KR100879797B1 - 바이오 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로서, 특히 전기절연성의 기판과, 상기 기판상에 형성되며 외부로부터 유입된 시료로부터 생성된 전기적 신호를 검출하기 위한 전극부와, 상기 전극부상에 형성되며 상기 시료와 전기화학적 반응을 일으키는 물질을 포함하는 효소 반응층과, 상기 시료를 상기 효소 반응층으로 유입시키기 위한 유입구를 가지는 스페이서와, 상기 스페이서의 상부에 배치되는 덮개부를 포함하는 바이오 센서에 있어서, 상기 시료의 유동 방향을 따라 상기 전극부의 하류에 위치하며, 상기 전극부보다 높게 형성된 내벽; 및 상기 시료의 유동 방향을 따라 상기 내벽의 하류에 위치하며, 상기 유입구, 상기 기판 및 상기 덮개부에 의해 구획되는 시료유입공간 내의 공기를 배출하기 위한 공기 배출구를 포함하는 것을 특징으로 바이오 센서에 관한 것이다.

Description

바이오 센서{Biosensor}
본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로, 특히 유입되는 시료 중에 포함된 포도당을 정량화하기 위한 바이오 센서에 관한 것이다.
최근 당뇨병을 진단하고 예방하는데 있어서 혈액 내의 포도당(혈당)의 양을 주기적으로 측정해야 할 필요성이 증대되고 있다. 이러한 혈당 측정은 혈당측정 장치를 이용하여 손쉽게 측정할 수 있다. 혈당측정장치는, 스트립 형태의 바이오 센서를 이용하여 환자로부터 시료를 채취하고, 채취된 시료와 바이오 센서 내의 화학 물질과의 전기화학적 반응을 통해 생성되는 전기적 신호를 이용하여 혈당값을 측정하게 된다. 상기 바이오 센서 및 바이오 센서를 이용한 혈당측정장치의 동작 원리 및 구조 등은 매우 다양하게 개발되고 있다.
바이오 센서는 통상적으로, 전기절연성의 기판상에 스크린 인쇄 등의 방법으로 복수의 전극을 포함하는 전극부를 형성하고, 그 전극부의 상부에 친수성 고분자, 산화환원효소 및 전자수용체를 포함하는 효소 반응층을 형성한다. 이러한 바이오센서의 시료 주입구를 통해 효소 반응층에 기질(포도당(glucose))을 포함한 시료를 주입하면, 시료의 기질과 효소 반응층의 효소(enzyme)가 반응하여 기질이 산 화되고, 이에 따라 전자수용체가 환원된다. 이 환원된 전자수용체를 전기화학적으로 산화하여 얻어지는 산화전류를 혈당측정장치를 통해 측정함으로써 시료 중에 포함된 기질의 농도를 구할 수 있게 된다. 이 과정에서 시료가 효소 반응층에 얼마나 빠르고 정확하게 흡입되느냐에 따라 바이오 센서의 측정 시간과 측정 정확도가 좌우되며, 시료의 효소 반응층에 대한 흡입 속도는 효소 반응층의 공기가 얼마나 빠른 시간 내에 외부로 배출되느냐에 따라 좌우된다.
도 1은 종래의 바이오 센서의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 1에 도시된 바이오 센서는, 한국특허출원 제2002-27971호(2002.5.20 출원)에 개시된 것으로서, 스페이서(60)와 커버(70)에 의해 형성되는 시료주입공간(62) 내의 공기를 배출시키기 위한 슬릿(71)이 커버(70)에 형성되어 있고, 상기 슬릿(71)을 통해 공기가 외부로 배출된다. 도 1에 있어서, 참조번호 20은 기판, 30은 리드부, 31은 리드단자, 32는 리드선, 40은 전극계, 41,42,43은 전극, 50은 절연층, 61은 시료유입홈, 72는 만곡홈이다. 상기 바이오 센서의 경우, 시료주입공간(62)에 유입되는 시료가 상기 슬릿(71)을 통해 공기와 함께 외부로 배출될 수 있으므로, 혈당 측정에 필요한 시료의 양을 일정하게 유지할 수 없고 그러한 시료의 양의 변화에 따라 측정값에 오차가 발생하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 시료의 유동 방향을 따라 전극부의 하류에 내벽을 형성하고, 상기 내벽의 하류에 공기 배출구를 형성함으로써, 시료 내의 혈당 측정을 위해 필요한 시료의 양을 일정하게 유지하여 그 양의 변화에 따라 발생할 수 있는 측정값의 오차를 제거하고, 시료의 흡입속도를 향상시키도록 구조가 개선된 바이오 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바이오 센서는, 전기절연성의 기판과, 상기 기판상에 형성되며 외부로부터 유입된 시료로부터 생성된 전기적 신호를 검출하기 위한 전극부와, 상기 전극부상에 형성되며 상기 시료와 전기화학적 반응을 일으키는 물질을 포함하는 효소 반응층과, 상기 시료를 상기 효소 반응층으로 유입시키기 위한 유입구를 가지는 스페이서와, 상기 스페이서의 상부에 배치되는 덮개부를 포함하는 바이오 센서에 있어서, 상기 시료의 유동 방향을 따라 상기 전극부의 하류에 위치하며, 상기 전극부보다 높게 형성된 내벽; 및 상기 시료의 유동 방향을 따라 상기 내벽의 하류에 위치하며, 상기 유입구, 상기 기판 및 상기 덮개부에 의해 구획되는 시료유입공간 내의 공기를 배출하기 위한 공기 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 바이오 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 전극부는 상기 기판으로부터 15 ㎛ 내지 20 ㎛의 높이로 형성되며, 상기 내벽은 상기 기판으로부 터 25 ㎛ 내지 30 ㎛의 높이로 형성된다.
본 발명에 따른 바이오 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 공기 배출구는 상기 기판을 관통하도록 형성된다.
본 발명에 따른 바이오 센서에 있어서, 바람직하게는, 상기 공기 배출구는 상기 시료의 유입 방향을 따라 상기 유입구와 동일선상에 배치된다.
본 발명의 바이오 센서는, 시료의 유입 방향을 따라 공기 배출구의 상류측에 내벽을 형성하여 상기 공기 배출구를 통한 시료의 누출을 차단함으로써, 시료의 유입시 효소 반응층과 반응하는 시료의 양을 일정하게 유지하여 혈당 측정의 정확성을 향상시키고, 더불어 시료의 유입속도를 향상시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 바이오 센서의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 바이오 센서의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오 센서(100)는, 내부로 유입된 시료의 양을 일정하게 유지하기 위한 것으로서, 기판(110)과, 전극부(120)와, 리드 단자부(130)와, 절연층(140)과, 효소 반응층(150)과, 스페이서(160)와, 덮개부(170)와, 내벽(180)과, 공기 배출구(112)를 포함한다.
상기 기판(110)은 그 상면에 전극부(120), 리드 단자부(130) 및 내벽(180)을 형성하기 위한 베이스로서, 전기절연성을 가지는 고분자 수지 재질을 이용하여 형성된다. 상기 비전도성 재질을 갖는 고분자 수지로는 폴리에스테르(polyester), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 등의 고분자 화합물을 사용할 수 있다.
상기 전극부(120)는 작업 전극(122), 제1기준 전극(121) 및 제2기준 전극(123)을 포함하며, 상기 기판(110)상에 스크린 프린트 등의 방법으로 형성된다. 상기 전극부(120)는 후술할 효소 반응층(150)과 시료의 효소 반응에 의해 발생되는 전기적 신호를 검출한다. 상기 전극부(120)를 구성하는 작업 전극(122)과 2개의 기준 전극(121)(123)은 서로 전기적 저항, 면적이 동일하여야 한다. 또한, 제1기준 전극(121)과 작업 전극(122) 사이의 이격 거리 및 제2기준 전극(123)과 작업 전극(122) 사이의 이격 거리는, 작업 전극(122)을 중심으로 동일하도록 형성된다. 이는 동일한 전기화학적 조건 하에서, 상기 제1,2기준전극(121)(123)과 인접하는 작업 전극(122) 사이의 전류량을 효과적으로 검출하기 위함이다. 상기 전극(121)(122)(123)들은 효소 반응층(150)에서 발생되는 산화환원 반응에 의해 생성되는 전류량을 검출하는 역할을 수행한다. 상기 전극부(120)는 상기 기판(110)으로부터 약 15 ㎛ 내지 약 20 ㎛의 높이로 형성된다.
상기 리드 단자부(130)는 상기 작업 전극(122)과 전기적으로 연결된 작업 전극 리드 단자(132), 상기 제1기준 전극(121)과 전기적으로 연결된 제1기준 전극 리 드 단자(131) 및 상기 제2기준 전극(123)과 전기적으로 연결된 제2기준 전극 리드 단자(133)를 포함하며, 상기 전극부(120)와 마찬가지로 기판(110)상에 스크린 프린트 등의 방법으로 형성된다. 상기 리드 단자부(130)는 상기 기판(110)의 상면에서 상기 전극부(120)가 배치된 부분의 반대측에 배치되며, 각 리드 단자(131)(132) (133)는 혈당측정장치와 전기적으로 연결된다.
상기 절연층(140)은 상기 전극부(120)와 리드 단자부(130)의 상부에 형성되는 층으로서, 서로 이웃한 각 전극(121)(122)(123)들 및 리드 단자(131)(132)(133)들을 절연시킨다. 상기 절연층(140)에 사용되는 절연 물질로는 비전도성 반죽 또는 절연용 반죽 등이 바람직하며, 상기 절연 물질들을 스크린 프린트와 같은 방법을 이용하여 프린팅함으로써 절연층(140)이 형성된다. 상기 절연층(140)에는 상기 전극부(120)의 상측에 배치되도록 형성된 노출홈(142)을 포함한다. 이러한 노출홈(142)은 상기 전극부(120)의 일정 부분만을 노출시킴으로써, 상기 효소 반응층(150)과 유입된 시료가 효소 반응하여 산화 전류를 발생할 때 전극부(120)상의 일정 면적에서만 반응이 일어나도록 하는 기능을 한다.
상기 효소 반응층(150)은 상기 절연층(140)의 노출홈(142)에 의해 노출된 전극부(120)의 상면에 형성되며, 상기 시료와 전기화학적 반응을 일으킨다. 상기 효소 반응층(150)은 검출하고자 하는 대상물질에 반응하는 효소를 포함하는데, 예컨대, 상기 바이오 센서(100)가 혈당 측정용이라면, 상기 효소 반응층(150)은 포도당 산화효소(glucose oxidase) 및 전자전달을 매개하는 전자전달 매개체를 포함한다. 상기 효소반응층(150)은, 전해질 용액 내에 수용성 고분자, 상기 포도당 산화효소, 안정화제, 전자전달 매개체 등이 일정 비율로 혼합하여 제조된 용액을, 상기 노출홈(142)에 의해 노출된 전극부(120)의 상면에 일정량 도포한 후 건조함으로써 형성될 수 있다. 상기 효소 반응층(150)에 포함되는 상기 전자전달 매개체로는 종래에 널리 사용되어 온 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinone), 퀴논 유도체 등이며, 바람직하게는 헥사아민루테늄(Ⅲ)클로라이드(hexaammineruthenium(Ⅲ) chloride), 포타슘페리시아나이드(potassium ferricyanide) 등의 화합물이 사용될 수 있다.
상기 스페이서(160)는 시료를 상기 효소 반응층(150)으로 유입시키기 위한 유입구(162)를 포함하며, 상기 절연층(140)의 상부에 배치된다. 상기 유입구(162)는 그 내면이 효소 반응층(150)을 둘러싸도록 형성되어, 유입구(162)의 내부로 유입된 혈액이 효소 반응층(150)과 잘 반응될 수 있도록 혈액의 흐름을 유도한다. 상기 스페이서(160)는 효소 반응층(150)보다 두껍게 제조된다. 이는 스페이서(160)와 후술할 덮개부(170)가 접착된 후 덮개부(170)와 효소 반응층(150) 사이로 시료의 유입을 용이하게 하기 위해, 덮개부(170)와 효소 반응층(150) 사이에 시료가 유입될 수 있는 공간을 형성하기 위함이다.
상기 덮개부(170)는 이물질이 유입되는 것을 방지하고 스페이서(160)의 유입구(162)의 상부를 밀폐하도록 스페이서(160)의 상측에 배치된다. 상기 기판(110), 유입구(162) 및 덮개부(170)에 의해 시료유입공간(164)이 형성되는데, 그 시료유입공간(164)은 유입구(162)를 통해 그 전단부만이 외부에 개방되고, 상부, 하부, 측부 및 후단부는 기판(110), 스페이서(160), 덮개부(170)에 의해 밀폐된다. 상기 덮개부(170)는 상기 기판(110) 및 스페이서(160)와 동일한 재료로 제조될 수 있으며, 상기 덮개부(170)와 스페이서(160)를 접착하기 위한 접착제로는 시료가 스며드는 것을 방지하기 위한 소수성 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 내벽(180)은 상기 시료의 유동 방향을 따라 시료가 흘러서 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 일종의 댐(dam) 역할을 하는 것으로서, 시료의 유동 방향을 따라 전극부(120)의 하류에, 전극부(120)보다 높게 형성된다. 상기 내벽(180)에 의해 상기 시료유입공간(164) 내로 유입된 시료는 그 시료의 유동 방향을 따라 흐르는 것이 차단되고 시료유입공간(164) 내에 축적되므로, 시료의 유동 방향을 따라 내벽(180)의 하류에 위치하는 공기 배출구(112)를 통해 시료가 외부로 누출되는 것이 방지된다. 상기 내벽(180) 역시 전극부(120) 및 리드 단자부(130)와 마찬가지로 상기 기판(110)상에 스크린 프린트 등의 방법으로 형성되며, 상기 내벽(180)은 기판(110)으로부터 약 25 ㎛ 내지 약 30 ㎛의 높이로 형성된다.
상기 공기 배출구(112)는 상기 시료의 유동 방향을 따라 상기 내벽(180)의 하류에 형성된다. 상기 공기 배출구(112)는 시료유입공간(164)과 연통되며, 시료의 유동 방향을 따라 흘러 들어오는 시료에 의해 시료유입공간(164)의 내측으로 점점 밀려 들어가는 공기를 외부로 배출시켜 시료의 유입을 보다 원활하게 하고, 유입 속도 또한 높일 수 있다. 본 실시예의 공기 배출구(112)는 약 0.3 ㎜ 내지 약 1 ㎜ 직경으로 기판(110)의 상면부터 하면까지를 관통하는 관통공의 형태로 형성된다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예의 바이오 센서의 작동원리를, 도 2 및 도 3을 참조하면서 설명하기로 한다.
상기 바이오 센서(100)를 이용하여 혈액 내의 혈당을 측정하는 일반적인 원리는 다음과 같다. 외부로부터 유입된 혈액이 효소 반응층(150)과 접촉하게 되면 혈액 중의 포도당은 포도당 산화효소에 의해 산화되고, 포도당 산화효소는 환원된다. 이후, 환원된 포도당 산화효소는 전자전달 매개체와의 산화환원 반응을 통하여 다시 산화되고, 전자전달 매개체는 환원된다. 이와 같이 환원된 전자전달 매개체는 전극부(120) 표면까지 확산되는데, 이때 환원된 전자전달 매개체에 산화 전위를 인가하게 되면 전자전달 매개체가 산화되면서 전류가 발생한다. 혈액 내 포도당은 상기와 같이 산화 전위의 인가를 통해 전자전달 매개체가 산화되는 과정에서 발생되는 전류량에 비례하므로, 상기 전류량을 측정함으로써 혈액 내의 포도당을 측정할 수 있다.
한편, 상기 유입구(162)를 통해 외부로부터 유입된 혈액은, 전극부(120)보다 높게 형성된 내벽(180)에 의해 그 흐름이 차단되어 시료유입공간(164) 내에 축적되게 된다. 상기 내벽(180)에 의해 시료유입공간(164)으로 유입된 혈액이 외부로 누출되지 않게 되고, 혈당 측정에 필요한 혈액의 양을 반복되는 측정횟수에 관계없이 일정하게 유지할 수 있게 된다. 혈액의 유입으로 인해 효소 반응층(150) 주변에 존재하던 공기는 점점 시료의 유동 방향을 따라 하류측으로 밀리게 되고, 내벽(180)의 하류측에 형성된 공기 배출구(112)를 통해 외부로 배출된다. 혈액은 내벽(180)에 의해 차단되고, 상기 공기 배출구(112)를 통해서 혈액 누출은 없고 오직 공기만이 외부로 배출된다.
상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 바이오 센서는, 전극부보다 높게 형성된 내벽에 의해 시료가 유동 방향을 따라 외부로 누출되는 것이 방지되므로, 반복되는 측정 횟수에 관계없이 효소 반응층과 반응되는 시료의 양을 항상 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 시료의 양의 변화에 따라 발생할 수 있는 혈당의 측정오차를 제거하여 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 공기 배출구의 상류에 형성된 내벽으로 인해 시료가 외부로 누출되는 것이 차단되므로, 누출된 시료로 인해 오염을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이상 바람직한 실시예들 및 변형례에 대해 설명하였으나, 본 발명에 따른 바이오 센서는 상술한 예들에 한정되는 것은 아니며, 그 예들의 변형이나 조합에 의해, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 바이오 센서가 구체화될 수 있다.
도 1은 종래의 바이오 센서의 일례를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 분해 사시도.
도 3은 도 2의 바이오 센서의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 바이오 센서 110 : 기판
112 : 공기 배출구 120 : 전극부
130 : 리드 단자부 140 : 절연층
150 : 효소 반응층 160 : 스페이서
170 : 덮개부 180 : 내벽

Claims (4)

  1. 전기절연성의 기판과, 상기 기판상에 형성되며 외부로부터 유입된 시료로부터 생성된 전기적 신호를 검출하기 위한 전극부와, 상기 전극부상에 형성되며 상기 시료와 전기화학적 반응을 일으키는 물질을 포함하는 효소 반응층과, 상기 시료를 상기 효소 반응층으로 유입시키기 위한 유입구를 가지는 스페이서와, 상기 스페이서의 상부에 배치되는 덮개부를 포함하는 바이오 센서에 있어서,
    상기 시료의 유동 방향을 따라 상기 전극부의 하류에 위치하며, 상기 전극부보다 높게 형성된 내벽; 및
    상기 시료의 유동 방향을 따라 상기 내벽의 하류에 위치하며, 상기 유입구, 상기 기판 및 상기 덮개부에 의해 구획되는 시료유입공간 내의 공기를 배출하기 위한 공기 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 기판으로부터 15 ㎛ 내지 20 ㎛의 높이로 형성되며,
    상기 내벽은 상기 기판으로부터 25 ㎛ 내지 30 ㎛의 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기 배출구는 상기 기판을 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 바 이오 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공기 배출구는 상기 시료의 유동 방향을 따라 상기 유입구와 동일선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
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