KR100340173B1

KR100340173B1 - 전기화학적 바이오센서 측정기

Info

Publication number: KR100340173B1
Application number: KR1020000014424A
Authority: KR
Inventors: 류준오; 이진우; 최인환
Original assignee: 이동준; 주식회사 올메디쿠스
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2002-06-12
Also published as: CA2403481A1; AU2001232369A1; EP1272833A1; DE60107224D1; US6936146B2; ATE282825T1; JP2003528313A; CN1213296C; CN1427951A; KR20010092475A; WO2001071329A1; DE60107224T2; EP1272833B1; EP1272833A4; RU2002124858A; US20030019750A1

Abstract

본 발명은 생체시료에 있는 특정 물질, 예컨대 혈액 중의 혈당, 콜레스테롤 등을 정량 분석하는 전기화학적 바이오센서 측정기에 관한 것으로, 피크전류에 왜곡이 발생하지 않고 저렴한 비용으로 구현가능한 전기화학적 바이오센서 측정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 제3전압 인가시점(t3)에서 발생하는 피크전류가 왜곡 없이 해당 전압으로 변환되도록 전압변환수단(OP2)이 설정되고, 측정시점(t4)의 디지털 전압신호가 A/D컨버터의 기준전압의 이하가 되도록 증폭기(OP3)가 설정된 것을 특징으로 한다.

Description

전기화학적 바이오센서 측정기{Electrochemical Biosensor Readout Meter}

본 발명은 생체시료에 있는 특정 물질, 예컨대 혈액 중의 혈당, 콜레스테롤 등을 정량 분석하는 전기화학적 바이오센서 측정기에 관한 것이다.

최근 의약 분야에서 혈액을 포함한 생체 시료를 분석하기 위하여 전기화학적바이오센서를 많이 사용하고 있다. 그 중 효소를 이용한 전기화학적 바이오센서는 적용이 간편하고, 측정 감도가 우수하며, 신속하게 결과를 얻을 수 있어 병원 및 임상 실험실에서 가장 널리 사용된다. 전기화학적 바이오센서에 적용되는 효소분석법은 크게 분광학적 방법인 발색법과 전기화학적인 전극법으로 구분할 수 있다. 발색법은 일반적으로 전극법에 비해 측정시간이 길며, 생체시료의 혼탁도에 기인한 측정오차 등으로 인해 중요한 생체물질을 분석하는데 어려움이 수반된다. 따라서 최근에는 스크린프린팅 방법 등을 이용하여 전극계를 형성한 뒤, 분석 시약을 전극 상에 고정시키고, 시료가 도입된 후 일정 전위를 적용하여 시료 중 특정 물질을 정량적으로 측정하는 전극법이 전기화학적 바이오센서에 많이 응용되고 있다.

미국특허 제5,437,999호 'Electrochemical Sensor'에는, PCB 산업에서 통상적으로 사용되는 기술을 전기화학적 바이오센서 테스트스트립에 적합하도록 새롭게 응용하여, 정밀하게 정의된 전극 영역을 가지는 전기화학적 바이오센서 테스트스트립에 관하여 기술되어 있다. 이 전기화학적 바이오센서 테스트스트립은 매우 적은 시료 양으로 매우 정확한 전기화학적 측정을 수행할 수 있다.

도 1은 종래의 전기화학적 바이오센서 테스트스트립의 평면도이다. 도 1에서 11은 인식전극, 12는 기준전극, 13은 작동전극, 14는 시약이 고정되어 있는 반응부이다.

도 2는 도 1에 도시된 테스트스트립(10)을 이용하는 종래의 전기화학적 바이오센서 측정기의 회로도이고, 도 3a는 작동전압발생회로(21)가 작동전극(13)에 인가하는 작동전압의 파형도이고, 도 3b는 시료의 도입에 따라 작동전극(13)에 흐르는 전류의 파형도이다.

이하에서는 도 2 및 도 3를 참조하여, 종래의 전기화학적 바이오센서 측정기(20)의 동작을 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같은 테스트스트립(10)이 측정기(20)에 삽입되면 인식전극(11)에 의해서 A점의 전압이 5V에서 0V로 바뀐다. 이러한 전압의 변화는 제어기의 역할을 하는 마이크로 프로세서(26)에 의해 인식됨으로써, 테스트스트립(10)이 삽입된 것을 알게 된다. 이렇게 테스트스트립(10)이 삽입된 것을 인식한 시점(t0)에서 마이크로 프로세서(26)는 작동전압발생회로(21)로 하여금 소정의 전압, 예를 들어 300㎷를 작동전극(13)에 인가하도록 한다.

테스트스트립(10)의 반응부(14)에 혈액 등이 도입되면(t1), 혈액 중의 분석물질과 시약이 반응하여 전하가 발생하게 되고, 작동전극(13)에 인가되어 있는 전압에 의해 이러한 전하는 전류(i)를 형성하게 된다. 전류는 시약과 분석물질과의 반응이 진행됨에 따라 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이 증가하게 된다. 전류가 소정의 크기(ith)로 증가하면(t2), 마이크로 프로세서(26)는 작동전압발생회로(21)로 하여금 아무런 전압도 작동전극(13)에 인가하지 않도록 한다. 여기서 전류가 소정의 크기(ith)로 될 때까지 기다리는 이유는 노이즈 등에 의한 오동작을 방지하기 위해서이다.

작동전압이 실질적으로 0V가 되므로, 분석물질과 시약의 반응에 의해 발생한 전하는 작동전극(13)을 경유하여 흐르지 못하고, 작동전극(13) 주위에 모여있게 된다. 작동전압을 실질적으로 0V로 하고 소정 시간이 흐른 후(t3)에 다시 300㎷의 작동전압을 작동전극(13)에 인가한다. 여기서 t2부터 t3까지의 시간을 통상 인큐베이션 타임(incubation time)이라고 한다. 인큐베이션 타임 동안에 작동전극 주위에 모여 있던 전하는 t3에서 300㎷의 작동전압이 인가되면 일시에 작동전극(13)을 경유하여 흐르게 되므로 도 3b에 도시된 바와 같이 t3에서 피크전류(Ip)가 나타나게 된다.

이하에서는 작동전극(13)에 흐르는 전류를 측정하여 분석물질의 농도를 측정하는 원리를 도 2의 회로를 참고하여 설명한다. 작동전극(13)에 흐르는 전류는 연산증폭기(OP1)의 출력단자와 (-)입력단자의 피드백 루프에 있는 저항(R1)에 의해 전압으로 변환된다. 이렇게 변환된 전압은 아날로그-디지털(A/D) 컨버터(23)에 의해 디지털 신호로 변환된다. 마이크로 프로세서(26)는 시료 중의 분석물질의 농도와 전류의 관계에 대한 데이터를 저장하고 있다. 마이크로 프로세서(26)는 피크전류(Ip)가 어느 정도 지나간 시점(t4)에서 작동전극(13)에 흐르는 전류의 값을 읽음으로써 분석물질의 농도를 측정한다. t4 시점에서 분석물질의 농도를 측정하는 이유는 시료 중에 동일한 농도의 분석물질이 포함되어 있다 할 지라도 기준전극 및 작동전극에 시약이 결합된 상태 등에 따라 피크전류의 값이 다르게 나타나기 때문이다.

전술한 바와 같이 종래에는 인큐베이션 타임 동안에 작동전극에 아무런 전압도 걸어 주지 않았으므로, t3 시간에 나타나는 피크전류(Ip)의 값이 상당히 컸다. 따라서 저항(R1)의 값을 크게 하면, 연산증폭기(OP1)의 한계에 따라 피크전류가 발생하는 t3 근방에서 신호의 왜곡이 나타나게 되고, 이에 따라서 t4에서의 전류의크기도 영향을 받았다. 도 4a는 저항(R1)이 작아서 작동전극에 흐르는 전류가 t3 근방에서 충분히 흐를 수 있는 경우의 전류 파형도이고, 도 4b는 저항(R1)이 커서 작동전극에 흐르는 전류가 t3 근방에서 충분히 흐를 수 없는 경우의 전류 파형도이다. 이 경우 피크전류의 값은 전술한 바와 같이 기준전극 및 작동전극에 시약이 결합된 상태 등에 따라 달라지므로, 사용하는 테스트스트립에 따라 t4 시점에서 측정되는 전류의 크기도 다르게 되어 재현성에 문제가 있었다. 또한 큰 피크전류가 왜곡없이 흐를 수 있도록 하기 위하여 저항(R1)을 줄이면, t3 시점에서 측정되는 전압에 비해 t4 시점에서 측정되는 전압이 상대적으로 매우 작으므로 A/D 컨버터(23)의 모든 비트를 이용할 수 없으므로 비용상의 낭비가 발생한다.

또한 종래의 바이오센서 측정기에서는 전극에 흐르는 전류를 전압으로 바꾸기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 연산증폭기(OP1)만을 사용하였다. 예를 들어, A/D 기준전압이 3.7V이고 저항(R1)의 값이 100㏀이고, 연산증폭기의 (+)전원전압을 5V로 하면, t4 시간에 측정할 수 있는 전류의 범위는 0 < i < 37㎂이고, 연산증폭기에서 허용하는 피크전류의 최대값은 50㎂이다. 피크전류의 값을 더 높이려면 t4 시간에 측정할 수 있는 전류의 최대범위는 37㎂보다 더 커지게 된다. A/D 컨버터(23)의 변환 비트가 8비트라면 전류의 최대범위가 커지면 분해능이 점점 나빠지게 되므로, 원하는 성능의 분해능을 얻어내기 위해서는 변환 비트를 높여야 한다. 이러한 경우 고가의 A/D 컨버터를 사용하여야 하므로 비용이 상승하게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 피크전류에 왜곡이 발생하지 않도록 하여 재현성이 향상된전기화학적 바이오센서 측정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 저렴한 비용으로 높은 분해능을 갖는 전기화학적 바이오센서 측정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 전기화학적 바이오센서 테스트스트립을 나타낸 평면도이다.

도 2는 종래의 전기화학적 바이오센서 측정기를 도시한 회로도이다.

도 3a은 종래의 작동전압을, 도 3b는 작동전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도이다.

도 4는 작동전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도로서, 피크전류가 왜곡된 경우를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 의한 전기화학적 바이오센서 측정기의 일 실시예를 도시한 회로도이다.

도 6a는 본 발명에 의한 작동전압을, 도 6b는 작동전극에 흐르는 전류를 나타낸 파형도이다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 절연체 기판과, 이 절연체 기판 위에 길이방향으로 나란하게 형성된 기준전극 및 작동전극과, 상기 절연체 기판에서 상기 기준전극 및 작동전극에 걸쳐 고정화되며 시료의 도입에 따라 특정 분석물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 양의 전하를 발생시키는 시약을 구비한 전기화학적 바이오센서 테스트스트립을 이용하는 측정기에 있어서, 상기 작동전극에 작동전압을 인가하는 작동전압발생회로와, 상기 작동전극을 경유하여 흐르는 전류를 전압으로 변환하는 전압변환수단과, 상기 전압변환수단에 의해 변환된 전압을 증폭하여 아날로그 전압신호를 출력하는 증폭기와, 상기 증폭기에서 발생된 아날로그 전압신호를 디지털 전압신호로 변환하는 A/D컨버터와, 상기 테스트스트립이 상기 측정기에 삽입되면(t0), 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제1전압을 인가하도록 하고, 시료가 도입되면(t1) 소정 시간 후(t2)에 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제2전압을 소정 시간 동안 인가하도록 하며, 그 후(t3)에는 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제3전압을 인가하도록 하고, 상기 제3전압인가시점(t3)으로부터 소정 시간 후(t4)에 상기 A/D컨버터에서 출력된 디지털 신호를 판독하여 상기 분석물질의 농도를 측정하는 제어기를 포함하며, 상기 제3전압인가시점(t3)에서 발생하는 상기 전류의 피크전류가 왜곡 없이 해당 전압으로 변환되도록 상기 전압변환수단이 설정되고, 상기 측정시점(t4)의 상기 디지털 전압신호가 상기 A/D컨버터의 기준전압의 이하가 되도록 상기 증폭기가 설정된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 절연체 기판과, 이 절연체 기판 위에 길이방향으로 나란하게 형성된 기준전극 및 작동전극과, 상기 절연체 기판에서 상기 기준전극 및 작동전극에 걸쳐 고정화되며 시료의 도입에 따라 특정 분석물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 양의 전하를 발생시키는 시약을 구비한 전기화학적 바이오센서 테스트스트립을 이용하는 측정기에 있어서, 상기 작동전극에 작동전압을 인가하는 작동전압발생회로와, 상기 작동전극을 경유하여 흐르는 전류를 아날로그 전압신호로 변환하는 전압변환수단과, 상기 전압변환수단에서 발생된 아날로그 전압신호를 디지털 전압신호로 변환하는 A/D컨버터와, 상기 테스트스트립이 상기 측정기에 삽입되면(t0), 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제1전압을 인가하도록 하고, 시료가 도입되면(t1) 소정 시간 후(t2)에 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제2전압을 소정 시간 동안 인가하도록 하며, 그 후(t3)에는 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제3전압을 인가하도록 하고, 상기 제3전압인가시점(t3)으로부터 소정 시간 후(t4)에 상기 A/D컨버터에서 출력된 디지털 신호를 판독하여 상기 분석물질의 농도를 측정하는 제어기를 포함하며, 상기 제2전압은 실질적으로 0V가 아니고, 상기 제1전압보다 작은 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서 측정기의 회로를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 구성요소와 동일한 것은 동일한 참조번호를 사용하여 표시한다. 도 2에 도시된 종래의 전기화학적 바이오센서 측정기와 비교하여 볼 때, 작동전극(13)에 흐르는 전류를 전압으로 변환하여 A/D 컨버터(23)로 입력하는 연산증폭기가 종래에는 한 단으로 구성되어 있었으나, 본 발명에서는 두 단으로 구성된 것에 차이가 있다.

도 6a는 본 발명에 따라 작동전극에 인가되는 작동전압의 파형을 도시한 도면이고, 도 6b는 본 발명에 따라 작동전극에 흐르는 전류의 파형을 도시한 도면이다.

이하에서는 도 5과 도 6를 참조하여, 그 구체적인 동작에 대해 설명한다. 측정기(50)에 테스트스트립(10)이 삽입되면(t0), 인식전극(11)에 의해서 A의 값이 5V에서 0V로 바뀌게 되고, 전압의 변화를 마이크로 프로세서(26)에서 인지하여, 테스트스트립(10)의 삽입 여부를 알게 된다. 이 때 마이크로 프로세서(26)는 도 6a에 도시된 바와 같이, 작동전압발생회로(43)로 하여금 300㎷를 작동전극(13)에 인가하도록 한다. 그리고 테스트스트립(10)의 반응부(14)에 혈액이 투입되기를 기다린다. 혈액이 테스트스트립(10)의 반응부(14)에 투입되면(t1), 도 6a에 도시된 바와 같이 테스트스트립(10)에 흐르는 전류가 소정 값 이상으로 될 때(t2)까지 기다려서, 혈액이 투입된 것으로 결정하고, 마이크로 프로세서(26)는 작동전압발생회로(21)로 하여금 테스트스트립(10)의 작동전극(13)에 작동전압으로서 실질적으로 0V가 아닌 74㎷를 걸어 주도록 한다.

도 5에서 첫 번째 연산증폭기(OP2)는 피크전류를 결정하는 연산증폭기이고,두 번째 연산증폭기(OP3)는 A/D(23)에서 측정할 수 있는 최대 전류를 결정하는 연산증폭기이다. 피크전류를 Ip라고 하고, 연산증폭기(OP2)의 (+)전원단자에 걸리는 전압을 +5V로 하면, Ip=5/R2 이다. 이 때 R2를 10㏀이라 하면, Ip=500㎂이다. R5=R8, R6=R7로 설정하면, 두 번째 연산증폭기(OP3)의 증폭률은 R6/R8이 된다. 따라서 A/D 컨버터(23)에서 읽어 들이는 전류의 증폭률은 R2R6/R8 이므로, R2를 10㏀, R6을 470㏀, R8를 51㏀으로 설정하면, t4 시간에 읽어 들일 수 있는 최대 전류는 3.7/(10k·470k/51k)로서 40.1㎂이다.

피크전류 Ip가 커지게 되면, R2를 줄이고, R6/R8의 비를 조정하면 되므로, 피크전류 Ip와 t4 시간에 읽어 들이는 최대전류의 값을 독립적으로 조정할 수 있으므로, 도 6b에서와 같이 피크전류의 왜곡이 없는 전류 파형을 얻을 수 있다.

본 발명에서는 도 6a에 도시된 바와 같이, 인큐베이션 타임에 0V가 아닌 74㎷의 작동전압을 걸어주었다. 이로써 화학반응에 의하여 생성된 전류가 인큐베이션 타임에도 조금씩 소모되므로 도 6b의 피크전류(Ip3)는 0V를 가한 때의 피크전류(Ip0)보다 작아진다. 따라서 같은 농도를 측정할 때 피크전류가 일정하므로 t4 시간에 측정하는 값이 일정해지므로 측정 회수에 따라서 재현성이 좋아진다.

본 발명에 의하면 피크전류의 왜곡을 방지하여 재현성이 높은 전기화학적 바이오센서 측정기를 제공할 수 있다. 또한 저렴한 비용으로 높은 분해능을 갖는 전기화학적 바이오센서 측정기를 제공할 수 있다.

Claims

절연체 기판과, 이 절연체 기판 위에 길이방향으로 나란하게 형성된 기준전극 및 작동전극과, 상기 절연체 기판에서 상기 기준전극 및 작동전극에 걸쳐 고정화되며 시료의 도입에 따라 특정 분석물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 양의 전하를 발생시키는 시약을 구비한 전기화학적 바이오센서 테스트스트립을 이용하는 측정기에 있어서,

상기 작동전극에 작동전압을 인가하는 작동전압발생회로와,

상기 작동전극을 경유하여 흐르는 전류를 전압으로 변환하는 전압변환수단과,

상기 전압변환수단에 의해 변환된 전압을 증폭하여 아날로그 전압신호를 출력하는 증폭기와,

상기 증폭기에서 발생된 아날로그 전압신호를 디지털 전압신호로 변환하는 A/D컨버터와,

상기 테스트스트립이 상기 측정기에 삽입되면(t0), 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제1전압을 인가하도록 하고, 시료가 도입되면(t1) 소정 시간 후(t2)에 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제2전압을 소정 시간 동안 인가하도록 하며, 그 후(t3)에는 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제3전압을 인가하도록 하고, 상기 제3전압인가시점(t3)으로부터 소정 시간 후(t4)에 상기 A/D컨버터에서 출력된 디지털 신호를 판독하여 상기 분석물질의 농도를 측정하는제어기를 포함하며,

상기 제3전압인가시점(t3)에서 발생하는 상기 전류의 피크전류가 왜곡 없이 해당 전압으로 변환되도록 상기 전압변환수단이 설정되고,

상기 측정시점(t4)의 상기 디지털 전압신호가 상기 A/D컨버터의 기준전압의 이하가 되도록 상기 증폭기가 설정된

것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서 측정기.
제1항에 있어서,

상기 제3전압은 상기 제1전압과 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서 측정기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제2전압은 실질적으로 0V가 아니고, 상기 제1전압보다 작은 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서 측정기.
절연체 기판과, 이 절연체 기판 위에 길이방향으로 나란하게 형성된 기준전극 및 작동전극과, 상기 절연체 기판에서 상기 기준전극 및 작동전극에 걸쳐 고정화되며 시료의 도입에 따라 특정 분석물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 양의 전하를 발생시키는 시약을 구비한 전기화학적 바이오센서 테스트스트립을 이용하는 측정기에 있어서,

상기 작동전극에 작동전압을 인가하는 작동전압발생회로와,

상기 작동전극을 경유하여 흐르는 전류를 아날로그 전압신호로 변환하는 전압변환수단과,

상기 전압변환수단에서 발생된 아날로그 전압신호를 디지털 전압신호로 변환하는 A/D컨버터와,

상기 테스트스트립이 상기 측정기에 삽입되면(t0), 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제1전압을 인가하도록 하고, 시료가 도입되면(t1) 소정 시간 후(t2)에 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제2전압을 소정 시간 동안 인가하도록 하며, 그 후(t3)에는 상기 작동전압발생회로가 상기 작동전극에 제3전압을 인가하도록 하고, 상기 제3전압의 인가시점(t3)으로부터 소정 시간 후(t4)에 상기 A/D컨버터에서 출력된 디지털 신호를 판독하여 상기 분석물질의 농도를 측정하는 제어기를 포함하며,

상기 제2전압은 실질적으로 0V가 아니고, 상기 제1전압보다 작은 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서 측정기.
제4항에 있어서,

상기 제3전압은 상기 제1전압과 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서 측정기.