KR102346539B1 - 비침습형 웨어러블 글루코스 센서, 이를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치, 상기 글루코스 센서의 제조방법 및 상기 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법 - Google Patents

비침습형 웨어러블 글루코스 센서, 이를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치, 상기 글루코스 센서의 제조방법 및 상기 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법 Download PDF

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오영제
올렉시
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 비침습형 웨어러블 글루코스 센서, 이를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치, 상기 글루코스 센서의 제조방법 및 상기 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신호 감지부로 높은 비표면적과 쌍극자 자기 특성을 갖는 금속 나노선과 전도성 물질을 각각 전도성 시트로 적용함으로써 글루코스와의 우수한 선택적 결합력으로 인체의 땀 내부에 존재하는 글루코스의 농도를 전류 변화를 이용하여 고감도 및 고정밀성으로 측정할 수 있으며, 실시간 모니터링이 가능한 이점이 있다. 또한 본 발명의 비침습형 웨어러블 글루코스 센서는 소형화, 가정용 등으로 상용화할 수 있으며, 착용 편이성이 우수하고, 제조공정이 간단하여 저가의 대규모 생산이 가능하며, 수십 회간 재사용 및 원격조정이 가능한 이점이 있다.

Description

비침습형 웨어러블 글루코스 센서, 이를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치, 상기 글루코스 센서의 제조방법 및 상기 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법{Non-invasive wearable glucose sensor, glucose concentration measuring device comprising the same, manufacturing method of the glucose sensor, and glucose concentration measuring method using the glucose sensor}
본 발명은 비침습형 웨어러블 글루코스 센서, 이를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치, 상기 글루코스 센서의 제조방법 및 상기 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법에 관한 것이다.
당뇨병은 성인 11명 중 1명 정도의 가장 흔한 만성 질환 중 하나이다. 당뇨병은 췌장에 의한 호르몬 인슐린의 충분하지 않은 양, 또는 인슐린의 큰 결함에 의해, 또는 신체 세포의 인슐린 저항성의 발달에 의해 발생한다. 당뇨병이 있는 사람들의 혈액은 글루코스, 지방산, 아미노산, 케톤체(유형 1의 당뇨병) 성분이 고농축으로 발견될 수 있다. 고혈당은 인슐린 의존 조직에 의한 포도당의 잘못된 섭취, 글루코네오제네시스(gluconeogenesis)와 글리코겐 분해(glycogenolysis)의 촉진에 인해 발생하는데 때때로는 질병의 소질이 유전되며, 그 위험 요소는 질병 유형에 따라 각기 다르다.
당뇨병 유형 I은 어떤 이유로든 췌장의 베타 세포가 죽어가는 특수 질병 상태이다. 이 세포들은 인슐린을 생산하고 있기 때문에 이 세포들의 죽음은 인슐린의 절대 결핍으로 이어진다. 또 당뇨병 유형 II는 보통 30-40년 후에 온다. 이 경우 췌장에서는 인슐린이 생성되지만 신체의 세포가 올바르게 반응하지 못하므로 인슐린 민감성이 감소한다. 이러한 현상 때문에 포도당은 인체조직으로 침투하여 혈액에 축적될 수 없다.
당뇨병으로 나타나는 여러 증상들은 비교적 유해하지 않기 때문에 일반적으로 쉽게 진단하기 어려우나, 이의 조기 발견 및 치료는 당뇨 합병증을 일으킬 가능성을 감소시킬 수 있다.
당뇨 합병증에는 눈, 신장, 심혈관 및 신경계의 질병 등이 있다. 또한 당뇨 합병증은 인체의 면역 체계를 약화시켜 감염에 대한 사람의 민감도를 증가시킨다. 뿐만 아니라 당뇨병은 단기 및 만성 합병증을 유발할 수 있다. 단기간의 합병증은 대개 치료에 잘 반응하지만 만성 합병증의 경우 경과를 조절하기가 어렵고 진행되면 조기 사망에 이를 수 있다.
국제 당뇨병 연맹(IDF)의 당뇨병 데이터에 의하면 I 형과 II 형을 가지고 있거나 이와 관련한 전체적인 당뇨병 인구 비율을 4억 1천 5백만명의 성인(성인 11명 중 1명)들이 있다. 이들 중 당뇨병 환자의 46.5%는 진단받지 못했으며, 치료의 고통과 반복적인 혈액 채취 및 인슐린 주사의 강렬한 스트레스로 인해 환자는 대게 이 권장사항을 따르지 않고 있다.
당뇨병 초기 단계 또는 아프기 전에 당뇨병 진단을 위한 쉽고 간편한 방법을 찾아야 할 필요가 있다. 당뇨병 환자는 일정한 시각에 하루에 수 차례의 혈당 수치를 확인해야 한다. 포도당 측정에는 현재 범용화되어 있는 방법인 침을 찔러 사혈시키는 침습형과 비침습형 방법이 있다. 침습형은 통증이 수반되는 값 비싼 방법으로, 피부를 찔러 내기 위해 수동사혈기(lancet)를 사용하며, 혈액 샘플을 수집하는 테스트 스트립과 판독 값을 생성하는 혈당측정기를 통해 포도당 수치를 판독한다. 그러나 침습형 방법은 측정 시 체혈을 위해 피부를 찌르기 때문에 고통과 공포가 수반된다.
비침습형 방법은 크게 광학적(photonics 기반), 전기화학적(보통 인간의 땀에 있는 설탕의 결정 기반) 두 가지가 알려져 있으나, 광학적 방법은 크기와 가격 면에서 경쟁력이 떨어지며 웨어러블한 디바이스 제작에도 한계가 있다. 또한 전기화학적 방법은 센싱 재료 선택 및 구조적 측면에서 어려움이 있으며, 응용프로그램의 정확성이 낮은 단점이 있다.
한편, 나노 기술은 차세대 글루코스(포도당) 센서를 제작할 수 있는 기술을 제공하며, 매우 낮은 농도로도 측정이 가능하고, 높은 특이성, 빠른 반응 및 회복, 새로운 나노 구조를 감지 요소로 사용할 경우 우수한 가역성을 제공할 수 있다. 특히, 하이브리드형 재료로 설계 시 화학적 환경의 변화에 매우 민감하고, 고유한 전기적 특성을 가지고 있어 더욱 유망하다. 또한, 높은 표면적, 화학적 및 열적 안정성, 기능화 특성은 고성능 화학적 센싱(sensing)에 적합하다. 다양한 효소/비효소로 변형된 나노 물질의 전극은 전자 전달의 촉매 효율이 높기 때문에 포도당 감지에 적합한 대안이 될 수 있으나 소재 의존성이 크기 때문에 적합한 소재 발굴이 중요하다.
따라서 당뇨병 환자가 혈당 수치를 확인하기 위해 침을 찔러 사혈시키는 침습형 방법이 아닌 보다 편안하고 편리하게 사용할 수 있으며, 가격 경쟁력이 있는 비침습형 방법의 새로운 측정 기기가 필요한 상황이다.
한국등록특허 제10-1301007호
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 고통을 수반하지 않고 간단한 방법으로 땀을 이용하여 글루코스의 농도를 고감도 및 고정밀성 측정이 가능한 비침습형 웨어러블 글루코스 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 비침습형 웨어러블 글루코스 센서를 포함하여 소형화, 가정용으로의 상용화가 가능한 글루코스 농도 측정 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 제조공정이 간단하고 저가의 대규모 생산이 가능한 글루코스 센서의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 땀으로부터 글루코스의 생체신호를 감지하는, 기판, 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트를 포함하는 신호 감지부; 및 상기 신호 감지부의 상부, 하부 또는 상하부의 양 말단 상에 위치하며, 상기 신호 감지부에 전류를 공급하고, 감지된 생체신호를 수득하는 전극부;를 포함하고, 상기 제1 전도성 시트는 상기 기판 상에 형성되고, 은, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 나노선, 구리 나노선, 니켈 나노선, 그래핀 및 전도성 탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전도성 물질을 포함하는 것이고, 상기 제2 전도성 시트는 상기 제1 전도성 시트의 표면, 또는 내부와 표면에 동시에 형성된, 구리 나노선, 은 나노선 및 니켈 나노선으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 나노선을 포함하는 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서를 제공한다.
또한 본 발명은 피부로부터 땀을 수집하는 땀 유도 및 수집부; 및 상기 땀 유도 및 수집부의 하부에 위치하며, 상기 수집된 땀으로부터 글루코스의 농도를 감지하는 상기 글루코스 센서;를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 피부로부터 발생된 땀을 모으도록 유도하고 수집하는 땀 유도 및 수집부; 상기 땀 유도 및 수집부의 하부에 위치하며, 상기 수집된 땀으로부터 글루코스의 농도를 감지하는 상기 글루코스 센서; 및 상기 글루코스 센서의 기판 하부에 위치하고, 열을 가하여 피부로부터 땀을 발생시키거나, 발생된 땀을 건조시키는 히터부;를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 기판 상에 전도성 물질을 코팅하여 제1 전도성 시트를 형성하는 단계; 상기 제1 전도성 시트의 표면, 또는 내부 및 표면 상에 금속 나노선을 코팅하여 제2 전도성 시트를 형성하여 신호 감지부를 제조하는 단계; 및 상기 신호 감지부의 상부, 하부 또는 상하부 양 말단 상에 은, 구리 및 금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하여 페이스트 또는 도금으로 전극부를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 전도성 물질은 은, 구리, 니켈, 은 나노선, 구리 나노선, 니켈 나노선, 그래핀 및 전도성 탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, 상기 금속 나노선은 구리 나노선, 은 나노선 및 니켈 나노선으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 글루코스 센서의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 글루코스 센서에 0.1 내지 10 V의 전압을 인가하는 단계; 상기 글루코스 센서에 생체로부터 수집된 땀을 접촉시키고, 전류세기를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전류세기로부터 글루코스의 농도를 분석하는 단계;를 포함하는 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 비침습형 웨어러블 글루코스 센서는 신호 감지부로 높은 비표면적과 쌍극자 자기 특성 및 FRET(Forester resonance energy transfer) 현상을 갖는 금속 나노선과 전도성 물질을 각각 전도성 시트로 적용함으로써 글루코스와의 우수한 선택적 결합력으로 인체의 땀 내부에 존재하는 글루코스의 농도를 전류 변화를 이용하여 고감도 및 고정밀성으로 측정할 수 있으며, 실시간 모니터링이 가능한 이점이 있다.
또한 본 발명의 비침습형 웨어러블 글루코스 센서는 크기가 작고, 유연한 구조의 얇은 전도성 시트를 신호 감지부로 적용함으로써 소형화, 가정용 등으로 상용화할 수 있으며, 착용 편이성이 우수하고, 제조공정이 간단하여 저가의 대규모 생산이 가능하며, 수십 회간 재사용 및 원격조정이 가능한 이점이 있다. 뿐만 아니라 사용법이 간단하고 고통을 수반하지 않고 편안하게 글루코스 농도를 신속하게 고감도로 측정할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 글루코스 센서의 신호 감지부에서 글루코스에서 글루콘산으로의 산화 메커니즘을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 글루코스 농도 측정 장치의 구성도를 개략적으로 나나타낸 것이다.
도 3은 상기 제조예 1에서 제조된 구리 나노선에 대한 주사전자현미경(SEM) 및 X선 회절분석(XRD) 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 상기 실시예 1-1(a) 및 1-2(b)에서 제조된 글루코스 센서를 이용하여 +0.5V의 인가전압에서의 글루코스 농도(0.5 mM/L 내지 10.5 mM/L) 변화에 따른 전류-시간 응답성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 상기 실시예 2-1 내지 2-4(a, b, c, d)에서 제조된 글루코스 센서를 이용하여 0.5V의 인가전압에서의 글루코스 농도(0.5 mM/L 내지 10.5 mM/L) 변화에 따른 전류-시간 응답성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 상기 실시예 1-1에서 제조된 글루코스 센서에 대한 50회(a) 및 100회(b)의 굽힘시험 후 글루코스 농도(0.5 mM/L 내지 10.5 mM/L) 변화에 따른 전류-시간 응답성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 상기 실시예 1-1에서 제조된 글루코스 센서에 대하여 글루코스의 다양한 이성체들과 땀에 함유된 여러 구성성분으로부터 글루코스에 대한 응답성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 상기 실시예 5에서 제조된 글루코스 센서를 이용한 표준 글루코스 농도(0 내지 14 mM/L) 변화에 따른 전류 응답성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 상기 실시예 1-1에서 제조된 글루코스 센서를 이용하여 인공땀 용액내의 글루코스 농도(1 mM/L 내지 7 mM/L) 변화에 따른 전류 응답성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 비침습형 웨어러블 글루코스 센서, 이를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치, 상기 글루코스 센서의 제조방법 및 상기 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법에 관한 것이다.
글루코스 측정 장치는 일반적으로 센싱 재료의 선택 및 구조적 측면에서 많은 어려움이 있으며 응용 프로그램의 정확성이 낮은 단점이 있다. 특히 산업계로의 상용성을 갖추기 위해서는 비침습성 포도당 모니터의 정확성이 적어도 80% 이상이어야 한다. 아울러 측정기기를 가정용으로 편안하게 만들려면 작거나 유연하여야 하며, 사용하기 쉽고, 가격이 저렴해야 한다.
특히 기존의 글루코스 센서는 기판 위에 금 나노입자 및 금 메쉬와 그래핀 물질을 같이 사용한 복합체를 센싱극으로 사용하였지만 정확도를 높이기 위하여 pH, 습도센서 등을 추가로 부착하여야 하기 때문에 그 크기가 커져 착용에 불편함이 있고 구조가 복잡하며 고가의 제작비용 등 사용에 제약이 있었다. 또한 전도성 고분자인 PEDOT:PSS을 센싱극 소재로 사용하여 제작하기도 하였으나, PEDOT:PSS는 감도가 떨어지고 유해하며 수명 또한 짧아 부적합하였다. 또한 센싱극으로 순수한 금박막을 사용하기도 하였으나, 고가이며 3차원 패턴이 필요하여 센서의 구조 및 제조공정이 복잡한 문제가 있었다. 이 밖에도 센싱재료로 효소(Notatin)를 사용하거나 금/산화아연 복합체를 사용하기도 하였으나, 감도가 크게 떨어지는 단점이 있었다. 이러한 센서들의 경우 환경 분야와 제조업 분야 등의 활용에 제한이 많고, 대규모의 생산성이 좋지 않아 현장에서 바로 사용할 수 없는 단점들이 있었다.
이에 본 발명에서는 이러한 문제들을 해결하기 위해 신호 감지부로 높은 비표면적과 쌍극자 자기 특성 및 FRET(Forester resonance energy transfer) 현상을 갖는 금속 나노선과 전도성 물질을 각각 전도성 시트로 적용하여 웨어러블 글루코스 센서를 제조함으로써 글루코스와의 우수한 선택적 결합력으로 인체의 땀 내부에 존재하는 글루코스의 농도를 전류 변화를 이용하여 고감도 및 고정밀성으로 측정할 수 있으며, 실시간 모니터링이 가능한 이점이 있다.
또한 본 발명의 비침습형 웨어러블 글루코스 센서는 간단한 코팅방법에 의해 크기가 작고, 유연한 구조의 얇은 전도성 시트를 신호 감지부로 적용함으로써 소형화, 가정용 등으로 상용화할 수 있으며, 착용 편이성이 우수하고, 제조공정이 간단하여 저가의 대규모 생산이 가능하며, 수십 회간 재사용 및 원격조정이 가능한 이점이 있다. 뿐만 아니라 사용법이 간단하고 고통을 수반하지 않고 편안하게 글루코스 농도를 신속하게 고감도로 측정할 수 있다. 이를 이용하여 자체 i-프로세서, 블루투스 및 소형전지가 부착된 패치형, 밴드형 및 스마트 워치형의 유연 소자로 적용할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 땀으로부터 글루코스의 생체신호를 감지하는, 기판, 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트를 포함하는 신호 감지부; 및 상기 신호 감지부의 상부, 하부 또는 상하부의 양 말단 상에 위치하며, 상기 신호 감지부에 전류를 공급하고, 감지된 생체신호를 수득하는 전극부;를 포함하고, 상기 제1 전도성 시트는 상기 기판 상에 형성되고, 은, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 나노선, 구리 나노선, 니켈 나노선, 그래핀 및 전도성 탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전도성 물질을 포함하는 것이고, 상기 제2 전도성 시트는 상기 제1 전도성 시트의 표면, 또는 내부와 표면에 동시에 형성된, 구리 나노선, 은 나노선 및 니켈 나노선으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 나노선을 포함하는 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서를 제공한다.
상기 신호 감지부는 땀에 함유된 글루코스가 상기 제2 전도성 시트의 금속 나노선과의 산화환원 반응을 통해 생성되는 전자 및 FRET 현상 에너지전달 효과로 생체신호를 감지하는 역할을 할 수 있다. 상기 신호 감지부는 신속한 감응 속도와 낮은 농도 구간에서도 글루코스의 다양한 아이소머(isomer)나 유사 물질 중에서 글루코스만의 선택성이 매우 우수한 이점이 있다. 또한 상기 신호 감지부는 땀 속의 글루코스를 전기화학적 방법에 의해 선택적으로 감지하여 높은 정확도 및 빠른 보정으로 수십 차례까지 재사용할 수 있다.
상기 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자, 유리, 유리섬유 또는 세라믹일 수 있고, 바람직하게는 유연성이 우수한 고분자를 사용하는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 상기 기판은 PET, PI 또는 이들의 혼합물로 이루어진 고분자, 가장 바람직하게는 PET일 수 있다.
상기 제1 전도성 시트는 상기 제2 전도성 시트로부터 생성된 전자를 수집하고 높은 전도성을 이용하여 전극부로 이동시키는 역할을 할 수 있으며, 전도성이 우수한 소재를 사용하는 좋다. 또한 상기 제1 전도성 시트는 나노선을 포함할 경우 신호 감지부의 응답성을 크게 향상시킬 수 있다. 구체적으로 상기 제1 전도성 시트는 은 나노선, 구리 나노선 및 니켈 나노선으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 나노선을 포함하는 단층이거나; 또는 은, 구리 또는 그래핀 단층이거나; 또는 상기 금속 나노선을 포함하는 단층과 상기 단층 상에 형성된 그래핀층 또는 전도성 탄소층을 포함하는 혼합층;일 수 있다. 이때, 상기 혼합층은 혼합층 총 함량에 대하여 금속 나노선 5 내지 99 중량%를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 제1 전도성 시트는 은 나노선 및 구리 나노선이 7:3 내지 3:7 중량비로 혼합된 혼합물을 포함하는 단층일 수 있다. 상기 은 나노선 및 구리 나노선은 유연성이 우수하고, 높은 전기전도도를 가지며, 상기 구리 나노선은 금속 중 두 번째로 높은 열전도도를 가져 다른 전도성 물질들에 비해 이들의 혼합물을 글루코스 센서로 적용하는 것이 바람직하다.
상기 제1 전도성 시트의 은 나노선, 구리 나노선 또는 니켈 나노선은 평균 직경이 25 내지 200 nm이고, 평균 길이가 80 내지 200 ㎛일 수 있다. 바람직하게는 평균 직경이 40 내지 90 nm이고, 평균 길이가 90 내지 180 ㎛일 수 있고, 더욱 바람직하게는 평균 직경이 60 내지 80 nm이고, 평균 길이가 95 내지 160 ㎛일 수 있고, 가장 바람직하게는 평균 직경이 65 내지 70 nm이고, 평균 길이가 100 내지 150 ㎛일 수 있다. 이때, 상기 평균 직경 및 평균 길이의 범위를 만족하지 않는 경우 상기 제1 전도성 시트 내에서 전자의 이동이 활발하게 이루어지지 않아 전자의 전달속도 저하로 상기 전극부로 전달되는 생체신호의 감지 성능이 떨어질 수 있다.
상기 제2 전도성 시트는 땀으로부터 글루코스를 선택적으로 감지하고, 감지된 글루코스와 산화환원 반응에 의해 형성된 전자를 상기 제1 전도성 시트로 전달하는 역할을 할 수 있다. 이러한 상기 제2 전도성 시트는 상기 제1 전도성 시트의 표면, 또는 내부 및 표면에 형성되고, 구리 나노선, 은 나노선 및 니켈 나노선으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 나노선을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 제2 전도성 시트는 상기 제1 전도성 시트의 내부 및 표면에 높은 비표면적과 다공성의 이점을 가지며 주위에 큰 접촉 영역을 제공하는 금속 나노선이 형성된 것일 수 있다.
상기 제2 전도성 시트의 금속 나노선은 글루코스와의 산화 및 환원 촉매로서 작용할 수 있으며, 기하학적 이방성 비대칭성과 높은 비표면적 및 쌍극자 자기 특성으로 인해 구형의 금속 나노입자에 비해 땀에 함유된 글루코스와 선택적으로 결합할 수 있는 높은 반응성을 가진다. 이때, 상기 금속 나노선은 평균 직경이 15 내지 350 nm이고, 평균 길이가 35 내지 250 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 평균 직경이 22 내지 84 nm이고, 평균 길이가 120 내지 230 ㎛일 수 있고, 더욱 바람직하게는 평균 직경이 35 내지 73 nm이고, 평균 길이가 155 내지 215 ㎛일 수 있으며, 가장 바람직하게는 평균 직경이 50 내지 70 nm이고, 평균 길이가 170 내지 200 ㎛일 수 있다. 이때, 상기 금속 나노선의 평균 직경이 15 nm 미만이거나, 평균 길이가 35 ㎛ 미만인 경우, 글루코스와의 산화환원 반응에 의해 생성된 전자의 전달속도나 감도가 저하될 수 있고, 반대로 평균 직경이 350 nm 초과이거나, 평균 길이가 250 ㎛ 초과인 경우 상기 금속 나노선의 비표면적이 상대적으로 줄어들어 땀으로부터 글루코스의 선택적 감지 성능이 저하될 수 있다.
상기 금속 나노선은 바람직하게는 구리 나노선, 은 나노선 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 구리 나노선일 수 있다. 상기 구리 나노선은 다른 금속 나노선들에 비해 상기 글루코스와 산화환원 반응에 의한 생체신호에 대해 보다 고감도, 고정밀성 및 고선택도를 가지며, 전자 전달속도를 향상시키는 특성이 매우 우수하다.
특히 상기 제2 전도성 시트의 금속 나노선이 구리 나노선일 때, 하기 반응식 1 내지 반응식 5와 같은 글루코스의 산화환원 반응 매커니즘이 일어날 수 있다.
[반응식 1]
Cu → Cu2+ + 2e
[반응식 2]
Cu + 2OH- → CuO + H2O + 2e
[반응식 3]
CuO + H2O → Cu(OH)4 -(unstable) + e
[반응식 4]
Cu3+ + Glucose + e → Gluconolactone + Cu2+
[반응식 5]
Gluconolactone + Cu2+ → Gluconic acid + Cu2+
상기 반응식 1 내지 5를 참조하면, 상기 신호 감지부에 전류가 공급되면 구리 나노선의 산화 및 환원에 의해 생성된 산화 구리(CuO)와 물(H2O)이 반응하여 전자를 생성한다. 생성된 전자는 글루코스와 반응하고 글루코노락톤(Gluconolactone )과 구리 이온을 형성하고, 상기 글루코노락톤은 산화되어 글루콘산으로 전환된다. 즉, 상기 반응식 1 내지 5는 구리 나노선의 직접 산화에 의해 높은 전기촉매 활성을 가지며, 최종적으로 구리 나노선은 구리(III)으로 산화되고, 글루코스는 가수분해에 의해 글루콘산으로 전환될 수 있다. 이러한 산화환원 반응에 의해 생성된 전자들은 상기 전극부로 전달되고, 이들은 전류로 변환되어 글루코스의 농도를 측정할 수 있다. 도 1은 본 발명의 글루코스 센서의 신호 감지부에서 글루코스에서 글루콘산으로의 산화 메커니즘을 개략적으로 나타낸 것이다.
상기 제2 전도성 시트의 금속 나노선이 구리 나노선일 때, XRD 분석 결과 2θ가 43° 내지 44° 범위, 51° 내지 53° 범위 및 74° 내지 75°범위에서 각각 제1 유효피크, 제2 유효피크 및 제3 유효피크를 보이고, 상기 유효피크들은 각각 면 중심의 (111), (200) 및 (220)면에서의 회절피크일 수 있다.
상기 제2 전도성 시트는 단위면적당 함량이 3 내지 800 ㎕/cm2, 바람직하게는 10 내지 200 ㎕/cm2 고, 더욱 바람직하게는 15 내지 100 ㎕/cm2이고, 가장 바람직하게는 20 내지 60 ㎕/cm2일 수 있다. 이때, 상기 제2 전도성 시트의 함량이 3 ㎕/cm2 미만이면 글루코스에 대한 감응 속도가 느리거나 낮은 농도의 글루코스까지 정밀하게 검출하는 것이 어려운 문제가 있고, 반대로 800 ㎕/cm2 초과이면, 글루코스의 농도가 과포화되면서 전류 측정값이 편향되어 고감도 및 고정밀성 검출을 기대할 수 없으며, 글루코스 센서의 유연성이 저하되고 무게 증가로 인해 상용성이 떨어질 수 있다.
상기 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트는 두께비가 1: 0.5 내지 15 배, 바람직하게는 1: 1 내지 8 배, 더욱 바람직하게는 1: 1.2 내지 5 배, 가장 바람직하게는 1: 3 배일 수 있다. 이때, 상기 제2 전도성 시트의 두께비가 0.5 배 미만이면 글루코스와 반응할 수 있는 금속 나노선의 비표면적이 줄어들어 글루코스의 검출 성능이 저하될 수 있고, 반대로 15 배 초과이면 상기 신호 감지부 자체의 두께가 지나치게 두꺼워져 유연성 및 내구성이 급격하게 저하될 수 있다. 상기 제2 전도성 시트는 구체적으로 두께가 50 nm 내지 50 ㎛, 바람직하게는 60 nm 내지 10 ㎛, 더욱 바람직하게는 90 nm 내지 1 ㎛ 일 수 있다.
상기 전극부는 상기 신호 감지부의 제1 전도성 시트, 제2 전도성 시트 또는 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트의 상부, 하부 또는 상하부의 양 말단 상에 위치할 수 있다. 바람직하게는 상기 전극부는 상기 신호 감지부의 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트의 상부 양 말단 상에 위치할 수 있다. 상기 전극부는 상기 신호 감지부에 전류를 공급하고, 감지된 생체신호를 수득 할 수 있다. 상기 전극부는 수득 된 생체신호를 전류, 전압 또는 임피던스의 신호로 신호 검출부에 전달할 수 있다.
상기 글루코스 센서는, 상기 전극부에 연결되고, 상기 전극부에 전원을 공급하여 상기 글루코스 센서를 구동하는 전원부; 및 상기 전극부와 전원부 사이에 연결되고, 상기 전극부로부터 전류, 전압 또는 임피던스 중 어느 하나의 신호를 수집하고, 상기 신호를 전류값으로 변환하는 신호 검출부;를 더 포함할 수 있다.
상기 전원부는 상기 전극부에 전원을 공급하여 상기 글루코스 센서를 구동할 수 있다. 또한 상기 전원부는 상기 글루코스 센서를 구동시켜 글루코스의 농도를 측정한 후 전원을 다시 공급하여 상기 신호 감지부의 촉매에 해당하는 상기 금속 나노선을 환원시켜 초기 상태로 복귀시킬 수 있다. 상기 전원부는 태양전지, 연료전지 또는 리튬이온전지를 포함할 수 있고, 바람직하게는 소형의 리튬전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 전원부로 통상의 DC3.7V 소형전지를 포함 시킬 수 있다.
상기 신호 검출부는 상기 전극부로부터 수집된 신호를 전류값으로 변환하여 글루코스의 농도를 측정할 수 있으며, 나아가 상기 수집된 신호를 블루투스 등의 무선 송수신을 통해 스마트 워치, 휴대폰 등의 휴대용 장치, 신호 프로세싱 또는 디스플레이로 무선 전송할 수 있다.
특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 글루코스 센서에 있어서, 상기 기판의 종류, 제1 및 제2 전도성 시트의 종류, 금속 나노선의 직경 및 길이, 두께비 조건을 달리하여 제조된 글루코스 센서를 이용하여 0.5 mM/L 내지 10.5 mM/L의 글루코스 농도에 대한 전류 응답성 및 200회 반복 시험을 실시하였다.
그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래 조건을 모두 만족하였을 때 0.5 mM/L 내지 10.5 mM/L의 글루코스 농도에 대해 직선성의 전류 응답성을 나타내어 글루코스 센서의 정밀도, 정확성 및 안정성이 매우 우수한 것을 확인하였으며, 금속 나노선의 산화 및 환원 반응이 지속적으로 잘 이루어져 200회 이상으로 재사용이 가능함을 확인하였다.
① 상기 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드(PI)이고, ② 상기 제1 전도성 시트는 은 나노선 및 구리 나노선이 7:3 내지 3:7 중량비로 혼합된 혼합물이고, ③ 상기 제1 전도성 시트의 은 나노선 및 구리 나노선은 각각 65 내지 70 nm이고, 평균 길이가 100 내지 150 ㎛이고, ④ 상기 제2 전도성 시트는 상기 제1 전도성 시트의 내부 및 표면에 형성되며, 구리 나노선으로 이루어지고, ⑤ 상기 제2 전도성 시트의 구리 나노선은 평균 직경이 50 내지 70 nm이고, 평균 길이가 170 내지 200 ㎛이고, ⑥ 상기 제2 전도성 시트는 단위면적 당 함량이 20 내지 60 ㎕이고, ⑦ 상기 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트는 두께비가 1: 1.2 내지 5배일 수 있다.
다만, 상기 7가지 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 10.5 ㅅM/L 이하의 글루코스 농도에 대해 전류 응답성이 매우 낮아 정확한 측정이 어려웠으며, 글루코스의 농도 증가에 따른 전류 응답성이 직선성을 나타내지 못하였다. 또한 80회 이상의 반복실험에서는 더 이상 글루코스 농도 측정이 불가하였다.
한편, 본 발명은 피부로부터 땀을 수집하는 땀 유도 및 수집부; 및 상기 땀 유도 및 수집부의 하부에 위치하며, 상기 수집된 땀으로부터 글루코스의 농도를 감지하는 상기 글루코스 센서;를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치를 제공한다.
상기 땀 유도 및 수집부는, 피부로부터 땀을 유도하여 흡수하거나 통과시키는 땀 흡수부;를 포함할 수 있다. 또한 상기 땀 유도 및 수집부는, 상기 땀 흡수부 및 글루코스 센서의 금속 나노선 시트 사이에 위치하고, 상기 땀 흡수부로부터 통과된 땀을 저장하는 땀 저장 포켓부;를 더 포함할 수 있다. 상기 땀 저장 포켓부는 디바이스의 구조 설계에 따라 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 이러한 상기 땀 유도 및 수집부는 모세관 현상 또는 적외선 가열 방식을 이용하여 땀을 수집하거나, 흡수하거나, 저장할 수 있다. 상기 땀 저장 포켓부는 모세관 현상을 이용할 수 있는 폴리머, 세라믹 등의 소재를 사용할 수 있다.
상기 땀 흡수부는 인체와의 부드러운 접촉과 땀의 흡수 및 통과가 용이한 기능성 섬유를 사용할 수 있으며, 피부로부터 땀을 흡수하여 상기 땀 저장 포켓부로 땀을 통과시켜 역할을 할 수 있다.
상기 땀 저장 포켓부는 상기 땀 흡수부로부터 통과된 땀을 일정량 포집하기 위해 하단부의 중앙은 상기 신호 감지부와 접촉할 수 있는 오목한 형태의 홈이 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 피부로부터 발생된 땀을 모으도록 유도하고 수집하는 땀 유도 및 수집부; 상기 땀 유도 및 수집부의 하부에 위치하며, 상기 수집된 땀으로부터 글루코스의 농도를 감지하는 상기 글루코스 센서; 및 상기 글루코스 센서의 기판 하부에 위치하고, 열을 가하여 피부로부터 땀을 발생시키거나, 발생된 땀을 건조시키는 히터부;를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치를 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 글루코스 농도 측정 장치의 구성도를 개략적으로 나나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 기판(11) 상에 제1 전도성 시트(1) 및 제2 전도성 시트(2)가 차례로 형성되어 있고, 상기 제1 전도성 시트(1) 및 제2 전도성 시트(2)에서 상하부의 양 말단 상에는 전극부(3)가 적층되어 있다. 또한 상기 제2 전도성 시트(2) 및 전극부(3) 상에는 땀 저장 포켓부(16) 및 땀 흡수부 (15)가 차례로 위치하며, 상기 땀 저장 포켓부(16)는 하단부의 중앙에 오목한 형태나 또는 음각 형태의 기다란 홈이 형성된 구조로 이루어져 있다. 상기 기판의 하단면과 상기 신호 검출부의 양면은 패키징(17)으로 둘러싸여 있으며, 상기 패키징(17)의 하부에는 용도 및 디자인에 따라 탈부착형의 박막형 히터부(14) 및 전원부(13)가 위치하며, 상기 히터부(14) 및 전원부(13)는 서로 연결된 구조로 이루어져 있다. 상기 전극부(3)는 상기 전원부(13) 및 신호 검출부(12)와 연결되어 있으나, 디자인에 따라 별도의 전원을 사용할 수 있다.
상기 히터부(14)는 상기 글루코스 센서의 기판 하부 또는 그 주변에 위치하며, 상기 전원부(13)와 연결되어 열을 가할 수 있다. 이때, 상기 히터부(14)는 땀 발생용 히터의 온도가 30~35 ℃이고, 땀 제거용 히터의 온도가 38~45 ℃일 수 있다. 상기 히터부(14)는 열을 가하여 땀을 발생시켜 글루코스의 농도를 측정한 후 다시 열을 가하여 상기 땀 유도 및 수집부의 땀 흡수부(15) 및 땀 저장 포켓부(16)에 잔여하는 땀을 완전 건조시켜 연속적인 재측정을 가능하게 할 수 있다. 상기 히터부(14)는 디자인에 따라 적외선 발열 장치로 대체할 수도 있다.
상기 글루코스 농도 측정 장치는 상기 신호 감지부의 양측면과 일면을 감싸는 패키징(17);을 더 포함하고, 상기 패키징(17)은 인체와 접촉하는 상기 글루코스 센서를 보호하고, 착용 시 간편성을 제공하며, 안락하고 쾌적한 피부 접촉을 위하여 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스테렌(PS), 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 수지, 폴리우레탄(PU) 및 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있다. 상기 패키징(17)은 상기 글루코스 센서와 약간의 공간을 만들기 위해 틈이 생기도록 구릉과 분지 형태로 적절하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 기판 상에 전도성 물질을 코팅하여 제1 전도성 시트를 형성하는 단계; 상기 제1 전도성 시트의 표면, 또는 내부 및 표면 상에 금속 나노선을 코팅하여 제2 전도성 시트가 형성된 신호 감지부를 제조하는 단계; 및 상기 신호 감지부의 상부, 하부 또는 상하부 양 말단 상에 은, 구리 및 금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하여 페이스트 또는 도금으로 전극부를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 전도성 물질은 은, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 나노선, 구리 나노선, 니켈 나노선, 그래핀 및 전도성 탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고, 상기 금속 나노선은 구리 나노선, 은 나노선 및 니켈 나노선으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 글루코스 센서의 제조방법을 제공한다.
상기 제1 전도성 시트를 형성하는 단계 전에, 금속 나노선을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 금속 나노선을 제조하는 단계는 용매에 전이금속 염, 환원제 및 캡핑제를 포함하는 혼합 용액을 상압 또는 고압 반응기에서 반응시키는 단계; 및 상기 반응종료 후에 상기 반응기를 냉각하고 생성물을 정제하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 용매는 증류수, 메탄올, 에탄올, 2-메톡시에톡시에탄올, 이소프로판올, 부탄올, 디에탄올아민(DEA), 트리에탄올아민(TEA), 또는 에틸렌글리콜(EG), 디에틸렌글리콜(DEG), 폴리아릴아민 및 폴리에틸렌아민으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 전이금속은 구리, 은, 금 및 니켈로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 염은 클로라이드, 나이트레이트, 아세테이트, 설페이트, 브로마이드, 요오다이드, 포스페이트 및 카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 환원제는 하이드라진, 아스코빅산, L(+)-아스코빅 산, 이소아스코빅 산, 아스코빅산 유도체, 옥살산, 포름산, 인산, 글루코오스, 프룩토오스, 아인산, 아황산염, 에틸렌글리콜, 올레익산, 염화나트륨 및 붕수소화 나트륨로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 캡핑제는 성장 구조의 원자 순서를 이방성 위치에 형성하기 위해 나노 합성 분야의 숙련된 기술자가 다루는 특별한 유형의 화합물을 포함한다. 여기서 볼 수 있는 금속 캐핑제로는 푸마르산, 글루콘산, 글루타르산, 글리세린산, 글리콜산, 글리옥실산, 이소프탈산, 이타콘산, 락트산, 말레익산, 말레익수화물, 말릭산, 말로익산, 말데익산, 트리에틸렌디아민(triethylenediamine), 에틸렌디아민(ethylenediamine, EDA), 헥사데실아민(hexadecylamine, HDA), 프로판-1,3-디아민(propane-1,3-diamine), 부탄-1,4-디아민(butane-l,4-diamine), 펜탄-1,5-디아민(pentane-1,5-diamine), 에틸렌디아민테트라아세틱에씨드(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 1,2-사이클로헥산디아민-N,N,N',N'-테트라아세트산(l,2-cyclohexanediamine- N,N,N',N'-tetraacetic acid, CDTA), 올레일아민(oleylamine), CTAB, 글리신(glycine), 아스코빅산, 이미도디아세틱에씨드(iminodiacetic acid, IDA), 니트릴로 트리아세트산, 알라닌, 아르기닌, 아스파라긴, 아스파르트산, 시스테인, 글루탐산, 글루타민, 히스티딘, 이소루이신, 류신, 옥타데실아민, 라이신, 메티오닌, 페닐알라닌, 프롤린세린, 트레오닌, 트립토판, 티로신, 발린, 갈산, 붕산, 아세트산, 아세톤옥심, 아크릴산, 아디핀산, 베타인, 디메틸글리옥심, 포름산, 2,4- 펜탄디온, 페닐아세트산, 프탈산, 프롤린, 프로피온산(propionic acid), 피로카테콜(pyrocatecol), 피로멜리틱산(pyromellitic acid), 퀸산(quinic acid), 솔비톨(sorbitol), 숙신산(succinic acid), 타르타르산, 테레프탈산, 트리멜리트산, 트리메식산, 티로신, 크실리톨, 이들의 염 및 유도체, 및 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택된다.
상기 반응종료 후에 상기 반응기를 냉각하고 생성물을 정제하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 생성물을 정제하는 단계에서 세척 용액은 히드라진, 물, 알코올, 이소프로판올, 부탄올, 사리클로헥산, 여러가지 유형의 사이클로 알칸, 아세톤, 클로로벤젠, 1-프로판올(1-propanol), 톨루엔, n-헥산(n-hexane), 클로로포름, 부탄올, 엡솔루트 알코올(absolute alcohol), 1,4-디옥산(1,4-Dioxane), 디에틸 에테르, 에틸 아세테이트, 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide), 포름산, 아세트산, 테트라 하이드로푸란, 사이클로펜탄, 석유에테르, 이소 부틸 알코올, 메틸에틸케톤, m-자일린, p-자일린, 피리딘, 프로필렌 카보네이트 및 1,1,2-트리클로로트리플루오로에탄(1,1,2-Trichlorotrifluoroethane)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 센서 기판 또는 절연베이스는 PET, PI, PE, PS, PEN, 다른 아크릴 기판, PMMA, 유리, 유리 섬유, 칼코겐화물 유리, 수정, PCB 기판 등을 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않다. 또한, 선호하는 베이스 기판 재료는 PI 및 PET 필름이다.
상기 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트는 각각 전도성 물질 또는 금속 나노선을 스프레이 코팅, 스핀코팅, 바코팅, 실크 프린팅, 닥터 블레이드 및 롤투롤로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는 스프레이 코팅, 스핀 코팅 또는 바 코팅에 의해 형성될 수 있다. 이때, 상기 코팅 온도는 65 내지 100 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 전극부를 형성하는 단계에서 베이스 전극재료는 이소보닐 아크릴레이트(isobornyl acrylate, IBA), 테르피네올(terpineol) 또는 부틸 카르비톨 아세테이트(butly carbitol acetate, BCA) 용매에 용해된 은 페이스트, 구리 페이스트 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 글루코스 센서에 0.1 내지 10 V의 전압을 인가하는 단계; 상기 글루코스 센서에 생체로부터 수집된 땀을 접촉시키고, 전류세기를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전류세기로부터 글루코스의 농도를 분석하는 단계;를 포함하는 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법을 제공한다.
상기 전압을 인가하는 단계는 상기 글루코스 센서의 전원부에서 전극부로 0.1 내지 10 V의 전압을 인가하여 산화 및 환원 촉매로 사용되는 제2 전도성 시트의 금속 나노선을 이온화시킬 수 있다. 상기 전류세기를 측정하는 단계는 상기 글루코스 센서의 땀 유도 및 수집부에 생체로부터 땀을 수집하여 신호 감지부로 이동시키고, 땀속에 포함된 글루코스와 이온화된 금속 나노선 촉매가 반응하여 전류세기를 측정할 수 있다. 상기 글루코스의 농도를 분석하는 단계는 측정된 전류세기로부터 땀 속에 함유된 글루코스의 농도를 분석할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 구리 나노선 제조
실온에서 탈이온수(DI water) 70 ㎖와 염화제이구리(CuCl2) 0.35 g을 혼합하고 30 분간 교반하여 염화제이구리 수용액을 제조하였다. 그 다음 상기 염화제이구리 수용액에 프록토오스(C6H12O6) 0.6 g을 첨가한 후 30 분간 교반시켜 혼합용액을 제조하였다. 이때 상기 혼합용액은 프룩토오스가 첨가되기 전에는 구리 이온이 발생되지 않았으나, 프룩토오스가 첨가됨에 따라 천천히 구리이온의 색인 푸른색을 띄었다. 그 다음 상기 혼합용액에 캡팅제로 헥사데실아민(HDA) 1.8 g을 첨가하여 빠른 속도로 8 시간 교반하고, 이어서 포타슘브로마이드 0.05 g을 첨가한 후 1시간 교반하여 최종 반응용액을 제조하였다.
제조된 반응용액을 구형의 플라스크에 넣고 115℃의 오일베스 내에서 150 rpm으로 교반하여 24시간 반응시켜 직경 50~70 nm 및 길이 170~200 ㎛의 최종 구리 나노선을 제조하였다.
제조예 2: 은 나노선 제조
실온에서 탈이온수(DI water) 80 ㎖와 질산은(AgNO3) 0.21 g을 혼합하고 30분간 교반하여 질산은 수용액을 제조하였다. 상기 질산은 수용액에 글루코오스 0.5 g을 첨가한 후 30분간 교반시켜 혼합용액을 제조하였다. 이때, 상기 혼합용액은 글루코오스가 첨가되기 전에는 은 이온이 발생되지 않았으나, 글루코오스가 첨가됨에 따라 천천히 은 이온이 생성되었다. 상기 혼합용액에 캡팅제로 헥사데실아민(HDA) 1.2 g을 첨가하여 빠른 속도로 1시간 교반한 후 제조된 반응용액을 수열합성 용기에 넣고 130 ℃에서 24 시간 반응시켜 직경 30~70 nm 및 길이 150~180 ㎛의 최종 은 나노선을 제조하였다.
제조예 3: 그래핀 제조
화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 그래핀을 제조하였다. 구체적으로 기판은 20~25 ㎛ 두께의 구리 포일을 사용하였으며, 상기 기판은 산성 CuSO4 세정 용액을 사용하여 전기영동으로 세정하였다. 준비된 기판을 H2 (50 mTorr, 5 sccm 및 30 분)의 유량으로 1000 ℃로 가열된 로 내에 30분 동안 두었다. 그런 다음 Ar 가스에 H2와 CH4의 혼합물(5:50 부피비)을 1000 ℃에서 40분 동안 통과시켜 단일층의 그래핀을 생성하였다. 그 다음 구리 포일로부터 상기 그래핀을 분리한 후 PMMA(Poly methyl methacrylate) 상에 스핀 코팅하여 PMMA/그래핀을 형성하였다. 그 다음 상기 PMMA/그래핀을 아니솔(anisole)에 용해시킨 다음 98 ℃의 과황산암모늄((NH4)2S2O8) 용액으로 에칭하고, 이어서 다음 이송단계를 위해 100 ℃에서 20 분간 더 가열하였다. 그 다음 에칭된 PMMA/그래핀을 D.I로 여러번 세척하고 유리 기판으로 전사시켰다. 그런 다음 PMMA를 제거하고 110 ℃에서 1 시간 동안 열처리하였다.
실시예 1-1
제1 전도성 시트의 소재로 상기 제조예 1 및 2와 동일한 방법으로 구리 나노선 및 은 나노선을 제조하되, 각 나노선의 평균 직경은 65~70 nm, 평균 길이는 100~150 ㎛가 되도록 제조하였다. 그 다음 이소프로판올 50 ㎖에 상기 구리 나노선 및 은 나노선을 7:3 중량비로 혼합한 혼합물을 분산시켜 분산액 20 ㎕을 제조하였다. 그 다음 PET 기판 상에 상기 분산액을 500 rpm에서 10초 동안 스핀 코팅한 후 80 ℃의 오븐에서 30분 동안 건조시켜 휘발성 유기 오염물질을 제거하여 제1 전도성 시트를 제조하였다. 이때, 제조된 제1 전도성 시트는 구리 산화를 방지하기 위해 1 시간 동안 냉각시켰다.
그런 다음 상기 제1 전도성 시트의 내부 및 표면 상에 이소프로판올 10 ㎖에 상기 제조예 1의 구리 나노선 20 ㎕ 분산시킨 분산액을 스프레이 코팅법에 의해 분무하여 제2 전도성 시트를 형성하였다. 이어서 80 ℃의 오븐에서 30분 동안 모든 휘발성 유기 오염물을 제거한 후 1 시간 동안 냉각시켜 신호 감지부를 제조하였다. 상기 신호 감지부의 양 말단 상에 은 페이스트를 코팅하여 전극부를 형성하여 글루코스 센서를 제작하였다. 이때, 상기 제2 전도성 시트의 구리 나노선 면중량(단위면적 당 함량)은 분산용액 기준 20 ㎕/cm2였으며, 상기 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트의 두께비가 1: 3 배였다.
실시예 1-2
제1 전도성 시트 상에 상기 제조예 2에 제조된 은 나노선을 이용하여 제2 전도성 시트를 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 실시하여 글루코스 센서를 제작하였다.
실시예 2-1
상기 실시예 1-1에서 사용된 PET 기판 대신 PI 기판을 사용하고, 제2 전도성 시트의 구리 나노선 직경을 30~45 nm로 조절한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 실시하여 글루코스 센서를 제작하였다.
실시예 2-2
제1 전도성 시트의 내부 및 표면에 형성된 제2 전도성 시트의 구리 나노선 면중량이 60 ㎕/cm2가 되도록 한 것을 제외하고, 상기 실시예 2-1과 동일한 방법으로 글루코스 센서를 제작하였다.
실시예 2-3
제1 전도성 시트의 내부 및 표면에 형성된 제2 전도성 시트의 구리 나노선 면중량이 100 ㎕/cm2가 되도록 한 것을 제외하고, 상기 실시예 2-1과 동일한 방법으로 글루코스 센서를 제작하였다.
실시예 2-4
제1 전도성 시트의 내부 및 표면에 형성된 제2 전도성 시트의 구리 나노선 함량이 200 ㎕/cm2가 되도록 한 것을 제외하고, 상기 실시예 2-1과 동일한 방법으로 글루코스 센서를 제작하였다.
실시예 3
제1 전도성 시트의 내부 및 표면에 직경이 70~90 nm을 구리 나노선을 사용하여 제2 전도성 시트를 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 실시하여 글루코스 센서를 제작하였다.
실시예 4
제1 전도성 시트의 내부 및 표면에 직경이 95~116 nm을 구리 나노선을 사용하여 제2 전도성 시트를 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 실시하여 글루코스 센서를 제작하였다.
실시예 5
상기 제조예 3에서 제조된 그래핀을 제1 전도성 시트로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 실시하여 글루코스 센서를 제작하였다.
실시예 6
상기 제조예 3에서 제조된 그래핀을 제1 전도성 시트로 사용하고, 상기 제1 전도성 시트 상에 200 ㎕/cm2 함량의 구리 나노선을 바코팅법에 의해 제2 전도성 시트를 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 실시하여 글루코스 센서를 제작하였다.
실험예 1: 구리 나노선의 SEM 및 XRD 분석
상기 제조예 1에서 제조된 구리 나노선에 대하여 주사전자현미경(SEM) 및 X선 회절분석(XRD)을 실시하여 구조를 분석하였다. 그 결과는 도 3에 나타내었다.
도 3은 상기 제조예 1에서 제조된 구리 나노선에 대한 주사전자현미경(SEM) 및 X선 회절분석(XRD) 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 직경이 50~70 nm이고, 길이가 170~200 ㎛인 구리 나노선이 잘 형성되었으며, XRD 분석 결과 2θ가 각각 43.5°, 52.1° 및 74.2°일 때 3개의 유효 피크들이 확인하였으며, 이러한 피크들은 (111), (200) 및 (220)면에서의 회절에 해당한다.
실험예 2: 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 변화에 따른 전류-시간 응답성 평가
상기 실시예 1-1 및 1-2에서 제조된 글루코스 센서를 이용하여 +0.5V의 인가전압을 인가하면서 25초 간격으로 글루코스를 연속적으로 상기 글루코스 센서에 침투시켜 0.5 mM/L 내지 10.5 mM/L 범위의 글루코스 농도 변화에 따른 전류밀도 및 응답 시간을 측정하였다. 그 결과는 도 4에 나타내었다.
도 4는 상기 실시예 1-1(a) 및 1-2(b)에서 제조된 글루코스 센서를 이용하여 +0.5V의 인가전압에서의 글루코스 농도(0.5 mM/L 내지 10.5 mM/L) 변화에 따른 전류-시간 응답성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 4를 참조하면, 상기 실시예 1-1(a) 및 1-2(b)의 경우 50초 간격으로 글루코스를 연속적으로 첨가함에 따라 글루코스의 농도가 계단식으로 증가하였으며, 각 글루코스 농도에 따라 정확하고 안정적인 전류 응답성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 이러한 전류 응답성은 글루코스 농도 변화에 대한 전류 응답성 측정치로 기존의 글루코스 센서와 비교하여 매우 양호한 결과임을 알 수 있었다.
실험예 3: 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 변화에 따른 전류-시간 응답성 평가
상기 실시예 2-1 및 2-4에서 제조된 글루코스 센서를 이용하여 상기 실험예 2와 동일한 방법으로 전류-시간 응답성을 평가하였으며, 그 결과는 도 5에 나타내었다.
도 5는 상기 실시예 2-1 내지 2-4(a, b, c, d)에서 제조된 글루코스 센서를 이용하여 0.5V의 인가전압에서의 글루코스 농도(0.5 mM/L 내지 10.5 mM/L) 변화에 따른 전류-시간 응답성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 5를 참조하면, 상기 실시예 2-1 내지 2-3(a, b, c)의 경우 제2 전도성 시트의 구리 나노선 함량이 20 내지 100 ㎕/cm2일 때, 시간에 따른 우수한 전류 응답성을 나타내었다. 또한 상기 실시예 2-4(d)의 경우 구리 나노선 함량이 200 ㎕/cm2일 때 정확하고 일정한 계단식의 전류 응답성에는 미치지 못하였으나, 글루코스 농도 변화에 따라 상승하는 전류 응답성을 나타내어 사용 가능함을 확인하였다.
실험예 4: 글루코스 센서의 유연성 평가
상기 실시예 1-1에서 제조된 글루코스 센서의 유연성을 평가하기 위해 50회 및 100회의 굽힘시험 후 상기 실험예 2와 동일한 방법으로 전류-시간 응답성을 평가하였다. 그 결과는 도 6에 나타내었다.
도 6은 상기 실시예 1-1에서 제조된 글루코스 센서에 대한 50회(a) 및 100회(b)의 굽힘시험 후 글루코스 농도(0.5 mM/L 내지 10.5 mM/L) 변화에 따른 전류-시간 응답성 평가 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 6을 참조하면, 상기 도 6의 (a)는 50회 굽힘시험 후에도 우수한 전류-시간 응답성을 나타내었다. 반면에 상기 도 6의 (b)는 100회 굽힘시험 후 전류-시간 응답성이 절반 이하로 저하되는 것을 확인하였다.
실험예 5: 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도의 응답성 평가
상기 실시예 1-1에서 제조된 글루코스 센서에 대하여 글루코스의 다양한 이성체들과 땀에 포함된 성분들로부터 글루코스의 응답성을 평가하였으며, 그 결과는 도 7에 나타내었다.
도 7은 상기 실시예 1-1에서 제조된 글루코스 센서에 대하여 글루코스의 다양한 이성체들과 땀에 포함된 여러 성분들로 부터 글루코스에 대한 응답성을 평가한 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 7을 참조하면, 글루코스의 다양한 이성체들과 땀 성분들과 비교하여 상대적으로 글루코스에 대한 응답성이 90% 이상으로 매우 우수한 것을 확인하였다. 이를 통해 글루코스 센서는 글루코스에 대한 우월한 선택성을 가지는 것을 알 수 있었다.
실험예 6: 글루코스 농도에 따른 전류 응답성 평가
상기 실시예 5에서 제조된 글루코스 센서를 이용하여 글루코스의 농도(0~14 mM/L) 범위를 늘리면서 전류 응답성을 평가하였으며, 그 결과는 도 8에 나타내었다.
도 8은 상기 실시예 5에서 제조된 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도(0 내지 14 mM/L) 변화에 따른 전류 응답성을 평가한 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 8을 참조하면, 글루코스의 농도가 증가함에 따라 전류 응답성도 직선형으로 동일하게 비례하는 것을 확인하였다.
실험예 7: 인공 땀 내의 글루코스 함량변화에 따른 전류 응답성
상기 실시예 1-1에서 제조된 글루코스 센서를 이용하여 7종류의 인공땀 용액을 제조하여 인공땀 용액 내 글루코스의 농도(0~7 mM/L) 범위를 늘리면서 전류 응답성을 측정하였으며, 그 결과는 도 9에 나타내었다.
도 9는 상기 실시예 1-1에서 제조된 글루코스 센서를 이용하여 인공땀 용액내의 글루코스 농도(1 mM/L 내지 7 mM/L) 변화에 따른 전류 응답성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 9를 참조하면, 실제 인공 땀내에 함유하는 글루코스의 농도가 증가함에 따라 전류 응답성도 막대그래프의 꼭지점을 연결하면 직선형으로 비례하는 것을 확인하였다.
1: 제1 전도성 시트
2: 제2 전도성 시트
3: 전극부
11: 기판
12: 신호 검출부
13: 전원부
14: 히터부
15: 땀 흡수부
16: 땀 저장 포켓부
17: 패키징

Claims (20)

  1. 땀으로부터 글루코스의 생체신호를 감지하는, 기판, 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트를 포함하는 신호 감지부; 및
    상기 신호 감지부의 상부, 하부 또는 상하부의 양 말단 상에 위치하며, 상기 신호 감지부에 전류를 공급하고, 감지된 생체신호를 수득하는 전극부;를 포함하고,
    상기 제1 전도성 시트는 상기 기판 상에 형성되고, 은, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 나노선, 구리 나노선, 니켈 나노선, 그래핀 및 전도성 탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 전도성 물질을 포함하는 것이고,
    상기 제2 전도성 시트는 상기 제1 전도성 시트의 표면, 또는 내부와 표면에 동시에 형성된, 구리 나노선, 은 나노선 및 니켈 나노선으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 나노선을 포함하고,
    상기 제2 전도성 시트는 단위면적 당 함량이 3 내지 800 ㎕/cm2인 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자, 유리, 유리섬유 또는 세라믹인 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도성 시트는 은 나노선, 구리 나노선 및 니켈 나노선으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속 나노선을 포함하는 단층이거나; 또는 은, 구리 또는 그래핀 단층이거나; 또는 상기 금속 나노선을 포함하는 단층과 상기 단층 상에 형성된 그래핀층 또는 전도성 탄소층을 포함하는 혼합층;인 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전도성 시트의 혼합층은 혼합층 총 함량에 대하여 금속 나노선 5 내지 99 중량%를 포함하는 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도성 시트의 은 나노선, 구리 나노선 또는 니켈 나노선은 평균 직경이 25 내지 200 nm이고, 평균 길이가 80 내지 200 ㎛인 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전도성 시트의 구리 나노선, 은 나노선 및 니켈 나노선은 평균 직경이 15 내지 350 nm이고, 평균 길이가 30 내지 250 ㎛인 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전도성 시트의 금속 나노선이 구리 나노선일 때, 하기 반응식 1 내지 반응식 5와 같은 글루코스의 산화환원 반응 매커니즘이 일어나는 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서.
    [반응식 1]
    Cu → Cu2+ + 2e
    [반응식 2]
    Cu + 2OH- → CuO + H2O + 2e
    [반응식 3]
    CuO + H2O → Cu(OH)4 -(unstable) + e
    [반응식 4]
    Cu3+ + Glucose + e → Gluconolactone + Cu2+
    [반응식 5]
    Gluconolactone + Cu2+ → Gluconic acid + Cu2+
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트는 두께비가 1: 0.5 내지 15배인 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 글루코스 센서는,
    상기 전극부에 연결되고, 상기 전극부에 전원을 공급하여 상기 글루코스 센서를 구동하는 전원부; 및
    상기 전극부와 전원부 사이에 연결되고, 상기 전극부로부터 전류, 전압 또는 임피던스 중 어느 하나의 신호를 수집하고, 상기 신호를 전류값으로 변환하는 신호 검출부;를 더 포함하는 것인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드(PI)이고,
    상기 제1 전도성 시트는 은 나노선 및 구리 나노선이 7:3 내지 3:7 중량비로 혼합된 혼합물이고,
    상기 제1 전도성 시트의 은 나노선 및 구리 나노선은 각각 65 내지 70 nm이고, 평균 길이가 100 내지 150 ㎛이고,
    상기 제2 전도성 시트는 상기 제1 전도성 시트의 내부 및 표면에 형성되며, 구리 나노선으로 이루어지고,
    상기 제2 전도성 시트의 구리 나노선은 평균 직경이 50 내지 70 nm이고, 평균 길이가 170 내지 200 ㎛이고,
    상기 제2 전도성 시트는 단위면적 당 함량이 20 내지 60 ㎕/cm2이고,
    상기 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트는 두께비가 1: 1.2 내지 5 배인 비침습형 웨어러블 글루코스 센서.
  12. 피부로부터 땀을 수집하는 땀 유도 및 수집부; 및
    상기 땀 유도 및 수집부의 하부에 위치하며, 상기 수집된 땀으로부터 글루코스의 농도를 감지하는 제1항의 글루코스 센서;
    를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 땀 유도 및 수집부는,
    피부로부터 땀을 유도하여 흡수하거나 통과시키는 땀 흡수부;를 포함하는 것인 글루코스 농도 측정 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 땀 유도 및 수집부는 모세관 현상 또는 적외선 가열 방식을 이용하여 땀을 수집하거나, 흡수하거나, 저장하는 것인 글루코스 농도 측정 장치.
  15. 피부로부터 발생된 땀을 모으도록 유도하고 수집하는 땀 유도 및 수집부;
    상기 땀 유도 및 수집부의 하부에 위치하며, 상기 수집된 땀으로부터 글루코스의 농도를 감지하는 제1항의 글루코스 센서; 및
    상기 글루코스 센서의 기판 하부에 위치하고, 열을 가하여 피부로부터 땀을 발생시키거나, 발생된 땀을 건조시키는 히터부;
    를 포함하는 글루코스 농도 측정 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 히터부는 땀 발생용 히터의 온도가 30~35 ℃이고, 땀 제거용 히터의 온도가 38~45 ℃인 것인 글루코스 농도 측정 장치.
  17. 제12항 또는 제15항에 있어서,
    상기 글루코스 농도 측정 장치는 상기 신호 감지부의 양측면과 일면을 감싸는 패키징;을 더 포함하고,
    상기 패키징은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스테렌(PS), 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 수지, 폴리우레탄(PU) 및 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 것인 글루코스 농도 측정 장치.
  18. 기판 상에 전도성 물질을 코팅하여 제1 전도성 시트를 형성하는 단계;
    상기 제1 전도성 시트의 표면, 또는 내부 및 표면 상에 금속 나노선을 코팅하여 제2 전도성 시트를 형성하여 신호 감지부를 제조하는 단계; 및
    상기 신호 감지부의 상부, 하부 또는 상하부 양 말단 상에 은, 구리 및 금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하여 페이스트 또는 도금으로 전극부를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 전도성 물질은 은, 구리, 니켈, 은 나노선, 구리 나노선, 니켈 나노선, 그래핀 및 전도성 탄소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
    상기 금속 나노선은 구리 나노선, 은 나노선 및 니켈 나노선으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
    상기 제2 전도성 시트는 단위면적 당 함량이 3 내지 800 ㎕/cm2인 것인 글루코스 센서의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 전도성 시트 및 제2 전도성 시트는 스프레이 코팅, 스핀코팅, 바코팅, 실크 프린팅, 닥터 블레이드 및 롤투롤로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법에 의해 형성된 것인 글루코스 센서의 제조방법.
  20. 제1항 내지 제7항 및 제9항 내지 제11항 중에서 선택된 어느 한 항의 글루코스 센서에 0.1 내지 10 V의 전압을 인가하는 단계;
    상기 글루코스 센서에 생체로부터 수집된 땀을 접촉시키고, 전류세기를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전류세기로부터 글루코스의 농도를 분석하는 단계;
    를 포함하는 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법.
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