KR100541266B1 - Composition of Electrodes for Transdermal Glucose Monitoring Bio-Sensor - Google Patents
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Abstract
역이온삼투 현상을 이용하여 피부 조직을 통해 체액을 추출하여, 추출된 물질 내의 글루코스 농도를 안정화로 체내 글루코스 농도, 즉 혈당량을 유추할 수 있는 기술을 구현함에 있어, 글루코스 산화효소를 포함하는 글루코스 측정 장치의 하이드로겔 내에서 발생하는 최종 화학 생성물인 과산화수소를 직접 접촉하는 전극의 성능은 전체 기기의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. 이에 본 발명에서는 전극의 성분 물질을 백금(Pt)과 탄소(C)로 정하고, 이들 물질의 조성에 따른 성능 변화를 관찰하여 최적의 조성을 찾아 글루코스 측정용 전극 물질의 성능을 최대화하였다.
역이온삼투압, 바이오센서, 전극, 경피추출, 과산화수소, 글루코스, 혈당, 백금, 탄소
Extracting body fluid through skin tissue using reverse ion osmosis, stabilizing glucose concentration in the extracted substance, and implementing a technique that can infer glucose concentration in the body, that is, blood glucose level, measurement of glucose including glucose oxidase The performance of the electrode in direct contact with hydrogen peroxide, the final chemical product generated in the hydrogel of the device, is an important factor in determining the performance of the entire device. Accordingly, in the present invention, the component materials of the electrode are set to platinum (Pt) and carbon (C), and the performance change according to the composition of these materials is observed to find an optimal composition to maximize the performance of the electrode material for glucose measurement.
Reverse osmosis, biosensor, electrode, transdermal extraction, hydrogen peroxide, glucose, blood sugar, platinum, carbon
Description
도 1은 역이온삼투압 경피 추출형 글루코스 모니터에 장착되는 전극 시스템으로1 is an electrode system mounted on a reverse ion osmotic transdermal extraction glucose monitor
A는 추출전극A is the extraction electrode
B는 작업전극B is the working electrode
C는 상대전극C is the counter electrode
D는 기준전극이다.D is a reference electrode.
도 2는 작업전극의 조성에 따른 측정전하량 함수 곡선이다.2 is a measurement charge function curve according to the composition of the working electrode.
본 발명은 인체의 표피 근처에 존재하는 체액 중 일정 생화학 성분을 추출하여, 그 농도를 모니터하는데 사용되는 경피추출형 바이오센서의 구성요소 중 전기신호를 발생하는 작업전극(working electrode,WE), 상대전극(counter electrode,CE), 기준전극(reference electrode,RE)에 관한 것이다. 본 발명의 중요한 적용으로는 비침입식 경피 혈당 모니터 시스템이 있다.The present invention extracts a certain biochemical component from the body fluids present near the epidermis of the human body, and works electrode (WE), relative to generate an electrical signal among the components of the transdermal extraction biosensor used to monitor its concentration. The present invention relates to a counter electrode (CE) and a reference electrode (RE). An important application of the present invention is a non-invasive transdermal blood glucose monitoring system.
당뇨병은 인슐린 분비 부족이나 인슐린에 대한 세포반응성 저하로 인해 음식물이 소화되어 얻어지는 글루코스(포도당)가 인체 내 혈액에 축적되며 동맥경화증 고혈압 뇌혈관 경색증과 같은 심혈관계 질환, 당뇨병성 신증과 같은 신장 질환, 당뇨병성 망막증이나 백내장과 같은 안질환, 농피증이나 괴저와 같은 피부질환, 치주농루와 같은 구강질환 등의 합병증을 유발하는 난치성의 질병이다. 사회 경제적인 발전이 이루어지면서 과식, 운동부족, 스트레스 증가 등으로 인하여 당뇨병 인구는 현저히 증가하는 추세이며, 선진화되어있는 국가의 경우 전체인구 대비 5∼10%가 당뇨병 환자로 추정되고 있으며, 이들 중 50%가량은 본인이 당뇨병 환자임을 인식하지 못하고 있는 상황이다. 당뇨환자는 기본적으로 공복시와 (허용 최대치 140 mg/dL), 식후 2시간 (허용최대치 200 mg/dL)혈당량을 주기적으로 모니터함으로써 자신의 혈당량을 관리하는 것이 권장되고 있다. 이 외에도 전신 상태, 섭취하는 음식물의 종류와 양, 나이, 합병증의 유무, 스트레스, 기타 동반된 질환 등 많은 여건들에 의하여 하루 중에도 혈당의 변동이 심하므로, 당뇨환자의 자가혈당 검사 및 관리는 환자의 건강 유지 및 합병증 예방에 매우 중요한 요소라고 할 수 있다.Diabetes can cause glucose (glucose), which is obtained by digesting foods due to insufficient insulin secretion or decreased cellular reactivity to insulin, to accumulate in the blood, cardiovascular diseases such as arteriosclerosis, hypertension, cerebrovascular infarction, kidney diseases such as diabetic nephropathy, It is a refractory disease that causes complications such as diabetic retinopathy, eye diseases such as cataracts, skin diseases such as pyoderma and necrosis, and oral diseases such as periodontal pylori. As socio-economic development has progressed, the diabetic population has increased significantly due to overeating, lack of exercise, and increased stress. In advanced countries, 5-10% of the total population is estimated to be diabetic. About% do not realize that they are diabetic. Diabetes patients are recommended to manage their blood glucose levels by periodically monitoring fasting (maximum tolerance 140 mg / dL) and 2 hours postprandial (maximum tolerance 200 mg / dL) blood glucose levels. In addition, blood sugar fluctuates during the day due to many conditions such as general condition, type and quantity of foods eaten, age, presence of complications, stress, and other accompanying diseases. Is a very important factor in maintaining health and preventing complications.
종래의 혈액내 글루코스, 즉 혈당의 모니터 방법은 주로 채혈식에 의존해 왔다. 즉 손가락 끝이나 기타 신체 특정부위에서 채혈침을 사용하여 혈액을 채취하는 방식으로 단발성의 검사만 가능한 단점이 있다. 또한 채혈식 혈당 모니터 시스템은 채혈시의 고통이나 불쾌감으로 인하여 짧은 주기로 혈당을 측정할 수 없는 불편이 있다. 이러한 불편을 제거하고, 연속적인 혈당 측정을 시도하기 위하여 다양한 방법의 연속측정형 혈당측정 시스템이 개발 중에 있다. 피하조직에 삽입하는 미세바 늘형 혈당센서(미국의 MiniMed사)와 역이온 삼투요법을 사용하는 피부패취형(Cygnus사)의 2가지 제품이 사용되고 있으나 개선의 여지가 남아있고 그 사용이 널리 확산되고 있지 못한 상황이다. 이밖에도 압축가스, LASER, MEMS 기술로 제작한 미세바늘 등을 이용하여 피부의 최상층(stratum corneum)에 미세 구멍을 내고 이를 통하여 세포간질액(Interstitial Fluid)을 연속적으로 추출하는 방식의 연구개발이 진행중에 있다.Conventional methods of monitoring glucose in blood, ie blood glucose, have relied primarily on blood sampling. In other words, only a single test can be performed by using a needle to collect blood from a fingertip or other part of the body. In addition, the blood glucose monitoring system is inconvenient to measure blood glucose at short intervals due to pain or discomfort during blood collection. In order to eliminate this inconvenience and to attempt continuous blood glucose measurement, various methods of continuous measurement blood glucose measurement system are under development. There are two products, microneedle type blood glucose sensor (MiniMed, USA) and skin patch type (Cygnus company) using reverse ion osmosis, which are inserted into subcutaneous tissue. There is no situation. In addition, the research and development of the method of extracting interstitial fluid continuously by making a micro hole in the stratum corneum using the microneedle produced using compressed gas, LASER, MEMS technology, etc. have.
따라서, 간편한 비침습형 자가 혈당 측정 시스템의 발명 및 적용이 본 기술분야에서 요구되고 있으며, 특히 그 핵심 요소라고 할 수 있는 분석 전극의 발명이 요구되는 정도는 매우 크다고 할 수 있다.Therefore, the invention and application of a simple non-invasive type of self blood glucose measurement system is required in the art, and the extent to which the invention of the analytical electrode, which can be said to be a key element thereof, is very large.
피부조직에 미량의 직류 전류를 가하여 음극쪽 성분을 분석하면 Na+, K+ 등의 양이온들과 중성의 글루코스 분자 성분이 추출되는 것은 잘 알려진 사실이다. 이러한 작용을 역이온삼투라 하며, 추출된 이들 글루코스 분자 성분은 혈액내의 글루코스 농도의 변화에 대해 상관 관계를 가지고 변화한다. 따라서 추출된 글루코스 농도를 측정하여 신뢰성 있는 혈당량을 추산하는 것이 가능하다.It is well known that the cathodic components such as Na + and K + and neutral glucose molecules are extracted by applying a small amount of direct current to skin tissue. This action is called reverse ion osmosis, and these extracted glucose molecule components change in correlation with changes in glucose concentration in the blood. Therefore, it is possible to estimate reliable blood glucose levels by measuring the extracted glucose concentration.
전극에 전류를 인가하여 글루코스와 같은 생화학물질을 추출하고자 할 때, 전극과 피부사이에는 글루코스 산화효소(Glucose Oxidase)와 같이 최종생성물이 과산화수소인 효소가 내부에 고정되어 있는 하이드로겔이 위치한다. 하이드로겔은 폴리에틸렌옥사이드, 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴아미도메틸프로판술 폰산 등의 고분자 또는 이들의 공중합체로 이루어져 있다. 이들 고분자 하이드로겔은 공기에 과다히 노출되어 있지 않은 경우, 수 시간(약 12∼24시간) 함수율을 유지하여 내부환경을 일정히 유지할 수 있다. 이 하이드로겔 내에 중성의 생리학적 완충용액(Phosphate Buffer Saline)이 존재할 경우, 약간 양 생성된 산이나 반응물의 농도에 관계없이 글루코스 산화효소의 활성을 유지할 수 있다. 따라서 수회(약 70회/1일 이상)에 걸쳐 유효한 추산 혈당량을 계측할 수 있다.When extracting a biochemical such as glucose by applying a current to the electrode, between the electrode and the skin is a hydrogel in which the final product is an enzyme, such as glucose oxidase (hydrogen peroxide) is fixed inside. The hydrogel consists of a polymer such as polyethylene oxide, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyacrylamidomethylpropanesulfonic acid, or a copolymer thereof. When the polymer hydrogel is not excessively exposed to air, the polymer hydrogel can maintain a water content for several hours (about 12 to 24 hours) and maintain a constant internal environment. In the presence of a neutral physiological buffer (Phosphate Buffer Saline) in the hydrogel, it is possible to maintain the activity of glucose oxidase irrespective of the concentration of slightly generated acid or reactant. Therefore, effective estimated blood glucose can be measured several times (about 70 times / day or more).
전기삼투압방식으로 피부를 통하여 체외로 추출되어 하이드로겔 내로 이동된 성분들 중 글루코스를 선택적 반응성이 있는 산화효소(Glucose oxidase)를 이용하여 아래의 반응식과 같이 과산화수소(H2O2)로 만들어 (1), 전기화학적인 방법으로 분석하면 (2), 체내의 글루코스를 추산할 수 있다.Among the components extracted out of the body through the electroosmotic pressure and transferred to the hydrogel, glucose was made into hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) using the reactive oxidase (Glucose oxidase) as shown below. ), Electrochemical analysis (2) can estimate glucose in the body.
Glucose + O2 + GOD → H2O2 + Gluconic Acid (1)Glucose + O 2 + GOD → H 2 O 2 + Gluconic Acid (1)
H2O2 → 2e- + O2 + 2H+ (2) H 2 O 2 → 2e- + O 2 + 2H + (2)
이 방법을 적용하였을때, 생체로부터 추출된 글루코스를 분석할 수 있는 최소양은 수십 내지 수백분의 1 nmole 까지도 가능하다. 이때 감도, 분해능, 최소검출한도, 신호 대 잡음비(S/N) 등의 시스템 성능을 결정하는 요소에는 여러 가지가 있으나 그 중에서도, 생성된 과산화수소를 분해하여 전자를 생성하는 전극의 화학적 조성의 증요성은 매우 크다. (2)의 반응이 완결되기 위해서 작업전극, 기준전극, 상대전극 으로 구성된 포함하는 3상전극계를 이용한다. 이 3 종류의 전극들 중 (2) 반응이 직접 발생하는 위치는 작업전극의 표면이다. 작업전극으로는 백금 전극 이 사용될 수 있으나, 백금전극을 단독으로 사용하는 것 보다 탄소를 첨가하는 것이 물리, 화학적인 잇점을 가져올 수 있다.When this method is applied, the minimum amount to analyze glucose extracted from the living body can be from tens to hundreds of nanometers. At this time, there are many factors that determine system performance such as sensitivity, resolution, minimum detection limit, and signal-to-noise ratio (S / N), but among them, the chemical composition of the electrode that decomposes the generated hydrogen peroxide to generate electrons Is very large. In order to complete the reaction of (2), a three-phase electrode system including a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode is used. Of these three types of electrodes, the position where reaction (2) occurs directly is the surface of the working electrode. A platinum electrode may be used as the working electrode, but adding carbon may bring physical and chemical advantages over using the platinum electrode alone.
본 발명에서는 여러 가지의 백금 대 탄소 조성비를 가지는 작업전극을 스크린법으로 인쇄 제작하여 각각의 성능을 확인하여 글루코스 정량분석을 위한 최적의 조성을 얻는 것을 목적으로한다. 즉 피부를 통해 체액 에서 역이온삼투압으로 추출된 글루코스 양을 측정하는 바이오 센서 시스템에, 위에서 얻어진 최적의 조성을 갖는 작업전극을 적용하고자 한다.In the present invention, a working electrode having various platinum-to-carbon composition ratios is printed and manufactured by a screen method, and an object thereof is to obtain an optimum composition for quantitative analysis of glucose by confirming each performance. In other words, it is intended to apply the working electrode having the optimum composition obtained in the biosensor system for measuring the amount of glucose extracted by the reverse osmosis pressure from the body fluid through the skin.
전극은 도 1에 나타나 있는 형태와 같으며, A는 추출전극,B는 작업전극, C는 기준전극, 그리고 D는 상대전극이다. A와 C는 은/염화은(Ag/AgCl) 혼합물이 유기용매에 분산되어 있는 잉크를 스크린 프린트 방법으로 인쇄한 것이며, 그 두께는 100μm 정도이며, B와 D는 적절한 비율로 혼합된 백금/탄소 혼합물이 유기 용매에 분산되어 있는 잉크를 스크린 인쇄법으로 그 두께가 100μm 정도가 되도록 프린트한 전극이다. 이들 전극은 유전체인 세라믹이나 폴리머 물질의 기판위에 인쇄되어, 용매를 모두 휘발시킬 수 있는 온도에서 열처리하여 제작한다.The electrode is as shown in Figure 1, where A is the extraction electrode, B is the working electrode, C is the reference electrode, and D is the counter electrode. A and C are screen prints of ink in which silver / silver chloride (Ag / AgCl) mixture is dispersed in an organic solvent. The thickness is about 100 μm, and B / D is a platinum / carbon mixture mixed in an appropriate ratio. It is an electrode which printed the ink disperse | distributed to this organic solvent so that the thickness might be about 100 micrometers by the screen printing method. These electrodes are printed on a substrate made of a ceramic or polymer material, which is a dielectric material, and manufactured by heat treatment at a temperature at which all the solvents can be volatilized.
백금과 탄소의 비율은 다음 표1과 같이 정하여 B와 D전극을 제작하였다.The ratio of platinum and carbon was determined as shown in Table 1 below to produce B and D electrodes.
이와같이 제작되는 작업전극이 글루코스 분석 바이오센서용 전극으로 사용되기 위해서는 전기화학적으로 제한된 특성이 요구된다.The working electrode manufactured as described above requires electrochemically limited properties to be used as an electrode for glucose analysis biosensors.
우선, 통상적인 3상전극계 일정전위 조건하에서, 하이드로겔이나 PBS 용액과 같은 매질이 전극위에 있을 때, 초기 구동시 포화되어 안정화되는 산화 전류값이 작을수록 바람직하다. 이는 피부 조직을 통해 추출된 글루코스 분자는 저농도로 검출되는 전기 신호가 작기 때문에 전류값을 바탕신호에서 효율적으로 구분하기 위해서는 안정화 전류값은 작을수록 바람직하다.First, under a conventional three-phase electrode system constant potential condition, when a medium such as a hydrogel or PBS solution is on the electrode, the smaller the oxidation current value that is saturated and stabilized during initial operation is preferable. This is because the glucose molecules extracted through the skin tissue have a low electric signal detected at low concentration, so that the stabilization current value is smaller in order to efficiently distinguish the current value from the background signal.
또한, 같은 농도의 글루코스 또는 과산화수소 양에 대해 상대적으로 높은 전류 신호를 발생시킬수록 좋은 전극이라고 할 수 있다. 이는 위에서 언급한 안정화값의 영향과 더불어 노이즈로부터 글루코스에 의한 전류 신호를 구분하는 것이 중요하기 때문이다.In addition, it is a good electrode to generate a relatively high current signal for the same concentration of glucose or hydrogen peroxide amount. This is because in addition to the influence of the stabilization values mentioned above, it is important to distinguish the current signal due to glucose from the noise.
마지막으로 같은 농도의 글루코스 또는 과산화수소 양에 대하여 작은 값의 노이즈를 가져야 한다. 통상 위와 같은 또는 유사한 전극 구조와 하이드로겔을 이용하여 경피 추출 글루코스에 의한 신호값은 대개 수 내지 수백 nA에 불과하므로, 수nA 크기의 노이즈도 결과 분석에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 노이즈의 크기 또는 신호 대 잡음비(SNR)가 클수록 좋은 전극이라고 할 수 있다. 신호 대 잡음비는 다음 (3)식과 같다.Finally, there should be a small amount of noise for the same concentration of glucose or hydrogen peroxide. Typically, the signal value of transdermal extracted glucose using the same or similar electrode structure and hydrogel is usually only a few to several hundred nA, so a few nA noise may seriously affect the result analysis. Therefore, the greater the magnitude of noise or the signal-to-noise ratio (SNR), the better the electrode. The signal-to-noise ratio is given by the following equation (3).
SNR = 10 X log10(S/N) (3)SNR = 10 X log 10 (S / N) (3)
여기서 S는 신호의 크기, N은 노이즈의 크기이다.Where S is the magnitude of the signal and N is the magnitude of noise.
〈실시예1〉<Example 1>
글루코스용 바이오센서에서 전극 조성비에 따른 글루코스 산화전류 성능 평가 도 1과 같은 구조를 갖는 전극위에 동일한 두께의 동일 배치 하이드로겔을 이용하여 평가 장치를 구성하였다. 하이드로겔은 HPMA와 DMA의 공중합체이며, 여기서 HPMA/DMA의 공중합비는 1~9였다. 작업전극의 형태는 특별히 원형으로 한정하지는 않으나, 이 실시예에서 사용한 작업전극은 10㎜의 직경을 가진다. 전기화학적 반응을 유도하고, 위의 반응을 통하여 발생한 전자의 흐름, 즉 전류를 측정하기 위하여 일정전위공급기(Potentiostat)를 사용하였다. 즉, 100μM의 글루코스가 (1), (2)의 반응을 통하여 GOD(Glucose Oxidase)와 반응하여 발생하는 과산화수소에 의한 전류변화를 통하여 글루코스 농도를 측정하였다.Evaluation of glucose oxidation current performance according to electrode composition ratio in the biosensor for glucose The evaluation device was configured by using the same batch hydrogel having the same thickness on the electrode having the structure as shown in FIG. 1. The hydrogel is a copolymer of HPMA and DMA, wherein the copolymerization ratio of HPMA / DMA was 1-9. The shape of the working electrode is not particularly limited to circular, but the working electrode used in this embodiment has a diameter of 10 mm. A potentiostat was used to induce an electrochemical reaction and to measure the flow of electrons, ie, the current generated through the above reaction. That is, the glucose concentration was measured by the current change by hydrogen peroxide generated by the reaction of 100 μM glucose with Glucose Oxidase (GOD) through the reaction of (1) and (2).
이때 안정화 전류값은 충분한 시간이 지난 후 안정된 후에 얻었으며, 그 값은 아래 표2 와 같다.At this time, the stabilization current value was obtained after stabilization after sufficient time, and the value is shown in Table 2 below.
음의 안정화전류가 충분히 안정된 후에 100μM 글루코스 용액 일정량을 하이 드로겔 위에 도포하였다. 이후에 하강한 후 다시 안정화값에 도달하였을 때, 안정화값 아래 곡선을 적분하여, 글루코스에 의한 전하량 생성량을 측정하였다. 이 전하생성량은 같은 전극에 대해서는 주입한 글루코스의 농도와 직선적인 함수관계가 있다.After the negative stabilization current was sufficiently stable, a certain amount of 100 μM glucose solution was applied onto the hydrogel. Then, when descending after reaching the stabilization value, the curve under the stabilization value was integrated to measure the amount of charge generated by glucose. This charge generation amount has a linear functional relationship with the concentration of glucose injected into the same electrode.
그 결과는 도 2에 나타내었다.The results are shown in FIG.
전류신호가 거의 안정화값에 도달하였을 때 모든 전극에서 노이즈 폭은 최대에 달하였고, 그 값은 아래 표3와 같다.When the current signal nearly reached the stabilization value, the noise width reached the maximum at all electrodes, and the values are shown in Table 3 below.
신호 대 잡음 비는 백금이 탄소에 비해 50%, 70%일때 가장 좋았으며 백금의 함량이 많아 질수록 증가하였다. 노이즈 폭과 신호 대 잡음 비를 고려할 때에 백금이 50% 내지 70% 의 함량일 때에 최적의 성능임을 알 수 있다.The signal-to-noise ratio was the best when platinum was 50% and 70% compared to carbon, and increased as the platinum content increased. Considering the noise width and the signal-to-noise ratio, it can be seen that the optimum performance is achieved when the platinum content is 50% to 70%.
본 발명의 전극을 기준전극, 작업전극, 상대전극을 포함하는 3전극계 글루코스 추출용 바이오센서에 적용시킬 경우 최적의 생체 혈당 농도 분석을 수행할 수 있다.When the electrode of the present invention is applied to a three-electrode glucose extracting biosensor including a reference electrode, a working electrode, and a counter electrode, an optimal biological blood glucose concentration analysis can be performed.
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