KR100903946B1 - 바이오센서 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 바이오센서는, 측정전극과 상기 측정전극 위에 시료 내에 존재하는 분석물질과 반응하는 반응층이 형성되는 하부기판과, 하부기판과 소정의 상부기판을 접착하며 시료가 하부기판의 반응층을 따라 측정전극의 위치까지 흡입되도록 유도하는 시료도입공간이 형성되는 스페이서와, 스페이서를 통해 하부기판과 마주보게 접착되는 상부기판을 포함하며, 상부기판 또는 하부기판의 적어도 일부분에 시료흐름방지부가 형성된 것을 특징으로 한다.

바이오센서, 하부기판, 상부기판, 스페이서, 시료흐름방지부

Description

바이오센서{Bio-sensor}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서의 분해사시도,

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오센서의 분해사시도,

도 3은 본 발명에 따른 바이오센서를 미터기에 장착한 실시예,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서의 하부기판 저면도이다.

<도면부호의 간단한 설명>

30 : 리드부

31 : 리드선 32 : 리드 단자

41 : 기준 전극 42 : 작동 전극

50 : 절연막 51 : 반응층

100 : 바이오센서

110 : 하부 기판

120: 스페이서

130 : 상부 기판

131 : 시료흐름방지부

본 발명은 바이오센서에 관한 것으로, 특히 시료(예컨대, 혈액이나 테스트 용액) 주입 시, 시료가 주입되어야 하는 부분(예:반응층) 이외의 부분으로 흐르는 것을 방지할 수 있는 기술에 관한 것이다.

바이오센서는 기판상에 스크린 인쇄 등의 방법으로 복수의 전극을 포함하는 전극계를 형성하고, 형성된 전극계상에 친수성 고분자와 산화환원효소 및 전자수용체로 이루어지는 반응층이 형성된 것이다. 이러한 바이오센서는 인체로부터 채취된 혈액샘플 내의 혈당이나 콜레스테롤 함유량을 측정하는데 사용되는 1회용 센서이다. 일반적으로, 전기화학적으로 시료 내의 분석물질을 측정하는 바이오센서는 측정 전극(Working electrode) 및 기준 전극(Reference electrode)을 구비한다. 일예로 산화환원효소(Oxidoreductase)와 전자전달매개물질을 이용한 전기화학적 센서의 측정 원리를 보면 아래의 반응식과 같다.

[반응식]

분석물질 + 효소(환원상태) + 전자전달매개물질(산화상태) ===> 반응결과물질 + 효소(산화상태) + 전자전달매개물질(환원상태)

이 반응식에서 시료 내의 분석물질과 반응하여 생성된 환원상태의 전자전달매개물질은 시료 내에 존재하는 분석물질의 농도에 비례한다.

한편, 휴대용 측정장치(이하, '미터기'라 함)는 바이오센서가 센서 삽입부에 장착되면 바이오센서의 기준 전극(Reference electrode)을 기준으로 측정 전극(Working electrode)에 일정한 전압을 인가하여 환원상태의 전자전달매개물질을 산화시키며 이때 발생하는 산화 전류의 양을 측정하여 시료 내의 분석물질을 정량할 수 있다.

그런데, 종래 바이오센서에 시료(예컨대, 혈액이나 테스트 용액) 주입 시, 시료가 주입되어야 하는 부분(예:반응층) 이외의 부분으로 흘러, 예컨대 미터기의 바이오센서 주입구가 시료로 인해 오염되는 문제점이 있었다. 나아가 이젝터가 없는 미터기의 경우 사용한 바이오센서를 사용자가 직접 제거해야 하는데, 이 경우 사용자의 손에 시료가 묻어나는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 바이오센서의 외부로 시료가 흐르는 것을 방지하는 바이오센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 바이오센서 외부로의 시료 흐름을 방지하면서 시료가 주입되어야 하는 부분(예:반응층)으로의 시료 흡입속도를 높일 수 있는 바이오센서를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 바이오센서는, 측정전극과 상기 측정전극 위에 시료 내에 존재하는 분석물질과 반응하는 반응층이 형성 되는 하부기판과, 하부기판과 소정의 상부기판을 접착하며 시료가 하부기판의 반응층을 따라 측정전극의 위치까지 흡입되도록 유도하는 시료도입공간이 형성되는 스페이서와, 스페이서를 통해 하부기판과 마주보게 접착되는 상부기판을 포함하며, 상부기판 또는 하부기판의 적어도 일부분에 시료흐름방지부가 형성된 것을 특징으로 한다.

이 같은 양상에 따라 본 발명의 바이오센서는 상부기판 또는 하부기판에 시료 주입 시, 시료가 주입되어야 하는 부분(예:반응층) 이외의 부분으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 바이오센서가 미터기에 삽입되는 경우, 미터기가 시료에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따른 바이오센서는, 상부기판에는 스페이서에 형성되는 시료도입공간을 통해 시료와 함께 흡입된 공기를 배출하는 공기배출공간이 더 형성되며, 공기배출공간은 시료흐름방지부와 일정 거리만큼 이격되도록 형성된 것을 특징으로 한다.

이 같은 양상에 따라 본 발명의 바이오센서는 시료 주입 시 외부로의 시료 흐름을 방지하면서 시료가 주입되어야 하는 부분(예:반응층)으로의 시료 흡입속도를 높일 수 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서의 분해사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오센서(100)는 크게 하부기판(110), 스페이서(120) 및 상부기판(130)을 포함한다.

상부기판(130)은 스페이서(120)를 통해 하부기판(110)과 마주보게 접착된다. 도1에 도시한 바와 같이, 상부기판(130)에는 상부기판(130)의 외면에 바이오센서의 폭 방향을 가로질러 시료흐름방지부(131)가 형성된다. 시료흐름방지부(131)는 친수성(Hydrophilic) 있는 시료의 진로를 방해할 수 있는 소수성(Hydrophobic) 물질을 포함한다. 이에 바이오센서에 시료 주입 시, 상부기판(130)을 따라 시료가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 시료흐름방지부(131)는 전도성이 없는 접착물질로 상부기판(130)에 스크린 프린팅 방식으로 형성될 수 있다. 시료흐름방지부(131)는 상부기판(130) 전체에 형성되도록 구현될 수 있고, 일부분에 형성되도록 구현될 수 있다. 또한 도 1에 의하면 본 발명의 일 실시예에 따라 상부기판(130)의 외면에 시료흐름방지부(131)가 위치할 수 있으나, 다른 실시예에 따라 후술할 하부기판(110)의 외면에 시료흐름방지부(131)가 위치할 수 있다.

하부기판(110)은 50~400um의 두께를 가지는 물질이 사용될 수 있다. 하부기판(110)은 일측 끝단에 리드 단자(32)와 각각의 리드 단자(32)로부터 뻗어 있는 리드선(31)을 포함하는 리드부(30)가 형성된다. 또한, 하부기판(110)은 리드선(31)과 연결되는 전극들(41,42)이 형성된다. 일례로, 전극들(41,42)은 탄소, 흑연, 백금 처리된 탄소, 은, 금, 팔라듐 또는 백금 성분 등을 이용하여 제작될 수 있다. 예를 들면, 탄소나 백금 처리된 탄소로 구성된 잉크, 또는 팔라듐을 포함하는 잉크를 사용하여 하부 기판(110)에 전극을 인쇄할 수 있다. 참조번호 50은 전극들(41,42)의 전기적 절연을 위한 절연막이다.

반응층(51)은 시료가 흡입되어 반응을 일으키기 위한 층으로, 시료 내의 분석물질과 반응하는 효소와, 효소와 반응하는 전자전달매개물질, 그리고 완충용액 물질, 효소 안정제, 기타 이러한 구성 물질들을 전극 위에 고정하는 고분자 지지체로 구성된다. 반응층(51)은 전극들(41,42) 위에 도포되어 고정된다.

여기서, 효소로는 글루코스 산화효소, 락테이트 산화효소, 콜레스테롤 산화효소, 알코올 산화효소 등 여러 종류의 산화환원효소와, 글루코스 탈수소효소, GOT(glutamate oxaloacPETate trnasmianse), GPT(glutamate pyruvate trnasmianse)등 여러 종류의 전이효소와 가수분해효소가 사용될 수 있다. 또한, 전자전달매개물질로는 예컨대, 헥사아민루세늄클로라이드(hexaamineruthenium chloride), 페로센(ferrocene) 및 그 유도체, 퀴논(quinine) 및 그 유도체 등 효소와 반응하여 산화 또는 환원 할 수 있는 물질들이 사용될 수 있다.

반응층(51)에 분석물질을 포함한 시료가 주입되면, 시료에 의해 반응층(51)이 용해되며 시료 내에 포함된 분석물질과 효소(Enzyme)가 반응하여 분석물질이 산화되고, 이에 따라 전자수용체가 환원된다. 효소반응 종료 후 이 환원된 전자수용체를 전기화학적으로 산화하여 얻어지는 산화 전류치를 전극(41,42)과 연결된 리드선(32)에 접촉되는 미터기(도면 도시 생략)를 통해 측정함으로써 시료 중에 포함된 분석물질의 농도를 구할 수 있다.

스페이서(120)는 상부기판(130)과 하부기판(110)을 접착하여 형성되는 시료 도입공간(121)을 통해 모세관을 형성한다. 스페이서(120)의 두께는 반응층(51)의 두께보다 적어도 같거나 두꺼워야 한다. 그 이유는 시료가 반응층(51)에 시료 주입을 보다 용이하도록 하기 위함이다. 즉, 스페이서(120)의 두께가 반응층(51)의 두께보다 클 경우 그 여유 공간으로 시료 주입이 용이해진다. 스페이서(120)는 양면테이프로 구성되며 10~300um의 두께를 가지는 양면테이프를 사용할 수 있다. 특히, 주입되는 시료의 양을 최소로 하기 위하여 양면테이프의 두께를 10~150um로 하는 것이 바람직하다. 스페이서(120)에 형성되는 시료주입공간(121)은 공기배출공간(132)과 만나는 끝부분에서의 피 퍼짐을 방지하기 위해, 도1에 도시한 바와 같이 그 끝부분 모양을 점차 좁아지도록 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 부가적인 특징적인 양상에 따라 상부기판(130)에는 스페이서(120)에 형성되는 시료도입공간(121)을 통해 시료와 함께 흡입된 공기를 배출하는 공기배출공간(132)과 투명창(134)이 더 형성된다. 공기배출공간(132)은 시료흐름방지부(131)와 일정 거리만큼 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다. 투명창(134)은 모세관 현상에 의해 시료(예 :혈액)가 효소반응층(51)에 주입되는 것을 사용자가 확인할 수 있도록 효소반응층(51)과 대응되는 상부기판(130) 일부분에 형성되는 것이 바람직하다.

이 같은 실시예에 따라, 시료도입공간(121)을 통해 측정하고자 하는 시료가 모세관 현상으로 자동 주입되며, 시료도입공간(121)에 존재하던 공기는 시료의 유입으로 인해 상부기판(130)에 형성된 공기배출공간(132)을 통해 외부로 배출된다. 이에 본 발명의 바이오센서(100)는 바이오센서 외부로의 시료 흐름을 방지하면서 시료가 주입되어야 하는 부분 예컨대, 반응층(51)으로의 시료 흡입속도를 높일 수 있는 것이다. 또한, 공기배출공간(132)은 시료흐름방지부(131)와 일정 거리만큼 이격되도록 형성됨으로써, 공기배출공간(132)으로 시료가 주입되는 것을 차단할 수 있다.

한편, 상부기판(130)에는 시료 주입을 용이하게 하기 위해 상부기판(130)의 시료주입구 초입 위치에 시료 주입홈(133)을 더 구비할 수 도 있다. 이 경우 시료 주입홈(133)에 의해 반응층(51)이 오염될 가능성도 있으나, 시료 주입홈(133)의 크기를 매우 작게 하면 오염 정도를 최소화할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오센서의 분해사시도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오센서(200)는 크게 하부기판(210), 스페이서(220) 및 상부기판(230)을 포함한다. 여기서, 도2에 도시한 하부기판(210)의 구조는 도1과 동일하다.

스페이서(220)는 상부기판(230)과 하부기판(210)을 접착하여 형성되는 시료도입공간(221)을 통해 모세관을 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같이 시료주입공간(221)은 공기배출공간(232)과 만나는 끝부분에서의 피 퍼짐을 방지하기 위하여 시료주입공간(221)의 끝부분을 점차 좁아지도록 형성하는 것이 바람직하다.

상부기판(230)은 스페이서(220)를 통해 하부기판(210)과 마주보게 접착된다. 도2에 도시한 바와 같이, 상부기판(230)의 외면에 바이오센서의 폭 방향을 가로질러 시료흐름방지부(231)가 형성된다. 시료흐름방지부(231)는 친수성(Hydrophilic) 있는 시료의 진로를 방해할 수 있는 소수성(Hydrophobic) 물질을 포함한다. 이에 바이오센서에 시료 주입 시, 상부기판(230)을 따라 시료가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 시료흐름방지부(231)는 전도성이 없는 접착물질로 상부기판(230)에 스크린 프린팅 방식으로 형성될 수 있다.
또한 도 2에 의하면 본 발명의 일 실시예에 따라 상부기판(230)의 외면에 시료흐름방지부(231)가 위치할 수 있으나, 다른 실시예에 따라 후술할 하부기판(210)의 외면에 시료흐름방지부(231)가 위치할 수 있다.

상부기판(230)에는 시료도입공간(221)를 통해 시료가 주입됨에 따라 공기가 배출되는 공기배출공간(232)이 시료주입방향과 수직한 방향의 터널 형태로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 모세관 현상(capillary action)에 의한 피 퍼짐 현상 방지와 공기 배출속도를 높여 시료흡입속도를 향상하는 한편, 바이오센서 제작과정에서 공기배출공간의 모양(forming)을 제대로 형성하면서 공기배출공간을 형성한 후에도 눌리거나 모양이 틀어지지 않도록 공기배출공간(232)의 폭(Width)과 높이(Height)를 구현해야 한다.

따라서, 실험적으로 얻어진 결과에 따르면 본 발명에 따른 바이오센서에 있어서, 공기배출공간(232)의 단면은 약 0.3mm ~ 3mm 내외의 폭과, 약 0.1mm ~ 3mm 내외의 높이를 가지는 것이 바람직하다. 이때 시료도입공간을 통해 주입되는 시료는 약 1㎕이하인 것이 특히 바람직하다.

한편, 상부기판(230)에는 시료 주입을 용이하게 하기 위해 상부기판(230)의 시료주입구 초입 위치에 시료 주입홈(233)과 투명창(234)을 더 구비할 수 도 있다. 이 경우 시료 주입홈(233)에 의해 반응층(51)이 오염될 가능성도 있으나, 시료 주입홈(233)의 크기를 매우 작게 하면 오염 정도를 최소화할 수 있다. 투명창(234)은 모세관 현상에 의해 시료(예 :혈액)가 효소반응층(51)에 주입되는 것을 사용자가 확인할 수 있도록 효소반응층(51)과 대응되는 상부기판(230) 일부분에 형성되는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명에 따른 바이오센서를 미터기에 장착한 실시예이다. 도시한 바와 같이, 미터기(300)에 본 발명에 따른 바이오센서(100)를 장착한 경우, 바이오센서(100)에 주입된 시료가 적어도 점선(A) 이하로 흐르지 않도록 할 수 있다. 이에 미터기(300)가 시료에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다. 나아가 이젝터가 없는 미터기(300)의 경우 사용한 바이오센서를 사용자가 직접 제거해야 하는데, 이 경우 사용자의 손에 시료가 묻어나는 문제를 해소할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오센서의 하부기판 저면도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오센서의 하부 기판(400)에는 시료흐름방지부(410)와 바이오센서의 식별정보를 기록한 식별정보 기록수단(420)이 형성될 수 있다. 바람직하게, 식별정보 기록수단(320)은 시료흐름방지부(410)와 일정 거리만큼 이격되도록 형성된다.

여기서, 식별정보는 바이오 센서의 제조사(Mamufacturer), 측정 결과 보정을 위한 보정코드, 고유번호(Serial Number) 등 필요에 따라 사용자에 의해 참조되는 바이오 센서에 대한 상세정보를 의미한다. 상기 측정 결과 보정을 위한 보정코드는 제조된 각 바이오 센서를 동일한 조건에서 성능 테스트할 경우 그 테스트 결과가 각각 상이하므로, 이를 측정장치에서 보정하기 위해 참조되는 코드값이다.

바이오센서의 식별정보는 다음과 같은 여러가지 방식으로 기록할 수 있도록 구현 가능하다. 첫번째는 색 태그에 포함된 색(Color)에 의해 바이오센서의 식별정보를 기록하도록 구현할 수 있다. 예컨대, 색 태그에 포함된 색(Color)이 빨강(Red)일 경우에는 A사의 혈당 측정용 바이오 센서임을, 노랑(Yellow)일 경우에는 B사의 혈색소 측정용 바이오 센서임을 표시하도록 구현함으로써 색 태그에 포함된 색(Color)에 의해 바이오센서의 식별정보를 기록하고, 이를 판독할 수 있다.

두번째는 상기 색 태그에 포함된 색(Color)의 채도(Chroma)에 의해 바이오 센서의 식별정보를 기록하도록 구현할 수 있다. 예컨대, 색 태그에 포함된 색(Color)이 빨강(Red)이고, 채도(Chroma)가 특정 기준치 이상일 경우에는 A사의 혈당측정용 바이오 센서임을, 채도(Chroma)가 특정 기준치 미만일 경우에는 A사의 혈색소 측정용 바이오 센서임을 표시하고, 색 태그에 포함된 색(Color)이 노랑(Yellow)이고, 채도(Chroma)가 특정 기준치 이상일 경우에는 B사의 혈당 측정용 바이오 센서임을, 채도(Chroma)가 특정 기준치 미만일 경우에는 B사의 혈색소 측정용 바이오센서임을 표시하도록 구현함으로써 색 태그에 포함된 색(Color)의 채도(Chroma)에 의해 바이오 센서의 식별정보를 기록하고, 이를 판독할 수 있다.

세번째는 색 태그에 포함된 상이한 색(Color)들의 배열 패턴에 의해 바이오 센서의 식별정보를 기록하도록 구현할 수 있다. 예컨대, 색 태그 영역을 제 1 영역과 제 2 영역으로 분리하여 구현하고, 제 1 영역의 색이 빨강(Red)일 경우에는 A사에서 제조한 바이오 센서임을, 노랑(Yellow)일 경우에는 B사에서 제조한 바이오 센서임을 표시하고, 제 2 영역의 색이 빨강(Red)일 경우에는 혈당 측정용 바이오 센서임을, 노랑(Yellow)일 경우에는 혈색소 측정용 바이오 센서임을 표시하도록 구현함으로써 색 태그에 포함된 상이한 색(Color)들의 배열에 의해 바이오 센서의 식별정보를 기록하고, 이를 판독할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바이오센서는 상부기판 또는 하부기판에 시료 주입 시, 시료가 주입되어야 하는 부분(예:반응층) 이외의 부분으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 바이오센서가 미터기에 삽입되더라도 미터가 시료에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있는 유용한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 바이오센서는 시료주입방향과 되도록이면 수직한 방향으로 상부기판에 입체모양의 공기배출공간을 형성함으로써, 시료 흡입시 공기가 외부로 매우 효과적으로 배출됨으로써 시료흡입속도를 향상시킬 수 있는 유용한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 바이오센서는 혈액흐름방지부 도입을 통해, 식별정보 기록수단이 오염되어 식별정보 기록수단 리드시 오류가 발생하는 것을 미연에 차단할 수 있는 유용한 효과가 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다라는 것은 명백하다. 따라서, 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 시료 내에 존재하는 분석물질을 측정하는 바이오센서(Biosensor)에 있어서,

   측정전극과, 상기 측정전극 위에 시료 내에 존재하는 분석물질과 반응하는 반응층이 형성되는 하부기판;

   상기 하부기판과 소정의 상부기판을 접착하며 시료가 상기 하부기판의 반응층을 따라 상기 측정전극의 위치까지 흡입되도록 유도하는 시료도입공간이 형성되는 스페이서; 및

   상기 스페이서를 통해 상기 하부기판과 마주보게 접착되는 상부기판을 포함하며,

   상기 상부기판 또는 하부기판의 외면에 상기 바이오센서의 폭 방향을 가로질러 시료흐름방지부가 형성된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 시료흐름방지부가 소수성(Hydrophobic) 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 소수성(Hydrophobic) 물질이 스크린 프린팅 방식으로 형성된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 상부기판에는 상기 스페이서에 형성되는 시료도입공간을 통해 상기 시료와 함께 흡입된 공기를 배출하는 공기배출공간이 더 형성되며,

   상기 공기배출공간은 상기 시료흐름방지부와 일정 거리만큼 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 상부기판 또는 하부기판에는 바이오센서의 식별정보를 기록한 식별정보 기록수단이 더 형성되며,

   상기 식별정보 기록수단은 상기 시료흐름방지부와 일정 거리만큼 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 식별정보 기록수단이 :

   색(Color)에 의해 바이오센서의 제조사(Mamufacturer), 측정 결과 보정을 위한 보정코드 정보 중 적어도 하나 이상을 포함하는 식별정보를 기록하는 색 태그(Color Tag)인 것을 특징으로 하는 바이오센서.

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