KR101109857B1 - 더블 펄스 방식을 이용한 바이오센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기화학적으로 분석물의 존재 및 농도를 정량 분석하기 위한 바이오센서에 관한 것으로, 기존의 포도당 측정법보다 직선성이 더 우수한 검정곡선을 가지는 분석법 및 일회용 측정센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 바이오센서는 작업 전극에 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍을 도입하여 일회용 센서에 두 번의 일정전위 신호를 인가함으로써 얻어지는 전류신호를 통하여 두 개의 검정곡선을 얻고 이들을 수학적 연산을 이용해 보정하여 정확한 분석물의 농도를 산출할 수 있는 새로운 검정곡선을 가지는 것을 특징으로 하는 바이오센서에 대한 것이다.
본 발명의 바이오센서는 일회용으로 사용되는 작업 전극에 두 번의 인가전위를 가하여 얻어지는 전류신호를 통해 기존의 한 개의 전자전달 산화-환원쌍을 사용하는 일회용 센서에서 가지는 낮은 정확도의 문제점을 획기적으로 개선하였다.
Figure 112009059681383-pat00001
전기화학적 바이오센서, 전자전달 산화-환원쌍, 더블 펄스, 스크린 프린팅, 효소

Description

더블 펄스 방식을 이용한 바이오센서 {Electrochemical Biosensor Using Double Pulse Excitation}
본 발명은 두 종류의 일정전위를 인가하여 생체 물질의 농도를 측정하는 전기화학적 바이오센서에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 두 번의 인가전위를 사용하여 두 종류의 검정곡선을 얻게 되고 이 두 검정곡선에 수학적 연산을 적용시켜 보정된 검정곡선을 얻을 수 있게 된다. 본 발명에 의한 바이오센서는 보정된 검정곡선을 활용함으로써 기존의 단일 검정곡선을 사용하여 발생하는 오류를 최소화하여 분석물의 농도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
최근 질병을 진단하고 예방하거나, 식품화학 또는 환경 분야에서 시료의 오염정도를 알아보기 위해 시료에 존재하는 유기물 또는 무기물의 농도측정에 대한 필요성이 증대되고 있다. 이와 같은 생체 시료 (혈액, 소변, 눈물, 땀 등), 식품, 환경시료에 존재하는 미량의 유기물 또는 무기물 농도를 측정하는 방법으로 분광학적인 방법이 많이 사용되어 왔다. 그러나 이러한 분광학적 반응을 이용한 방법은 실험조건에 매우 민감하고, 다른 물질로부터의 방해 작용이 크며, 다량의 시료가 필요하 다는 문제점이 있다.
이러한 문제점들을 보완하기 위하여 전기화학적 일회용 스트립 형 센서가 개발되었고, 현재 point-of-care 방식으로 가정 및 병원에서 자가진단 및 현장측정용으로 널리 사용되고 있다. 특히, 일회용 바이오센서 중에서도 효소 (enzyme)를 이용하는 경우에 적용이 간편하고, 신속하게 결과를 얻을 수 있어 널리 사용된다. 이미 효소-기질간의 화학적 반응으로부터 야기되는 전기적 신호를 검출하기 위한 여러 종류의 바이오센서들이 알려져 있으며, 이는 체내에 존재하는 포도당 농도 및 특정 단백질 농도와 같은 수치들을 비교적 정밀하게 측정하는 것을 가능하게 한다.
미국 특허 제5,540,828 호, 대한민국 공개특허공보 제 2001-64276 호 및 대한민국 공개특허공보 제 2000-67797 호 등에서의 효소를 이용한 바이오센서들은 전기화학적 원리를 이용하여 혈액 시료에서 포도당을 측정하며, 그 원리는 반응식 1 및 2에 나타내었다.
(반응식 1)
포도당 + GOx-FAD → 글루콘산 + GOx-FADH2
GOx-FADH2 + 전자전달 산화-환원쌍 (산화상태) → GOx-FAD + 전자전달 산화-환원쌍 (환원상태)
(반응식 2)
전자전달 산화-환원쌍 (환원상태) → 전자전달 산화-환원쌍 (산화상태) + e-
상기 반응식 1에서, GOx는 당산화효소 (Glucose oxidase)를 나타내고, GOx-FAD 및 GOx-FADH2는 각각 당산화효소의 활성부위인 FAD (flavin adenine dinucleotide)의 산화상태 및 환원상태를 나타낸다.
상기 전기화학적 바이오센서는 전자전달 산화-환원쌍으로서 페로센 (ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논 (quinones), 퀴논 유도체, 유기 전도성 염 (organic conducting salt), 또는 비오로겐 (viologen), 헥사아민루세늄(III)클로라이드 (hexaammineruthenium(III)chloride), 2,6-다이클로로인도페놀 (2,6-dichloroindophenol), 디메틸페로센 (dimethylferrocene (DMF)), 페리시니움 (ferricinium), 페로센모노카르복실산 (ferocene monocarboxylic acid (FCOOH)), 7,7,8,8,-테트라시아노퀴노디메탄 (7,7,8,8-tetra cyanoquino-dimethane (TCNQ)), 테트라티아풀발렌 (tetrathia fulvalene (TTF)), 니켈로센 (nickelocene (Nc)), N-메틸아시디니움 (N-methylacidinium (NMA+)), 테트라티아테트라센 (tetrathiatetracene (TTT)), N-메틸페나지니움 (N-methylphenazinium (NMP+)), 히드로퀴논 (hydroquinone), 3-디메틸아미노벤조산 (3-dimethylaminobenzoic acid (MBTHDMAB)), 3-메틸-2-벤조티오조리논히드라존 (3-methyl-2-benzothiozolinone hydrazone), 2-메톡시-4-아릴페놀 (2-methoxy-4-allylphenol), 4-아미노안티피린 (4-aminoantipyrin (AAP)), 디메틸아닐린 (dimethylaniline), 4-아미노안티피렌 (4-aminoantipyrene), 4-메톡시나프톨 (4-methoxynaphthol), 3,3',5,5'-테트라메틸 벤지딘 (3,3',5,5'-tetramethyl benzidine (TMB)), 2,2-아지노-디-[3-에틸-벤즈티아졸린 술포네이트] (2,2-azino-di-[3-ethyl-benzthiazoline sulfonate]), o-디아니지딘 (o-dianisidine), o-톨루이딘 (o-toluidine), 2,4-디클로로페놀 (2,4-dichlorophenol), 4-아미노페나논 (4-amino phenazone), 벤지딘 (benzidine)으로 이루어진 그룹 중 하나를 선택한다.
상기 바이오센서의 혈액 내 존재하는 포도당 농도 측정원리는 다음과 같다.
바이오센서의 작업전극 상에 포도당을 산화시킬 수 있는 당산화효소를 고정시키고, 측정시료 중의 포도당은 당산화효소의 촉매작용에 의해서 글루콘산으로 산화된다. 이때 당산화효소의 활성 부위인 FAD가 환원되어 FADH2로 된다. 환원된 FADH2는 전자전달 산화-환원쌍과의 반응하여 FAD로 산화되고, 전자전달 산화-환원쌍은 환원된다. 환원상태의 전자전달 산화-환원쌍은 전극표면까지 확산되며, 이때 작동전극 표면에 환원상태의 전자전달 산화-환원쌍을 산화시키는 산화전위를 가하여 생성되는 전류를 측정함으로써 혈중 포도당 농도를 측정할 수 있게 된다. 이러한 전기화학적 바이오센서는 종래의 비색방법에 의한 바이오센서와는 달리 산소에 의한 영향을 줄 일 수 있고, 시료가 혼탁하여도 시료를 별도의 전처리 없이 사용이 가능 하다는 장점을 갖는다.
상기 전기화학적 바이오센서는 생물학적, 환경적으로 중요한 물질들을 분석하는데 쓰임에 따라 경제적이고, 재연성 및 선택성이 우수한 센서전극이 필요하게 되어, 이를 위해 스퍼터링 (sputtering) 방법 또는, 미소전극 제작 기술인 스크린 프 린팅 기술 (screen printing technology)을 이용하여 대량생산하고 있다.
이러한 센서들은 혈액 내의 포도당 농도를 측정하는 데에 매우 적은 부피의 시료 샘플로도 전기화학적 측정을 수행할 수 있어 편리하게 사용되지만, 센서의 정확성이 센서를 생산한 다양한 대량생산방식에 따라 나타나는 편차에 의해 크게 좌우되는 단점이 있다.
현재 시판되고 있는 센서들은 혈액 내의 포도당 농도를 측정하는 데에 매우 적은 부피의 시료 샘플로도 전기화학적 측정을 수행할 수 있어 편리하게 사용되지만, 센서의 정확성이 센서를 생산할 때의 환경조건 및 다양한 생산방식에 따라 나타나는 편차에 의해 크게 좌우되는 단점이 있다.
이러한 편차 문제를 해결하기 위해 대부분의 상업적 바이오센서들은 공장에서 미리 결정된 검정곡선 정보를 사용자가 직접 바이오센서를 읽을 수 있는 계측기에 입력하도록 하거나 센서에 생산로트정보를 입력시켜 계측기가 읽을 수 있도록 하고 있다.
또한, 결정된 검정곡선 정보가 불안정한 경우 상기에 나열한 방식들을 통하여 센서전극의 정보를 정확히 입력하여 실제 샘플 속의 시료를 검출한다 하여도 낮은 정확성과 큰 오차를 가지는 단점들이 있다.
이상의 기존 기술에서 보듯이 종래의 방법들은 복잡한 제조 과정을 필요로 하거나, 입력된 검정곡선 정보가 불안정하다는 문제점이 있다. 따라서 제조과정이 간단하면서도 높은 정확성의 검정곡선을 가진 전기화학적 바이오센서들이 요구된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 시료 내 존재하는 다른 방해물질로부터 자유로울 수 있는 낮은 산화전위를 가지는 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍을 일회용 전기화학적 바이오센서에 도입하고 더블 펄스 방식을 적용하고자 한다. 본 발명에 의한 바이오센서는 스크린 프린팅 방법으로 전극을 제작하더라도 낮은 산화전위를 가지는 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍을 일회용 전기화학적 바이오센서에 도입하여 더블 펄스 방식을 통해 얻어진 두 개의 검정곡선들을 수학적 연산으로 보정하여 일정하고 높은 직선성을 가지는 검정곡선으로 얻을 수 있으므로, 이를 통해 시료 내 분석물질의 농도를 기존의 센서보다 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명에 의한 센서는 더블 펄스 측정을 이용하므로 다중 측정을 통해 신호대잡음비 (S/N)가 크게 향상되는 효과가 있으므로 일회용 바이오센서 단일 검정곡선의 직선성이 항상 일정하게 나오지 않는 문제점을 더블 펄스 측정방식으로 두 종류의 독립적인 검정곡선을 얻고, 얻어진 두 곡선의 기울기를 수학적 연산을 통하여 보정된 단일 검정곡선으로 만들어, 시료 내 포도당 및 측정물질의 농도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
따라서 정량적으로 시료 내 포도당의 양을 전기적 신호로 측정할 수 있어 측정의 정확성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 일회용 센서로 만들기에도 적합하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 더블펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서는 평면 절연기판 (100)에 시료 내에 포함된 포도당과의 효소반응을 위한 효소층이 도포된 작업전극 (122) 및 상기 작업전극 (122)과의 전위차를 형성하는 기준전극 (121)을 포함하는 측정부와; 상기 작업전극 (122)에 형성되는 산화효소 및 전자전달 매개체를 포함하는 반응 시약층과; 상기 작업전극 (122)과 기준전극 (121)을 연결시키는 전극연결부; 및 상기 측정부와 전극연결부를 전기적으로 절연하는 절연부 (130)를 포함하는 전기화학적 바이오센서로서,
상기 작업전극 (122)에 형성되는 전류신호를 방해하지 않는 범위의 산화전위를 갖는 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍을 시약층에 도입하여, 스크린 프린팅 방식으로 제작된 일회용 바이오센서에 두 번의 인가전위 (21, 22)를 가하게 되고 이를 통하여 발생하는 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 더블펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서를 제공한다.
본 명세서에 있어서, 바이오센서와 바이오센서 스트립은 동일한 의미로 사용된다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서에 있어서, 상기 측정부는 상기 작업전극 (122)의 전류 신호 측정을 위해 보조전극 (123)을 더 포함하고, 일정 전위신호는 상기 기준전극 (121)과 작업전극 (122) 사이에 인가한다.
상기 기준전극 (121)은 도선층, 상기 도선층 상에 형성된 염화/염화은 (Ag/AgCl) 전극층 및 상기 염화은 전극층 상에 형성된 효소 반응 시약층을 포함한다.
상기 작업전극 (122)은 도선층, 상기 도선층 상에 형성된 탄소 또는 백금 전극층 및 상기 탄소 또는 백금 전극층 상에 형성된 효소 반응 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서를 제공한다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 바람직한 상기 효소 반응 물질층은 당산화효소(glucose oxidase)와 같은 산화효소 또는 당탈수소화효소 (glucose dehydrogenase)와 같은 효소와 두 종류의 상기 전자전달 산화-환원쌍을 포함한다.
상기 전자전달 산화-환원쌍은 페로센 (ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논 (quinones), 퀴논 유도체, 유기 전도성 염 (organic conducting salt), 또는 비오로겐 (viologen), 헥사아민루세늄(III)클로라이드 (hexaammineruthenium(III) chloride), 2,6-다이클로로인도페놀 (2,6-Dichloroindophenol), 디메틸페로센 (dimethylferrocene (DMF)), 페리시니움 (ferricinium), 페로센모노카르복실산 (ferocene monocarboxylic acid (FCOOH)), 7,7,8,8,-테트라시아노퀴노디메탄(7,7,8,8-tetracyanoquino-dimethane (TCNQ)), 테트라티아풀발렌 (tetrathia fulvalene (TTF)), 니켈로센 (nickelocene (Nc)), N-메틸아시디니움 (N-methyl acidinium (NMA+)), 테트라티아테트라센 (tetrathiatetracene (TTT)), N-메틸페나지니움 (N-methylphenazinium (NMP+)), 히드로퀴논 (hydroquinone), 3-디메틸아미노벤조산 (3-dimethylaminobenzoic acid (MBTHDMAB)), 3-메틸-2-벤조티오조리논히드라존 (3-methyl-2-benzothiozolinone hydrazone), 2-메톡시-4-아릴페놀 (2-methoxy-4-allylphenol), 4-아미노안티피린 (4-aminoantipyrin(AAP)), 디메틸아닐린 (dimethylaniline), 4-아미노안티피렌 (4-aminoantipyrene), 4-메톡시나프톨 (4-methoxynaphthol), 3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘 (3,3',5,5'-tetramethyl benzidine (TMB)), 2,2-아지노-디-[3-에틸-벤즈티아졸린 술포네이트] (2,2-azino- di-[3-ethyl-benzthiazoline sulfonate]), o-디아니지딘 (o-dianisidine), o-톨루 이딘(o-toluidine), 2,4-디클로로페놀 (2,4-dichlorophenol), 4-아미노페나논 (4-amino phenazone), 벤지딘 (benzidine)으로 이루어진 그룹 중에서 두 가지를 선택한다.
본 발명에 따른 더블펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서에 있어서, 바이오센서의 측정부와의 전기적으로 연결되는 전극 연결부 (110) 는 평면 절연기판 (100) 에 형성된 작업전극 (122) 과 기준전극 (121) 이 도선들을 통하여 같은 평면에서 이루어지도록 설계되어 있다. 본 발명의 바이오센서에 의한 전기화학적 반응의 결과 측정된 포도당은 상기 전극 연결부 (110) 를 통하여 데이터 측정부와 연결됨으로써 구체적인 포도당 농도 값으로 수치화될 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서의 제작과정은,
(a) 평면 절연기판 (100) 상에 은 잉크를 사용하여 기준전극 (121)을 포함한 세 개의 도선층을 패터닝하고, 건조하는 단계;
(b) 상기 은 잉크를 사용한 기준전극 (121)을 포함한 세 개의 도선층 상에 카본 잉크로 작업전극 (122) 및 보조전극 (123)을 도포 및 건조하는 단계;
(c) 상기 은 잉크를 사용한 기준전극 (121), 세 개의 도선층과 작업전극 (122) 및 보조전극 (123)의 카본 잉크 도포층 상에 절연성 잉크를 부분 도포 및 건조시킴으로써 세 개의 전극 연결부 (110)와 한 개의 은으로 도포된 기준전극 (121), 카본 잉크로 도포된 작업전극 (122) 및 보조전극 (123)을 형성하는 단계;
(d) 상기 (a), (b) 및 (c) 단계를 거친 은 및 카본 잉크 도포부에 반응 시약층을 도포함으로써, 각각 기준전극 (121), 작업전극 (122) 및 보조전극 (123)을 형성하 는 단계를 포함하는 더블펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서의 제조방법을 제공한다.
이하, 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바이오센서를 이용한 혈액시료에서의 포도당 농도 측정 장치에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 상기 측정부 상에 형성되는 반응 시약층은 시약용액의 약 20～30 μL 양의 방울로 도포함으로써 형성된다. 이러한 시약층은 산화효소 또는 탈수소화 효소와 같은 효소와 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍의 시약들을 포함한다. 혈액 시료에서의 포도당농도 측정의 적용과 동일하게 특정효소와 알맞은 전자전달 산화-환원쌍을 도입함으로써 다양한 대사물질, 예를 들면 콜레스테롤 (cholestrol). 락테이트 (lactate), 크레아티닌 (creatinine), 단백질, 과산화수소, 알코올, 아미노산, 효소, 예를 들면 GPT (glutamate pyruvate transaminase), GOT (glutamate oxaloacetate transminase) 등의 생체시료와 환경시료, 농공업시료 또는 식품시료 중의 다양한 유기물 또는 무기물 농도도 또한 동일한 방법으로 정량할 수 있다. 따라서 본 발명은 작동전극에 도포되는 효소의 종류를 달리함으로써 다양한 대사물질의 정량에 이용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면 혈당 산화효소, 락테이트 산화효소, 콜레스테롤 산화효소, 글루타메이트 산화효소, 호스레디쉬페록시다아제 (horseradish peroxidase), 알코올 산화효소 등을 사용해서 콜레스테롤(cholosterol), 락테이트 (lactate), 글루타메이트, 과산화수소, 알코올 등의 정량을 수행할 수 있다.
본 발명의 작업전극 (122)에 고정되는 전자전달 산화-환원쌍 물질의 예로는 종래 에 널리 사용되어 온 페로센 (ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논 (quinones), 퀴논 유도체, 유기 전도성 염 (organic conducting salt), 또는 비오로겐 (viologen), 헥사아민루세늄(III)클로라이드 (hexaammineruthenium(III)chloride), 2,6-다이클로로인도페놀 (2,6-dichloroindophenol), 포타슘페리시아나이드 (potassium ferricyanide), 포타슘페로시아나이드 (potassium ferrocyanide), 디메틸페로센 (dimethylferrocene (DMF)), 페리시니움 (ferricinium), 페로센모노카르복실산 (ferocene monocarboxylic acid (FCOOH)), 7,7,8,8,-테트라시아노퀴노디메탄 (7,7,8,8-tetracyanoquino-dimethane (TCNQ)), 테트라티아풀발렌 (tetrathia fulvalene (TTF)), 니켈로센 (nickelocene (Nc)), N-메틸아시디니움 (N-methyl acidinium (NMA+)), 테트라티아테트라센 (tetrathiatetracene (TTT)), N-메틸페나지니움 (N-methylphenazinium (NMP+)), 히드로퀴논 (hydroquinone), 3-디메틸아미노벤조산 (3-dimethylaminobenzoic acid (MBTHDMAB)), 3-메틸-2-벤조티오조리논히드라존 (3-methyl-2-benzothiozolinone hydrazone), 2-메톡시-4-아릴페놀(2-methoxy-4-allylphenol), 4-아미노안티피린 (4-aminoantipyrin(AAP)), 디메틸아닐린 (dimethylaniline), 4-아미노안티피렌 (4-aminoantipyrene), 4-메톡시나프톨(4-methoxynaphthol), 3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘 (3,3',5,5'-tetramethyl benzidine (TMB)), 2,2-아지노-디-[3-에틸-벤즈티아졸린 술포네이트] (2,2-azino- di-[3-ethyl-benzthiazoline sulfonate]), o-디아니지딘 (o-dianisidine), o-톨루이딘(o-toluidine), 2,4-디클로로페놀 (2,4-dichlorophenol), 4-아미노페나논 (4-amino phenazone), 벤지딘 (benzidine), 프루시안 블루 (prussian blue) 등의 혼합 전자 가 화합물을 사용할 수도 있다.
본 발명에서 가장 바람직하게 선택된 전자전달 산화-환원쌍은 헥사아민루세늄(Ⅲ)클로라이드와 2,6-다이클로로인도페놀이다. 선택된 전자전달 산화-환원쌍의 경우, (a) 수용액 속에서 산화-환원상태가 안정하며 가역적이고, (b) 환원된 전자전달 산화-환원쌍은 산소와 반응하지 않으며, (c) 전자전달 산화-환원쌍의 형식전위가 충분히 낮아, 혈액 내의 아스코르브산 (ascorbic acid), 아세토아미노펜 (acetaminophene) 및 요산 (uric acid)과 같은 다양한 방해 종들에 의한 영향을 최소화 할 수 있으며, (d) 환원된 전자전달 산화-환원쌍의 산화가 pH에 민감하지 않고, (e) 전기화학적 방해물질인 아스코르브산, 아세토아미노펜 및 요산과 반응하지 않는다는 특성을 갖는다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
순환전압전류법을 이용한 전자전달 산화- 환원쌍의 산화전위 측정
실험 방법은 상기에서 제시한 방법 및 원리를 이용하였으며, 실험 조건은 다음과 같다. 완충 용액은 pH 7.0, 50mM phosphate buffer를 바탕 용액으로 사용하였으며, 전자전달 산화-환원쌍의 농도는 헥사아민루세늄(Ⅲ)클로라이드의 경우 10mM과 2,6-다이클로로인도페놀의 경우 2mM을 사용하였다. 순환전압전류법의 주사속도 (scan rate)는 100mV/sec.이다.
측정 결과는 도 4 의 감응곡선을 통해 볼 수 있으며, 각각의 전위에 따른 산화-환원 전류값을 측정하여 시료의 농도에 따른 산화전류를 측정하기에 적절한 인가전위 (21, 22)를 찾을 수 있다. 도 4 는 순환전압전류법을 이용하여 전자전달 산화-환원쌍의 산화전위를 측정한 것으로 일반적으로 방해물질을 피하여 낮은 산화전위를 가지는 두 종류 이상의 전자전달 산화-환원쌍을 사용할 경우, 인가전위의 범위가 겹쳐 서로의 전기적 신호에 간섭받는 문제점이 있다. 하지만 본 발명에서 사용하고자 하는 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍은 전위가 서로 간섭하지 않고 독립적으로 낮은 산화전위를 가지면서 높은 전기적 신호를 내는 것을 통해 두 번의 펄스를 사용할 수 있다는 장점이 있다.
실시예 2
전류법을 이용한 포도당의 측정
본 발명은 더블 펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서를 개발하는 것으로 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍을 도입하여 전기화학적 포도당 센서로서의 가능성을 확인하기 위하여 싱글 펄스 방식을 이용해 포도당의 농도에 따른 산화전류값을 측정하였다.
실험방법은 상기 실시예 1을 통해 확인한 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍의 산화전위를 각각의 일정전위로 사용하여 작업전극 (122)에 가해주는 싱글펄스 방식을 사용하였으며 그 측정 결과는 도 5a 의 검정곡선과 도 5b 의 검정곡선을 통해 확인 할 수 있다.
도 5a와 도5b 에서 알 수 있듯이 실시예 1에서 확인한 각각의 전자전달 산화-환원쌍의 산화를 유도하는 전위에서 포도당 농도의 증가에 따라서 산화 전류값의 감응이 직선적으로 증가하는 것으로 보아 전기화학적 바이오센서로의 적합성을 확인할 수 있었고 이는 두 종류의 전위 즉, 더블 펄스를 이용한 전류법에 의해 포도당을 효과적으로 검출할 수 있음을 알 수 있다.
실시예 3
더블 펄스 방식을 이용한 포도당의 측정
두 종류 이상의 전위를 인가할 수 있으면서 각각의 전위변환 시 일정시간동안 열린회로 (open circuit) 상태를 유지할 수 있는 포텐시오스탯을 이용하여 실시예 2의 실험방법을 적용하였다. 첫 번째 인가전위 (21)는 헥사아민루세늄(Ⅲ)클로라이드의 산화전위인 -0.1V (vs. Ag/AgCl)로 25초간 일정하게 작업전극 (122)에 인가한 뒤 5초간 열린회로 상태로 유지되다가 2,6-다이클로로인도페놀의 산화전위인 +0.05V(vs. Ag/AgCl)를 두 번째 인가전위 (22)로 20초간 사용하여 총 1분간 두 번의 인가전위 (21, 22)를 전극에 가하여 포도당의 농도별 측정을 실시하였다. 여기서 얻어진 결과는 도 6에 나타나 있으며 도 7a와 7b는 20초와 45초의 반응시간에서 얻어진 검정곡선이다. 도 7a에 나타난 1개의 전극으로부터 얻어진 2개의 검정곡선의 평균값을 도 7b에 나타내었다. 도 7a에서 알 수 있듯이 더블펄스를 이용하여 얻어진 각각의 검정곡선은 직선성이 떨어지는 단점이 있으나 두 검정곡선의 평균값으 로 기울기를 보정한 검정곡선을 얻게 되면 직선성이 크게 향상되는 장점이 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 더블 펄스 방식을 이용한 바이오센서를 나타내는 개념도.
도 2 는 본 발명에 따른 측정센서의 평면도.
도 3 은 본 발명에 따른 일회용 측정센서의 제작과정.
도 4 는 본 발명에 따른 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍 혼합용액의 순환전압전류도.
도 5a 는 본 발명에 따른 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍 혼합용액에서의 헥사아민루세늄(Ⅲ)클로라이드를 산화시키는 싱글펄스를 이용한 포도당의 검정곡선.
도 5b 는 본 발명에 따른 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍 혼합용액에서의 2,6-다이클로로인도페놀을 산화시키는 싱글펄스를 이용한 포도당의 검정곡선.
도 6 은 본 발명에 따른 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍 혼합용액에서의 더블펄스를 이용한 포도당의 감응곡선.
도 7a 는 본 발명에 따른 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍 혼합용액에서의 더블펄스를 이용한 포도당의 두 가지 검정곡선.
도 7b 는 본 발명에 따른 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍 혼합용액에서의 더블펄스를 이용한 포도당의 두 가지 검정곡선을 보정한 검정곡선.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
바이오센서 개념도 : 11-22 일회용 측정센서 : 110-130
11 : 포도당 12 : 당산화효소에 산화된 글루콘산
13 : 산화된 당산화효소 14 : 환원된 당산화효소
15, 17 : 환원된 전자전달 산화-환원쌍 16, 18 : 산화된 전자전달 산화-환원쌍
19 : 전자 20 : 전극
21, 22 : 인가전위 100 : 평면 절연기판
110 : 연결부 121 : 기준전극
122 : 작업전극 123 : 보조전극
130 : 절연부

Claims (7)

  1. 평면 절연기판에 시료 내에 포함된 포도당 및 분석물질과의 효소반응을 위한 효소 층이 도포된 작업전극 및 상기 작업전극과 전위차를 형성하는 기준전극을 포함하는 측정부와; 상기 작업전극에 형성되는 산화효소 및 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍을 포함하는 반응 시약층과; 상기 측정부에서 얻어진 전기적 신호를 데이터 처리부에 연결시키는 전극 연결부; 및 상기 측정부와 전극 연결부를 전기적으로 절연하는 절연부를 포함하는 더블 펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서와,
    상기 작업전극 및 기준전극에 두 종류의 일정 전위신호 즉, 더블 펄스 방식을 인가할 수 있는 전위발생기와, 상기 전위발생기에 의해 작업전극에서 발생하는 전류값을 측정하는 데이터 처리부를 포함하는 더블 펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서.
  2. 청구항 1항에서,
    상기 시약층은 서로간의 산화 전류형성을 방해 또는 간섭하지 않는 두 종류의 전자전달 산화-환원쌍을 도입하여 시료내의 포도당 및 분석물질의 농도 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 더블 펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서.
  3. 청구항 1항에서,
    상기 포도당 및 분석물질의 농도는 상기 시약층과의 산화-환원 반응에 의해 작업 전극에 유발되는 두 종류의 산화 전류값을 측정하여 산출하는 것을 특징으로 하는 더블 펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서.
  4. 청구항 1항에서,
    상기 전위발생기는 서로 다른 스텝전위신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 더블 펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서.
  5. 청구항 4항에서,
    상기 스텝전위신호를 인가하는 전위발생기는 각 스텝의 전위 사이에 열린회로 (open circuit) 상태를 형성할 수 있는 것을 포함하는 더블 펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서.
  6. 청구항 1항에서,
    상기 데이터 처리부는 작업전극에서 더블 펄스 방식을 통해 얻은 두 종류의 산화전류값들의 평균값을 사용하는 것을 특징으로 하는 더블 펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서.
  7. 청구항 2항에서,
    상기 전자전달 산화-환원쌍은 페로센 (ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논 (quinones), 퀴논 유도체, 유기 전도성 염 (organic conducting salt), 비오로겐 (viologen), 헥사아민루세늄(III)클로라이드 (hexaammineruthenium(III) chloride), 2,6-다이클로로인도페놀 (2,6-dichloroindophenol), 디메틸페로센 (dimethylferrocene (DMF)), 페리시니움 (ferricinium), 페로센모노카르복실산 (ferocene monocarboxylic acid (FCOOH)), 7,7,8,8,-테트라시아노퀴노디메탄 (7,7,8,8-tetra cyanoquino-dimethane (TCNQ)), 테트라티아풀발렌 (tetrathia fulvalene (TTF)), 니켈로센 (nickelocene (Nc)), N-메틸아시디니움 (N-methylacidinium (NMA+)), 테트라티아테트라센 (tetrathiatetracene (TTT)), N-메틸페나지니움 (N-methylphenazinium (NMP+)), 히드로퀴논 (hydroquinone), 3-디메틸아미노벤조산 (3-dimethylaminobenzoic acid (MBTHDMAB)), 3-메틸-2-벤조티오조리논히드라존 (3-methyl-2-benzothiozolinone hydrazone), 2-메톡시-4-아릴페놀 (2-methoxy-4-allylphenol), 4-아미노안티피린 (4-aminoantipyrin (AAP)), 디메틸아닐린 (dimethylaniline), 4-아미노안티피렌 (4-aminoantipyrene), 4-메톡시나프톨 (4-methoxynaphthol), 3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘 (3,3',5,5'-tetramethyl benzidine (TMB)), 2,2-아지노-디-[3-에틸-벤즈티아졸린 술포네이트] (2,2-azino-di-[3-ethyl-benzthiazoline sulfonate]), o-디아니지딘 (o-dianisidine), o-톨루이딘 (o-toluidine), 2,4-디클로로페놀 (2,4-dichlorophenol), 4-아미노페나논(4-amino phenazone) 및 벤지딘 (benzidine)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 더블 펄스 방식을 이용한 전기화학적 바이오센서.
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