KR102012544B1 - 혈중 다종 이온 농도 측정을 위한 이온 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다양한 대사 과정에 관련된 혈중 다종 이온 농도 측정이 가능한 이온 센서에 관한 것으로, 기판, 상기 기판 상에 평행하게 나열된 전극, 상기 전극 말단에 접합된 1종 이상의 작업 전극의 작동부 및 기준 전극 작동부를 포함하며; 상기 작업 전극의 작동부는 내부 수화겔 층 및 상기 내부 수화겔 층 상에 형성된 이온 선택성 막을 포함하고; 상기 기준 전극 작동부는 고농도의 염을 포함하는 수화겔 층 및 상기 수화겔 층 상에 수화겔 층의 일부가 드러나도록 형성된 막을 포함하는 다중 이온 농도 측정용 이온 센서를 제공한다. 본 발명에 의하면 시료의 전처리 과정없이 전혈을 이용하여 현장에서 수 분의 짧은 시간 내에 즉시 혈중 목적 이온종 들의 농도를 동시에 측정하는 것이 가능하다. 또한 본 발명의 이온 센서는 소형으로 휴대가 가능하다.

Description

혈중 다종 이온 농도 측정을 위한 이온 센서{Ion sensors for sensing multiple ions in blood}
본 발명은 혈중 다종 이온 농도 측정이 가능한 이온 센서에 관한 것이다.
Na+, K+, Ca2+ 등의 혈중 이온 농도는 다양한 대사 과정에 관련된다. 구체적으로, 혈중 이온 농도의 증가나 감소는 특히 가축의 생장 이상 및 질병 진단의 중요 지표(Biomarker)로 사용되는데, 예를 들면 혈액 내 전해질 (이온) 이상으로 인해 젖소의 경우 분만 전후로 심각한 병이 발생하고, 이런 경우 초기에 적절한 치료를 받으면 회복가능하나, 치료 시기가 늦어지면 치사율이 90%에 이른다. 따라서 정기적인 측정을 통해 효율적인 생장 관리 및 질병 진단 시스템을 구축하는 것이 필수적이다.
Na+, K+, Ca2+ 등의 혈중 이온 농도 측정 방법으로는 원자 흡광 광도법 (Atomic absorption spectrophotometry), EDTA 적정법, ortho-cresolphthalein complexone (OCPC) 지시약을 이용한 비색법, Arsennazo Ⅲ 시약을 이용한 분광광도법 등의 분광학적 방법 등이 사용되고 있으나, 시료의 전처리 단계가 요구되며, 분석 장치가 복잡하고 소형화가 어려우므로 가축 사육현장에서 현장 현시 측정 (Point-of-care)에 사용하기에는 부적절하다. 또한 센서 카트리지 및 측정기가 고가라는 단점이 있다.
따라서 시료의 전처리 과정이 필요 없으며, 휴대형 또는 소형으로 비전문가에게도 용이하게 수 분의 짧은 시간 내에 현장 현시 측정이 가능한 다종 이온 센서로서 가격 경쟁력까지 갖춘 센서의 개발이 절실히 요구되고 있다.
한편, 이온 선택성 막전극 (Ion-Selective Membrane Electrodes, ISMEs) 또는 이온 선택성 전극 (Ion-Selective Electrodes, ISEs)은 전위차법 (Potentiometry)을 이용하여 이온을 측정하는 대표적인 이온 센서로, 전극에 장착된 이온 선택성 막이 특정 이온이나 분자와 결합했을 때 막 표면에 형성되는 전하 분리 (Charge separation)에 의해 발생되는 전위차를 측정하여 시료 내 함유된 이온을 정량하는 것이다. 특히 이온 선택성 막 전극은 특정 이온에 대한 선택성 (Selectivity)이 우수하고, 분석 시간이 짧고, 분석 비용이 저렴한 장점을 가지고 있어 식품 화학, 발효 공정, 환경 분석, 그리고 혈액투석 (Hemodialysis), 혈종 전해질 연속 자동 측정, 체외 순환 혈액 (Extracorporeal blood) 등의 임상 화학 (Clinical chemistry) 등 다양한 분야의 이온 종의 측정에 이용되고 있다.
본 발명은 혈중 다종 이온 농도 의 동시 측정이 가능한 이온 센서로서 전혈 (전처리를 하지 않은 혈액)을 이용하여 사용이 용이하고 수 분의 짧은 시간 내에 측정이 가능하며, 소형이고 가격 경쟁력이 있는 이온 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기판, 상기 기판 상에 평행하게 나열된 전극, 상기 전극 말단에 접합된 1종 이상의 작업 전극의 작동부 및 기준 전극의 작동부를 포함하며; 상기 작업 전극의 작동부는 내부 수화겔 층 및 상기 내부 수화겔 층 상에 형성된 이온 선택성 막을 포함하고; 상기 기준 전극의 작동부는 고농도의 염을 포함하는 수화겔 층 및 상기 수화겔 층 상에 수화겔 층의 일부가 드러나도록 형성된 막을 포함하는 다중 이온 농도 측정용 이온 센서를 제공한다.
바람직하게, 상기 전극은 은 (Ag) 또는 백금 (Pt) 중 1종 이상을 포함한다.
바람직하게, 상기 전극은 기판 상에 스크린 인쇄법 또는 스퍼터 방법 중 하나 이상의 방법으로 제작된다.
바람직하게, 상기 이온 선택성 막은 Ca2+, K+ 및 Na+를 포함하는 그룹에서 선택되는 이온에 대해 선택적으로 감응한다.
바람직하게, 상기 이온 선택성 막은 Ca2+, K+ 및 Na+로 이루어지는 그룹에서 이루어지는 1종 이온에 대한 선택성 물질; 및 폴리비닐클로라이드 (Poly(vinyl chloride), PVC), 폴리우레탄 (Polyurethane, PU) 및 실리콘 러버 (Silicone rubber, SR)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 지지체를 포함한다.
바람직하게, 상기 이온 선택성 막에는 추가적으로 비스(2-에틸헥실)아디페이트 (Bis(2-ethylhexyl)adipate, DOA), 비스(2-에틸헥실)세바케이트 (Bis(2-ethylhexyl)sebacate, DOS) 및 2-니트로페닐 옥틸 에테르 (2-Nitrophenyl octyl ether, NPOE)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 가소제 또는 포타슘 테트라키스(4-클로로페닐)보레이트 (Potassium tetrakis(4-chlorophenyl)borate, KTpClPB) 및 테트라도데실암모늄 테트라키스(4-크로로페닐)보레이트(Tetradodecylammonium tetrakis(4-chlorophenyl)borate, ETH500) 로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 첨가제가 포함된다.
바람직하게, 상기 이온 선택성 막의 내부 수화겔 층은 폴리비닐 알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 및 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinylpyrrolidone, PVP)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 고분자 및 NaCl, KCl 및 CaCl2로 이루어지는 그룹에서 선택되는 금속염을 포함한다.
바람직하게, 상기 기준 전극의 수화겔 층에는 폴리비닐 알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 및 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinylpyrrolidone, PVP)에서 선택되는 1종 이상의 고분자 및 1 M 이상의 금속염이 포함된다.
바람직하게, 상기 기준 전극의 고농도의 금속염은 KCl 이다.
바람직하게, 상기 기준 전극에 포함되는 막은 소수성 (Hydrophobic) 막이다.
바람직하게, 상기 소수성 막은 폴리우레탄 (Polyurethane, PU)을 포함한다.
바람직하게, 상기 이온 센서에는 작업 전극의 작동부 및 기준 전극 작동부 위로 시료 용액이 통과하는 수로 및 시료 용액이 공급되는 주입부가 포함될 수 있다.
바람직하게, 상기 이온 센서에서 작업 전극의 작동부 및 기준 전극 작동부를 제외한 영역은 시료 용액으로부터 차단된다.
바람직하게, 상기 시료 용액은 전혈 (Whole blood)이다.
본 발명에 의하면 혈중 다종 이온의 농도를 수 분의 짧은 시간 내에 동시에 바람직한 민감도로 재현성있게 측정하는 것이 가능하다. 또한 본 발명의 센서는 소형으로 휴대가 가능하며, 시료의 전처리 과정없이 전혈을 이용하여 현장에서 즉시 혈중 이온 농도를 측정하는 것을 가능하게 한다. 따라서 본 발명에 의하면 특히 가축의 사육 현장에서 생산 관리 및 질병 진단을 위한 경쟁력 있는 수단이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명 센서의 평면도이다.
도 2는 본 발명 센서에 포함되는 작업 전극의 단면도이다.
도 3은 본 발명 센서에 포함되는 기준 전극의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 센서가 탑재된 센서 카트리지이다.
도 5는 작업 전극의 성능을 평가하는 장치를 도시한 것이다.
도 6 내지 8은 본 발명의 센서에 포함되는 Ca2+, Na+ 및 K+ 이온 각각에 대한 작업 전극의 성능 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 센서에 포함되는 기준 전극의 성능 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명 센서의 성능을 평가하기 위한 흐름계 (Flowing system)를 도시한 것이다.
도 11은 흐름계를 이용하여 이온센서의 성능 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 센서 카트리지의 성능을 평가하는 장치를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 센서 카트리지의 성능 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 센서 카트리지를 이용하여 전혈을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 특정 이온만 선택적으로 감응을 하여 전위 변화를 발생시키는 이온 선택성 막을 이용하여 전위차법 (Potentiometry)으로 혈중 다종 이온의 농도를 수 분의 짧은 시간 내에 측정하는 이온 센서를 제공한다.
구체적으로 본 발명의 이온 센서는 기판, 상기 기판 상에 평행하게 나열된 전극, 상기 전극 말단에 접합된 1종 이상의 작업 전극의 작동부 및 기준 전극의 작동부를 포함하며; 상기 작업 전극의 작동부는 내부 수화겔 층 및 상기 내부 수화겔 층 상에 형성된 이온 선택성 막을 포함하고; 상기 기준 전극의 작동부는 고농도의 염을 포함하는 수화겔 층 및 상기 수화겔 층 상에 수화겔 층의 일부가 드러나도록 형성된 막을 포함한다.
상기 작업 전극의 작동부는 혈중 다중 이온들 각각에 선택적으로 감응하는 이온 선택성 막을 포함하여 막을 중심으로 전위차를 발생시키는데, 이온 선택성 막은 지지체 (Matrix), 이온 선택성 물질 (Ionophore), 가소제 (Plasticizer) 또는 친유성 첨가제 (Lipophilic additive)를 포함하는 조성물로부터 제조된다.
상기 지지체로는 폴리비닐클로라이드 (Poly(vinyl chloride), PVC), 폴리우레탄 (Polyurethane, PU) 또는 실리콘 러버 (Silicone rubber, SR)중 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 이온 선택성 물질은 측정하고자 하는 이온에 따라 선택되는 것인데, 예를 들면, Ca2+의 경우 ((-)(R,R)-N,N-비스-[11-(에톡시카보닐)운데실]-N,N,4,5-테트라메틸-3,6-디옥사옥탄-디아미드 ((-)(R,R)-N,N-Bis-[11-(ethoxycarbonyl)undecyl]-N,N,4,5-tetramethyl-3,6-dioxaoctanediamide, ETH1001), Na+의 경우 4-터트-부틸칼릭스[4]아렌-테트라아세트산 테트라에틸 에스테르 (4-tert-Butylcalix[4]arene-tetraacetic acid tetraethyl ester, calix[4]arene), K+의 경우 발리노마이신 (Valinomycin)을 사용할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것이 아니라 측정하고자 하는 이온에 대한 높은 감응성을 나타내는 즉, 이온과 선택적으로 결합하여 전하 분리를 일으키는 것이라면 제한없이 사용 가능하다.
나아가, 본 발명에서는 일 실시예로서 작업 전극의 작동부가 Ca2+, K+ 또는 Na+ 에 대한 이온 선택성 막을 포함하는 경우를 보이지만, 그 외 혈액 속에 포함된 이온 농도를 측정하기 위한 이온 선택성 막도 제한없이 본 발명의 작업 전극의 작동부에 포함될 수 있다.
다음으로 이온 선택성 막은 높은 막 저항으로 인하여 신호 안정성이 떨어지는 문제를 해결하기 위하여 가소제를 포함할 수 있는데, 이는 특히 지지체로 실리콘 러버를 사용하는 경우에 바람직하게 요구된다. 가소제로는 이에 제한되는 것은 아니나, 예로서 비스(2-에틸헥실)아디페이트 (Bis(2-ethylhexyl)adipate, DOA), 비스(2-에틸헥실)세바케이트 (Bis(2-ethylhexyl)sebacate, DOS) 및 2-니트로페닐 옥틸 에테르 (2-Nitrophenyl octyl ether, NPOE) 중 1종 이상을 사용할 수 있다.
또한 이온 선택성 막에는 추가적으로 이온 교환자리를 제공하는 친유성 첨가제가 포함될 수 있다. 첨가제로는 이에 제한되는 것은 아니나, 예로서 포타슘 테트라키스(4-클로로헥실)보레이트 (Potassium tetrakis(4-chlorohenyl)borate, KTpClPB) 또는 테트라도데실암모늄 테트라키스(4-클로로페닐)보레이트 (Tetradodecylammonium tetrakis(4-chlorophenyl)borate, ETH500)를 사용할 수 있다.
이온 선택성 막 제조를 위한 조성물 및 제조방법은 하기 실시예에 기재된 바와 같이 제조될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이온 선택성 막은 내부 수화겔 층 상에 형성된다. 내부 수화겔 층은 이온 선택성 막과 금속재질의 전극간에 안정한 전위 값을 주기 위하여 사용되며 금속염 및 고분자 수화겔을 포함한다. 상기 고분자 수화겔로는 폴리비닐 알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinylpyrrolidone, PVP) 중 1종 이상을 사용할 수 있고, 금속염으로는 클로라이드 (Cl)염을 사용할 수 있다. 즉 Na+ 의 경우 NaCl, K+의 경우 KCl, Ca2+의 경우 CaCl2을 사용할 수 있다.
다음으로 기준 전극의 작동부는 고농도의 염을 포함하는 수화겔 층 및 상기 수화겔 층 상에 수화겔 층의 일부가 드러나도록 형성된 막을 포함하는 이른바 open-junction 구조이다. Open-junction 구조에서는 일부 드러난 수화겔 층으로부터 센서의 감응 시간 동안 이온의 유출이 발생하더라도 염이 포화상태를 유지하고 있기 때문에 전위 변화가 일어나지 않도록 고농도의 염을 포함시킨다. 이러한 고농도의 염으로는, 예를 들어 1 M 이상의, 더욱 바람직하게는 3 M의 농도를 갖는 염을 도입하여 염의 포화된 상태가 유지되도록 한다. 고농도 염의 예로는 KCl을 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 수화겔로는 폴리비닐 알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA) 및 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinylpyrrolidone, PVP) 중 1종 이상으로부터 형성되는 것을 사용할 수 있다.
수화겔 층 위로는 수화겔 층의 일부가 노출되도록 막 (Membrane)을 형성한다. 이러한 막으로는 소수성 (Hydrophobic) 막을 사용하여 수화겔 층으로부터의 이온 유출을 막는데, 예로서 이에 한정되는 것은 아니나, 폴리우레탄 (Polyurethane, PU)을 사용할 수 있다.
상기와 같은 open-junction 형태의 기준 전극은 1 이상의 작업 전극과 함께 기판 상에 장착될 때 수화겔 내의 포화상태가 유지되는 동안 이온종들에 대한 비감응성이 지속되며 초기 안정화 시간이 빠른 장점을 갖는다.
본 발명의 센서는 도 1에 도시된 바와 같이 기판 상에 1 이상의 작업 전극의 작동부 및 기준 전극 작동부를 포함하며, 상기 작업 전극의 작동부 및 기준 전극 작동부 각각은 기판 상에 평행으로 나열된 전극의 말단과 접합된 구조를 갖는다.
도 2 및 3은 본 발명의 센서에 포함되는 작업 전극 및 기준 전극의 단면도로서 기판 상에서 작업 전극 작동부 및 기준 전극 작동부와 전극이 접합된 구조를 보여준다. 도 2의 상기 작업 전극의 작동부는 내부 수화겔 층 및 상기 내부 수화겔 층 상에 형성된 이온 선택성 막을 포함한다. 또한 도 3의 기준 전극의 작동부는 고농도의 염을 포함하는 수화겔 층 및 상기 수화겔 층 상에 수화겔 층의 일부가 드러나도록 형성된 막을 포함하는 open-junction 형태이다.
상기 전극으로는 이에 제한되는 것은 아니나 은 (Ag) 또는 백금 (Pt) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한 상기 전극은 기판 상에 스크린 인쇄 방법 또는 스퍼터 방법 중 하나 이상의 방법을 선택하여 제작될 수 있다.
도 4는 본 발명 센서의 일 실시예로서 카트리지 형태의 센서 (또는 센서 카트리지)를 도시한 것이다. 이를 보면, 본 발명의 센서는 작업 전극 작동부 및 기준 전극 작동부 위로 시료 용액이 통과하도록 형성된 수로 및 시료 용액이 공급되는 주입부를 포함한다. 따라서 센서는 작업 전극 작동부 및 기준 전극 작동부를 통해 시료 용액과 접촉되며, 작업 전극의 작동부 및 기준 전극의 작동부를 제외한 영역은 시료 용액으로부터 차단되는 구조이다. 이러한 구조는 센서 카트리지로 측정 기기에 장착되어 혈중 이온 농도를 측정할 수 있는 수단이 된다.
또한 본 발명의 센서는 전처리 과정을 거치지 않은 혈액을 그대로 시료로 사용할 수 있다. 따라서 본 발명 센서의 시료 용액은 바람직하게 전혈이다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 이는 발명의 이해를 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것으로 여겨져서는 안된다.
실시예
1. 작업 전극의 제조 및 성능 평가
Na+, K+, 및 Ca2+ 각각의 이온 선택성 막을 포함하는 작업 전극을 제조하기 위하여 하기 표 1과 같은 조성을 갖는 이온 선택성 막 용액을 제조하였다.
Figure 112016102490344-pat00001
상기 용액으로부터 제조된 이온 선택성 막을 갖는 작업 전극을 제조하기 위하여 실리콘 기판 위 전극 Ag에 0.3 M FeCl3 용액을 적하하고 10분간 반응시켜 Ag/AgCl을 형성하였다. 그 위에 내부 수화겔 층을 형성하기 위하여 Na+ 작업 전극의 경우 1 M NaCl + 4 wt% poly(vinyl alcohol) (PVA), K+ 작업 전극의 경우 0.1 M KCl + 4 wt% PVA, Ca2+ 작업 전극의 경우 0.1 M CaCl2 + 4 wt% PVA 의 조성을 갖는 내부 수화겔을 ultra 2400 series (EFD, England) 용액 토출기 (디스펜서)를 이용하여 Ag/AgCl 위에 적하하여 내부 수화겔 층을 형성시켰다. 그 위에 Ca2+, K+ 및 Na+ 이온 선택성 막 제작을 위하여 표 1의 조성으로 이온 선택성 막을 제조하였으며, ultra 2400 series (EFD, England) 용액 토출기 (디스펜서)를 이용하여 캐스팅 한 뒤, 실온에서 12시간 건조하여 작업 전극을 제작하였다.
이렇게 제조된 작업 전극의 성능을 평가하기 위하여 도 5에 도시된 장치를 사용하였다. 0.05 M Tris-H2SO4 (pH 7.4) 용액에 10-6 M ~ 10-1 M이 되게 (NaCl의 경우 3 × 10-1 M 까지) 목적 이온의 표준용액을 주입해 성능을 평가하고, 방해 이온의 농도 또한 10-6 M ~ 10-1 M이 되게 (NaCl의 경우 3 × 10-1 M 까지) 표준용액을 주입하여 성능을 평가한 후, 방해 이온에 대한 선택 계수 (Selectivity coefficient)를 분리 용액법 1으로 계산하였다. 선택 계수 계산을 위하여 하기 식 1을 이용하였다.
Figure 112016102490344-pat00002
(1)
그 결과를 도 6 내지 8에 나타내었다.
이를 보면, Na+, K+, 및 Ca2+ 이온 모두에서 다른 이온종의 존재에 대해 높은 선택성을 보였으며, 시료 용액의 농도에 따라 감응하는 결과가 나타났다. 또한 지지체로 PVC를 사용하는 경우에 감응 기울기, 감응 한계, 선택성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
2. 기준 전극의 제조 및 성능 평가
세라믹 기판 위 전극 Ag에 0.3 M FeCl3 용액을 적하하고 10분간 반응시켜 Ag/AgCl을 형성하였다. 그 위에 6 wt%의 PVP와 3 M KCl을 섞은 용액을 적하시키고, 10분 간 건조하여 수화겔층을 형성시켰다. 다음으로 33 mg의 폴리우레탄과 0.45 mL의 THF를 섞은 용액을 상기 수화겔 층 상에 수화겔 층의 일부가 드러나도록 투여하고 12 시간 건조하여 기준 전극을 제조하였다.
이렇게 제조된 기준 전극의 성능을 평가하기 위하여 Orion사 기준전극을 사용하여 0.05 M Tris-H2SO4 (pH 7.4) 용액에 10-6 M ~ 10-1 M이 되게 (NaCl의 경우 3 × 10-1 M 까지) 표준용액을 주입하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
이를 보면, 이온의 임상학적 농도 범위로 알려져 있는 K+ : 3.5 ~ 4.9 mM, Na+ : 138 ~ 146 mM, Ca2+ : 1.12 ~ 1.32 mM 및 salicylate : < ~ 1.44 mM에서 주입한 이온에 대한 감응성이 나타나지 않아 전혈 분석에 용이함을 알 수 있다.
3. 이온 센서의 제조 및 성능 평가
도 1과 같은 구조의 센서를 제작하기 위하여 실리콘 기판 위에 4개의 Ag 전극을 평행으로 배열하였다. 상기 Ag 위에 0.3 M FeCl3 용액을 적하하고 10분간 반응시켜 Ag/AgCl을 형성하였다.
다음으로 상기 4개의 Ag/AgCl 중 3개의 Ag/AgCl 말단에는 상기 항목 1.에서와 같은 방법으로 3 종 이온의 작업 전극을 형성하였고, 나머지 1개의 Ag/AgCl 말단에는 상기 항목 2.에서와 같은 방법으로 기준 전극을 형성하였다.
이렇게 제조된 센서의 성능을 평가하기 위하여 도 10에 도시된 바와 같은 장치를 사용하였다. 센서 크기에 맞는 흐름셀 (Flowing cell)에 센서를 삽입 후, 주사기를 이용하여 검정 용액 1과 검정 용액 2를 주입한 뒤 시료 용액을 주입하여 측정하는 2점 검정 (2-point calibration) 방법을 사용하였다. 검정 용액 1의 이온 농도는 Na+: 145 mM, K+: 4 mM, Ca2+: 1.25 mM 이며 검정 용액 2의 이온 농도는 Na+: 20 mM, K+: 40 mM, Ca2+: 5 mM 이다. 10 mM의 K+ 이온과 130 mM의 Na+ 이온 및 2 mM의 Ca2+ 이온을 0.05 M Tris-H2SO4 (pH 7.4) 바탕 용액에 포함하여 시료 용액 (Sample 1)을 제조해 센서의 감응을 확인하였다.
측정의 정확성을 판단하기 위해 하기 식 2를 이용하였다.
Figure 112016102490344-pat00003
(2)
결과를 도 11에 나타내었다.
흐름계에서 2점 검정 방법으로 측정할 때, 100초 이내에 안정화를 이루어 목적하고자 하는 이온 농도의 측정이 가능함을 보여주었다. 또한 각 이온종에서 58.82 mV/dec. (K+), 55.38 mV/dec. (Na+), 31.53 mV/dec. (Ca2+)의 감응성을 보여주었다. 나아가, 시료 용액의 농도를 검정 곡선에 대비할 때 오차가 10 % 미만으로 나타났다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제조된 센서에서 작업 전극의 작동부 및 기준 전극 작동부 위로 시료 용액의 수로가 형성된 카트리지 형태의 센서 (또는 센서 카트리지)를 제작하였다. 그런 다음 도 12에 도시된 바와 같은 장치를 사용하여 센서의 성능을 평가하였다. 검정 용액은 흐름계에서 사용한 것과 동일한 것을 사용하였으며, 20 mM의 K+ 이온과 130 mM의 Na+ 이온 및 2 mM의 Ca2+ 이온을 0.05 M Tris-H2SO4 (pH 7.4) 바탕 용액에 포함하여 시료 용액 (Sample 2)을 제조하였고, 상기 2점 검정 방법을 사용하여 센서의 감응을 확인하였다.
결과를 도 13에 나타내었다.
센서 카트리지의 경우에도 100초 이내에 안정화를 이루어 목적하고자 하는 이온 농도의 측정이 가능하였으며, 각 이온종에서 50.59 mV/dec. (K+), 56.45 mV/dec. (Na+), 29.35 mV/dec. (Ca2+)의 감응성을 보여주었다. 나아가 시료 용액의 농도를 검정 곡선에 대비할 때 오차가 10 % 미만으로 나타났다.
다음으로 상기 센서 카트리지에 대해 전혈 (전처리하지 않은 혈액)중의 이온 농도를 도 12에 도시된 바와 같은 장치를 사용하여 측정하였다. 혈액으로는 젖소의 혈액을 사용하였고, 측정 결과를 비교하기 위하여 상용화된 Radiometer 사의 혈중 이온 농도 측정기 ABL 80에 동일 전혈을 측정하였다. 결과를 도 14에 나타내었다.
이로부터, ABL 80 측정 결과와 센서 카트리지 결과를 비교할 때 본 발명의 센서가 수 분의 짧은 시간내에 10 % 이내의 % Error, 특히 K+ 및 Ca2+의 경우 5% 이내의 에러 범위로 매우 정확하게 전혈 중의 이온 농도를 동시에 측정할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (14)

  1. 기판, 상기 기판 상에 평행하게 나열된 전극, 상기 전극 말단에 접합된 1종 이상의 작업 전극의 작동부 및 기준 전극 작동부를 포함하며;
    상기 작업 전극의 작동부는 내부 수화겔 층 및 상기 내부 수화겔 층 상에 형성된 이온 선택성 막을 포함하고;
    상기 기준 전극의 작동부는 고농도의 염을 포함하는 수화겔 층 및 상기 수화겔 층 상에 수화겔 층의 일부가 드러나도록 형성된 막을 포함하며;
    상기 내부 수화겔은 0.1~1 M 농도의 작업 전극 작동부에서 측정하고자 하는 이온의 염을 포함하는 혈중 다종 이온 농도 측정용 이온 센서.
  2. 제 1 항에서,
    상기 전극은 은(Ag) 또는 백금(Pt)중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  3. 제 1 항에서,
    상기 전극은 기판 상에 스크린 인쇄법 또는 스퍼터 방법 중 하나 이상의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  4. 제 1 항에서,
    상기 이온 선택성 막은 Ca2+, K+ 및 Na+를 포함하는 그룹에서 선택되는 이온에 대해 선택적으로 감응하는 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  5. 제 1 항에서,
    상기 이온 선택성 막은 Ca2+, K+ 및 Na+로 이루어지는 그룹에서 이루어지는 1종 이온에 대한 선택성 물질; 및 폴리비닐클로라이드 (Poly(vinyl chloride), PVC), 폴리우레탄 (Polyurethane, PU) 및 실리콘 러버 (Silicone rubber, SR)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  6. 제 1 항에서,
    상기 이온 선택성 막에는 추가적으로 비스(2-에틸헥실)아디페이트 (Bis(2-ethylhexyl)adipate, DOA), 비스(2-에틸헥실)세바케이트 (Bis(2-ethylhexyl)sebacate, DOS) 및 2-니트로페닐 옥틸 에테르 (2-Nitrophenyl octyl ether, NPOE)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 가소제 또는 포타슘 테트라키스(4-클로로헥실)보레이트 (Potassium tetrakis(4-chlorohenyl)borate, KTpClPB) 및 테트라도데실암모늄 테트라키스(4-클로로페닐)보레이트 (Tetradodecylammonium tetrakis(4-chlorophenyl)borate, ETH500)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 첨가제가 포함되는 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  7. 제 1 항에서,
    상기 이온 선택성 막의 내부 수화겔 층은 폴리비닐 알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinylpyrrolidone, PVP)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 고분자 및 NaCl, KCl 및 CaCl2으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 금속염을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  8. 제 1 항에서,
    상기 기준 전극의 수화겔 층에는 폴리비닐 알콜 (Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐피롤리돈 (Polyvinylpyrrolidone, PVP)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종 이상의 고분자 및 1 M 이상의 금속염이 포함되는 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  9. 제 8 항에서,
    상기 기준 전극의 금속염은 KCl인 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  10. 제 1 항에서,
    상기 기준 전극에 포함되는 막은 소수성 (Hydrophobic) 막인 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  11. 제 10 항에서,
    상기 소수성 막은 폴리우레탄 (Polyurethane, PU)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  12. 제 1 항에서,
    상기 이온 센서는 작업 전극의 작동부 및 기준 전극 작동부 위로 시료 용액이 통과하는 수로 및 시료 용액이 공급되는 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  13. 제 1 항에서,
    상기 이온 센서에서 작업 전극의 작동부 및 기준 전극 작동부를 제외한 영역은 시료 용액으로부터 차단되는 것을 특징으로 하는 이온 센서.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에서,
    상기 시료 용액은 전혈 (Whole blood)인 것을 특징으로 하는 이온 센서.
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