KR20210062982A - Bio sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 바이오 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 효소 반응층을 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor. More particularly, it relates to a biosensor including an enzyme reaction layer.
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.As the life expectancy of humans increases, the health care industry is expanding rapidly. In particular, there is an increasing demand for a portable and small biosensor that can conveniently measure various biosignals anywhere.
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.Conventional biosensors use enzymes that react with chemical species contained in body fluids (sweat, tears, blood, etc.). When the enzyme reacts with the species to generate an electric current, it is measured to determine the concentration of the species.
이 중, 땀, 눈물 및 소변은 혈액보다 일부 감지 대상 물질을 소량 함유한다. 감지 대상 물질의 농도가 특정 수준 미만일 경우, 측정 전류값이 노이즈와 경쟁하여 측정 오차가 증가할 수 있다. 또한, 상기 농도가 극히 미량일 경우 검출이 불가능할 수 있다.Of these, sweat, tears, and urine contain smaller amounts of some detectable substances than blood. When the concentration of the sensing target material is less than a specific level, the measurement current value competes with noise and measurement error may increase. In addition, when the concentration is extremely small, detection may not be possible.
예를 들면, 대한민국 공개특허공보 특2001-0110272호는 전극에 프러시안 블루를 도입한 바이오 센서를 개시하지만, 바이오 센서의 감도를 향상시키기 위한 연구가 추가적으로 필요하다.For example, Korean Patent Application Laid-Open No. 2001-0110272 discloses a biosensor in which Prussian blue is introduced into an electrode, but additional research is needed to improve the sensitivity of the biosensor.
본 발명의 일 과제는 감지 성능이 향상된 바이오 센서를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a biosensor with improved sensing performance.
1. 기판; 상기 기판 상에 배치된 반응 전극층 및 상기 반응 전극층 상에 배치된 효소 반응층을 포함하는 작업 전극; 및 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격된 기준 전극을 포함하며, 상기 반응 전극층의 표면 조도(Ra)는 0.2 내지 1.5 ㎛인, 바이오 센서.1. Substrate; a working electrode including a reaction electrode layer disposed on the substrate and an enzyme reaction layer disposed on the reaction electrode layer; and a reference electrode spaced apart from the working electrode on the substrate, wherein the surface roughness (Ra) of the reaction electrode layer is 0.2 to 1.5 μm.
2. 위 1에 있어서, 상기 작업 전극은 상기 기판 및 상기 반응 전극층 사이에 배치된 제1 배선 전극을 더 포함하며, 상기 제1 배선 전극은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co) 및 은-팔라듐-구리 합금(APC)으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 바이오 센서.2. The method of 1 above, wherein the working electrode further includes a first wiring electrode disposed between the substrate and the reaction electrode layer, wherein the first wiring electrode is made of gold (Au), silver (Ag), or copper (Cu). , platinum (Pt), titanium (Ti), nickel (Ni), tin (Sn), molybdenum (Mo), cobalt (Co) and silver-palladium- containing at least one selected from the group consisting of copper alloy (APC) , biosensors.
3. 위 1에 있어서, 상기 반응 전극층은 전자 수송 물질을 포함하는, 바이오 센서.3. The biosensor of 1 above, wherein the reaction electrode layer includes an electron transport material.
4. 위 3에 있어서, 상기 전자 수송 물질은 프러시안 블루(prussian blue), 포타슘 페리시아나이드(potassium ferricyanide), 포타슘 페로시아나이드(potassium ferrocyanide), 염화헥사아민루테늄(Ⅲ)(hexaammineruthenium(Ⅲ) chloride), 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체 및 하이드로퀴논(hydroquinone)으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 바이오 센서.4. The method of 3 above, wherein the electron transport material is Prussian blue, potassium ferricyanide, potassium ferrocyanide, hexaamineruthenium (III) chloride (hexaammineruthenium (III)) chloride), ferrocene (ferrocene), ferrocene derivatives, quinones (quinones), comprising at least one selected from the group consisting of quinone derivatives and hydroquinone (hydroquinone), a biosensor.
5. 위 1에 있어서, 상기 반응 전극층은 탄소계 전극 보호 물질을 포함하는, 바이오 센서.5. The biosensor according to the above 1, wherein the reaction electrode layer includes a carbon-based electrode protective material.
6. 위 5에 있어서, 상기 탄소계 전극 보호 물질은 카본 페이스트를 포함하는, 바이오 센서.6. The biosensor of 5 above, wherein the carbon-based electrode protection material includes a carbon paste.
7. 위 1에 있어서, 상기 효소 반응층은 글루코스 산화 효소, 콜레스테롤 산화 효소, 락테이트 산화 효소, 아스코빅산 산화 효소, 알코올 산화 효소, 글루코스 탈수소 효소, 글루탐산 탈수소 효소, 락테이트 탈수소 효소 및 알코올 탈수소 효소 중 적어도 하나를 포함하는, 바이오 센서.7. The above 1, wherein the enzyme reaction layer comprises glucose oxidase, cholesterol oxidase, lactate oxidase, ascorbic acid oxidase, alcohol oxidase, glucose dehydrogenase, glutamic acid dehydrogenase, lactate dehydrogenase and alcohol dehydrogenase. A biosensor comprising at least one of.
8. 위 1에 있어서, 상기 작업 전극은 상기 효소 반응층 상에 배치된 이온 필터층을 더 포함하는, 바이오 센서.8. The biosensor of 1 above, wherein the working electrode further comprises an ion filter layer disposed on the enzyme reaction layer.
9. 위 1에 있어서, 상기 표면 조도는 0.3 내지 1 ㎛인, 바이오 센서.9. The biosensor according to the above 1, wherein the surface roughness is 0.3 to 1 μm.
10. 위 1에 있어서, 상기 반응 전극층 및 상기 기판 사이에 배치된 제1 배선 전극을 더 포함하는, 바이오 센서.10. The biosensor of 1 above, further comprising a first wiring electrode disposed between the reaction electrode layer and the substrate.
11. 위 1에 있어서, 상기 기판 및 상기 기준 전극 사이에 배치된 제2 배선 전극을 더 포함하는, 바이오 센서.11. The biosensor according to 1 above, further comprising a second wiring electrode disposed between the substrate and the reference electrode.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서는 표면에 특정 범위의 조도(Ra)가 형성된 반응 전극층을 포함한다. 반응 전극층층의 표면적이 증가함으로써, 반응 전극층과 이온 반응층의 접촉 면적(반응 면적)이 증가할 수 있다. 따라서, 바이오 센서의 감도 및 감응 범위가 증가할 수 있으며, 소량 시료의 농도를 정확하게 측정할 수 있다.A biosensor according to exemplary embodiments of the present invention includes a reactive electrode layer having a surface roughness Ra of a specific range formed thereon. As the surface area of the reaction electrode layer increases, the contact area (reaction area) between the reaction electrode layer and the ion reaction layer may increase. Accordingly, the sensitivity and range of the biosensor may be increased, and the concentration of a small sample may be accurately measured.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 평면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic plan view of a biosensor according to exemplary embodiments of the present invention.
2 and 3 are schematic cross-sectional views of biosensors according to exemplary embodiments of the present invention.
본 발명의 실시예들은 기판 상에 배치되고 반응 전극층 및 효소 반응층을 포함하는 작업 전극 및 작업 전극과 이격된 기준 전극을 포함하며, 반응 전극층의 표면 조도(Ra)는 0.2 내지 1.5 ㎛인 바이오 센서를 제공한다. 바이오 센서의 측정 범위가 증가하여 소량의 감지 대상 물질에 대한 농도를 정확하게 측정할 수 있다.Embodiments of the present invention are disposed on a substrate and include a working electrode including a reaction electrode layer and an enzyme reaction layer, and a reference electrode spaced apart from the working electrode, wherein the surface roughness (Ra) of the reaction electrode layer is 0.2 to 1.5 μm. provides By increasing the measurement range of the biosensor, it is possible to accurately measure the concentration of a small amount of a target substance.
이하, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 예시적으로 설명된 구체적인 실시 형태로 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is merely exemplary and the present invention is not limited to the specific embodiments described by way of example.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 평면도이다.1 is a schematic plan view of a biosensor according to exemplary embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서(10)는 기판(100), 작업 전극(200) 및 기준 전극(300)을 포함한다. 바이오 센서(10)는 보조 센서(130) 및 배선부(140)를 포함할 수 있다. 배선부(140)는 제1 배선(142), 제2 배선(144) 및 제3 배선(146)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a
기판(100)은 작업 전극(200), 기준 전극(300) 등이 배치되는 기재로 제공될 수 있다.The
예를 들어, 기판(100)은 플렉서블 특성을 갖는 필름일 수 있다. 예를 들면, 상기 필름은 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 수지 또는 이들의 조합으로 형성된 필름을 포함할 수 있다. 또한, (메타)아크릴계, 우레탄계, 아크릴우레탄계, 에폭시계, 실리콘계 등의 열경화성 수지 또는 자외선 경화형 수지로 형성된 필름을 포함할 수 있다.For example, the
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.The thickness of the
예를 들면, 상기 기판(100)에는 첨가제가 함유될 수 있다. 예를 들면, 첨가제는, 자외선흡수제, 산화방지제, 윤활제, 가소제, 이형제, 착색방지제, 난연제, 핵제, 대전방지제, 안료, 착색제 등을 포함할 수 있다.For example, the
일부 실시예들에 있어서, 상기 기판(100)은 필름의 일면 또는 양면에 기능성 층을 포함할 수 있다. 상기 기능성 층은 예를 들면, 하드코팅층, 반사방지층, 가스 배리어층 등을 포함할 수 있다.In some embodiments, the
일부 실시예들에 있어서, 상기 기판(100)은 표면 처리될 수 있다. 예를 들면, 상기 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.In some embodiments, the
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a biosensor according to exemplary embodiments of the present invention.
도 2를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서(10)는 기판(100), 작업 전극(200) 및 기준 전극(300)을 포함한다. 작업 전극 (200)은 반응 전극층(220) 및 효소 반응층(230)을 포함한다. 기준 전극(300)은 기준 전극층(320)을 포함할 수 있다. 작업 전극(200) 및 기준 전극(300)은 제1 배선 전극(210) 및 제2 배선 전극(310)을 각각 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , a
작업 전극(200)에서는 감지 대상 물질의 산화환원 반응이 일어날 수 있다. 작업 전극(200)은 효소 반응층(230)의 효소와 시료 중의 감지 대상 물질의 반응에 의해 발생된 전기적 신호를 감지할 수 있다.Redox reaction of the sensing target material may occur in the working
상기 시료는 인체의 땀, 눈물, 소변 등의 체액 및 혈액 등일 수 있다. 상기 시료가 땀, 눈물 또는 소변일 경우, 혈액보다 감지 대상 물질(예를 들면, 글루코스)을 소량 포함할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 바이오 센서의 감도를 증가시켜 소량의 감지 대상 물질의 농도를 정확하게 측정할 수 있다.The sample may be a body fluid such as sweat, tears, urine, or the like of a human body and blood. When the sample is sweat, tears, or urine, it may contain a smaller amount of a sensing target material (eg, glucose) than blood. According to exemplary embodiments of the present invention, it is possible to accurately measure the concentration of a small amount of a sensing target material by increasing the sensitivity of the biosensor.
제1 배선 전극(210)은 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 배선 전극(210)은 기판(100)에 접촉할 수 있다. 제1 배선 전극(210)은 감지 대상 물질의 산화-환원 반응에서 발생한 전자 또는 정공이 전달되는 통로로 제공될 수 있다. 제1 배선 전극(210)은 제1 배선(142)을 통해 구동 집적 회로 칩과 연결될 수 있으며, 제1 배선(142)과 일체로 제공될 수도 있다. The
제1 배선 전극(210)은 금속층 및 상기 금속층 상면 상에 배치된 금속 보호층을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 보호층은 상기 금속층을 덮을 수 있다. 상기 금속 보호층은 전기 전도성을 가지며, 작업 전극(200)의 산화-환원 반응으로 인해 상기 금속층이 산화-환원되는 것을 방지할 수 있다.The
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 금속층은 Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, APC 합금(Ag-Pd-Cu alloy)이 사용될 수 있다. 상기 Au, Ag, APC 합금(Ag-Pd-Cu alloy) 및 Pt는 제1 배선 전극(210)의 전기 전도성을 향상시키고 저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 바이오 센서(10)의 검출 성능을 향상시킬 수 있다.In example embodiments, the metal layer may include at least one of Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd, and alloys thereof. For example, an APC alloy (Ag-Pd-Cu alloy) may be used. The Au, Ag, APC alloy (Ag-Pd-Cu alloy), and Pt may improve electrical conductivity and reduce resistance of the
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 금속 보호층은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)를 포함할 수 있다. 상기 ITO 및 IZO는 전기 전도성을 가지면서도 화학적으로 안정하여 상기 금속층을 산화-환원 반응으로부터 효과적으로 보호할 수 있다.In example embodiments, the metal protective layer may include indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO). The ITO and IZO are chemically stable while having electrical conductivity, so that the metal layer can be effectively protected from oxidation-reduction reactions.
예를 들면, 상기 금속 보호층은 상기 금속층이 대기와 직접 접촉하는 것을 방지하여 상기 금속층을 구성하는 금속 성분의 산화를 방지할 수 있다. 따라서, 상기 금속층에 의해 감지되는 전기적 신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.For example, the metal protective layer may prevent the metal layer from being in direct contact with the atmosphere to prevent oxidation of a metal component constituting the metal layer. Accordingly, the reliability of the electrical signal sensed by the metal layer may be improved.
반응 전극층(220)은 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 반응 전극층(220)은 제1 배선 전극(210) 상에 배치될 수 있다. 반응 전극층(220)은 제1 배선 전극(210)의 상면을 덮을 수 있다. 이 경우, 반응 전극층(220)은 제1 배선 전극(210)을 바이오 센서(10)의 산화-환원 반응으로부터 보호할 수 있다.The
예시적인 실시예들에 있어서, 반응 전극층(220)은 전자 수송 물질 및 탄소계 전극 보호 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 전자 수송 물질이 상기 탄소계 전극 보호 물질 내에 분산되어 반응 전극층(220)을 형성할 수 있다.In example embodiments, the
상기 전자 수송 물질은 반응 전극층(220)의 전자 및 정공의 수송 속도 및 안정성을 향상시킬 수 있다.The electron transport material may improve electron and hole transport speed and stability of the
상기 전자 수송 물질은 예를 들면, 효소 반응층(230)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/정공을 반응 전극층(220)으로 전달할 수 있다.The electron transport material may include, for example, a material that is oxidized or reduced by receiving electrons/holes generated in an oxidation-reduction reaction of the sensing target material in the
예시적인 실시예들에 있어서, 철(Fe)의 시안화 착물을 포함할 수 있다. 상기 철의 시안화 착물은 쉽게 산화 또는 환원될 수 있다. 따라서, 전자 및 정공을 용이하고 신속하게 수송할 수 있다.In exemplary embodiments, it may include a cyanide complex of iron (Fe). The cyanide complex of iron can be easily oxidized or reduced. Therefore, electrons and holes can be transported easily and quickly.
예를 들면, 감지 대상 물질은 효소 반응층(230)의 효소와 반응하여 과산화수소(H2O2)를 형성할 수 있으며, 바이오 센서(10)는 과산화수소를 분해하면서 발생하는 전류를 측정할 수 있다.For example, the sensing target material may react with the enzyme of the enzyme reaction layer 230 to form hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), and the
과산화수소는 높은 산화환원전위를 가질 수 있다. 비교예에 있어서, 철의 시안화 착물을 사용하지 않을 경우, 높은 전위에서 과산화수소를 분해하여야 한다. 이 경우, 과산화수소 이외의 다른 물질들이 같이 분해되어 전류를 발생시킬 수 있다. 따라서, 바이오 센서(10)의 선택성이 저하될 수 있다.Hydrogen peroxide may have a high redox potential. In the comparative example, when the cyanide complex of iron is not used, hydrogen peroxide must be decomposed at a high potential. In this case, substances other than hydrogen peroxide may be decomposed together to generate an electric current. Accordingly, the selectivity of the
예시적인 실시예들에 따르면, 철의 시안화 착물을 사용하여 과산화수소의 산화환원전위를 감소시킬 수 있다. 이 경우, 보다 낮은 전위에서 과산화수소를 선택적으로 분해할 수 있다. 따라서, 바이오 센서(10)의 선택성을 향상시킬 수 있다.According to exemplary embodiments, the redox potential of hydrogen peroxide may be reduced by using a cyanide complex of iron. In this case, it is possible to selectively decompose hydrogen peroxide at a lower potential. Accordingly, the selectivity of the
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전자 수송 물질은 프러시안 블루(Prussian blue, Fe4[Fe(CN)6]3), 포타슘 페리시아나이드(Potassium ferricyanide, K3 [Fe(CN)6]), 포타슘 페로시아나이드(Potassium ferrocyanide, K4[Fe(CN)]6), 염화헥사아민루테늄(Ⅲ)(hexaammineruthenium(Ⅲ) chloride), 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체, 하이드로퀴논(hydroquinone) 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 프러시안 블루는 청색 안료로서, 높은 산화성을 가질 수 있다. 전자 수송 물질로서 프러시안 블루를 반응 전극층(220) 상에 배치할 경우 작업 전극(200)의 전기적 감도를 향상시킬 수 있다.In example embodiments, the electron transport material is Prussian blue (Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 ), potassium ferricyanide (Potassium ferricyanide, K 3 [Fe(CN) 6 ]) , potassium ferrocyanide (Potassium ferrocyanide, K 4 [Fe(CN)] 6 ), hexaamineruthenium (III) chloride (hexaammineruthenium (III) chloride), ferrocene, ferrocene derivatives, quinones, quinone derivatives , and may include hydroquinone and the like. For example, Prussian blue is a blue pigment and may have high oxidation properties. When Prussian blue as an electron transport material is disposed on the
상기 탄소계 전극 보호 물질은 전기 전도성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 탄소계 전극 보호 물질은 효소 반응층(230)에서 발생한 전자 및/또는 정공을 수송할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 탄소계 전극 보호 물질은 카본 페이스트(carbon paste)를 포함할 수 있다.The carbon-based electrode protection material may have electrical conductivity. Accordingly, the carbon-based electrode protective material may transport electrons and/or holes generated in the
상기 전자 수송 물질은 반응 전극층(220)의 총 중량 중 0.01 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. 상술한 함량 범위에서 상기 전자 수송 물질이 균일하게 분산될 수 있으며, 전자 및 정공을 효과적으로 수송할 수 있다. 바람직하게는, 상기 전자 수송 물질은 반응 전극층(220)의 총 중량 중 0.1 내지 3 중량%로 포함될 수 있다.The electron transport material may be included in an amount of 0.01 to 5 wt% based on the total weight of the
반응 전극층(220)의 표면 조도(Ra, 중심선 평균)는 0.2 내지 1.5 ㎛일 수 있다. 상기 표면 조도는 반응 전극층(220)의 표면적을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 반응 전극층(220)과 효소 반응층(230) 사이에서 전자/정공이 이동할 수 있는 면적(이하, 반응 면적)이 증가할 수 있다. 따라서, 바이오 센서(10)의 감도 및 감응 범위가 증가할 수 있다.The surface roughness (Ra, center line average) of the
상기 표면 조도가 0.2 ㎛ 미만일 경우, 감도 및 감응 범위 증가 효과가 미미할 수 있다. 상기 표면 조도가 1.5 ㎛ 초과일 경우, 측정 전류값의 산포가 증가할 수 있다. 바람직하게는, 상기 표면 조도는 0.3 내지 1㎛일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 표면 조도는 0.3 내지 0.8 ㎛일 수 있다.When the surface roughness is less than 0.2 μm, the effect of increasing the sensitivity and the sensitivity range may be insignificant. When the surface roughness exceeds 1.5 μm, the dispersion of the measured current value may increase. Preferably, the surface roughness may be 0.3 to 1㎛. More preferably, the surface roughness may be 0.3 to 0.8 μm.
효소 반응층(230)은 반응 전극층(220) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 반응 전극층(220)의 상면을 덮을 수 있다. 효소 반응층(230)에서 감지 대상 물질의 산화환원 반응이 일어날 수 있다.The
예시적인 실시예들에 있어서, 효소 반응층(230)은 산화 효소 또는 탈수소 효소를 포함할 수 있다. 산화 효소 및 탈수소 효소는 검사 대상 물질의 종류에 따라 선택될 수 있다.In exemplary embodiments, the
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 산화 효소는 글루코스 산화 효소(glucose oxidase), 콜레스테롤 산화 효소(cholesterol oxidase), 락테이트 산화 효소(cholesterol oxidase), 아스코빅산 산화 효소(ascorbic acid oxidase) 또는 알코올 산화 효소(alcohol oxidase) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the oxidizing enzyme is glucose oxidase, cholesterol oxidase, lactate oxidase, ascorbic acid oxidase, or alcohol oxidase. (alcohol oxidase) may include at least one of.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 탈수소 효소는 글루코스 탈수소 효소(glucose dehydrogenase), 글루탐산 탈수소 효소(glutamate dehydrogenase), 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydronase) 또는 알코올 탈수소 효소(alcohol dehydrogenase) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In exemplary embodiments, the dehydrogenase may include at least one of glucose dehydrogenase, glutamate dehydrogenase, lactate dehydronase, or alcohol dehydrogenase. can
이 경우, 바이오 센서(10)는 글루코스, 콜레스테롤, 락테이트, 아스코빅산, 알코올, 글루탐산 등의 농도를 측정할 수 있다.In this case, the
예를 들면, 감지 대상 물질이 포함된 시료를 바이오 센서(10)에 주입하면, 시료에 포함되어 있는 감지 대상 물질이 산화 효소 또는 탈수소 효소와 반응하여 과산화수소(H2O2) 등의 부산물이 생성될 수 있다. 이때, 상기 전자 수송 물질은 상기 부산물을 환원시키고, 자신은 산화될 수 있다. 산화된 전자 수송 물질은 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 얻어 다시 환원될 수 있다. For example, when a sample including a detection target material is injected into the
시료 내의 감지 대상 물질 농도는 전자 수송 물질이 산화되는 과정에서 발생되는 전류량에 비례할 수 있다. 따라서, 상기 전류량을 측정하여 감지 대상 물질 농도를 측정할 수 있다.The concentration of the sensing target material in the sample may be proportional to the amount of current generated during the oxidation of the electron transport material. Accordingly, the concentration of the sensing target material may be measured by measuring the amount of current.
일부 실시예들에 있어서, 상기 산화 효소 또는 탈수소 효소는 바인더를 통해 고정될 수 있다. 상기 바인더는 당분야에서 통상적으로 사용되는 바인더를 포함할 수 있으며, 예를 들면, 나피온, 이의 유도체 또는 키토산을 포함할 수 있다.In some embodiments, the oxidizing enzyme or dehydrogenase may be immobilized through a binder. The binder may include a binder commonly used in the art, for example, Nafion, a derivative thereof, or chitosan may be included.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 단면도이다.3 is a schematic cross-sectional view of a biosensor according to exemplary embodiments of the present invention.
도 3을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서(20)는 작업 전극(200)은 이온 필터층(240)을 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , in the
예시적인 실시예들에 있어서, 효소 반응층(230) 상에 이온 필터층(240)이 배치될 수 있다. 예를 들면, 이온 필터층(240)은 효소 반응층(230)의 상면을 덮을 수 있다.In exemplary embodiments, the
이온 필터층(240)은 상기 검사 대상 물질을 제외한 화학 물질으로부터 효소 반응층(230)을 보호할 수 있다. 또한, 효소 반응층(230)의 산화 효소 또는 탈수소 효소가 외부 환경에 노출되는 것을 방지할 수 있다.The
이온 필터층(240)은 감지 대상 물질만을 통과시킬 수 있다. 따라서, 효소 반응층(230)이 측정 대상 성분 외의 타 물질에 의해 변성, 손상되는 것을 방지할 수 있다.The
이온 필터층(240)은 감지 대상 물질을 통과시키는 것이라면 당분야에서 통상적으로 사용되는 이온 교환막이 사용될 수 있으며, 불소계 고분자 화합물이 사용될 수 있다. 예를 들면, 이온 필터층(240)은 나피온(Nafion), 나피온 유도체, 폴리아닐린 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As the
예시적인 실시예들에 있어서, 기준 전극(300)은 기판(100) 상에 작업 전극(200)과 이격되어 배치될 수 있다. 기준 전극(300)과 작업 전극(200)은 전기적으로 단절될 수 있다. 기준 전극(300)은 기판(100)의 작업 전극(200)이 배치된 면과 같은 면에 배치거나, 기판(100)을 사이에 두고 작업 전극(200)과 마주볼 수 있다.In example embodiments, the
기준 전극(300)은 측정 시 작업 전극(200)에서 측정되는 전류 값 또는 전위 값에 대한 기준치를 제공할 수 있다. 기준 전극(300)의 전위 값을 기준치로 하여 작업 전극(200)에서 일어나는 감지 대상 물질 산화-환원 반응을 특정할 수 있다.The
또한, 상기 전류 값의 기준치와 작업 전극(200)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.In addition, by comparing the reference value of the current value with the current value measured by the working
기준 전극(300)은 제2 배선 전극(310) 및 기준 전극층(320)을 포함할 수 있다. 기준 전극층(320)은 제2 배선 전극(310) 상에 형성될 수 있다.The
제2 배선 전극(310)은 작업 전극(200)의 제1 배선 전극(210)과 동일한 소재로 형성될 수 있다.The
기준 전극층(320)은, Ag/AgCl 전극을 포함할 수 있다. 상기 Ag/AgCl 전극 층은 Ag/AgCl 페이스트(paste)로부터 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 기준 전극층(320)의 측면으로 제2 배선(144)을 연결할 경우 제2 배선 전극(310)은 생략될 수 있다.The
일부 실시예에들 있어서, 기준 전극(300)의 상면 상에 보호층이 배치될 수 있다. 상기 보호층은 기준 전극(300)을 외부 충격 및 환경으로부터 보호할 수 있다. 상기 보호층은 작업 전극(200)의 이온 필터층(240)과 동일하게 형성될 수 있다.In some embodiments, a protective layer may be disposed on the upper surface of the
예시적인 실시예들에 있어서, 기판(100) 상에 반응 전극층(220) 및 효소 반응층(230)을 순서대로 적층하여 작업 전극(200)을 형성할 수 있다. 기준 전극(300)은 작업 전극(200)과 소정 거리 이격하여 형성할 수 있다.In example embodiments, the working
일부 실시예들에 있어서, 기판(100)과 반응 전극층(220) 사이에 제1 배선 전극(210)을 형성할 수 있으며, 기판(100)과 기준 전극층(320) 사이에 제2 배선 전극(310)을 형성할 수 있다.In some embodiments, the
제1 배선 전극(210)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 패터닝 시 제1 배선 전극(210)과 이에 연결된 제1 배선(142)이 함께 형성될 수 있다. 기준 전극(300)도 동일한 방법으로 형성될 수 있다.The
상기 패터닝은 당분야에서 통상적으로 사용되는 패터닝 공법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 포토리소그라피(photolithography)를 사용할 수 있다.For the patterning, a patterning method commonly used in the art may be used. For example, photolithography may be used.
제1 배선 전극(210)이 금속 보호층을 더 포함할 경우, 금속층을 먼저 패터닝한 후 상기 금속 보호층을 형성하거나, 상기 금속막 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 도전성 산화물막을 형성한 후, 상기 금속막과 도전성 산화물막을 함께 패터닝하여 금속층 및 금속 보호층을 함께 형성될 수 있다.When the
반응 전극층(220)은 상기 전자 수송 물질 및 상기 탄소계 전극 보호 물질을 혼합한 조성물을 제1 배선 전극(210)에 도포한 후 건조하여 형성할 수 있다.The
상기 도포는 당분야에서 통상적으로 사용되는 도포법이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 각종 프린팅 방법이 사용될 수 있다.For the application, a coating method commonly used in the art may be used, for example, various printing methods may be used.
일부 실시예들에 있어서, 상기 혼합 조성물을 200 내지 500 mesh의 스크린을 이용한 스크린 인쇄할 수 있다. 이 경우, 반응 전극층(220)의 표면에 Ra 0.2 내지 1.5 ㎛의 거칠기가 형성될 수 있다.In some embodiments, the mixed composition may be screen-printed using a screen of 200 to 500 mesh. In this case, a roughness of Ra 0.2 to 1.5 μm may be formed on the surface of the
일부 실시예들에 있어서, 상기 혼합 조성물을 제1 배선 전극(210) 상에 도포 및 건조한 후, 노출된 면을 표면 처리할 수 있다. 상기 표면 처리는 플라즈마 처리, 코로나 처리, 자외선 세정 처리, 프라이머 처리, 검화 처리 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 플라즈마 처리, 코로나 처리 또는 자외선 세정 처리를 통해 0.2 내지 1.5 ㎛ Ra의 표면 조도를 효과적으로 형성할 수 있다.In some embodiments, after applying and drying the mixed composition on the
효소 반응층(230)은 예를 들면, 산화 효소 또는 탈수소 효소를 바인더와 혼합한 조성물을 반응 전극층(220) 상에 도포한 후 건조하여 형성될 수 있다.The
예시적인 실시예들에 있어서, 효소 반응층(230)의 상면에 이온 필터층(240)을 형성할 수 있다. 이온 필터층(240)은 나피온 등의 이온 필터 기능을 갖는 물질을 도공 후 건조하여 형성될 수 있다.In exemplary embodiments, the
일부 실시예들에 있어서, 작업 전극(200) 및 기준 전극(300) 각각에 배선부(140)가 연결될 수 있다. 작업 전극(200)에 연결된 제1 배선(142) 및 기준 전극(300)에 연결된 제2 배선(144)은 서로 전기적으로 이격될 수 있다. 배선부(140)는 구동 집적 회로(IC) 칩에 연결될 수 있다.In some embodiments, the
예를 들면, 배선부(140)는 작업 전극(200)의 반응 전극층(220)과 동일한 소재로 형성될 수 있으며, 기준 전극(300)과 동일한 소재로 형성될 수 있다. For example, the
일부 실시예들에 있어서, 제1 배선(142) 및 제2 배선(144)은 각각 작업 전극(200) 및 기준 전극(300)과 일체로 형성될 수 있다. 기판(100) 상에 카본 페이스트 막 및/또는 금속 막을 형성하고 이를 패터닝하거나 스크린 인쇄법을 통해 반응 전극층(220) 및 기준 전극(300)을 각각 제1 배선(142) 및 제2 배선(144)과 일체로 형성할 수 있다.In some embodiments, the
작업 전극(200) 및 기준 전극(300)으로부터 측정된 전기적 신호가 제1 배선(142) 및 제2 배선(144)을 통해 구동 IC 칩에 전달될 수 있으며, 구동 IC 칩이 측정 대상 성분의 농도를 계산할 수 있다.Electrical signals measured from the working
일부 실시예들에 있어서, 바이오 센서(10)는 보조 센서(130)를 더 포함할 수 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 센서의 측정 오차를 정정할 수 있다. 보조 센서(130)는 제3 배선(146)에 의해 상기 구동 IC 칩과 연결될 수 있다.In some embodiments, the
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to help the understanding of the present invention, but these examples are only illustrative of the present invention and do not limit the appended claims, and are within the scope and spirit of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible, and it is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples
절연성 기재로 두께 180㎛ PET제 기판을 준비하였다.A 180-micrometer-thick PET substrate was prepared as an insulating substrate.
기판 상에 약 2000Å 두께의 APC 층 및 약 500Å 두께의 IZO을 차례로 적층하여 제1 배선 전극을 형성하였다. 제1 배선 전극 상에 카본 페이스트 전극(프러시안블루 3wt% 포함, 두께 약 10㎛)을 형성하였다.A first wiring electrode was formed by sequentially stacking an APC layer with a thickness of about 2000 Å and IZO with a thickness of about 500 Å on a substrate. A carbon paste electrode (including 3 wt% of Prussian blue, about 10 μm thick) was formed on the first wiring electrode.
이 때, 스크린의 메쉬를 조절하여 카본 페이스트 전극의 표면 조도를 아래 표 1과 같이 조절하였다.At this time, the surface roughness of the carbon paste electrode was adjusted as shown in Table 1 below by adjusting the mesh of the screen.
상기 제1 배선 전극과 동일한 소재로 상기 제1 배선 전극과 이격하여 제2 배선 전극을 형성하였다. 상기 제2 배선 전극 상에 Ag/AgCl 전극을 형성하여 기준 전극을 제조하였다.A second wiring electrode was formed to be spaced apart from the first wiring electrode using the same material as the first wiring electrode. A reference electrode was manufactured by forming an Ag/AgCl electrode on the second wiring electrode.
상기 카본 페이스트 전극 및 상기 기준 전극을 코로나 처리(10kV, 10rpm)하였다. The carbon paste electrode and the reference electrode were corona-treated (10 kV, 10 rpm).
상기 코로나 처리된 카본 페이스트 전극 상에 글루코스 산화효소가 키토산으로 고정된 효소 반응층을 형성하여 작업 전극을 제조하였다.A working electrode was prepared by forming an enzyme reaction layer in which glucose oxidase was fixed with chitosan on the corona-treated carbon paste electrode.
실험예Experimental example
실시예 및 비교예들의 바이오 센서를 통해 0.1mM 글루코스 표준 용액의 농도를 측정하였다.The concentration of the 0.1 mM glucose standard solution was measured through the biosensors of Examples and Comparative Examples.
구체적으로는, 작업 전극 및 기준 전극을 전류측정장비(CHI-630E, CH Instruments, INC)에 연결하고 상기 표준 용액을 작업 전극 및 기준 전극에 고르게 적하한 후 -0.1 mV의 전압을 인가하고 150초 후의 전류값을 측정하였다.Specifically, the working electrode and the reference electrode are connected to a current measuring device (CHI-630E, CH Instruments, INC), the standard solution is evenly dropped on the working electrode and the reference electrode, a voltage of -0.1 mV is applied, and 150 seconds The subsequent current value was measured.
또한, 각 실시예들에 있어서 각 5회씩 측정을 반복하여 평균 전류값 및 산포를 계산하였다. 계산된 값은 아래 표 1에 나타내었다.In addition, in each of the Examples, the measurement was repeated 5 times to calculate the average current value and dispersion. The calculated values are shown in Table 1 below.
표 1을 참조하면, 반응 전극층의 표면 조도가 0.2 내지 1.5 ㎛ 범위를 벗어나는 비교예들에 비하여 실시예들의 측정 전류값이 크게 향상되고, 산포가 감소한 것이 확인되었다.Referring to Table 1, it was confirmed that the measured current value of the Examples was greatly improved and the dispersion was reduced compared to Comparative Examples in which the surface roughness of the reaction electrode layer was out of the range of 0.2 to 1.5 μm.
10: 바이오 센서
100: 기판
200: 작업 전극
210: 제1 배선 전극
220: 반응 전극층
230: 효소 반응층
240: 이온 필터층
300: 기준 전극
310: 제2 배선 전극
310: 기준 전극층10: biosensor
100: substrate
200: working electrode 210: first wiring electrode
220: reaction electrode layer 230: enzyme reaction layer
240: ion filter layer
300: reference electrode 310: second wiring electrode
310: reference electrode layer
Claims (11)
상기 기판 상에 배치된 반응 전극층 및 상기 반응 전극층 상에 배치된 효소 반응층을 포함하는 작업 전극; 및
상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격된 기준 전극을 포함하며,
상기 반응 전극층의 표면 조도(Ra)는 0.2 내지 1.5 ㎛인, 바이오 센서.
Board;
a working electrode including a reaction electrode layer disposed on the substrate and an enzyme reaction layer disposed on the reaction electrode layer; and
and a reference electrode spaced apart from the working electrode on the substrate;
The surface roughness (Ra) of the reaction electrode layer is 0.2 to 1.5 ㎛, the biosensor.
The method according to claim 1, wherein the working electrode further comprises a first wiring electrode disposed between the substrate and the reaction electrode layer, the first wiring electrode is gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), titanium (Ti), nickel (Ni), tin (Sn), molybdenum (Mo), cobalt (Co) and silver-palladium- containing at least one selected from the group consisting of copper alloy (APC), bio sensor.
The biosensor of claim 1 , wherein the reaction electrode layer comprises an electron transport material.
The method according to claim 3, wherein the electron transport material is Prussian blue (prussian blue), potassium ferricyanide (potassium ferricyanide), potassium ferrocyanide (potassium ferrocyanide), hexaamineruthenium (III) chloride (hexaammineruthenium (III) chloride) , A biosensor comprising at least one selected from the group consisting of ferrocene, ferrocene derivatives, quinones, quinone derivatives and hydroquinone.
The biosensor of claim 1, wherein the reaction electrode layer comprises a carbon-based electrode protective material.
The biosensor of claim 5 , wherein the carbon-based electrode protection material comprises a carbon paste.
The method according to claim 1, wherein the enzyme reaction layer comprises at least one of glucose oxidase, cholesterol oxidase, lactate oxidase, ascorbic acid oxidase, alcohol oxidase, glucose dehydrogenase, glutamic acid dehydrogenase, lactate dehydrogenase and alcohol dehydrogenase. A biosensor, including one.
The biosensor of claim 1, wherein the working electrode further comprises an ion filter layer disposed on the enzyme reaction layer.
The biosensor of claim 1, wherein the surface roughness is 0.3 to 1 μm.
The biosensor of claim 1, further comprising a first wiring electrode disposed between the reaction electrode layer and the substrate.
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KR20010110272A (en) | 2001-11-20 | 2001-12-12 | 홍영표 | Glucose Electrode Containing Pt metal and its efficiency |
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