KR102247666B1 - 전기화학식 바이오센서 - Google Patents

전기화학식 바이오센서 Download PDF

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Abstract

본 개시에서는, i) 낮은 분석대상물 농도를 정량적으로 검출하기에 충분한 감도; 및 ii) 분석대상물의 존재를 선택적으로 판별할 수 있는 우수한 선택성;을 갖는 개선된 바이오센서를 제공한다.

Description

전기화학식 바이오센서 {An electrochemical biosensor}
본 개시는 바이오센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 개시는 전기화학식 바이오센서에 관한 것이다.
바이오센서는 생물학적 분석대상물(biological analyte)의 농도 또는 존재를 측정하는 분석 센서(analytical sensor)이다. 생물학적 분석대상물은, 예를 들면, 글루코스, 콜레스테롤, 락테이트, 크레아티닌, 단백질, 과산화수소, 알코올, 아미노산, GPT(glutamic-pyruvic transaminase), GOT(glutamic-oxaloacetic transaminase), 등일 수 있다. 전기화학식 바이오센서는 분석대상물의 전기화학적 산화 또는 환원에서 발생하는 전자(electron)의 흐름(즉, 전류) 또는 존재(즉, 전압)를 검출한다.
혈당 센서는 바이오센서의 대표적인 일 예이다. 혈당 센서는 통상적으로, 포도당 산화 효소(GOD; Glucose Oxidase) 또는 포도당 탈수소 효소(Glucose Dehydrase)를 포함하는 검출 시약층(detecting reagent layer)을 구비한다. 손가락 끝에서 채혈된 한 방울의 혈액을 검출 시약층에 떨어뜨리면, 포도당 산화 효소는 혈액 중의 포도당을 선택적으로 산화한다. 혈당 센서는, 이러한 산화 과정에서 발생하는 산화 전류(oxidizing current)의 세기를 측정하여 혈액 중의 포도당 농도를 결정한다.
반복적인 혈당 측정이 요구되는 경우, 측정대상자(subject)는 반복적인 채혈의 고통을 겪는다. 그에 따라, 채혈을 요구하지 않는 비침습형 혈당 센서(noninvasive glucose sensor)가 요구되고 있다. 예를 들면, 측정대상자가 체외로 분비하는 체액(예를 들어, 땀) 중의 포도당 농도를 측정할 수 있는 비침습형 혈당 센서가 고려될 수 있다. 체액 중의 포도당 농도는 매우 낮기 때문에, 비침습형 혈당 센서는 상대적으로 높은 감도를 가질 것이 요구된다.
전기화학식 바이오센서는, 효소를 포함하는 검출시약층을 구비하는 효소형 센서(enzymatic sensor) 및 그러한 검출시약층을 구비하지 않는 비효소형 센서(non-enzymatic sensor)로 구분될 수 있다. 효소형 센서는 포도당에 대한 선택성이 우수하다. 그러나, 효소형 센서는 낮은 포도당 농도를 정량적으로 검출하기에 충분한 감도를 발휘할 수 없다. 반면에, 비효소형 센서는 낮은 포도당 농도를 정량적으로 검출하기에 충분한 감도를 발휘할 수 있다. 그러나, 비효소형 센서는 포도당에 대한 선택성이 낮다.
비효소형 센서의 선택성을 개선하기 위하여, 비효소형 센서의 전극에 기능막을 코팅하는 것이 시도되고 있다. 기능막은 비분석대상물이 작동 전극에 접촉하는 것을 차단하는 기능을 갖도록 의도된 것이다. 기능막으로서는, 예를 들면, PVDF(polyvinylidenefluoride), 키토산(chitosan), 폴리우레탄(polyurethane), 나피온(Nafion), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine: PEI), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 또는 이들의 조합이 사용된다. 기능막은 포도당 및 과당 보다 큰 분자량을 갖는 상당수의 비분석대상물이 작동 전극과 접촉하는 것을 차단할 수 있다. 그러나, 과당은 포도당과 동일한 분자량, 유사한 구조 및 유사한 특성을 갖고 있어서, 기능막을 사용하더라도 과당의 신호를 배제하기가 어렵다. 따라서, 여전히 비효소형 센서는 포도당에 대한 우수한 선택성을 갖기가 어렵다.
따라서, i) 낮은 분석대상물 농도를 정량적으로 검출하기에 충분한 감도; 및 ii) 분석대상물의 존재를 선택적으로 판별할 수 있는 우수한 선택성;을 갖는 개선된 바이오센서가 요구되고 있다.
본 개시에서는, i) 낮은 분석대상물 농도를 정량적으로 검출하기에 충분한 감도; 및 ii) 분석대상물의 존재를 선택적으로 판별할 수 있는 우수한 선택성;을 갖는 개선된 바이오센서를 제공한다.
본 개시의 일 측면에 따라 제공되는 바이오센서의 일 구현예는,
서로 이격되어 있는 제1 작동 전극 및 제1 상대 전극을 포함하는 제1 센서부;
서로 이격되어 있는 제2 작동 전극 및 제2 상대 전극을 포함하는 제2 센서부로서, 상기 제2 작동 전극의 표면에 효소를 포함하는 검출시약층이 피복되어 있는 제2 센서부; 및
상기 제1 센서부로부터 제1 검출신호를 입력받고 상기 제2 센서부로부터 제2 검출신호를 입력받는 제어부로서, 상기 제1 검출신호에 대응하는 정량 분석 값과 상기 제2 검출신호에 대응하는 정성 분석 값을 출력하는 제어부;를 포함한다.
본 개시의 바이오센서는 i) 낮은 분석대상물 농도를 정량적으로 검출하기에 충분한 감도; 및 ii) 분석대상물의 존재를 선택적으로 판별할 수 있는 우수한 선택성;을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 개시의 바이오센서의 일 구현예를 도식적으로 보여주는 다이아그램이다.
이하에서는, 도 1을 참조하여 본 개시의 일 측면에 따라 제공되는 바이오센서의 일 구현예를 더욱 상세하게 설명한다. 도 1은 본 개시의 바이오센서의 일 구현예를 도식적으로 보여주는 다이아그램이다.
제1 센서부(100)는 제1 작동 전극(110) 및 제1 상대 전극(120)을 포함한다. 제1 작동 전극(110) 및 제1 상대 전극(120)은 서로 이격되어 있다. 제1 작동 전극(110)의 표면에는 효소를 포함하는 검출시약층이 피복되어 있지 않다. 그에 따라, 제1 센서부(100)는 비효소형이다. 제1 작동 전극(110)과 제1 상대 전극(120)의 사이에는, 시료 중의 분석대상물의 산화에 적합한 전압이 인가된다. 일정량의 시료가 제1 작동 전극(110) 및 제1 상대 전극(120)과 동시에 접촉하도록, 일정량의 시료를 제1 센서부(100) 위에 떨어뜨리면, 제1 작동 전극(110)은 시료 중의 분석대상물을 산화시킨다. 분석대상물의 산화는 산화 전류를 발생시킨다. 그에 따라, 제1 센서부(100)는 이러한 산화 전류를 제1 검출신호로서 제어부(300)로 출력할 수 있다. 제1 센서부(100)는 비효소형이기 때문에, 시료 중의 분석대상물의 농도가 낮은 경우에도, 분석대상물의 농도에 따라 구분가능하게 변화하는 제1 검출신호를 출력할 수 있다.
주목할 점은, 제1 센서부(100)는 비효소형이기 때문에, 분석대상물의 산화전위와 유사한 산화전위를 갖는 비분석대상물이 시료 중에 존재하는 경우에는, 분석대상물 뿐만 아니라 비분석대상물도 산화시킬 수 있다. 이 경우, 제1 센서부(100)로부터 출력되는 제1 검출신호는 산화된 분석대상물의 양 및 산화된 비분석대상물의 양의 합에 상응하는 세기를 가질 수 있다. 그에 따라, 이 경우, 제1 센서부(100)는 실제보다 과장된 분석대상물의 양을 나타내게 된다. 따라서, 본 개시에서는, 제1 센서부(100)가 실제보다 과장된 분석대상물의 양을 나타내는지의 여부를 모니터링하기 위하여, 효소형인 제2 센서부(200)를 함께 사용한다.
제2 센서부(200)는 제2 작동 전극(210) 및 제2 상대 전극(220)을 포함한다. 제2 작동 전극(210) 및 제2 상대 전극(220)은 서로 이격되어 있다. 제2 작동 전극(210)의 표면에는 효소를 포함하는 검출시약층(215)이 피복되어 있다. 그에 따라, 제2 센서부(200)는 효소형이다. 제2 작동 전극(210)과 제2 상대 전극(220)의 사이에는, 시료 중의 분석대상물의 산화에 적합한 전압이 인가된다. 일정량의 시료가 제2 작동 전극(210) 및 제2 상대 전극(220)과 동시에 접촉하도록, 일정량의 시료를 제2 센서부(200) 위에 떨어뜨리면, 제2 작동 전극(210)의 표면에 피복된 검출시약층 중의 효소는 시료 중에 존재하는 분석대상물 만을 산화시킨다. 분석대상물의 산화는 산화 전류를 발생시킨다. 그에 따라, 제2 센서부(200)는 이러한 산화 전류를 제2 검출신호로서 제어부(300)로 출력할 수 있다. 제2 센서부(200)는 효소형이기 때문에, 시료 중의 분석대상물의 농도가 낮은 경우에는, 분석대상물의 농도에 따라 구분가능하게 변화하는 검출신호를 출력하기가 어렵다. 그러나, 제2 센서부(200)로부터 출력되는 제2 검출신호는 분석대상물의 존재 여부 및 분석대상물의 증감 여부를 확인하는 데는 충분한 세기를 갖는다.
분석대상물의 산화전위와 유사한 산화전위를 갖는 비분석대상물이 시료 중에 존재하는 경우에도, 제2 센서부(200)는 분석대상물 만을 산화시키며, 비분석대상물은 산화시키지 않는다. 그에 따라, 제2 센서부(200)로부터 출력되는 제2 검출신호는 분석대상물의 존재 여부 및 분석 대상물의 증감 여부를 대표할 수 있다.
제어부(300)는 제1 센서부(100)로부터 제1 검출신호를 입력받고 제2 센서부(200)로부터 제2 검출신호를 입력받는다. 또한, 제어부(300)는 제1 검출신호에 대응하는 정량 분석 값과 제2 검출신호에 대응하는 정성 분석 값을 출력한다. 제1 검출신호에 대응하는 정량 분석 값은 분석대상물의 농도의 절대치를 의미한다. 제2 검출신호에 대응하는 정성 분석 값은 분석대상물의 존재 여부 또는 분석대상물의 증감 여부를 의미한다. 예를 들어, 제2 검출신호에 대응하는 정성 분석 값은 "부존재", "존재", "감소", "유지" 또는 "증가"일 수 있다. "부존재" 및 "존재"는 측정 실행 횟수에 무관한 값이다. "감소", "유지" 및 "증가"는 이전 측정 실행과 연관된 값이다.
사용자는, 제어부(300)가 정성 분석 값으로서 "부존재"를 출력하는 경우, 제어부(300)가 출력하는 임의의 정량 분석 값을 무시할 수 있다; 제어부(300)가 정성 분석 값으로서 "존재" 및 "감소"를 출력하는 경우, 제어부(300)가 출력하는 임의의 유지 및 증가된 정량 분석 값을 무시할 수 있다; 제어부(300)가 정성 분석 값으로서 "존재" 및 "유지"를 출력하는 경우, 제어부(300)가 출력하는 임의의 감소 및 증가된 정량 분석 값을 무시할 수 있다; 제어부(300)가 정성 분석 값으로서 "존재" 및 "증가"를 출력하는 경우, 제어부(300)가 출력하는 임의의 유지 및 감소된 정량 분석 값을 무시할 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 제어부(300)는 정성 분석 값이 "부존재"이면, "0"의 정량 분석 값을 출력할 수 있다; 정성 분석 값이 "존재" 및 "감소"이고 정량 분석 값이 이전 측정 실행보다 유지 또는 증가된 경우, 정량 분석 값을 출력하지 않을 수 있다; 정성 분석 값이 "존재" 및 "유지"이고 정량 분석 값이 이전 측정 실행보다 감소 또는 증가된 경우, 정량 분석 값을 출력하지 않을 수 있다; 정성 분석 값이 "존재" 및 "증가"이고 정량 분석 값이 이전 측정 실행보다 감소 또는 유지된 경우, 정량 분석 값을 출력하지 않을 수 있다. 이들의 경우, 제어부(300)는 정량 분석 값 대신에 검출 불능 정보를 출력할 수 있다.
또 다른, 구현예에 있어서, 제2 검출신호에 대응하는 정성 분석 값은 이전 측정 실행에서 얻은 제2 검출신호의 세기 대비 현재 측정 실행에서 얻은 제2 검출신호의 세기의 비율일 수 있다. 이 경우, 제어부(300)는 이전 측정 실행에서 얻은 정량 분석 값과 정성 분석 값의 곱을 현재 측정의 정량 분석 값으로서 출력할 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 제1 작동 전극(110)은, 예를 들면, 백금(Pt),금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 망간(Mn), 이들의 합금, 이들의 산화물, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 또는 이들의 조합일 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 제1 작동 전극(110)의 표면은 보호막으로 피복될 수 있다. 보호막은 제1 작동 전극(110)의 내구성, 선택성 또는 이들의 조합을 강화시킬 수 있다. 보호막은, 예를 들면, PVDF(polyvinylidenefluoride), 키토산(chitosan), 폴리우레탄(polyurethane), 나피온(Nafion), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine: PEI), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 또는 이들의 조합일 수 있다. 보호막은 비분석대상물이 제1 작동 전극(110)과 접촉하는 것을 차단할 수 있다.
제2 작동 전극(210)의 표면에 피복된 검출시약층(미도시)은 효소를 포함한다. 효소는, 비제한적인 예를 들면, 글루코스 산화 효소, 글루코스 탈수소화 효소, 콜레스테롤 산화 효소, 콜레스테롤 에스테르화 효소, 락테이트 산화 효소, 아스코르브산 산화 효소, 알코올 산화 효소, 알코올 탈수소화 효소, 빌리루빈 산화효소, 또는 당 탈수소화 효소일 수 있다. 제2 작동 전극(210)의 표면에 피복된 검출시약층(미도시)은 조효소를 더 포함할 수 있다. 조효소는, 예를 들면, FAD(flavin adenine dinucleotide) 또는 NAD(nicotinamide adenine dinucleotide)일 수 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 제2 센서부(200)는 전압식일 수 있다. 그에 따라, 제2 검출 신호는 전압일 수 있다. 예를 들어, 전압식 포도당 측정에 있어서, 효소로서는 포도당 산화효소(GOD)만을 사용할 수 있다. 산소가 참여하는 포도당 산화반응에 있어서, 조효소가 없을 경우, 첫 번째 전자 수용체는 산소가 되어 과산화수소를 생성한다. 결과적으로 산화반응의 결과물인 글루콘산에 의한 pH 변화를 측정함으로써, 전압 형태의 제2 검출 신호를 얻을 수 있다. 포도당 탈수소효소(GDH) 만을 사용하는 경우에는, 수소이온의 발생으로 글루콘산을 검출할 수 없게 되어 전압측정법 혈당센서로 사용이 불가능하다. 전압식의 경우, 제2 작동 전극(210)의 면적이 작더라도 측정이 가능하다. 그에 따라, 바이오센서의 소형화가 가능하다. 반면에, 전류식의 경우에는, 제2 작동 전극(210)의 면적이 커야 하므로, 바이오센서의 소형화에 불리하다.

Claims (13)

  1. 서로 이격되어 있는 제1 작동 전극 및 제1 상대 전극을 포함하는 제1 센서부;
    서로 이격되어 있는 제2 작동 전극 및 제2 상대 전극을 포함하는 제2 센서부로서, 상기 제2 작동 전극의 표면에 효소를 포함하는 검출시약층이 피복되어 있는 제2 센서부; 및
    상기 제1 센서부로부터 제1 검출신호를 입력받고 상기 제2 센서부로부터 제2 검출신호를 입력받는 제어부;를 포함하는 바이오센서를 작동시키기 위한 바이오 센서 작동 방법으로서,
    상기 바이오센서 작동 방법은 상기 제어부에 의해 상기 제1 검출신호에 대응하는 글루코스 농도의 절대치와 상기 제2 검출신호에 대응하는 글루코스의 정성 분석 값을 출력하는 단계를 포함하고,
    상기 효소는 글루코스 산화 효소 또는 글루코스 탈수소화 효소인,
    바이오센서 작동 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 정성 분석 값은 "부존재", "존재", "감소", "유지" 또는 "증가"인 것을 특징으로 하는 바이오센서 작동 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 정성 분석 값이 "존재" 및 "감소"이고 상기 글루코스 농도의 절대치가 이전 측정 실행보다 유지 또는 증가하거나; 상기 정성 분석 값이 "존재" 및 "유지"이고 상기 글루코스 농도의 절대치가 이전 측정 실행보다 감소 또는 증가하거나; 상기 정성 분석 값이 "존재" 및 "증가"이고 상기 글루코스 농도의 절대치가 이전 측정 실행보다 감소 또는 유지된 경우, 검출 불능 정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 작동 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 정성 분석 값은 이전 측정 실행에서 얻은 제2 검출신호의 세기 대비 현재 측정 실행에서 얻은 제2 검출신호의 세기의 비율인 것을 특징으로 하는 바이오센서 작동 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어부는 이전 측정 실행에서 얻은 글루코스 농도의 절대치와 상기 정성 분석 값의 곱을 현재 측정의 상기 글루코스 농도의 절대치로서 출력하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 작동 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 작동 전극은, 백금(Pt),금(Au), 은(Ag), 철(Fe), 구리(Cu), 코발트(Co), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 망간(Mn), 이들의 합금, 이들의 산화물, 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 바이오센서 작동 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 작동 전극의 표면은 보호막으로 피복되는 것을 특징으로 하는 바이오센서 작동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 보호막은 PVDF(polyvinylidenefluoride), 키토산(chitosan), 폴리우레탄(polyurethane), 나피온(Nafion), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine: PEI), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 바이오센서 작동 방법.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 검출시약층은 조효소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서 작동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 조효소는 FAD(flavin adenine dinucleotide) 또는 NAD(nicotinamide adenine dinucleotide)인 것을 특징으로 하는 바이오센서 작동 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 센서부는 전압식인 것을 특징으로 하는 바이오센서 작동 방법.
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