KR101163678B1

KR101163678B1 - 크레아틴의 방해영향을 줄인 크레아티닌 바이오센서

Info

Publication number: KR101163678B1
Application number: KR1020090054376A
Authority: KR
Inventors: 권기학; 임은혜; 강태영; 차근식; 남학현; 신재호
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2012-07-09
Also published as: KR20100136159A

Abstract

본 발명은 크레아티닌 센서에서 크레아틴 방해효과에 대한 측정오차를 획기적으로 감소시킬 수 있는 감응막 조성물 및 이를 포함한 센서에 관한 것이다. 본 발명에 의한 바이오센서는 구조가 단순하고 제조가 용이하며 적은 양의 시료를 화학적 또는 물리적인 전처리 과정이 필요 없고 시료 도입 시에도 방해물질을 제거하는 과정이 필요 없어 일정하고 빠른 도입이 가능하다. 또한 전극 간의 재현성과 정밀도가 뛰어나며 측정시간이 빠르고, 저렴하게 대량생산할 수 있는 장점이 있을 뿐 아니라, 가정이나 병원에서 환자 스스로가 방해물질의 영향을 받지 않고 정확하게 측정할 수 있는 매우 유용한 바이오센서이다.

구체적으로 효소, 아데노신 삼인산(Adenosine triphosphate), 수용성 고분자(hydrophilic polyurethane), polyanion exchanger(polyethlene imine), polycation exchanger(nafion)을 포함한 감응막 조성물 및 상기 조성물로 이루어진 감응막을 작동전극위에 고정화하여 다른 일반적인 방해 이온 종들의 방해효과뿐만 아니라 종래의 크레아티닌 센서에서 가장 심한 방해 작용으로 여겨졌던 크레아틴을 효과적으로 제거할 수 있다.

바이오센서, 크레아티닌센서, 감응막 조성물, 방해작용 제거

Description

크레아틴의 방해영향을 줄인 크레아티닌 바이오센서 {Creatinine biosensors with reduced interference from creatine}

본 발명은 바이오센서용 감응막 조성물 및 이를 포함한 전기화학적 바이오센서에 관한 것으로, 구체적으로 크레아티닌의 측정에 있어서 방해종들의 방해작용을 획기적으로 감소시킬 수 있는 바이오센서용 감응막 조성물 및 이를 포함한 전기화학적 바이오센서에 관한 것이다.

최근 신장기능(kidney function)의 이상유무의 판단 및 치료를 위해 임상시료 내 크레아티닌(creatinine)의 측정은 매우 중요한 문제이다. 또한 최근 증가하고 있는 건강에 대한 관심도와 응급상황에서의 빠른 대처 및 환자관리를 위해 소형 임상분석기의 개발은 의료기 시장에서 강력히 요구되어 오던 개발요소이다. 지금까지 혈당 측정기처럼 휴대가 가능한 한 손에 들어오는 소형 측정 장비와 이에 적합한 소형 센서의 개발은 많이 상용화되고 있다. 기존 기술을 바탕으로 현재 크게 수요가 증가하고 있는 임상 크레아티닌 측정 센서 및 소형 분석기의 개발을 서두를 경우 국내외 임상분석용 측정 장비 시장에 미치는 파급효과가 대단히 클 것으로 판단된다. 이러한 크레아티닌 측정을 위한 바이오센서의 작동원리는 비색법 또는 전기화학방법에 기초한다.

이 중에 전기화학적인 방법은 하기 반응식 1에 의해 설명되어 진다

상기 식에서 CA는 크레아티닌 가수분해효소(creatininase), CI는 크레아틴 가수분해효소(creatinase), SO는 사코신 산화효소(sarcosine oxidase)를 나타낸다. 상기반응식 1에서 보는바와 같이 (1) 먼저 혈액내의 크레아티닌은 크레아티닌 가수분해효소에 의해 크레아틴으로 산화하게 된다. 그 후 크레아틴은 크레아틴 가수분해효소에 의하여 사코신과 요소가 되고 사코신은 사코신 산화효소에 의해 분해되어 포름알데히드와 글라이신 그리고 과산화수소가 생성된다. 이처럼 전기화학적으로 활성을 띠는 과산화수소가 크레아티닌으로부터 생성이 되고 전극표면까지 확산이 된다. 이때 작동 전극표면에서 과산화수소의 산화전위를 인가하여 생성되는 전류를 측정함으로써 혈액 속의 크레아티닌의 농도를 정량적으로 측정하게 된다.

상기와 같은 전기화학적 방법을 작동원리로 하는 바이오센서를 전기화학적 바이오센서라고 한다. 이러한 전기화학적 바이오센서는 기존의 비색방법에 의한 바이오센서와는 달리 산소에 의한 영향을 줄일 수 있고, 시료를 별도 전처리 없이 사용가능하다는 장점을 갖는다. 이러한 전기화학적 바이오센서는 혈중크레아티닌의 양을 감시하고 제어하는데 사용될 수 있다.

일반적으로 센서의 정확성은 혈액시료에 존재하는 산화되기 쉬운 아스코르브산(ascorbic acid), 요산(uric acid) 및 아세토아미노펜(acetaminophene)과 같은 다양한 방해종들에 의해 큰 영향을 받는다. 이외에 가장 심각한 오차는 크레아티닌 분해에 의해 생성되는 크레아틴에 의해 유발된다. 일회용 바이오센서 칩 및 스트립을 사용하여 혈중 크레아티닌 수치를 수시로 측정하는 사람들에게 있어서 방해 이온 종들의 영향을 크게 받는 크레아티닌 센서를 사용하면 그 측정결과가 틀릴 가능성이 높다. 이러한 부정확한 결과로 인해 심지어 사람들의 생명에 대한 위험을 초래할 수 있다.

따라서 본 발명에서는 크레아티닌 측정에 있어서 가장 큰 오차를 유발시키는 크레아틴의 방해효과를 줄이기 위해서 크레아틴 전이효소(creatine kinase)와 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate)을 도입하였다.

본 발명의 목적은 상기한 크레아틴에 의한 문제점을 해결하기 위한 것 뿐 만 아니라, 혈중 크레아티닌의 측정에 있어 방해 이온 종들에 대한 영향을 획기적으로 감소시킬 수 있는 감응막 조성물과 이를 이용한 센서의 제작에 관한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 효소, 아데노신 삼인산(Adenosine triphosphate), 친수성 고분자, polyanion exchanger, polycation exchanger 등을 포함한 감응막 조성물을 제공한다. 본 발명은 기판, 작동회로 연결선, 보조전극 연결선, 작동전극, 보조전극, 절연막을 포함한 바이오센서를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 감응막 조성물을 함유한 바이오 센서를 제공한다. 즉, 본 발명의 감응막 조성물은 막의 조성에 따라 방해이온들에 대한 영향을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 바이오센서는 재현성 및 신뢰성이 우수하며, 구조가 단순하여 저렴하게 대량생산 할 수 있는 장점을 가지고 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 효소, 아데노신 삼인산(Adenosine triphosphate), 친수성 고분자, polyanion exchanger, polycation exchanger 등을 포함한 감응막 조성물을 제공하는 것으로 상기 감응막 조성물은 아스코르브산, 아세토아미노펜 및 요산 등과 같은 혈액 내 방해물질에 따른 신호크기 변화에 대한 영향을 감소시키며 또한 크레아틴에 의한 방해영향도 획기적으로 감소시킨다.

상기효소반응 식 1에 나타낸 바와 같이, 다양한 대사 물질과 반응하여 생성된 과산화수소를 전기화학적으로 측정하여 대사물질을 정량하게 된다. 수용성 고분자는 감응막 조성물의 고분자 지지체로써 효소의 안정화 및 분산(dispersing)을 돕는 역할을 수행한다. 수용성인 PVA와 같은 수화겔에 효소를 고정하는 방식을 채택한 바이오센서는 효소의 유출을 최소화하고 센서의 수명을 향상시키기 위해서 외부 보호막이 필요하다. 아주 미세한 구멍을 가지는 다양한 고분자 물질들이 외부보호막으로써 바이오센서에 도입되었다.

외부 보호막으로 사용되는 고분자 물질들은 cellulose acetate, poly(vinyl chloride), polycarbonate, 그리고 polyurethane 등이 있다. 하지만 상기에 제시한 물질들은 접착력이 약하거나, 막 자체의 구멍크기가 일정하지 않으며, 혹은 기질의 투과율이 상당히 낮다는 단점을 가지고 있다. 단단한 조각(hard-segment)과 부드러운 조각(soft-segment)으로 구성된 polyurethane은 다양한 분야에서 그 쓰임새가 많은 고분자로 뛰어난 생체적합성으로 말미암아 생의학 분야에서 많은 관심을 받아왔다. HPU는 물에 녹거나 혹은 물을 흡수할 수 있는 부드러운 조각(poly(tetramethylene oxide), poly(ethylene glycol), poly(propylene glycol))들로 구성되어 있다. 특히, HPU는 사용된 부드러운 조각들의 비율과 성질에 따라서 물을 흡수하는 능력과 막 자체의 구멍 크기가 다르고 다양한 고체상에 우수한 접착 력을 제공하며, 생체 적합성이 우수하고 센서에 사용되었을 경우, 다른 고분자들을 도입하였을 때에 비하여 센서가 안정화될 때까지 걸리는 시간이 비교적 짧다는 장점이 있다. 본 발명에서는 이러한 HPU의 장점을 이용하여 aromatic 계열의 HPU를 외부보호막으로 도입하여 크레아티닌 센서에 대한 연구를 수행하고자 하였다.

본 발명에서 크레아티닌 측정에 사용되는 방법은 전류법이다. 전류법을 이용한 바이오센서에 있어 과산화수소의 측정은 매우 중요한 요소이다. 과산화수소는 생화학적으로 중요한 물질들을 분석하고자 할 경우 이에 사용되는 산화효소 반응의 최종 생성물이기 때문이다. 이런 과산화수소를 분석물질로 하는 바이오센서들은 시료 속에 있는 낮은 전위에서 산화될 수 있는 다른 대사물질들(예 : 아스코르브산, 요산, 아세토아미노펜, 도파민 등)이 함께 전극에서 산화되어 심각한 측정오차가 유발된다. 이러한 방해물질에 의한 측정오차를 해결하기 위한 방법으로 1) 입자크기에 의한 선택투과성을 가지는 막을 사용하는 방법, 2) 음 전하의 반발력에 의한 선택투과성을 가지는 막을 이용하는 방법, 3) 전자전달매개물질을 사용하여 보다 낮은 산화전위를 사용하는 방법, 4) peroxidase를 사용하여 환원전위를 사용하는 방법, 5)산화제 층을 도입한 방법, 6)전극표면에 Pt black 을 도입하여 과산화수소의 산화 전위를 낮추는 방법 등이 연구되었다.

본 발명에서 사용되는 방법은 마지막 방법인 전극 표면에 Pt black 층을 도입하여 산화전위를 낮추는 방법으로 전극의 면적을 넓혀주어 센서의 감응을 향상시키며, 효소를 쉽게 고정화시켜줄 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서 사용된 기판으로는 세라믹, 플라스틱, 유리판 또는 실리콘등 고분자 재료를 사용할 수 있으며, 일반적으로 폴리에스테르, 폴리비닐클로라이드 및 폴리카보네이트 등의 유기 고분자 재료를 사용한다.

본 발명에서는 스크린 프린팅 기술을 이용하여 지지체 위에 은, 팔라듐, 구리, 백금, 은/염화은, 수은/산화수은, 탄소 등의 다양한 전극물질을 쉽게 도입할 수 있다. 스크린 프린팅 기술은 평면구조 및 샌드위치 구조를 가지는 전위차법 또는 전압 전류법 전극계의 구성에 있어서 경제적이며, 재현성 및 감응성이 우수한 일회용 화학 센서를 구축하는데 용이하다. 이러한 장점을 가지는 스크린 프린팅 기술을 도입하여 제조되는 전극은 개방된 패턴에 대하여 스퀴지(squeegee)에 일정한 힘을 가하면서 움직임에 따라 수행되며 잉크 또는 반죽 등을 특정 기질위에 순차적으로 패턴대로 도입할 수 있는 방법이다.

효소용액 제작과정에 사용되는 계면 활성제는 시료의 빠른 이동을 위해 사용하였으며, 계면활성제는 폴리에틸렌 글라이콜(polyethylene glycol), Oxyethylated alkylphoenols(neonols), triton X-100, polyethylated 계통과 같은 비 이온성 계면활성제, sodium decylsulfate 계통과 같은 음이온성 계면활성제, 또는 decylpuridinium chloride, tetradecylpyridininium과 같은 pyridinium 계통의 양이온성 계면활성제로 분류되며, Triton X-100을 일반적으로 사용한다.

상기효소반응식 2에 나타낸 바와 같이 크레아틴 전이효소와 아데노신 삼인산을 도입하면 크레아틴이 사코신과 요소가 아닌 포스포크레아틴이 생성된다. 즉 상기효소 반응식 1에 나타난 바와 같이 과산화수소가 생성되지 않으므로 과산화수소는 오로지 크레아티닌으로부터 발생한다. 따라서 크레아틴 방해효과를 고려하지 않아도 크레아티닌을 정확하게 측정할 수 있다

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 평면형으로 구현되는 바이오센서에 관한 것이며, 본 발명에 의한 바이오센서는 구조가 단순하고 제조가 용이하며 적은 양의 시료를 화학적 또는 물리적인 전처리 과정이 필요 없고 시료 도입 시에도 방해물질을 제거하는 과정이 필요 없어 일정하고 빠른 도입이 가능하다. 또한 전극간의 재현성과 정밀도가 뛰어나며 측정시간이 빠르고, 저렴하게 대량생산할 수 있는 장점이 있을 뿐 아니라, 가정이나 병원에서 환자 스스로가 방해물질의 영향을 받지 않고 정확하게 측정할 수 있으며 무엇보다 종래의 크레아티닌 센서에서 가장 심한 방해 작용으로 여겨졌던 크레아틴을 효과적으로 제거함으로써 크레아티닌의 측정을 보다 정확하게 측정할 수 있는 매우 유용한 바이오센서이다.

이하 실시 예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 실시 예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<제조 예 1> 바이오센서의 단일 전극체 제작

도 1a 및 1b, 1c 에 도시된 바와 같이 Polyester(PE) 기판 상에 은 반죽(silver paste)으로 스크린 프린팅을 하여 작동회로 연결선(11), 기준전극(12)을 형성시켰다. 그 후 전도성 탄소 페이스트(conducting carbon paste)를 이용하여 스크린 프린팅을 하여 작동전극(13), 보조전극(14)을 형성한다. 그 후 절연 고분자 반죽(insulator paste)을 사용하여 절연막(15)을 형성하고, 150 °C에서 15분간 열처리하여 제작하였다.

<실시 예 1> 3전극 계 평면형 바이오센서의 제작

평면형 정전압 전류 법 센서는 프린팅기법을 이용하였으며, 첫 번째로 백색의 Polyester(PE) 절연 지지체 위에 전극을 형성하고, 그 위에 절연 층을 도입하여 제작되었다. 센서는 기준전극, 작동전극과 보조전극으로 구성되었다. 형성된 Ag 층은 0.1 M FeCl₃ 용액으로 10분간 처리하여 Ag/AgCl로 만들어 주었다. 또한 작동전극의 재질인 Carbon에 Pt black 층을 형성하기 위해서 3 wt% chloroplatinic acid(H₂PtCl₆) 와 0.029 wt% lead acetate와 97 wt% 물의 혼합용액에서 -0.1 V~0.5 V (vs. Ag/AgCl) 전위 구간에서 50 mV/s로 3분간 처리하였다.

<실시 예 2> 크레아틴 전이효소를 사용하지 않은 감응막 센서준비

작동전극부에 계면활성제(Triton-X100)로 전처리를 하고 크레아티닌 가수분해효소(creatininase), 크레아틴 가수분해효소(creatinase), 사코신 산화효 소(sarcosine oxidase)가 각각 10 Units/3 uL 혼합된 용액 일정량에 효소를 보정할 수 있는 단백질 또는 수용성 고분자를 사용할 수 있으며 일반적으로 PVA를 사용하고 이 PVA를 12 mg/300 uL가 혼합된 용액 일정량을 떨어뜨린다. 그 후, 40 °C오븐에서 약 20분 동안 말린 후 그 위에 효소 수화겔 층은 외부 보호막 층으로 덮어 줄 수 있으며 일반적으로 HPU를 사용하고 HPU (AR-25-80A) 20 mg/ 500 uL cyclohexanone가 혼합된 용액 일정량을 떨어뜨린다. 그리고 그 위에 다른 방해 이온 종들의 방해 효과를 줄이기 위해 polyanion exchanger를 덮어 줄 수 있으며 바람직하게는 polyethlene imine 5 wt%가 혼합된 용액을 떨어 뜨리고 40 °C오븐에서 약 10분 동안 말린다. 그리고 그 위에 polycation exchanger를 바람직하게는 nafion 5 wt%가 혼합된 용액을 떨어뜨리고 40 °C오븐에서 약 10분 동안 말린다.

<실시 예 3> 크레아틴 전이효소를 사용한 감응막 센서준비

작동 전극부에 계면활성제(Triton-X100)로 전처리를 하고 크레아티닌 가수분해효소(creatininase), 크레아틴 가수분해효소(creatinase), 사코신 산화효소(sarcosine oxidase)가 각각 10 Units/3 uL 혼합된 용액 일정량에 효소를 보정할 수 있는 단백질 또는 수용성 고분자를 사용할 수 있으며 일반적으로 PVA를 사용하고 이 PVA를 12 mg/300 uL가 혼합된 용액 일정량을 떨어뜨린다. 그 후, 40 °C오븐에서 약 20분 동안 말린 후 그 위에 효소 수화겔 층은 외부 보호막 층으로 덮어 줄 수 있으며 일반적으로 HPU를 사용하고 HPU (AR-25-80A) 20 mg/ 500 uL cyclohexanone가 혼합된 용액 일정량을 떨어뜨린다. 종래의 크레아티닌 센서에서 가장 심한 방해 작용으로 여겨졌던 크레아틴을 효과적으로 제거하기 위하여 크레아틴 전이효소(creatine kinase)와 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate) 각각 10 Units과 20 mM 혼합된 용액을 일정량 떨어뜨리다. 그리고 그 위에 다른 방해 이온 종들의 방해 효과를 줄이기 위해 polyanion exchanger를 덮어 줄 수 있으며 바람직하게는 polyethlene imine 5 wt%가 혼합된 용액을 떨어 뜨리고 40 °C오븐에서 약 10분 동안 말린다. 그리고 그 위에 polycation exchanger를 바람직하게는 nafion 5wt%가 혼합된 용액을 떨어뜨리고 40 °C오븐에서 약 10분 동안 말린다.

도 1a 는 본 발명의 평면형 바이오센서 전극 제조 공정개략도이며,

도 1b 는 본 발명의 평면형 바이오센서 결합사시도이고,

도 1c 는 본 발명의 평면형 바이오센서 분해사시도이다.

도 2a는 본 발명의 평면형 바이오센서의 작동부에 과산화수소 표준용액에 대한 검정곡선이고,

도 2b는 본 발명의 평면형 바이오센서의 작동부에 Pt black을 도입 후 과산화수소 표준용액에 대한 검정곡선이다.

도 3a는 본 발명의 평면형 바이오센서의 작동부에 크레아틴 전이효소와 아데노신 삼인산을 도입하지 않았을 때의 크레아티닌에 대한 검정곡선이고,

도 3b는 본 발명의 평면형 바이오센서의 작동부에 크레아틴 전이효소와 아데노신 삼인산을 도입하지 않았을 때의 크레아틴에 대한 검정곡선이고,

도 3c는 본 발명의 평면형 바이오센서의 작동부에 크레아틴 전이효소와 아데노신 삼인산을 도입했을 때의 크레아티닌에 대한 검정곡선이고,

도 3d는 본 발명의 평면형 바이오센서의 작동부에 크레아틴 전이효소와 아데노신 삼인산을 도입했을 때의 크레아티닌에 대한 검정곡선이다.

도 4a는 본 발명의 평면형 바이오센서의 대략적인 모식도이다.

(도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명)

10: 기판 11: 작동회로연결선

12: 기준전극 13: 작동전극

14: 보조전극 15:절연막

Claims

단일 전극체에 수용성고분자에 의해 고정된 가수분해효소 및 산화효소 층;

다공성박막;

크레아틴의 방해효과를 줄이기 위해 수용성고분자에 의해 고정된 전이효소 및 삼인산 아데노신 층; 및

고분자이온막이 순서대로 적층된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 1항에 있어서,

상기 단일 전극체는 기판, 기판상에 길이방향으로 일정간격 도포된 다수의 회로연결부, 상기 회로연결부 일단에 도포된 기준전극, 작동전극 및 보조전극을 포함하고,

상기 회로연결부 일단 및 상기 기준전극, 작동전극 및 보조전극을 제외한 기판상에 절연막이 도포된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 1항에 있어서,

상기 수용성고분자가 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알코올, 폴리플루오로술포네이트, 하이드록시에틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 및 폴리아미드로 이루어진 그룹 중 선택된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 1항에 있어서,

상기 다공성박막의 일단부로부터 주입된 시료성분 중 다공성박막의 공극 직경보다 작은 직경의 방해이온 성분이 이동 중 예비적으로 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 4항에 있어서,

상기 다공성박막은 직경이 5 ㎛ 내지 10 ㎛의 공극이 표면상에 다수 형성된 종이, 친수성 유기 고분자 또는 흡습성 세라믹 고분자인 것을 특징으로 하는 바이오센서.
제 1항에 있어서,

상기 고분자이온막은 폴리에틸렌이민, 폴리엘리신, 폴리디글루탐산, 나피온으로 이루어진 그룹 중 선택된 것을 특징으로 하는 바이오센서.
삭제
전이효소인 크레아틴 키나아제 및 조요소인 삼인산 아데노신이 포함되는 것을 특징으로 하는 바이오센서용 감응막 조성물.