하고, 상기 작업 전극층(121) 상에 효소 반응층(122)을 형성함으로써, 작업 전극(120)을 제조할 수 있다.
상기 작업 전극층(121)은 기판(110) 상에 카본 페이스트를 인쇄하거나, 금속막을 형성한 후 이를 패터닝(patterning)하여 형성될 수 있다.
상기 패터닝은 당분야에서 통상적으로 사용되는 패터닝 공법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 포토리소그라피(photolithography)를 사용할 수 있다.
상기 작업 전극층(121)이 금속 보호층을 더 포함하는 경우, 금속 전극층을 먼저 패터닝한 후 상기 금속 보호층을 형성하거나, 금속막 상에 ITO 또는 IZO 도전성 산화물막을 형성한 후, 상기 금속막과 도전성 산화물막을 함께 패터닝하여 금속 전극층 및 금속 보호층을 함께 형성할 수 있다.
상기 효소 반응층(122)은 캡슐화된 산화 효소 또는 탈수소 효소를 바인더와 혼합한 조성물을 작업 전극층(121) 상에 도포한 후 건조하여 형성될 수 있다.
상기 기준 전극(130)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 기준 전극(130)은 기판(110)의 작업 전극(120)이 배치된 면과 같은 면에 배치될 수 있다. 기준 전극(130)은 작업 전극(120)과 이격되어 배치될 수 있다. 기준 전극(130)과 작업 전극(120)은 전기적으로 단절될 수 있다.
상기 기준 전극(130)은 측정 시 작업 전극(120)에서 측정되는 전류 값 또는 전위 값에 대한 기준치를 제공할 수 있다. 기준 전극(130)의 전위 값을 기준치로 하여 작업 전극(120)에서 일어나는 감지 대상 물질 산화 환원 반응을 측정할 수 있다.
또한, 상기 전류 값의 기준치와 작업 전극(120)에서 측정되는 전류 값을 비교하여 순수하게 측정 대상 성분(예를 들면, 감지 대상 물질)에 의해 변화한 전류 량을 계산할 수 있으며, 상기 전류 량으로부터 측정 대상 성분의 농도를 도출할 수 있다.
기준 전극(130)은 예를 들면, Ag/AgCl 전극 층을 포함할 수 있다. 상기 Ag/AgCl 전극 층은 Ag/AgCl 페이스트(paste)로부터 형성될 수 있다.
상기 작업 전극(120)과 기준 전극(130) 각각은, 도면상 도시하지는 않았으나, 배선에 연결된다. 작업 전극(120)에 연결된 배선 및 기준 전극(130)에 연결된 배선은 서로 전기적으로 이격될 수 있다. 배선들은 구동 집적 회로(IC) 칩에 연결될 수 있다.
배선은 작업 전극(120)의 작업 전극층(121)과 동일한 소재로 형성될 수 있으며, 기준 전극(130)과 동일한 소재로 형성될 수 있다.
배선은 작업 전극층(121) 및 기준 전극(130)과 일체로 형성될 수 있다. 기판(110) 상에 카본 페이스트 막 및/또는 금속 막을 형성하고 이를 패터닝함으로써 배선을 일체로 형성할 수 있다. 또는, 스크린 인쇄법을 통해 작업 전극층(121), 기준 전극(130) 및 배선을 일체로 형성할 수 있다.
작업 전극(120) 및 기준 전극(130)으로부터 측정된 전기적 신호가 배선을 통해 구동 IC 칩에 전달될 수 있으며, 구동 IC 칩이 측정 대상 성분의 농도를 계산할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서(100)는 특히 글루코스 측정에 사용될 수 있다. 예를 들면, 운동 중 운동 강도 및 시간, 식사 여부 등의 상태에 따라 체내 당 수치가 변화할 수 있다. 상기 당은 땀을 통해 체외로 배출될 수 있으며, 바이오 센서(100)를 통해 배출된 당(글루코스)의 농도를 측정할 수 있다. 본 발명에 따른 바이오 센서(100)는 효소가 캡슐화된 형태로 구비된 효소반응층(122)이 제공되어 원하는 시간에 측정이 가능하고, 보관성이 향상될 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 바이오 센서는 측정 개시와 함께 효소와 감지 대상 물질 간의 반응이 진행되어 측정 산포가 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 센서(100)는 패치 형태로 제작될 수 있다.
이하, 실시예, 비교예 및 실험예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예, 비교예 및 실험예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.
제조예 1: 캡슐화된 효소의 제조
글루코스 산화효소 및 CaCl2의 농도가 각각 2unit/ml 및 3 중량%가 되는 수용액을 2ml 준비하였다. 1.3 중량% 농도의 알긴산 나트륨 수용액을 30ml 준비하고, 이를 330rpm의 속도로 균일하게 저어주었다. 알긴산 나트륨 수용액에 상기 준비한 글루코스 산화효소 수용액을 3㎕씩 일정하게 떨어뜨렸다. 알긴산 나트륨 수용액에 형성된 캡슐화된 글루코스 산화효소를 거르고 증류수로 씻어주었다.
실시예 1: 바이오 센서의 제작
상기 제조예 1에서 제조한 캡슐화된 효소를 사용하여 도 1의 실시형태와 동일한 구조로 바이오 센서를 제작하였다.
절연성 기재로 두께 180㎛ PET제 기판을 준비하였다.
상기 기판 상에 스크린 인쇄를 통해 배선 및 제1 배선 전극을 형성하였다. 상기 스크린 인쇄는 Ag를 이용하여 수행되었다.
상기 제1 배선 전극 상에 프러시안 블루(Sigma Aldrich) 1 중량%를 포함하는 카본 페이스트를 스크린 인쇄하여 작업 전극층을 형성하였다.
상기 작업 전극층 상에 상기 제조예 1에서 제조한 캡슐화된 효소를 사용하여 효소 반응층을 형성하여 작업 전극을 제조하였다.
작업 전극으로부터 일정한 거리를 두고 Ag/AgCl을 스크린 인쇄하여 기준 전극을 형성하여 바이오 센서를 제작하였다.
비교예 1: 바이오 센서의 제작
캡슐화되지 않은 효소를 사용하는 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오 센서를 제작하였다.
절연성 기재로 두께 180㎛ PET제 기판을 준비하였다.
상기 기판 상에 스크린 인쇄를 통해 배선 및 제1 배선 전극을 형성하였다. 상기 스크린 인쇄는 Ag를 이용하여 수행되었다.
상기 제1 배선 전극 상에 프러시안 블루(Sigma Aldrich) 1 중량%를 포함하는 카본 페이스트를 스크린 인쇄하여 작업 전극층을 형성하였다.
상기 작업 전극층 상에 글루코스 산화효소 0.7 중량% 수용액을 도포한 후 약 10분 동안 N2 분위기에서 건조시켜 효소 반응층을 형성하여 작업 전극을 제조하였다.
작업 전극으로부터 일정한 거리를 두고 Ag/AgCl을 스크린 인쇄하여 기준 전극을 형성하여 바이오 센서를 제작하였다.
실험예 1: 지연식 글루코스 측정
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 바이오 센서를 이용하여 효소 캡슐의 용해 시간 조절에 따른 글루코스 측정을 평가하였다.
상기 비교예 1의 바이오센서 위에 글루코스 0.1mM 표준 용액을 올려 즉시 측정하고, 30분 후 다시 측정하였다. 실시예 1의 바이오센서 위에 글루코스 0.1mM 표준 용액을 올려 30분 후 측정하였다. 상기 3가지 측정 조건에 대한 평가를 진행하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 통해, 비교예 1의 바이오센서는 즉시 측정시 데이터와 비교할 때 30분 후 측정시 데이터가 센서 상단에 노출되어 있는 글루코스로 인해 반응이 30분간 계속 일어나게 되고, 그 결과 즉시 측정시에 비해 높은 전류값을 가지는 것을 알 수 있다. 이에 반해, 실시예 1의 바이오센서는 30분 후 용해되도록 제조된 캡슐화된 효소로 인하여 30분 후 비교예 1의 즉시 측정시 데이터와 유사한 결과를 보였다.
실험예 2: 압착식 글루코스 측정
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 바이오 센서를 이용하여 효소 캡슐의 압착에 따른 글루코스 측정을 평가하였다.
상기 비교예 1의 바이오센서 위에 글루코스 0.1mM 표준 용액을 올려 즉시 측정하고, 30분 후 다시 측정하였다. 실시예 1의 바이오센서 위에 글루코스 0.1mM 표준 용액을 올려 즉시 압착을 실시하고 측정하였다. 상기 3가지 측정 조건에 대한 평가를 진행하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 통해, 비교예 1의 바이오센서는 즉시 측정시 데이터와 비교할 때 30분 후 측정시 데이터가 센서 상단에 노출되어 있는 글루코스로 인해 반응이 30분간 계속 일어나게 되고, 그 결과 즉시 측정시에 비해 높은 전류값을 가지는 것을 알 수 있다. 이에 반해 실시예 1의 바이오센서는 압착을 실시하여 효소가 노출되어 비교예 1의 즉시 측정시 데이터와 유사한 결과를 보였다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
100: 바이오 센서 110: 기판
120: 작업 전극 121: 작업 전극층
122: 효소 반응층 130: 기준 전극

Claims (7)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 작업 전극층과, 상기 작업 전극층 상에 형성된 효소 반응층을 포함하는 작업 전극; 및
    상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격되어 형성된 기준 전극을 포함하고,
    상기 효소 반응층이 캡슐화된 효소를 포함하는 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캡슐화된 효소는 다당류가 가교되어 형성된 쉘 내에 효소가 인캡슐레이션(encapsulation)된 것인 바이오 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다당류는 알긴산염, 펙틴, 카라기난 및 한천으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 바이오 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기 캡슐화된 효소와 감지 대상 물질 간의 반응 개시는 상기 쉘의 용해 속도를 조절하여 제어하는 바이오 센서.
  5. 제2항에 있어서, 상기 캡슐화된 효소와 감지 대상 물질 간의 반응 개시는 상기 쉘을 외력에 의해 붕괴시켜 제어하는 바이오 센서.
  6. 제1항에 있어서, 글루코스, 젖산, 콜레스테롤, 아스코빅산, 알코올 또는 글루탐산의 농도 측정에 사용되는, 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서, 패치 형태인 바이오 센서.
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