KR102314267B1 - Impurity blocking layer containing porous nano-silica complex for penetrating selectively glucose and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 글루코스를 선택적으로 투과시키는 불순물 차단층을 갖는 글루코스 바이오센서에 대한 것이다.The present invention relates to a glucose biosensor having an impurity blocking layer that selectively transmits glucose.

Description

나노 다공성 실리카 고정 복합체를 포함하는 글루코즈 선택적 투과 불순물 차단층 및 이의 제조 방법{IMPURITY BLOCKING LAYER CONTAINING POROUS NANO-SILICA COMPLEX FOR PENETRATING SELECTIVELY GLUCOSE AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}Glucose selective permeation impurity blocking layer comprising nano-porous silica-fixed composite and manufacturing method thereof

본 발명은 글루코스를 선택적으로 투과시키는 불순물 차단층을 갖는 글루코스 바이오센서에 대한 것이다.The present invention relates to a glucose biosensor having an impurity blocking layer that selectively transmits glucose.

당뇨병은 체내에 흡수된 글루코스를 제대로 사용하지 못하는 부적절한 탄수화물 대사로 인하여 발생하며, 혈액 내에 과다한 혈당을 가지게 되어 다양한 합병증을 유발할 수 있는 질환이다. 당뇨병을 앓은 환자들은 주기적으로 인슐린을 투여하여야 하며, 정확한 인슐린의 투여를 위해 글루코스 센서와 같은 자가 혈당 진단 기기를 이용하여 혈중 글루코스 농도를 확인해야 한다. Diabetes mellitus is a disease that occurs due to inappropriate carbohydrate metabolism that does not properly use glucose absorbed into the body, and has excessive blood sugar in the blood, which can cause various complications. Diabetic patients must periodically administer insulin, and in order to accurately administer insulin, blood glucose levels must be checked using a self-diagnosing device such as a glucose sensor.

글루코스 검출 센서는 글루코스 산화를 촉진시키는 GOx(글루코스 산화효소)를 폴리아크릴아미드 겔 막에 포괄 고정화시켜 이 막을 격막 센서 전극 위에 부착시켜서 만든 최초의 센서를 바탕으로 현재까지 끊임없이 발전해 왔다.Glucose detection sensor has been continuously developed based on the first sensor made by enclosing and immobilizing GOx (glucose oxidase), which promotes glucose oxidation, to a polyacrylamide gel membrane and attaching the membrane to the diaphragm sensor electrode.

글루코스를 측정하기 위해, GOx가 반응과 관련하여 소모된 산소, 글루코닉산(gluconic acid) 생성에 의한 pH 변화, H2O2를 측정하는 방식이 있다. 혈당 센서에 사용되는 효소인 GOx는 쉽고 값싸게 구할 수 있으며, 다른 효소에 비하여 pH, 이온강도, 온도에 대해 안정하며, 글루코스를 산화시키는 최적조건이 사람 혈액 속의 글루코스 농도와 일치하여 가장 널리 사용되고 있다.In order to measure glucose, there is a method of measuring oxygen consumed in relation to the reaction of GOx, pH change due to gluconic acid production, and H 2 O 2 . GOx, an enzyme used in blood glucose sensors, is easily and inexpensively obtained, and compared to other enzymes, it is stable to pH, ionic strength, and temperature. .

혈당측정기술은 크게 전기화학법(electrochemical method)과 광도법(photometric method)으로 나눌 수 있다. 전기화학법과 광도법 모두 기본적으로 글루코스와 반응하여 글루코스를 산화시킬 수 있는 산화효소를 사용하고 있다.Blood glucose measurement technology can be largely divided into an electrochemical method and a photometric method. Both the electrochemical method and the photometric method basically use an oxidase capable of oxidizing glucose by reacting with glucose.

광도법에서는 글루코스가 산화될 때 색의 변화를 가져오는 색소원을 사용하여 색의 변화 정도를 광도계를 사용하여 빛의 반사도 또는 투과도를 측적하여 정량한다. 광도법을 이용한 바이오센서는 전기화학법에 비해 상대적으로 많은 양의 혈액을 필요로 하여, 전기화학법에 비해 경쟁력이 떨어지고 있는 추세이다.In the photometric method, the degree of color change is quantified by measuring the reflectance or transmittance of light using a photometer using a dye source that causes a color change when glucose is oxidized. The biosensor using the photometric method requires a relatively large amount of blood compared to the electrochemical method, and thus the competitiveness is declining compared to the electrochemical method.

전기화학 방식은 글루코스 GOx에 의해 산화되어 분해되는 과정의 산물인 H2O2가 전극에 의해 전기 분해되는 과정에서 발생하는 전자에 의한 전류 변화를 측정하여 글루코스 농도를 정량화한다. 광도법과 비교하여 부가가치가 높고, 적은 혈액으로도 혈당을 측정할 수 있는 장점이 있어 대부분이 전기화학적 방식에 주력하고 있다.The electrochemical method quantifies the glucose concentration by measuring a change in current caused by electrons generated during the electrolysis of H 2 O 2 , a product of the process of being oxidized and decomposed by glucose GOx, by an electrode. Compared to the photometric method, most of them are focusing on the electrochemical method as it has high added value and has the advantage of measuring blood sugar with a small amount of blood.

그러나, 전기화학적 방식의 센서는 주로 혈액에 존재하는 글루코스 농도를 검출하는 것으로 채혈을 필요로 하는 문제가 있다. 이에 따라 뇨(尿) 중의 글루코스를 검출하는 센서가 사용되고 있으나, 뇨 중의 비타민, 아스코르브산(ascorbic acid), 아세트아미노펜(acetaminophen) 등의 불순물로 인해 정확한 글루코스 농도의 측정이 어렵고 전극을 산화시켜 뇨당 센서의 수명을 단축시키는 요인으로 작용한다. 이러한 불순물을 차단하기 위해 실리콘, 아크릴, 우레탄 등의 필름막을 사용하고 있으나, 이러한 필름막의 자체 두께로 인해 글루코스 투과를 위해 필요한 박막 코팅을 얇게 코팅할 수 밖에 없어 내구성이 떨어지고 측정 감도가 저하되는 문제가 있다.However, the electrochemical sensor mainly detects the concentration of glucose present in blood, and there is a problem in that blood collection is required. Accordingly, a sensor for detecting glucose in urine is used, but it is difficult to accurately measure the concentration of glucose due to impurities such as vitamins, ascorbic acid, and acetaminophen in the urine. act as a factor in shortening the lifespan of To block these impurities, film films such as silicone, acrylic, and urethane are used, but due to the thickness of the film film itself, the thin film coating required for glucose permeation has to be coated thinly, resulting in reduced durability and reduced measurement sensitivity. have.

대한민국 등록특허 제10-1467299호Republic of Korea Patent No. 10-1467299

본 발명의 목적은 불순물을 차단하고 글루코스를 선택적으로 투과시키는 불순물 차단층을 포함하는 글루코스 바이오센서를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a glucose biosensor including an impurity blocking layer that blocks impurities and selectively transmits glucose.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 기판; 상기 기판 상에 위치하며, 생체 물질 내에 존재하는 글루코스와 반응하는 효소층; 및 상기 효소층 상에 위치하며, 구형 다공성 나노 실리카 입자의 복합체를 포함하는 불순물 차단층을 포함하는, 글루코스 바이오센서를 제공한다.In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is a substrate; an enzyme layer positioned on the substrate and reacting with glucose present in the biomaterial; And located on the enzyme layer, it provides a glucose biosensor comprising an impurity blocking layer comprising a complex of spherical porous nano silica particles.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 생체 물질은 타액, 눈물, 혈액, 땀, 소변 등일 수 있으며, 예를 들어 소변일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the biological material may be saliva, tears, blood, sweat, urine, etc., for example, urine.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 불순물 차단층은 나노 실리카 분산액 및 바인더 용액을 혼합하여 제조될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the impurity blocking layer may be prepared by mixing the nano silica dispersion and the binder solution.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 구형 다공성 나노 실리카 입자는 30nm 내지 1000nm의 직경을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the spherical porous nano silica particles may have a diameter of 30 nm to 1000 nm.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 나노 실리카 분산액은 구형의 나노 실리카를 유기용매와 혼합하여 제조될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the nano-silica dispersion may be prepared by mixing spherical nano-silica with an organic solvent.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 바인더 용액은 히드록시 아실 단량체와 이소시아네이트를 혼합하여 반응시키는 단계; 및 상기 반응액에 2관능기 이상의 불활성 프리폴리머, 유기용매 및 라디칼 반응 개시제를 첨가하여 혼합하는 단계에 의해 제조될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the binder solution is reacted by mixing a hydroxy acyl monomer and an isocyanate; and adding and mixing an inert prepolymer having two or more functional groups, an organic solvent, and a radical reaction initiator to the reaction solution.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 히드록시 아실 단량체는 히드록시 프로필 아크릴레이트, 히드록시 프로필 메타크릴레이트, 히드록시 에틸 아크릴레이트 및 히드록시 에틸 메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the hydroxy acyl monomer may be at least one selected from the group consisting of hydroxy propyl acrylate, hydroxy propyl methacrylate, hydroxy ethyl acrylate and hydroxy ethyl methacrylate.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 이소시아네이트는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 삼량체, 톨루엔 디이소시아네이트 삼량체 및 메틸렌 디페닐디이소시아네이트 삼량체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the isocyanate may be at least one selected from the group consisting of hexamethylene diisocyanate trimer, toluene diisocyanate trimer and methylene diphenyl diisocyanate trimer.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 라디칼반응 개시제는 아세토페논계 화합물, 벤질 케톤계 화합물, 벤조인 에스테르계 화합물, 케톤계 화합물, 아조계 화합물 및 과산화물계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the radical reaction initiator may be at least one selected from the group consisting of acetophenone-based compounds, benzyl ketone-based compounds, benzoin ester-based compounds, ketone-based compounds, azo-based compounds, and peroxide-based compounds. .

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 2관능기 이상의 불활성 프리폴리머는 2관능 우레탄 아크릴레이트, 4관능 우레탄 아크릴레이트, 6관능 우레탄 아크릴레이트, 2관능 에폭시 아크릴레이트 및 4관능 에폭시 아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the inert prepolymer having two or more functional groups is selected from the group consisting of bifunctional urethane acrylate, tetrafunctional urethane acrylate, hexafunctional urethane acrylate, bifunctional epoxy acrylate and tetrafunctional epoxy acrylate. There may be more than one.

본 발명의 구형 다공성 나노 실리카 입자로 형성된 복합체를 포함하는 불순물 차단층은 실리카 입자들이 서로 단단하게 뭉쳐있어 불순물을 차단하고 글루코스를 선택적으로 투과시킬 수 있다. 또한, 다층 구조의 복합 가교 반응 메커니즘의 바인더를 적용하여 불순물 차단층의 내구성을 향상시키고 코팅막을 두껍게 형성할 수 있어 센서의 내구성을 증가시킬 수 있다.The impurity blocking layer including the composite formed of the spherical porous nano silica particles of the present invention can block impurities and selectively transmit glucose because the silica particles are tightly agglomerated with each other. In addition, the durability of the impurity blocking layer can be improved by applying the binder of the multi-layered complex cross-linking reaction mechanism, and the coating film can be formed thickly, thereby increasing the durability of the sensor.

도 1은 종래의 글루코스 바이오센서의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 글루코스 바이오센서의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 글루코스 바이오센서의 내구성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서 글루코스 바이오센서의 요당 측정을 위해 사용한 표준 용액을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 글루코스 바이오센서의 동물 소변 검체 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 글루코스 바이오센서의 측정 재현성 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
1 shows the structure of a conventional glucose biosensor.
2 shows the structure of a glucose biosensor according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the results of measuring the durability of the glucose biosensor according to an embodiment of the present invention.
4 shows a standard solution used for measurement of urine sugar by a glucose biosensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing results of measurement of an animal urine sample by a glucose biosensor according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a measurement reproducibility test result of a glucose biosensor according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명에 있어, 당업자에게 주지 저명한 기술에 대해서는 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, detailed descriptions of well-known techniques known to those skilled in the art may be omitted. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description may be omitted. In addition, terms used in this specification are terms used to properly express preferred embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of a user or operator or customs in the field to which the present invention belongs.

따라서 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 종래의 글루코스 바이오센서(100)를 도시한 것으로, 기판(101), 전극(102), 효소층(103), 고정화층(104) 및 불순물 차단층(105)을 구비한다. 종래의 글루코스 바이오센서의 불순물 차단층은 실리콘, 아크릴, 우레탄, 불소계 화합물 등의 성분으로 구성되어 있으며, 글루코스의 투과를 위해 박막 코팅이 필요하다. 그러나, 종래의 글루코스 바이오센서는 효소층, 고정화층 및 불순물 차단층으로 이루어져 있기 때문에 박막 코팅을 얇게 실시할 수 밖에 없어 센서의 내구성이 저하되는 문제가 있다. 1 shows a conventional glucose biosensor 100, and includes a substrate 101, an electrode 102, an enzyme layer 103, an immobilization layer 104, and an impurity blocking layer 105. The impurity blocking layer of the conventional glucose biosensor is composed of components such as silicone, acrylic, urethane, and fluorine-based compounds, and a thin film coating is required for glucose permeation. However, since the conventional glucose biosensor consists of an enzyme layer, an immobilization layer, and an impurity blocking layer, a thin film coating has to be applied, and thus the durability of the sensor is deteriorated.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 도 2에 도시된 본 발명의 구현예에 따른 글루코스 바이오센서(200)는 고정화층 없이 기판(201), 전극(202), 효소층(203) 및 불순물 차단층(204)의 구조로 구성된다.The present invention is to solve these conventional problems, and the glucose biosensor 200 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 is a substrate 201, an electrode 202, and an enzyme layer 203 without an immobilization layer. and a structure of the impurity blocking layer 204 .

본 발명의 불순물 차단층(204)은 구형 다공성 나노 실리카 입자의 복합체로 이루어져 있다. 상기 구형 다공성 나노 실리카 입자가 서로 결합하여 그물망 모양으로 단단히 뭉쳐 구조체를 형성하여 박막 코팅이 구조체 내부와 외부로 코팅될 수 있어 박막의 두께가 증가되어 글루코스를 더욱 효과적으로 투과시키고 불순물을 차단할 수 있다. 또한 박막 코팅의 두께가 증가함에 따라 센서의 내구성이 증가될 수 있다.The impurity blocking layer 204 of the present invention is made of a composite of spherical porous nano silica particles. The spherical porous nano-silica particles are combined with each other to form a structure by tightly clumping together in a mesh shape, so that the thin film coating can be coated inside and outside the structure, thereby increasing the thickness of the thin film to more effectively transmit glucose and block impurities. Also, as the thickness of the thin coating increases, the durability of the sensor can be increased.

본 발명의 불순물 차단층(204)는 구형 다공성 나노 실리카에 구형 다층 구조의 복합 가교 반응 메커니즘을 갖는 바인더를 적용하여, 효소층과 밀접하게 결합함으로써 고정화층 없이도 효소층의 효소들을 효과적으로 고정할 수 있다.The impurity blocking layer 204 of the present invention applies a binder having a complex cross-linking reaction mechanism of a spherical multi-layer structure to spherical porous nano silica, and by closely bonding with the enzyme layer, the enzymes of the enzyme layer can be effectively immobilized without an immobilization layer. .

본 발명의 불순물 차단층(204)은 나노 실리카 분산액 및 바인더 용액을 혼합하여 제조할 수 있다.The impurity blocking layer 204 of the present invention may be prepared by mixing the nano silica dispersion and the binder solution.

구체적으로, 상기 나노 실리카 분산액은 20 내지 50 중량부의 구형의 나노 실리카를 50 내지 80 중량부의 유기용매와 혼합, 분산시켜 제조할 수 있다. 상기 나노 실리카는 30nm 내지 1000nm의 직경을 가질 수 있으며, 예를 들어 500nm의 직경을 갖는 구형의 나노 실리카 입자일 수 있다. 상기 유기용매는 알콜류, 케톤류 또는 아세테이트류일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 분산은 본 분야에서 사용되는 분사장치라면 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 다이노밀, 볼밀, 호모믹서, 초음파분산기 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the nano silica dispersion may be prepared by mixing and dispersing 20 to 50 parts by weight of spherical nano silica with 50 to 80 parts by weight of an organic solvent. The nano silica may have a diameter of 30 nm to 1000 nm, for example, may be spherical nano silica particles having a diameter of 500 nm. The organic solvent may be alcohols, ketones, or acetates, but is not limited thereto. The dispersion may be used without limitation as long as it is a spraying device used in this field, for example, a dynomill, a ball mill, a homomixer, an ultrasonic disperser, etc. may be used, but is not limited thereto.

상기 바인더 용액은 5 내지 15 중량부의 히드록시 아실 단량체와 5 내지 20 중량부의 이소시아네이트를 혼합하여 반응시키는 단계; 및 상기 반응액에 40 내지 75 중량부의 2관능기 이상의 불활성 프리폴리머, 40 내지 60 중량부의 유기용매 및 1 내지 10 중량부의 라디칼 반응 개시제를 첨가하여 혼합하는 단계에 의해 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. reacting the binder solution by mixing 5 to 15 parts by weight of a hydroxy acyl monomer and 5 to 20 parts by weight of an isocyanate; and 40 to 75 parts by weight of an inert prepolymer having a difunctional or higher group, 40 to 60 parts by weight of an organic solvent, and 1 to 10 parts by weight of a radical reaction initiator to the reaction solution.

상기 히드록시 아실 단량체는 히드록시 프로필 아크릴레이트, 히드록시 프로필 메타크릴레이트, 히드록시 에틸 아크릴레이트 및 히드록시 에틸 메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.The hydroxy acyl monomer may be at least one selected from the group consisting of hydroxy propyl acrylate, hydroxy propyl methacrylate, hydroxy ethyl acrylate and hydroxy ethyl methacrylate.

상기 이소시아네이트는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 삼량체, 톨루엔 디이소시아네이트 삼량체 및 메틸렌 디페닐디이소시아네이트 삼량체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.The isocyanate may be at least one selected from the group consisting of hexamethylene diisocyanate trimer, toluene diisocyanate trimer, and methylene diphenyl diisocyanate trimer.

상기 라디칼반응 개시제는 아세토페논계 화합물, 벤질 케톤계 화합물, 벤조인 에스테르계 화합물, 케톤계 화합물, 아조계 화합물 및 과산화물계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.The radical reaction initiator may be at least one selected from the group consisting of an acetophenone-based compound, a benzyl ketone-based compound, a benzoin ester-based compound, a ketone-based compound, an azo-based compound, and a peroxide-based compound.

상기 2관능기 이상의 불활성 프리폴리머는 2관능 우레탄 아크릴레이트, 4관능 우레탄 아크릴레이트, 6관능 우레탄 아크릴레이트, 2관능 에폭시 아크릴레이트 및 4관능 에폭시 아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene glycol Diacrylate), 폴리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트(Polypropylene glycol Diacrylate), 폴리카보네이트 디아크릴레이트 (Polycarbonate Diacrylate), 비스페놀 A (EO)n 디아크릴레이트 (Bisphenol A (EO)n Diacrylate), 디트리메틸올 프로판 테트라아크릴레이트 (Ditrimethylol propane tetraacrylate), 펜타에리스리톨 테트라아크릴레이트 (Pentaerythritol tetraacrylate), 디펜타에리스리톨 펜타아크릴레이트 (Dipentaerythritol pentaacrylate), 디펜타에리스리톨 헥사아크릴레이트 (Dipentaerythritol hexaacrylate) 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The bifunctional or more inert prepolymer may be at least one selected from the group consisting of bifunctional urethane acrylate, tetrafunctional urethane acrylate, hexafunctional urethane acrylate, bifunctional epoxy acrylate and tetrafunctional epoxy acrylate, for example, Polyethylene glycol Diacrylate, Polypropylene glycol Diacrylate, Polycarbonate Diacrylate, Bisphenol A (EO)n Diacrylate ), ditrimethylol propane tetraacrylate, pentaerythritol tetraacrylate, dipentaerythritol pentaacrylate, dipentaerythritol hexaacrylate, etc. It is not limited thereto.

상기 유기용매는 케톤류 또는 아세테이트류라면 제한 없이 사용될 수 있다.The organic solvent may be used without limitation as long as it is ketones or acetates.

전극(202)은 반도체 공정으로 유리 기판(101) 상에 형성될 수 있다. 유리 기판(101)은 다른 재질의 기판으로 대체가능하며, 전극의 재질과 형상에 대한 제한은 없으며, 예를 들어, Pt, Ag, Au, 카본 등을 사용할 수 있다. The electrode 202 may be formed on the glass substrate 101 by a semiconductor process. The glass substrate 101 can be replaced with a substrate of another material, and there is no limitation on the material and shape of the electrode, for example, Pt, Ag, Au, carbon, etc. may be used.

효소층(203)은 기판(201)의 상부에 위치하며, 글루코스 산화효소(GOx; Glucose oixdase), 글루코스 탈수소효소(GDH; glucose dehydrogenase), 글루코스 헥소키나아제(glucose hexokinase), 콜레스테롤 옥시다제, 글루타믹 옥살아세틱 트랜스미나아제(GOT; Glutamic Oxaloacetic Transaminase) 또는 글루타믹 피루빅 트랜스미나아제(GPT; Glutamic Pyruvic Transaminase) 등의 효소를 포함할 수 있으며, 더 나아가 상기 각 효소에 조효소인 피로퀴놀린퀴논(PQQ; pyrroquinoline quinone)를 더 포함하도록 구성할 수 있으며, 글루코스를 기질로 하는 효소라면 제한없이 포함될 수 있다.The enzyme layer 203 is disposed on the substrate 201, and includes glucose oxidase (GOx), glucose dehydrogenase (GDH), glucose hexokinase, cholesterol oxidase, and glutarase. It may include an enzyme such as Mick Oxaloacetic Transaminase (GOT; Glutamic Oxaloacetic Transaminase) or Glutamic Pyruvic Transaminase (GPT), and furthermore, pyroquinolinequinone which is a coenzyme for each enzyme (PQQ; pyrroquinoline quinone) may be configured to further include, and if an enzyme using glucose as a substrate, it may be included without limitation.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of Examples. However, these Examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these Examples.

[실시예] [Example]

[실시예 1][Example 1]

불순물 차단층 용액 제조Preparation of impurity blocking layer solution

볼밀에 에탄올과 나노실리카(500 nm)를 에탄올 (80 중량부), 나노실리카(20 중량부) 투입한 후 상온에서 3시간 동안 분산시켜 나노실리카 분산액을 제조하였다.Ethanol and nano-silica (500 nm) were added to a ball mill with ethanol (80 parts by weight) and nano-silica (20 parts by weight), and then dispersed at room temperature for 3 hours to prepare a nano-silica dispersion.

4구 라운드 플라스크에 온도계와 콘덴서를 장착한 후 질소분위기 하에서 히드록시 프로필 아크릴레이트 (10 중량부), 헥사메틸렌 디이소시아네이트 삼량체(15 중량부)를 투입한 후 50℃ 로 승온하여 5시간 동안 유지하면서 반응시켰다. 그런 다음, 여기에 디펜타에리스리톨 헥사아크릴레이트(Dipentaerythritol hexaacrylate)(70 중량부), 에탄올(20~50 중량부) 및 히드록시 사이클로헥실 페닐 케톤(5 중량부)을 투입하여 온도조건 20~35℃에서 교반속도 30~100rpm으로 충분히 혼합하여 바인더 용액을 제조하였다.After mounting a thermometer and a condenser in a four-necked round flask, hydroxypropyl acrylate (10 parts by weight) and hexamethylene diisocyanate trimer (15 parts by weight) were added under a nitrogen atmosphere, and then the temperature was raised to 50° C. and maintained for 5 hours. while reacting. Then, dipentaerythritol hexaacrylate (70 parts by weight), ethanol (20-50 parts by weight) and hydroxycyclohexyl phenyl ketone (5 parts by weight) were added thereto, and the temperature condition was 20 to 35 ° C. A binder solution was prepared by sufficiently mixing at a stirring speed of 30 to 100 rpm.

그런 다음, 상기 나노실리카 분산액과 상기 바인더 용액을 3:0.3 중량비로 분산장치에 투입하여 상온에서 1시간 동안 분산시켰다. Then, the nano-silica dispersion and the binder solution were added to a dispersing device in a weight ratio of 3:0.3 and dispersed at room temperature for 1 hour .

[실시예 2][Example 2]

바이오센서의 제조Manufacturing of biosensors

글루코스 산화효소(Glucose Oxidase), BSA 및 글루타르알데하이드를 1:1:1의 중량비로 혼합하여 전극위에 20ul 로딩한 후 스핀코팅(3000RP / 30sec) 후 상온에서 3시간 동안 자연경화시켰다. 경화된 효소층 위에 실시예 1에서와 같이 제조한 불순물 차단층 용액을 20ul 로딩한 후 스핀코팅(3000RP / 30sec) 후 상온에서 3시간 동안 자연경화시켜 바이오센서를 제조하였다.Glucose Oxidase, BSA, and glutaraldehyde were mixed in a weight ratio of 1:1:1, and 20ul was loaded on the electrode, and then spin-coated (3000RP / 30sec) and naturally cured at room temperature for 3 hours. After loading 20ul of the impurity blocking layer solution prepared as in Example 1 on the cured enzyme layer, spin coating (3000RP / 30sec) and natural curing at room temperature for 3 hours to prepare a biosensor.

[실험예 1][Experimental Example 1]

내구성 시험durability test

실시예 2에서와 같이 제조된 바이오센서에 농도 250mg/dL 글루코스 용액을 10ul 묻힌 후 전류값을 측정하였다. 농도 250mg/dL 글루코스 용액을 200회 이상 반복하여 측정하고 측정편차를 그래프로 확인하였다(도 3). 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 200회의 측정에도 큰 측정편차를 보이지 않고 내구성이 유지되는 것을 확인할 수 있다.After burying 10ul of a 250mg/dL glucose solution in the biosensor prepared as in Example 2, the current value was measured. The concentration of 250 mg/dL glucose solution was repeated 200 times or more, and the measurement deviation was confirmed graphically (FIG. 3). As can be seen in FIG. 3 , it can be confirmed that the durability is maintained without showing a large measurement deviation even after 200 measurements.

[실험예 2][Experimental Example 2]

정밀도 및 정확도 측정 시험Precision and Accuracy Measurement Test

실시예 2에서와 같이 제조된 바이오센서의 요당 측정 정밀도와 정확도를 측정하였다.The urine glucose measurement precision and accuracy of the biosensor prepared as in Example 2 were measured.

20~25℃ 및 20~30% R.H. 조건 하에서 COBAS U411를 이용하여 바이오센서로 표준용액(Level 1, Level 2)(도 4)을 측정한 후, 바이오센서의 측정 농도와 표준용액의 농도의 상관성을 비교하였다. 표준용액 Level 1은 0 mg/dL, Level 2는 (300 - 1000) mg/dL의 값을 갖는다. 3개의 측정기를 사용하여 각각 20번씩 반복 측정하였으며, 표준농도와 측정한 농도의 분산계수(CV %)는 4.86 %로 5 % 이내로 검출되었다.20-25°C and 20-30% R.H. After measuring the standard solution (Level 1, Level 2) (FIG. 4) with the biosensor using COBAS U411 under the conditions, the correlation between the measured concentration of the biosensor and the concentration of the standard solution was compared. Standard solution Level 1 has a value of 0 mg/dL, and Level 2 has a value of (300 - 1000) mg/dL. Each measurement was repeated 20 times using three measuring instruments, and the coefficient of dispersion (CV %) between the standard concentration and the measured concentration was 4.86%, which was detected within 5%.

그 결과, 하기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 표준물질 Level 1(음성)과 Level 2(양성)에 맞게 음성과 양성이 측정되어 정확도는 100%로 나타났다.As a result, as can be seen in Table 1 below, negative and positive were measured according to standard material Level 1 (negative) and Level 2 (positive), and the accuracy was 100%.

Figure 112019115888049-pat00001
Figure 112019115888049-pat00001

[실험예 3][Experimental Example 3]

동물 소변 검체와의 상관성 측정 시험Correlation test with animal urine samples

실시예 2에서와 같이 제조된 바이오센서의 동물 소변 검체에서의 상관성을 측정하였다.The correlation in the animal urine sample of the biosensor prepared as in Example 2 was measured.

20~25℃ 및 20~30% R.H. 조건 하에서 바이오센서를 이용하여 일반 동물과 당뇨병을 유발한 동물에서 얻은 동물 시료를 측정하였다. 측정된 농도와 표준기기(Toshiba, TBA 120FR)에서 측정된 농도의 상관성을 비교하고 그 결과를 표 2 및 도 5에 나타냈다. 동물 소변에서 측정한 요당 농도와의 상관성은 0.99로 검출되었다. 20-25°C and 20-30% R.H. Animal samples obtained from normal animals and diabetes-induced animals were measured using a biosensor under the conditions. The correlation between the measured concentration and the concentration measured by a standard instrument (Toshiba, TBA 120FR) was compared, and the results are shown in Table 2 and FIG. 5 . The correlation with the urine sugar concentration measured in animal urine was detected as 0.99.

Figure 112019115888049-pat00002
Figure 112019115888049-pat00002

[실험예 4][Experimental Example 4]

측정 재현성 시험Measurement reproducibility test

실시예 2에서와 같이 제조된 바이오센서의 측정 재현성을 시험하였다.The measurement reproducibility of the biosensor prepared as in Example 2 was tested.

20~25℃ 및 20~30% R.H. 조건 하에서 바이오센서을 이용하여 요당 농도를 알고 있는 동물 시료(446.8 mg/dL)를 100회 반복하여 측정하였다. 표 3 및 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 100 회를 반복하여 측정이 가능함을 확인하였으며, 100 회 반복 측정에 대한 분산계수(CV %)는 5.02 %로 확인되었다.20-25°C and 20-30% R.H. Under the conditions, an animal sample (446.8 mg/dL) of known urine sugar concentration was measured by repeating 100 times using a biosensor. As can be seen in Table 3 and FIG. 6, it was confirmed that the measurement was possible by repeating 100 times, and the coefficient of variance (CV %) for the measurement repeated 100 times was confirmed to be 5.02%.

Figure 112019115888049-pat00003
Figure 112019115888049-pat00003

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, preferred embodiments of the present invention have been mainly looked at. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than in the foregoing description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

100 : 바이오센서 101 : 기판
102 : 전극 103 : 효소층
104 : 고정화층 105: 불순물 차단층
200 : 바이오센서 201 : 기판
202 : 전극 203 : 효소층
204 : 불순물 차단층
100: biosensor 101: substrate
102: electrode 103: enzyme layer
104: immobilization layer 105: impurity blocking layer
200: biosensor 201: substrate
202: electrode 203: enzyme layer
204: impurity blocking layer

Claims (10)

기판;
상기 기판 상에 위치하며, 생체 물질 내에 존재하는 글루코스와 반응하는 효소층; 및
상기 효소층 상에 위치하며, 구형 다공성 나노 실리카 입자의 복합체를 포함하고,
상기 구형 다공성 나노 실리카 입자의 복합체는, 50 내지 80 중량부의 유기용매에 분산된 20 내지 50 중량부의 구형 나노 실리카 입자; 및 바인더 용액;을 혼합하여 제조되고,
상기 구형 다공성 나노 실리카 입자의 복합체에 포함되는 구형 나노 실리카 입자들은 서로 결합하여 그물망 모양으로 위치하여, 상기 생체 물질 내에 존재하는 불순물을 차단하는 동시에 글루코스를 선택적으로 투과시키는 것을 특징으로 하는, 글루코스 바이오센서.
Board;
an enzyme layer positioned on the substrate and reacting with glucose present in the biomaterial; and
It is located on the enzyme layer and contains a complex of spherical porous nano silica particles,
The composite of the spherical porous nano-silica particles may include 20 to 50 parts by weight of spherical nano-silica particles dispersed in 50 to 80 parts by weight of an organic solvent; and a binder solution; prepared by mixing,
Glucose biosensor, characterized in that the spherical nano-silica particles included in the composite of the spherical porous nano-silica particles bind to each other and are positioned in a mesh shape to selectively transmit glucose while blocking impurities present in the biological material. .
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 나노 실리카 입자는 30nm 내지 1000nm의 직경을 갖는 것인, 글루코스 바이오센서.
According to claim 1,
The nano silica particles will have a diameter of 30nm to 1000nm, glucose biosensor.
제1항에 있어서,
상기 생체 물질은 혈액, 타액, 눈물, 땀 또는 소변인 것인, 글루코스 바이오센서.
According to claim 1,
The biomaterial is blood, saliva, tears, sweat or urine, glucose biosensor.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 바인더 용액은
히드록시 아실 단량체와 이소시아네이트를 혼합하여 반응시키는 단계; 및
상기 반응액에 2관능기 이상의 불활성 프리폴리머, 유기용매 및 라디칼 반응 개시제를 첨가하여 혼합하는 단계
에 의해 제조되는 것인, 글루코스 바이오센서.
According to claim 1,
The binder solution is
reacting by mixing a hydroxy acyl monomer and an isocyanate; and
Mixing the reaction solution by adding an inert prepolymer having more than two functional groups, an organic solvent, and a radical reaction initiator
Which is produced by, glucose biosensor.
제6항에 있어서,
상기 히드록시 아실 단량체는 히드록시 프로필 아크릴레이트, 히드록시 프로필 메타크릴레이트, 히드록시 에틸 아크릴레이트 및 히드록시 에틸 메타크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인, 글루코스 바이오센서.
7. The method of claim 6,
The hydroxy acyl monomer is at least one selected from the group consisting of hydroxy propyl acrylate, hydroxy propyl methacrylate, hydroxy ethyl acrylate and hydroxy ethyl methacrylate, a glucose biosensor.
제6항에 있어서,
상기 이소시아네이트는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 삼량체, 톨루엔 디이소시아네이트 삼량체 및 메틸렌 디페닐디이소시아네이트 삼량체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인, 글루코스 바이오센서.
7. The method of claim 6,
The isocyanate is at least one selected from the group consisting of hexamethylene diisocyanate trimer, toluene diisocyanate trimer and methylene diphenyl diisocyanate trimer, glucose biosensor.
제6항에 있어서,
상기 2관능기 이상의 불활성 프리폴리머는 2관능 우레탄 아크릴레이트, 4관능 우레탄 아크릴레이트, 6관능 우레탄 아크릴레이트, 2관능 에폭시 아크릴레이트 및 4관능 에폭시 아크릴레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인, 글루코스 바이오센서.
7. The method of claim 6,
The difunctional or more inert prepolymer is at least one selected from the group consisting of bifunctional urethane acrylate, tetrafunctional urethane acrylate, hexafunctional urethane acrylate, bifunctional epoxy acrylate and tetrafunctional epoxy acrylate, glucose biosensor.
제6항에 있어서,
상기 라디칼반응 개시제는 아세토페논계 화합물, 벤질 케톤계 화합물, 벤조인 에스테르계 화합물, 케톤계 화합물, 아조계 화합물 및 과산화물계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인, 글루코스 바이오센서.
7. The method of claim 6,
The radical reaction initiator is at least one selected from the group consisting of an acetophenone-based compound, a benzyl ketone-based compound, a benzoin ester-based compound, a ketone-based compound, an azo-based compound, and a peroxide-based compound, a glucose biosensor.
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