KR102451379B1 - 바이오센서용 루테늄 합금 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 바이오센서용 금속 합금에 관한 것이다. 전극은 루테늄 금속 또는 루테늄-기반 합금으로부터 제조된다. 생성된 전극은 기존 순수 금속 전극과 비교할 때 물리적 및 전기적 성질에서 장점을 갖는다.

Description

바이오센서용 루테늄 합금
본 출원은 2016년 11월 21일에 출원된 미국 가 특허출원 제62/424,911호 및 2017년 1월 30일에 출원된 미국 가 특허출원 제62/451,948호의 우선권을 주장한다. 상기 출원의 전부는 여기에 참조로서 완전히 혼입된다.
본 개시는 금속 합금; 전극, 예를 들어, 바이오 센서에서 발견되는 전극과 같은 전극용 물리적 기상 증착된 구성요소 (components); 및 바이오 센서를 생성하는 방법에 관한 것이다. 특히, 바이오센서는, 알루미늄 (Al), 크롬 (Cr), 구리 (Cu), 몰리브덴 (Mo), 니켈 (Ni), 레늄, 및 텅스텐 (W)과 같은 원소와 결합하는 루테늄 기반 합금과 같은, 비-귀금속 합금으로 제조되어, 원하는 기계적 및 전기적 특성을 갖는, 하나 이상의 전극을 가지며, 및 특히 이를 참조하여 기재될 것이다. 그러나, 본 개시는 다른 유사한 적용에도 받아들일 수 있음을 이해해야한다.
바이오센서는, 생물학적 유체 (예를 들어, 혈액) 내의 분석물질 (analyte) (예를 들어, 글루코오스)의 양을 측정하는 것과 같은, 여러 가지 적용들에서 사용될 수 있다. 혈당 모니터링 (Blood glucose monitoring)은, 당뇨병의 관리에 매우 유용한 도구이다. 당뇨병은, 신체의 가장 중요하고 및 일차 연료인, 혈당의 수준을 신체가 정확하게 조절할 수 없는 질병이다. 이것은, 췌장이 충분한 인슐린을 생성하지 못하거나, 또는 신체의 세포가 생성된 인슐린에 적절히 반응하지 않는 것에 기인한다. 당뇨병 환자는, 고혈당증 (hyperglycemia), 뿐만 아니라 심장병, 뇌졸중, 신부전, 발 궤양, 및 안구 손상과 같은 다른 장기간의 합병증을 예방하기 위해 글루코오스 (glucose) 수준을 모니터링하는 것이 장려된다. 글루코오스 바이오센서는, 혈액 내의, 분석물질인, 글루코오스를 검출하는 분석 장치이다. 비록 글루코오스 바이오센서가, 전위차법, 전류법 (amperometry) 및 비색법 (colorimetry)에 기초하여 고안되었을지라도, 현재 상업적으로 이용 가능한 대부분의 바이오센서는, 전류 측정 바이오센서이다. 이들 바이오센서는, 관심의 분석물질 (예를 들어, 글루코오스)의 선택적 인지 (selective recognition)를 담당하는 생물학적 성분으로서, 산화환원 효소 (예를 들어, 글루타치온 퍼옥시다제 (GPX), 산화질소 합성효소 (eNOS, iNOS, 및 nNOS), 페록시레독신 (peroxiredoxins), 수퍼옥사이드 디스뮤타아제 (superoxide dismutases: SOD), 티오레독신 (Trx), 및 이와 유사한 것)를 사용한다.
이 타입의 바이오센서는, 혈액과 같은 생물학적 샘플에 노출될 수 있는 상대적으로 작은 적층된 플라스틱의 스트립 (strip)이다. 바이오센서의 중요한 특색은, 일회용이고, 단 한 번만 사용된다는 점이다. 상기 스트립은, 반응 챔버 및 상기 반응 챔버에 연결된 2개의 전극인, 기준 전극 (reference electrode) 및 작업 전극 (working electrode)에 대한 기판으로서 작용한다. 글루코오스 바이오센서는, 작업 전극에 부착된 시약 층 (reagent layer)을 함유한다. 상기 시약 층은, 선택적 인지 성분 (즉, 산화환원 효소)뿐만 아니라 전자 매개체 (electron mediators)를 포함한다.
전자 매개체는, 산화환원 효소로부터 전극 표면으로 전자의 왕복을 돕는 인공 전자 전달제 (transferring agent)이다. 매개체는, 환원된 효소와 반응한 다음, 전극 표면으로 확산시켜 이를 수행한다. 매개체의 예로는, 2,2'-아조비스이소부티로니트릴 (AIBN), 오스뮴 착물 (osmium complexes), 퀴논, 페리시아나이드 (ferricyanide), 메틸렌 블루, 2,6-디클로로인도페놀, 티오닌, 갈로시아닌, 인도페놀, 이들의 조합, 및 이와 유사한 것에 의해 개시된 비닐 페로센 (VFc)을 포함한다.
생물학적 유체 샘플은 글루코오스 바이오센서의 반응 챔버로 도입되고, 상기 바이오센서는, 바이오센서의 전극을 사용하는 분석용 미터 (meter)와 같은, 측정 장치에 연결된다. 샘플 내의 분석물질 (글루코오스)은, 작업 전극 (산화환원 효소가 위치된 곳)에서 환원/산화 반응을 거치는 동안, 측정 장치는 바이오센서의 전극을 통해 바이어싱 전위 신호 (biasing potential signal)를 인가한다. 산화환원 반응은, 바이어싱 전위 신호에 응답하여 출력 신호를 생성한다. 출력 신호는, 일반적으로, 생물학적 유체 샘플 내의 분석물질의 농도로 측정되고 및 관련된, 전위 또는 전류와 같은 전자 신호이다.
이러한 바이오센서의 전극은, 통상적으로, 은, 금, 팔라듐, 또는 백금과 같은, 고가의 귀금속으로 만들어진다. 특정 효소/매개체 시스템과 함께 사용되는 경우 부가적인 장점을 갖는 바이오센서에서의 전극으로 사용될 수 있는 새로운 합금을 개발하는 것은 바람직할 것이다. 또한, 이러한 합금이, 값 비싼, 귀금속을 포함하지 않는다면, 바람직할 것이다.
본 개시는 루테늄-계 합금과 같은, 금속 합금으로 형성된 전극을 갖는 바이오센서에 관한 것이다. 시약은 전극 상에 배치되고, 상기 시약은 효소 및 전자 매개체의 특정 조합을 포함한다. 그 결과로 생긴 전극은, 시약과 함께 사용되는 경우, 이로운 물리적 및/또는 전기적 특성을 갖는다. 이들 특성은, 가늚 (thinness), 산화환원 시약과의 반응 동안의 안전성, 전기 전도도 (electrical conductivity), 및 산화환원 시약과의 반응성을 포함할 수 있다. 본 개시의 대부분이, 바이오센서 구성요소로서 사용되는 전극에 관한 것이지만, 상기 전극은, 다른 최종-용도 어플리케이션에도 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 결과적으로, 바이오센서에 사용되는 전극과 관련된 여기에서의 임의의 개시는, 이 기술이 기술분야에 당업자에 의해 합리적으로 적용될 수 있는 모든 전극에 대한 적용가능성을 여기에서 혼입하는 것으로 의도된다.
다양한 구현예에서, 적어도 하나의 추가적인 합금 원소와 조합하여 루테늄을 포함하는 금속 합금이 개시된다. 루테늄-함유하는 합금은 2원, 3원, 또는 4원 합금일 수 있다는 것이 고려된다.
몇몇 특정 구현예에서, 상기 합금은 50 at% 이상의 루테늄을 포함하는, 약 5 원자 퍼센트 (at%) 내지 약 95 at%의 루테늄; 약 5 at% 내지 약 45 at%의 루테늄; 약 50 at% 내지 약 95 at%의 루테늄; 약 55 at% 내지 약 95 at%의 루테늄; 약 50 at% 내지 약 65 at%의 루테늄; 약 50 at% 내지 약 60 at%의 루테늄; 약 55 at% 내지 약 75 at%의 루테늄; 약 60 at% 내지 약 70 at%의 루테늄; 약 65 at% 내지 약 85 at%의 루테늄; 약 70 at% 내지 약 80 at%의 루테늄; 약 75 at% 내지 약 95 at%의 루테늄; 약 80 at% 내지 약 90 at%의 루테늄; 또는 약 85 at% 내지 약 95 at%의 루테늄을 함유할 수 있다. 이것은 합금 합계 100 at%를 기준으로 한다.
다른 특정 구현예에서, 상기 합금은 약 95 at% 내지 약 96 at%의 루테늄을 포함하는 약 95 원자 퍼센트 (at%) 내지 100 at% 미만의 루테늄; 약 96 at% 내지 약 97 at%의 루테늄; 약 97 at% 내지 약 98 at%의 루테늄; 및 약 98 at% 내지 약 99 at%의 루테늄을 함유한다. 추가의 합금 원소(들)은 0 at% 초과 내지 5 at%의 총량으로 존재한다. 이것은 합금 합계 100 at%를 기준으로 한다.
추가의 합금 원소(들)은, 특정 구현예에서, 알루미늄, 크롬, 구리, 니켈, 레늄, 및 텅스텐으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
특정 구현예에서, 상기 합금은 약 55 at% 내지 약 95 at%; 약 5 at% 내지 약 50 at%; 약 35 at% 내지 약 50 at%; 약 40 at% 내지 약 50 at%; 약 25 at% 내지 약 45 at%; 약 30 at% 내지 약 40 at%; 약 15 at% 내지 약 35 at%; 약 20 at% 내지 약 30 at%; 약 5 at% 내지 약 25 at%; 약 10 at% 내지 약 20 at%; 또는 약 5 at% 내지 약 15 at%; 또는 약 0 at% 내지 약 10 at%의 추가적인 합금 원소(들)를 포함하는, 5 at% to about 95 at%의 추가적인 합금 원소(들)와 조합하여, 루테늄을 함유할 수 있다. 루테늄-계 합금이 3원 합금인 특정 구현예에서, 제1 합금 원소 대 제2 합금 원소의 중량비는 약 1:1 내지 약 2:1일 수 있다.
다른 특정 구현예에서, 상기 합금은 약 1 at% 내지 약 2 at%; 약 2 at% 내지 약 3 at%; 약 3 at% 내지 약 4 at%; 및 약 4 at% 내지 약 5 at%를 포함하는 0 초과 내지 약 5 at%의 추가적인 합금 원소(들)와 조합하여 루테늄을 함유할 수 있다. 루테늄-계 합금이 3원 합금인 특정 구현예에서, 제1 합금 원소 대 제2 합금 원소의 중량비는 약 1:1 내지 약 2:1일 수 있다.
몇몇 특정 구현예에서, 상기 합금은 (a) 루테늄과 (b) 크롬 또는 텅스텐의 2원 합금이다. 이들 2원 합금은 약 55 at% 내지 약 85 at%의 루테늄, 잔부의 크롬 또는 텅스텐; 또는 약 55 at% 내지 약 65 at%의 루테늄, 잔부의 크롬 또는 텅스텐; 또는 약 75 at% 내지 약 85 at%의 루테늄, 잔부의 크롬 또는 텅스텐을 포함할 수 있다.
몇몇 특정 구현예에 있어서, 합금은 (a) 루테늄 및 (b) 알루미늄의 2원 합금이다. 이들 2원 합금은 약 60 at% 내지 약 70 at%의 루테늄, 잔량의 알루미늄; 또는 약 15 at% 내지 약 25 at% 루테늄, 잔량의 알루미늄을 포함할 수 있다.
몇몇 특정 구현예에 있어서, 합금은 (a) 루테늄 및 (b) 니켈의 2원 합금이다. 이들 2원 합금은 약 5 at% 내지 약 25 at%의 루테늄, 잔량의 니켈을 포함할 수 있다.
몇몇 특정 구현예에 있어서, 합금은 (a) 루테늄 및 (b) 니켈 및 알루미늄의 3원 합금이다. 이들 2원 합금은 약 20 at% 내지 약 55 at%의 루테늄, 잔량의 니켈 및 알루미늄의 조합을 포함할 수 있다.
몇몇 특정 구현예에 있어서, 합금은 (a) 루테늄 및 (b) 크롬 및 텅스텐의 3원 합금이다. 이들 2원 합금은 약 20 at% 내지 약 55 at%의 루테늄, 잔량의 크롬 및 텅스텐의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 바이오센서, 전극, 및 이러한 합금 또는 루테늄 금속을 포함하는 제품이 개시된다.
또한, 다양한 구현예에서, 기판의 표면 상에 루테늄-계 합금으로부터 제1 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 바이오센서를 생성하는 단계가 개시된다. 루테늄-계 합금은 전술한 합금 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
상기 방법은 동시-스퍼터링에 의해 제1 전극을 형성하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
상기 방법은 기판 내에 반응 챔버를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 반응 챔버는 제1 전극과 접촉한다. 또한, 시약 층은 작동 전극을 형성하기 위해 제1 전극 상에 형성될 수 있다.
상기 방법은 제1 전극이 기준 전극으로서 작동하도록 고려하고, 2원 루테늄-계 합금으로부터 기판 상에 제2 전극을 형성하는 단계, 및 상기 제2 전극 상에 시약 층을 배치하여 작업 전극을 형성하는 배치 단계를 더욱 포함한다.
본 개시의 이들 및 다른 비-제한적인 특징은, 이하 좀더 구체적으로 개시된다.
하기는, 여기에 개시된 대표적인 구현예를 예시할 목적으로 제시되고 및 이를 제한할 목적이 아닌, 도면의 간략한 설명이다.
도 1은 본 개시의 대표적인 바이오센서의 사시도이다.
도 2는 도 1의 바이오센서의 분해도이다.
도 3은 본 개시의 대표적인 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 4는 기준 (baseline) 금 (Au) 전극에 대한 순환 전압전류법 (cyclic voltammetry (CV))이다.
도 5는 기준 금 전극의 스캔에 대한 전류 산화환원 (current redox) 대 전류 산화의 기준 가역성 (reversibility)의 플롯이다.
도 6은 본 개시의 루테늄 전극의 스캔에 대한 전류 산화환원 (redox) 대 전류 산화의 기준 가역성의 플롯이다.
도 7a는 본 개시의 루테늄 전극의 제1 스캔에 대한 CV 그래프이다.
도 7b는 본 개시의 루테늄 전극의 제2 스캔에 대한 CV 그래프이다.
도 8a는 본 개시의 루테늄 전극의 6회 스캔에 걸친 전류 산화환원 박스플롯이다.
도 8b는 본 개시의 루테늄 전극의 6회 스캔에 걸친 전위 (potential) 산화환원의 박스플롯이다.
도 8c는 도 8a에서 예시된 박스플롯과 비교하기 위한 금 전극의 6회 스캔에 걸친 전류 산화환원의 박스플롯이다.
도 8d는 도 8b에서 예시된 박스플롯과 비교하기 위한 금 전극의 6회 스캔에 걸친 전위 산화환원의 박스플롯이다.
도 9는 59mV의 네르스티안 이상 (Nernstian ideal)과 비교하기 위한 개별 값 플롯 또는 루테늄, 팔라듐, 금, 및 니켈 피크 분리이다.
도 10은 공지된 금속과 비교를 위한 본 개시의 다양한 합금에 대한 전류의 개별 값 플롯이다.
여기에 개시된 구성요소, 공정 및 장치의 좀더 완전한 이해는 첨부된 도면을 참조하여 얻어질 수 있다. 다만, 이들 도면은, 본 개시를 입증하기 위한 용이성 및 편의성에 기초한 개략적인 표현이며, 따라서, 장치 또는 이의 구성요소의 상대적인 크기 및 치수를 나타내도록 및/또는 대표적인 구현예의 범주를 한정 또는 제한하도록 의도된 것이 아니다.
특정 용어가 하기 상세한 설명에서 명확성을 위해 사용되지만, 이들 용어는, 도면에서 예시를 위해 선택된 구현예의 특정 구조만을 지칭하도록 의도된 것이지, 본 개시의 범주를 한정하거나 또는 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 이하 도면 및 하기 상세한 설명에서, 유사한 참조 번호는, 유사한 기능의 구성요소를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
용어의 단수 형태는, 별도의 언급이 없는 한 복수 대상을 포함한다.
"하나의 구현예", "구현예", 또는 "구현예들"에 대한 언급은, 언급되는 특색 또는 특색(들)이 기술의 적어도 하나의 구현예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 상세한 설명에서 "하나의 구현예", "구현예", 또는 "구현예들"에 대한 별도의 언급은, 반드시 동일한 구현예를 지칭하는 것은 아니며 및 상세한 설명으로부터 기술분야의 당업자에게 명백한 것을 제외하고는 및/또는 그렇게 명시되지 않는 한 상호 배타적이지 않다. 예를 들어, 하나의 구현예에서 기재된 특색, 단계, 등은 또한 다른 구현예에도 포함될 수 있지만, 반드시 포함되는 것은 아니다. 따라서, 본 기술은, 여기에 기재된 구현예들의 다양한 조합 및/또는 통합을 포함할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은, 용어 "포함하는"은, "이루어진" 및 "필수적으로 이루어진" 구현예들을 포함할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "포함하는", "포함하다", "가지는", "갖는", "할 수 있다", "함유하는", 및 이의 변형은, 지명된 성분들/단계들의 존재를 요구하고 및 다른 성분들/단계들의 존재를 가능하게 하는, 개방-형 전환 문구, 용어, 또는 단어인 것으로 의도된다. 그러나, 이러한 설명은, 오직 지명된 성분들/단계들의 존재가, 이로부터 결과할 수 있는 임의의 불순물과 함께, 허용되고, 및 다른 성분들/단계들을 배제하는, 열거된 성분들/단계들로 "이루어진" 및 "필수적으로 이루어진" 것으로서 조성물 또는 공정을 또한 설명하는 것으로 해석되어야 한다.
본 출원서의 명세서 및 청구범위에서 수치 값은, 동일한 수의 유효 숫자로 감소되는 경우, 동일한 수치 값 및 값을 결정하기 위한 본 출원서에 기재된 타입의 종래의 측정 기술의 실험 오차 미만으로 명시된 값과 다른 수치 값을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
여기에 개시된 모든 범위는, 인용된 종말점을 포함하고 및 독립적으로 조합 가능하다 (예를 들어, "2 grams 내지 10 grams"은, 종말점, 2 grams 및 10 grams, 및 모든 중간 값을 포함한다).
"약" 및 "실질적으로"와 같은, 용어 또는 용어들에 의해 변경된 값은, 명시된 정확한 값으로 제한되지 않을 수 있다. 수식어 "약"은 또한, 두 종말점의 절대 값에 의해 한정된 범위를 개시하는 것으로 고려되어야 한다. 예를 들어, 표현 "약 2 내지 약 4"는, 또한 범위 "2 내지 4"를 개시한다.
수치 범위가 제공되는 경우, 이러한 범위는, 범위의 하한 값만을 인용하는 청구범위 제한뿐만 아니라 범위의 상한 값만을 인용하는 청구범위 제한에 대한 문자적 뒷받침을 제공하는 것으로서 해석되는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 10 내지 100의 개시된 수치 범위는, (상한 경계 없는) "10 초과"를 인용하는 청구범위 및 (하한 경계 없는) "100 미만"을 인용하는 청구범위에 대한 문헌적 뒷받침을 제공한다.
용어 "시약 (reagent)" 및 이의 변형은, 다수의 성분을 포함할 수 있는 조성물을 지칭한다. 예를 들어, 시약은, 때때로, 산화환원 효소, 전자 매개체, 및 부가적인 물질/화합물을 함유하는 조성물을 묘사하기 위해 여기에서 사용된다. 시약은 액체 또는 고체일 수 있다.
본 개시는, 일반적으로, 바이오센서에 사용되는 것과 같은 전극용 구성요소에 관한 것이다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "바이오센서"는, 생물학적 샘플을 분석하기 위한 장치를 의미할 것이다. 몇몇 구현예들에서, 바이오센서는 글루코미터 (glucometer)와 같은, 의료용 센서일 수 있고, 및 상기 바이오센서 구성요소는, 바이오센서와 함께 사용하기 위한 시험-스트립 (test-strip)을 포함할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "의료용 센서"는, 의학적 모니터링 및/또는 진단을 위해 사용되는 바이오센서를 의미할 것이다.
"루테늄 금속"이라는 문구는 여기서는 오직 루테늄으로만 만들어진 금속을 지칭하는데 사용되고, 부수적인 불순물을 함유할 수 있으며, 즉 100 at%의 루테늄을 함유한다.
바이오 센서는 전형적으로 : (1) 기판; (2) 한 쌍의 전극; 및 (3) 분석물질과 반응하고, 일반적으로 산화환원 효소 및 전자 매개체를 함유하는 시약 층으로부터 형성된다.
본 개시에서, 적어도 하나의 전극은 금속 합금, 루테늄 금속, 또는 소정의 양의 루테늄을 함유하는 금속 합금으로부터 형성된다. 금속 합금은, 일반적으로, 금, 은, 팔라듐, 또는 백금과 같은, 귀금속을 포함하지 않는다. 이것은, 바이오센서를 더 저렴하게 만들고, 이는 바이오센서에 대한 시장 기회 (market opportunities)를 증가시킨다. 이 합금은, 특정 효소/매개체 시스템과 함께 사용된 경우, 물리적 및 전기적 특성 장점을 제공하는데 사용될 수 있다. 이러한 물리적 및 전기적 특성은, 전극의 가늚, 더 우수한 전기 전도도, 시간에 따른 안정도, 물리적 접촉 내구성, 낮아진/좀더 일관성 있는, 바이어스 응답을 위한 낮아진 접촉 저항, 및/또는 회로에서 미세 라인 형성을 위한 더 우수한 응집력 (cohesion)을 포함할 수 있다. 특정 구현예에서, 금속 합금은 루테늄-계 합금이다.
도 1은 바이오센서 (10)의 사시도이다. 상기 바이오센서 (10)는, 몸체 (12), 유체 샘플링 단부 (14), 전기 접촉 단부 (16), 및 벤트 개구 (vent opening: 52)를 갖는다. 노치 (notch: 54)는, 유체 샘플링 단부 (14)에 배치되어 샘플 챔버 (17) 내로 유체 샘플의 로딩 (loading)을 용이하게 한다. 유체 샘플링 단부 (14)는, 샘플 주입구 (18)와 벤트 개구 (52) 사이에 샘플 챔버 (17)를 포함한다. 전기 접촉 단부 (16)는, 3개의 개별의 전도성 접촉부 (16a, 16b 및 16c)를 갖는다.
도 2는, 바이오센서 (10)의 분해도이다. 몸체 (12)는 기판 (20), 선택적인 시약 보유 층 (30), 채널 형성층 (40), 및 커버 (50)로 구성된다. 상기 몸체 (12)의 층들은, 일반적으로, 폴리비닐 클로라이드, 폴리카보네이트, 폴리설폰, 나일론, 폴리우레탄, 셀룰로오스 나이트레이트, 셀룰로오스 프로피오네이트, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리스티렌과 같은 플라스틱으로 제조된다. 기술분야에 공지된 다른 고분자 조성물은: 나일론, 폴리에스테르, 코폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드; 폴리스티렌, 폴리스티렌 공중합체, 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체, 폴리(메틸메타크릴레이트), 아크릴 공중합체, 폴리(에테르-이미드); 폴리페닐렌 옥사이드 또는 폴리(페닐렌 옥사이드)/폴리스티렌 블렌드, 폴리스티렌 수지; 폴리페닐렌 설파이드; 폴리페닐렌 설파이드/설폰; 폴리(에스테르-카보네이트); 폴리카보네이트; 폴리술폰; 폴리설폰 에테르; 및 폴리(에테르-케톤); 또는 다른 전술한 고분자 중 임의의 혼합물을 포함한다. 이들 물질은 가요성 또는 강성일 수 있으며, 및 일반적으로, 비-전도성 및 여기에 기재된 고려되는 화학 반응에 화학적으로 불활성이어야 한다.
기판 (20)은, 3개의 전극 (22, 24 및 26)이 묘사된 금속 필름 (21)을 갖는다. 전극 (22, 24, 26)은, 금속 필름 (21)을 스크라이빙 (scribing) 또는 스코어링 (scoring)하거나, 또는 기판 (20) 상으로 전극 (22, 24, 26)을 실크-스크린하여 형성될 수 있다. 금속 필름 (21)의 스크라이빙 또는 스코어링은, 3개의 독립적인 전극 (22, 24, 26)을 생성하기에 충분하게 금속 필름 (21)을 기계적으로 스크라이빙하여 수행될 수 있다. 본 개시의 바람직한 스크라이빙 또는 스코어링 방법은, 이산화탄소 레이저, YAG 레이저 또는 엑시머 레이저 (excimer laser)를 사용하여 수행된다. 선택적으로, 금속 필름은, 금속 필름이 하나의 전극을 형성하도록, 그 위에 놓인 것처럼 패터닝된다. 바이오센서용 전극을 형성하는 또 다른 방법은 (a) 기판을 제공하는 단계; (b) 타겟 (target)을 제공하는 단계; 및 (c) 상기 타겟으로부터의 물질로 상기 기판의 적어도 일부를 물리적 기상 증착시키고 (physical vapor depositing), 이에 의해 상기 기판상에 전도성 층 (즉, 전극)을 형성하는, 증착 단계를 포함한다. 물리적 기상 증착 기술은, 스퍼터 코팅 (예를 들어, 마그네트론 스퍼터링 (magnetron sputtering), 불균형 마그네트론 스퍼터링, 대향 타겟 스퍼터링 (facing targets sputtering), 또는 이와 유사한 것), 열 증착 (thermal evaporation), 전자빔 증착 (electron beam evaporation), 레이저 절삭, 아크 기화, 공-증착, 이온 플레이팅 (ion plating), 또는 이와 유사한 것을 포함한다. 여기에 예시된 바와 같이, 3개의 다른 필름은 증착되어 3개의 전극 (22, 24, 26)을 형성할 것이다.
시약 보유 층 (30)은, 액체 시약의 사용이 요구되는 경우, 사용될 수 있다. 시약 보유 층 (30)은 3개의 시약 보유 개구 (32, 34, 36)를 갖는다. 시약 보유 개구 (32)는 전극 (22)의 일부를 노출시키고, 시약 보유 개구 (34)는 전극 (24)의 일부를 노출시키며, 및 시약 보유 개구 (36)는 전극 (26)의 일부를 노출시켜 시약 보유 웰 (reagent holding wells)을 생성한다. 이 층 (30)은, 액체 형태로 충분한 양의 화학 시약을 보유하고 및 센서의 샘플 챔버를 통해 모세관 작용을 촉진시키는데 사용된다. 시약 보유 층 (30)은 플라스틱 시트로 제조될 수 있고, 및 감압 접착제 (pressure sensitive adhesive), 광중합체 (photopolymer)로 코팅되거나, 기판 (20)에 초음파-결합되거나, 또는 기판 (20) 상으로 실크-스크린될 수 있다.
일반적으로, 채널 형성층 (40)은 유체 샘플링 단부 (14)에 위치된 U-자형 컷아웃 (U-shaped cutout: 42)을 갖는다. 컷아웃 (42)의 길이는, 채널 형성층 (40)이 시약 보유 층 (30)에 적층되는 경우, 전극 구역 (W 및 R)이 컷아웃 (42)에 의해 한정된 공간 내에 있는 정도이다. U-자형 컷아웃 (42)의 길이, 폭 및 두께는 모세관 채널 부피를 한정한다.
3개의 시약 보유 개구 (32, 34, 36)는, 각각, 전극 구역 (W1, W2, 및 R)을 한정하고, 및 2개의 작업 전극 및 하나의 기준 전극을 형성하는 화학 시약을 보유한다. 일반적으로, 전극 구역은 시약 혼합물로 로딩된다. 작업 전극 구역 (32, 34, 36)에 대한 시약 혼합물은, 선택적 고분자, 계면활성제, 및 완충액을 갖는 산화환원 매개체와 효소의 혼합물이다. 기준 시약 매트릭스 (reference reagent matrix)는, 작업 전극의 시약 혼합물과 유사한 전극 구역 (R)에 로딩될 수 있다. W1 및 W2는, 서로 확인하는데 사용될 수 있는, 다른 효소/매개체를 사용하는 것으로 고려된다. 제조하는데 더 간단할 수 있는 오직 하나의 작업 전극을 갖는 구현예가 또한 고려된다.
대안적으로, 화학 시약은, 전극 구역 (W1, W2, R) 상에 건조된 고체 필름의 형태로 시약 층을 형성하는데 사용될 수 있다. 이들 구현예에서, 시약 보유 층 (30)은, 요구되지 않는다.
통상적으로, 전극 구역 (R)은, 기준 전극 기능을 만들기 위해 산화환원 시약 또는 매개체로 로딩되어야 한다. 기준 시약 혼합물은, 바람직하게는, 산화된 산화환원 매개체 또는 산화 및 환원된 형태의 혼합물의 산화환원 매개체, 적어도 하나의 결합제, 계면활성제 및 항산화제 (산화환원 매개체의 환원된 형태가 사용된 경우) 및 벌킹제 (bulking agent)를 함유한다. 대안적으로, 기준 전극 (전극 구역 R)은, (예를 들어, Ag/AgCl 잉크를 적용하거나 또는 Ag 또는 Ag/AgCl 층을 스퍼터-코팅하여) Ag/AgCl 층으로 또는 적절한 기능을 위해 산화환원 매개체를 요구하지 않는 다른 기준 전극 물질로 또한 로딩될 수 있다.
시약 보유 개구의 크기는, 적절하게 기능을 하도록 충분한 화학 시약을 보유할 수 있으면서, 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 여기에 도시된 바와 같이, 시약 보유 개구는 둥글고, 및 약 0.03 in. (0.76 mm)의 바람직한 직경을 갖는다. 3개의 시약 보유 개구 (32, 34, 36)는, 서로 정렬되고 및 서로 약 0.025 in. (0.625 mm) 이격된다. 원형의 시약 보유 개구는, 오직 예시 목적을 위한 것이며, 및 시약 보유 개구의 형태는, 임계적이지 않은 것으로 이해되어야 한다.
유체 샘플이 본 개시의 단일 스트립에 적용되는 경우, 유체 샘플은 샘플링 단부 구멍을 통해 채널로 들어가고 및 W1, W2 및 R 위로 흐르며 및 벤트 개구의 문턱 (threshold)에서 정지한다. 시간-전류법 (Chronoamperometry) (i-t 곡선)은 바이오센서의 전류 응답 (current response)을 측정하는데 사용될 수 있다. 산소 농도 (pO2)는 제어될 수 있다. 일단 혈액 샘플이 스트립에 들어가면, 0.3-0.5 볼트의 전위 (potential)는 작업 전극 및 기준 전극에 걸쳐서 인가된다. 그 다음에, 혈액 샘플의 글루코오스 농도는 측정될 수 있다.
전술된 구현예는, 전류측정 분석 (amperometric analyses)에 기초한다. 그러나, 당업자는, 본 개시의 센서가 전기량 분석, 전위차 분석, 전압전류 분석 및 다른 전기화학적 기술을 또한 활용하여 샘플 내의 분석물질의 농도를 결정할 수 있는 것으로, 인식할 것이다.
도 3은 금속 합금으로 제조된 전극을 갖는 바이오센서를 생성하는 대표적인 방법 (100)을 예시하는 흐름도이다. 상기 방법 (100)은, 기판의 표면상에 금속 합금을 포함하는 전도성 층을 형성하는 단계 (단계 120); 상기 기판에서 상기 전도성 층과 접촉하는 반응 챔버를 형성하는 단계 (단계 140); 상기 전도성 층 상에 시약 층을 형성하여 작업 전극을 형성하는 단계 (단계 160); 및 상기 기판상에 제2 전극을 형성하는 단계 (단계 180)를 포함한다.
단계 (120)에서, 전도성 층은 기판의 표면상에 형성되고, 여기서, 상기 전도성 층은 금속 합금을 포함한다. 몇몇 사례에서, 상기 전도성 층은, 기판의 표면상으로 스퍼터링된다. 예를 들어, 전도성 층은, 에너지 입자 (energetic particles)에 의한 금속 소스 (metal source)와의 접촉에 기인하는 전도성 물질 소스로부터 금속의 입자를 방출하기 위해 고속 이온 (fast ions)을 사용함으로써, 기판의 표면상으로 증착된다. 전도성 층은, 단일 전극을 형성하는데 사용될 수 있거나, 또는 둘 이상의 전극을 형성하도록 형상화되거나 또는 패턴화될 수 있다. 특정 구현예에서, 금속 합금은 루테늄-계 합금이다.
단계 (140)에서, 반응 챔버는 기판 내에 형성되고, 여기서, 반응 챔버는 전도성 층과 접촉한다. 상기 반응 챔버는, 당 업계에 공지된 임의의 방법에 의해 기판 내에 형성될 수 있다.
단계 (160)에서, 시약 층은 전도성 층 상에 형성되어 작업 전극을 형성한다. 상기 시약 층은 당 업계에 공지된 임의의 방법에 의해 전도성 층 상에 형성될 수 있다. 좀더 구체적으로, 상기 시약 층은 효소, 조효소, 및 전자 매개체를 함유한다. 특정 효소/매개체 시스템은 고려된다. 제1 시스템에서, 효소는 글루코오스 산화효소 (glucose oxidase, GOD)이고, 조효소는 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드 (FAD)이며, 및 매개체는 헥사시아노페레이트 (Ⅱ)/헥사시아노페레이트이다. 제2 시스템에서, 효소는 글루코오스 탈수소효소 (glucose dehydrogenase, GDH)이고, 조효소는 피롤로퀴놀린 퀴논 (PQQ)이며, 및 매개체는 헥사시아노페레이트 (Ⅱ)/헥사시아노페레이트이다. 제3시스템에서, 효소는 GDH이고, 조효소는 PQQ이며, 및 매개체는 퀴논아민/페닐렌디아민이다.
단계 (180)에서, 제2 전극은 기판상에 형성된다. 제2 전극은 단계 (120)에서 기재된 바와 같이 형성될 수 있다.
금속 합금 자체는, 적합한 금속의 2원, 3원 또는 4원 합금일 수 있다. 특정 구현예에서, 합금은 하나 이상의 부가적인 합금 원소(들)과 조합하여 루테늄 (Ru)을 함유하는 금속 합금이다. 상기 합금은 50 at% 이상의 루테늄을 포함하는 약 5 원자 퍼센트 (at%) 내지 약 95 at%의 루테늄; 약 5 at% 내지 약 45 at%의 루테늄; 약 50 at% 내지 약 95 at%의 루테늄; 약 55 at% 내지 약 95 at%의 루테늄; 약 50 at% 내지 약 65 at%의 루테늄; 약 50 at% 내지 약 60 at%; 약 55 at% 내지 약 75 at%의 루테늄; 약 60 at% 내지 약 70 at%; 약 65 at% 내지 약 85 at%의 루테늄; 약 70 at% 내지 약 80 at%; 약 75 at% 내지 약 95 at%의 루테늄; 약 80 at% 내지 약 90 at%; 또는 약 85 at% 내지 약 95 at%의 루테늄을 함유할 수 있다.
여기에 사용된 합금은, 알루미늄 (Al), 크롬 (Cr), 구리 (Cu), 니켈 (Ni), 레늄 (Re), 또는 텅스텐 (W)과 같은, 하나 이상의 원소와 조합하여 루테늄 (Ru)을 함유하는 금속 합금인 것이 특히 고려된다. 상기 합금은, 약 55 at% 내지 약 95 at%; 약 5 at% 내지 약 50 at%; 약 35 at% 내지 약 50 at%; 약 40 at% 내지 약 50 at%; 약 25 at% 내지 약 45 at%; 약 30 at% 내지 약 40 at%; 약 15 at% 내지 약 35 at%; 약 20 at% 내지 약 30 at%; 약 5 at% 내지 약 25 at%; 약 10 at% 내지 약 20 at%; 또는 약 5 at% 내지 약 15 at%; 또는 약 0 at% 내지 약 10 at%의 부가적인 합금 원소(들)을 포함하는 약 5 at% 내지 약 95 at%의 이들 부가적인 합금 원소(들)을 함유할 수 있다.
전술한 바와 같이, 바이오센서의 전극은 루테늄 금속 (즉, 100 at% 루테늄), 또는 약 95 at% 내지 100 at% 미만의 루테늄과 같은 고 함량의 루테늄을 함유하는 금속 합금으로 제조될 수 있다는 것이 또한 고려된다.
고 함량의 루테늄 금속 합금 자체는 적합한 금속의 2원, 3원 또는 4원 합금 일 수 있다. 특정 구현예에서, 합금은 하나 이상의 부가적인 합금 원소(들)과 조합하여 루테늄 (Ru)을 함유하는 금속 합금이다. 상기 합금은 약 95 at% 내지 약 96 at%의 루테늄; 약 96 at% 내지 약 97 at%의 루테늄; 약 97 at% 내지 약 98 at%의 루테늄; 또는 약 98 at% 내지 약 99 at%의 루테늄을 포함하는 약 95 원자 퍼센트 (at%) 내지 100 at% 미만의 루테늄을 함유할 수 있다.
여기에 사용된 합금은, 알루미늄 (Al), 크롬 (Cr), 구리 (Cu), 니켈 (Ni), 레늄 (Re), 또는 텅스텐 (W)과 같은, 하나 이상의 원소와 조합하여 고 함량의 루테늄 (Ru)을 함유하는 금속 합금인 것이 특히 고려된다. 상기 합금은 약 1 at% 내지 약 2 at%; 약 2 at% 내지 약 3 at%; 약 3 at% 내지 약 4 at%; 및 약 4 at% 내지 약 5 at% 의 부가적인 합금 원소(들)을 포함하는 0 at% 초과 내지 약 5 at%의 이들 부가적인 합금 원소(들)을 함유할 수 있다.
위에서 특정된 조성 범위에서 하나 이상의 다른 원소와 루테늄의 임의의 조합이 고려된다. 합금은 웨이퍼 영역에 걸쳐 조성물의 범위를 허용하도록 기판 회전을 억제 한 클러스터 (즉, 동시-스퍼터링) 시스템을 이용하여 형성 될 수있다. 바람직하게는, 당업자는 상기 합금으로부터 스퍼터링 타겟을 제작할 수 있는데, 이것이 증착 균일성을 유지할 수 있기 때문이다.
특정 구현예에서, 합금은 크롬 또는 텅스텐과 조합하여 루테늄을 함유하는 2원 금속 합금이다. 또 다른 특정 구현예에서, 금속 합금은 루테늄 (Ru)을 알루미늄 (Al)과 조합 한 2원 합금이다. 추가의 구현예에서, 금속 합금은 루테늄 (Ru)을 니켈 (Ni)과 조합한 2원 합금이다. 다른 추가적인 구현예에서, 금속 합금은 레늄 (Re)과 함께 루테늄 (Ru)을 포함한다.
몇몇 특정 구현예에서, 합금은 크롬 또는 텅스텐과 조합하여 루테늄을 함유하는 2원 금속 합금이다. 이들 2원 합금은 약 55 at% 내지 약 85 at%의 루테늄, 또는 약 55 at% 내지 약 65 at%의 루테늄, 또는 약 75 at% 내지 약 to about 85 at%의 루테늄을 포함할 수 있다. 이 2원 합금의 나머지는 크롬 또는 텅스텐이다.
또 다른 특정 구현예에서, 금속 합금은 루테늄 (Ru)을 알루미늄 (Al)과 조합 한 2원 합금이다. 합금은 약 5 at% 내지 약 45 at%의 루테늄, 또는 약 55 at% 내지 약 95 at%의 루테늄을 잔량의 알루미늄과 함유할 수 있다. 특정 구현예에서, 합금은 약 60 at% 내지 약 70 at%의 루테늄 및 약 30 at% 내지 약 40 at%의 알루미늄 함유할 수 있다.
추가적인 구현예에서, 금속 합금은 루테늄 (Ru)을 니켈 (Ni)과 조합한 2원 금속이다. 상기 합금은 약 55 at% 내지 약 95 at%의 루테늄 및 약 5 at% 내지 약 45 at%의 니켈을 함유할 수 있다.
다른 추가적인 구현예에서, 금속 합금은 루테늄 (Ru)을 레늄 (Re)과 포함한다. 상기 합금은 약 55 at% 내지 약 95 at%의 루테늄 및 약 5 at% 내지 약 45 at%의 레늄을 함유할 수 있다.
당업자가 쉽게 이해하는 바와 같이, 금속 합금은 부수적인 불순물을 포함할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은, "부수적인 불순물 (incidental impurities)"은 금속 합금을 생산하는데 사용된 광석에서 자연적으로 발생하거나 또는 생산 공정 동안에 우연히 첨가된 임의의 불순물을 지칭한다.
금속 합금으로부터 형성된 결과적인 전극(들)은 바람직하게는 개선된 물리적 및 전기적 특성을 나타낸다. 하나의 개선된 특성은 매우 얇을 수 있는 전극의 두께이다. 구현예에서, 전극은 약 10 나노미터 내지 약 100 나노미터의 두께를 가질 수 있다. 또 다른 개선된 특성은, 원하는 두께에서 100 옴/스퀘어 (Ω/sq) 미만일 수 있는, 전극의 전기 전도도이다. 바이오센서는 또한, 습도 및 온도 변화에 노출된 경우 시간에 따른 전기화학적 반응 안정도에 의해 측정되었을 때, 또는 시약에 노출된 경우 접착력 및/또는 마모 차이에서의 변화에 의해 측정되었을 때, 개선된 안정도를 나타낼 수 있다. 다른 바람직한 특성은, 물리적 접촉 내구성, 낮아진/좀더 일관성 있는 바이어스 응답을 위한 낮아진 접촉 저항, 및/또는 회로에서 미세 라인 (finer line) 형성을 위한 더 우수한 응집력 (cohesion)을 포함할 수 있다. 부가적으로, 루테늄-계 합금으로부터 형성된 결과적인 전극(들)은, 금과 같은, 더 고가의 금속에 비하여 저렴한 비용으로 제조될 수 있다.
전술한 바와 같이, 전극은 물리적 기상 증착에 의해 형성될 수 있다. 이것은 전도성 층을 형성하기 위해 비-귀금속 합금 타겟으로부터의 물질로 기판의 코팅을 일반적으로 설명한다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "물리적 기상 증착 (physical vapor deposition)"은, 기판 상으로 기화된 물질의 응축을 제공하여 박-막을 증착하는 것을 의미한다. 물리적 기상 증착된 코팅은, 전술된 임의의 타입의 물리적 기상 증착 공정, 즉, 스퍼터 코팅, 열 증착 (thermal evaporation), 전자빔 증착 (electron beam evaporation), 레이저 연마, 아크 기화 (arc vaporization), 공-증착 (co-evaporation), 이온 플레이팅 (ion plating), 또는 이와 유사한 것으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예에서, 물리적 기상 증착 단계는, 스퍼터링 장치를 통해 비-귀금속 합금 타겟을 스퍼터링하여 전도성 층으로 기판을 코팅하는, 스퍼터링 공정을 통해 수행될 것이다. 전도성 층으로 코팅된 결과적인 기판은, 작업 전극, 기준 전극, 또는 상대 전극을 포함할 수 있는, 바이오센서 구성요소로서 사용될 수 있다. 롤-투-롤 (roll-to-roll) 물리적 기상 증착 공정을 통해, 기판 물질의 롤이 전도성 층으로 진공 코팅되는 경우와 같은, 특정 구현예에서, 결과적인 박-막 시트는, 적절한 크기로 절단되어, 기판 상에 박-막 전극을 형성한다. 다른 구현예에서, 바이오센서 구성요소는, 화학적 또는 레이저 에칭과 같은, 에칭에 의해 박-막 시트로부터 형성될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 바이오센서 구성요소는, 기판상에 놓인, 패턴화된 마스크를 사용하여 형성될 수 있고, 전도성 층은 그 위로 물리적 기상 증착되어 바이오센서 구성요소를 형성한다.
특정 구현예에서, 바이오센서 구성요소는 롤-투-롤 마그네트론 스퍼터링을 포함하는 롤-투-롤 물리적 기상 증착 공정을 통해 생성될 수 있다. 예를 들어, 두께가 25㎛ 내지 250㎛이고 폭이 33.02cm인 PET (polyethyleneptraftalate)로 제조된 고분자 필름을 포함하는 기판 시트는, 77.50cm 폭의 웹 롤-투-롤 (web roll-to-roll) 마그네트론 스퍼터 코터를 사용하여 스퍼터링될 수 있다. 단일 또는 이중 타겟 배열은 금속 합금의 전도성 층을 증착하는데 사용될 수 있다. 비-귀금속 합금 플레이트로 구성된 타겟은 사용될 수 있다. 스퍼터 코터의 진공 챔버는 확산 및 기계적 펌프 조합을 사용하여 적어도 10-5 Torr의 기저 압력 (base pressure)에 이르기까지 펌핑될 수 있다. 다른 구현예에서, 기계적 펌프, 터보 펌프, 극저온 (cryo) 펌프, 및/또는 오일 확산 펌프의 조합이 사용될 수 있다. 일반적으로 15.24cm x 30.48cm의 직사각형 형상을 갖는, 비-귀금속 합금 타겟을 수용하는 마그네트론 스퍼터링 음극 (cathode)은, (Advanced Energy Inc.로부터 제공되는 것과 같은) 2 KW 전원 공급 장치를 사용하여 동력을 공급받을 수 있다. 스퍼터링 공정 동안에 사용하기 위해, 진공 챔버로 들어가는 아르곤 가스 흐름은 (예를 들어, MKS 모델 1179A 흐름 컨트롤러를 통해) 제어되어 스퍼터링 압력을 3 내지 10mTorr로 설정할 수 있다.
스퍼터링된 전도성 층의 두께 및 시트 저항은, 롤-투-롤 웹 속도를 조절하여, 즉, 스퍼터링 동안에 진공 챔버를 통해 이동하는 기판 시트의 속도를 조절하여, 현장에서 (in-situ) 효율적으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 조성물 A3의 전도성 층의 스퍼터링을 위해, 웹 속도는 0.1 내지 3.5 m/min으로 설정될 수 있고, 스퍼터링 출력 밀도 (power density)는 2 내지 8 Watts/㎠로 설정될 수 있다. 이와 같이, 조성물 A3의 스퍼터링된 전도성 층은 약 25nm의 측정된 두께 값 및 약 45 옴/스퀘어의 시트 저항을 갖도록 형성될 수 있다.
실시예
실시예 1
금 (Au) 및 팔라듐 (Pd)과 같은, 귀금속으로 제조된 전극을 활용하는 기존의 바이오센서의 성능은, 여기에 개시된 루테늄 또는 루테늄-계 합금으로 제조된 전극의 성능과 비교었다. 스퍼터 단계에서, PET의 시험 샘플은, 4-인치 웨이퍼 형상으로 절단되었다. 루테늄을 포함하는 전도성 층은, 웨이퍼 영역에 걸쳐 다양한 조성물을 허용하기 위하여 기판 회전이 불가능한, DC 마그네트론 "클러스터" (동시-스퍼터링) 스퍼터 시스템을 사용하여 스퍼터링되었다. 타겟 두께는 약 300 내지 약 400 옹스트롬 (Å)이었다. 공정 압력은 약 3 mTorr 아르곤 (Ar)이고, 아르곤 가스 유량은 약 55 분당 표준 입방 센티미터 (sccm)이다. 타겟 대 기판의 거리는 약 67mm이었다.
순금 전극에 기초한 기준 성능 (baseline)으로서, 성능에서의 변화를 검출하기 위해, 순환 전압전류법 (CV) 분석이 선택되었다. CV 시험 방법은 환원 (cathodic) 피크 전류 (Ipc), 산화 (anodic) 피크 전류 (Ipa), 환원 피크 전위 (Epc) 및 산화 피크 전위 (Epa)를 포함하는, 전극 근처의 물질의 산화의 환원 (reduction)에 의해 발생된 패러데이 전류 (faradaic current)를 측정하였다. 조합 합금 증착 (combinatorial alloy deposition)을 위해, 에너지-분산형 X-선 분광분석법 (EDS) 조성 분석, 또는 필요에 따라 X-선 분말 회절 (XRD) 특성분석이 용이하도록, 부가적인 Si 웨이퍼가 사용되었다. 스퍼터링된 구역과의 접촉으로 인한 오염을 피하기 위해, 모범 사례를 사용하여 샘플은 취급되고 포장되었다.
시험 전극 샘플은 샘플 위치를 식별하기 위해 웨이퍼 내에서 일련화 (serialize)될 뿐만 아니라, 웨이퍼 로트 식별 번호로 일련화되었다. 초기 시험은, 웨이퍼에 도처에 분포된 위치에서, 웨이퍼 당 적어도 10개의 샘플을 포함하였다. 순환 전압전류법 (CV) 시험 파라미터는 하기 표 1에 요약되었다.
초기 CV 시험 파라미터 (스크리닝) 요약
시험 파라미터 설명 값 비고
H2SO4 농도 황산 세정 용액 농도 0.1 M 오염된 전극을 초기에 세정하기 위해 전위 스캔과 사용됨.
KCl 농도 염화칼륨 전해액 농도 0.1 M -
K4Fe(CN)6 농도 페로시안화 칼륨 분석물질 농도 1 mM -
샘플 부피 시험된 용액의 부피 20 ㎕ -
파형(Waveform)/스캔 범위 전위 범위 -0.5 V 내지 0.3 V -
스캔 속도 전위 변화율 50 mV/s
시험 반복 반복된 스캔의 # (동일전극) 6 이상 산화환원 반응이 감지되지 않으면 3 후에 스캔을 중단할 수 있음
전극은 종이 커터 (paper cutter)를 사용하여 스트립으로 싱귤레이트 (singulate)된 다음, 스트립으로부터 가위로 수동으로 싱귤레이트되었다. 전극은 시험 고정장치에 배치되고, BASi 전위차계 및 분석기에 연결되었다. 순환 전압전류법 (Cyclic voltammetry, CV)은, 0.1M KCl 중에 1 nM의 K4Fe(CN)6 농도를 사용하여 수행되었다. 정성적 평가뿐만 아니라, 피크 전류 (IP), Ipc, Ipa, Epc, 및 Epa가 기록되었다.
먼저, 순수한 금속 박-막 증착의 페로/페리 (ferro/ferri) 전기화학적 반응은, 상기 표 1에 열거된 시험 파라미터의 범위에서 평가되었고, 스크리닝을 위해 확립되었다. 순수 증착의 평가를 하기 표 2에 나타내었다.
순수한 금속 박-막 증착의 평가
벌크 밀도 (g/cc) 스퍼터 속도 (nm/s) 스퍼터 수율 *=산화환원(Redox) 배경 전류 (est.) (uA) 정성적 비고
20.53 12 0.9 Re 1 가변적인-평탄함 (Variable - smooth)
19.35 8 0.6 W 3 평탄한 응답
19.31 32 2.8 Au* - 양호한 산화환원
16.6 8.5 0.6 Ta 0.1 평평함 (Flat)
12.3 18 1.3 Ru* - 양호한 산화환원, 배경 전류 (background current)
12.02 27 2.4 Pd* - 양호한 산화환원, 여러 번의 스캔에 걸친 변화
10.2 12 0.9 Mo 10 평탄한 응답, 큰 출발 전류
8.92 32 2.3 Cu 1 노이지 (Noisy), 가변적, 100 mV에서 반응
8.9 19 1.5 Ni* - 양호한 산화환원, 2차 반응
8.9 19 1.4 Co 1 가변적인-평평함
8.57 8 0.6 Nb 1 평탄한 응답
7.86 18 1.3 Fe 10 평탄한 응답
7.3 80 - In -
7.2 32 1.3 Cr 1 산화 피크
6.49 8.5 0.7 Zr 0 평평함
5.75 80 - Sn -
4.5 8 0.6 Ti 0.1 평평함
2.7 17 1.2 Al 1 가변적인-평평함, 노이지
2.37 - - B - -
기준 가변성 (Baseline variability)은 후속 물질 응답 평가를 위해 금 전극에 기초하여 선택되었다. 동일한 스퍼터링된 웨이퍼로부터 6개의 무작위로 선발된 금 전극의 순환 전압전류법은 기준 전극 가변성의 확립을 위해 충분히 상당 (equivalent)하였다. 전극은 웨이퍼 상의 다른 위치에서 일정한 (consistent) 특징을 나타내며, 다중 스캔은 다중 스캔에 걸쳐 응답의 안정화를 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 금 전극을 사용한 순환 전압전류법은, 전극이 전기화학적 시험에 사용될 수 있었다는 것을 시사하는 대칭 순환 (symmetrical cycle)이었다. 처음 3회 스캔 이후에, 스캔 4-6은 순환 전압전류 응답이 안정적이고 반복 가능하였다는 것을 보여주었다.
기준 가역성의 평가로서, 금 전극에 대한 세 번째 스캔은, 가역 시스템이 Ipa/Ipc = 1을 결과함에 따라, 도 5에 나타낸 바와 같은 피크 전류에서 유의미한 차이 (significant difference)에 대해 평가되었다. 이 경우, 평균에서 유의미한 차이는, Ipa/Ipc = 1.05를 통해, 검출되지 않았다.
두 샘플 사이의 차이를 시험하기 위해 기준 금 전극에 대해 전류 산화환원 (redox)과 전류 산화 사이에서 T-시험이 수행되었다. T-시험의 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
2-샘플 T-시험 및 CI: 전류 산화환원 (red) 및 전류 산화 (금)
전류 산화환원 대 전류 산화에 대한 2-샘플 T
N 평균 표준 편차 SE 평균
전류 산화환원 (red) 21 1.693 0.161 0.035
전류 산화 (ox) 21 1.779 0.209 0.040
차이 = μ (전류 산화환원) - μ (전류 산화)
차이에 대한 평가: -0.0858
차이에 대한 95% (-0.2022, 0.0306)
차이의 T-시험 = (0 vs ≠): T-값 = -1.49 P-값= 0.144 DF=37
상기 표 3에서 나타낸 바와 같이, 평균에서 유의차는 검출되지 않았다.
루테늄 평균 또는 분산량 차이 (variance differences)의 의미는, 위에서 논의된 확립된 금 기준 가변성에 기초하였다. 약 -500 내지 약 500mV의 1mM 페리시안화 칼륨 분석물질로 검출된 산화환원 반응의 전극 통과/실패 기준에 기초하여, 루테늄-계 합금은, 기준 금 전극에 비해 양호한 안정도 및 전기화학 반응을 나타냈다. 루테늄 산화환원 반응은 시험된 범위에서 안정하고 가역적이었다. 도 6 및 하기 표 4의 T-시험의 결과에 의해 입증된 바와 같이, 금 전극 시스템과 비교하여 비-패러데이 (즉, 배경) 전류의 많은 양이 나타났는데, 왜냐하면 Ipa/Ipc = 1의 이상적인 케이스가 아니라 Ipa/Ipc = 1.1이기 때문이며, 가능하게는 금보다 덜 가역적인 시스템인 것을 나타낸다.
2-샘플 T-시험 및 CI: 전류 산화환원(red) 및 전류 산화 (루테늄)
전류 산화환원 (red) 및 전류 산화 (ox)에 대한 2-샘플 T
N 평균 표준 편차 SE 평균
전류 산화환원
(Current red)		 17 1.597 0.163 0.039
전류 산화 17 1.753 0.144 0.035
차이 = μ (전류 산화환원 (red)) - μ (전류 산화)
차이에 대한 평가: -0.1562
차이에 대한 95% CI (-0.2637, 0.0486)
차이의 T-시험 = (0 vs ≠): T-값 = -2.96 P-값= 0.006 DF=31
그러나, 스캔 2 (도 7a) 및 스캔 6 (도 7b)에서 루테늄 전극을 순환 전압전류법은 대부분 대칭 사이클이었으며, 이것은 전극이 전기화학 시험에 사용될 수 있다는 것을 시사하였다.
또한, 도 8a-8d에 나타낸 바와 같이, 루테늄은 금 전극 기준 (baseline)과 비교하여 아래로 오목한 안정화 패턴의 증가를 결과한다.
실시예 2
금 (Au)과 같은 귀금속을 활용하는 기존의 바이오센서의 성능은, 상기 실시예 1에서 서술된 것과 동일한 시험 방법 파라미터를 사용하여, 여기에 개시된 루테늄-계 합금의 성능과 다시 비교되었다.
실시예 2에서, 금 (Au), 팔라듐 (Pd), 루테늄 (Ru) 및 니켈 (Ni)은 바람직한 59 mV의 네른스트 이상 (ideal)에 대해 초기에 비교되었으며, 이것은 전류측정 센싱 적용 (amperometric sensing applications)에 유리한 전자 전달 동역학을 나타낸다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 금, 팔라듐, 루테늄, 및 니켈은 모두, 평가된 시스템에서, 산화환원 (redox) 반응을 나타낸다. 일반적으로, 피크 전위 분리는 59mV의 네른스트 이상에 가까왔다. 루테늄 및 루테늄-계 합금은, 페로/페리시안화물 매개체 시스템과 관련하여 양호한 특성을 나타내며, 평가된 전위 범위에서 니켈보다 개선된 기동성 및 전기 화학적 안정성을 갖는다.
성능 및 비용에 대해 평가된 2원 루테늄 합금을 하기 표 5에 나타낸다.
2원 루테늄 합금 평균 전류 응답 (㎂의 단위, 1 mM K4Fe(CN)6 분석물질)
합금 평가된 At%의 Ru 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 성능 비고
RuAl 0-40, 60-100 - 1.2073 1.3144 1.2427 ~ 65% Ru에서 최상의 결과
RuNi 60-100 - 1.2759 - 1.3252 높은 배경 (background) 전류
RuW 0-40, 60-100 - 1.1613 - 1.1928 1.3532 안정적, 반복가능
RuCr 0-40, 60-100 1.1387 - - 1.1481 1.208 안정적, 반복가능
RuRe 60-100 - 1.3635 1.0787 1.0686 더 높은 배경전류
성능 및 비용에 대해 평가된 2원 니켈 합금은 하기 표 6에 나타난다.
2원 니켈 합금 평균 전류 응답 (㎂의 단위, 1 mM K4Fe(CN)6 분석물질)
합금 평가된 At% 의 Ni 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 성능 비고
NiAl 60-100 - 0 - 0.88 더 낮은 Ni 조성물에서 응답의 제거
NiCu 60-100 - - - - 노이지, 가변적 (variable)
NiTi 60-100 0 1.683 - 0.6596 0.7878 Ni>80% 조성물에서 NiCr과 비슷
NiCr 60-100 - - - 0.764 반복 가능; 준-가역적으로 나타남
NiTa 60-100 - - - - 약한, 가변적 응답
비교를 위하여, 하기 표 7은 성능 및 비용에 대해 평가된 순금 (Au) 및 팔라듐 (Pd) 금속을 나타낸다.
순수 금속 평균 전류 응답 (㎂의 단위, 1 mM K4Fe(CN)6 분석물질)
금속 90-100 at% 성능 비고
Au 1.122 Stable, low background, reversible
Pd 0.7217 Strong initial response, degrades after multiple scans
비교를 위해, 금 및 팔라듐과 함께, 시험된 가장 유망한 2원 루테늄 및 니켈 합금에 대한 평균 응답을 하기 표 8에 나타낸다.
가장 유망한 조성물에 대한 평균 Ipa, Epa, Ipc, 및 Epc 응답
시험 조성 평균 Ipa (㎂) 평균 Epa (mV) 평균 Ipc (㎂) 평균 Epc (mV)
Au - 1.1228 -55 -1.0599 -143
RuW 60/40 1.1733 -37 -1.242 -120
RuW 80/20 1.125 -43 -1.1 -133
RuCr 60/40 1.1387 -47 -1.0002 -153
RuCr 80/20 1.0792 -60 -0.9873 -157
NiCr 80/20 0.764 -27 -0.3566 -120
NiTi 60/40 0.1683 97 0 0
NiTi 80/20 0.5493 33 -0.273 -50
NiAl 60/40 0 0 0 0
NiAl 80/20 0.88 -90 0 -123
Pd - 0.7237 -13 -0.2777 -118
루테늄-계 합금인, RuW 및 RuCr은, 위에서 제시된 바와 같이 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 50 at% 초과의 루테늄의 조성물이 금에 비해 우수한 응답을 나타내었다.
따라서, 전술한 실시예 1 및 2의 관점에서, 스크리닝 결과는, 니켈 및/또는 루테늄 (비록 루테늄이 귀금속으로 분류될 수 있지만, 이 맥락에서 이것은 비용에 근거하여 후보물질로 자격이 있음에 주목함)을 포함하는 비-귀금속 합금이 금과 팔라듐과 같은 고가의 순수 금속과 비슷한 응답과 성능을 유리하게 나타낸다. 또한, 이들 비-귀금속 합금은, 더욱이, 티타늄 (Ti), 탄탈륨 (Ta), 및 크롬 (Cr)의 첨가를 통해 내부식성에 대하여 더욱 최적화될 수 있다. 게다가, 이들 비-귀금속 합금은, 니켈 (Ni), 티타늄 (Ti), 몰리브덴 (Mo), 알루미늄 (Al), 주석 (Sn), 등의 첨가를 통해 비용에 대해 더욱 최적화될 수 있다.
금과는 비슷하고, 팔라듐 또는 NiCr 성능을 초과하는 응답을 갖는 특정 합금은, RuW (Ru > 50%) 및 RuCr (Ru > 50%)를 포함한다.
부가적으로, 3원 합금은 상기 원소의 동일한 조합으로 시험된다 (예를 들어, RuCrW 및 RuAlNi). 이러한 3원 합금은, 소정의 물질 특성 (예를 들어, 연성, 내부식성, 내열성)을 위해 설계하는 경우, 장점을 갖는다.
본 개시의 루테늄 금속 및 루테늄-계 합금은, 바이오센서/전극 타입의 적용에 유용한 것으로 설명되었다. 그러나, 여기에 개시된 합금은, 분석물질과 센서 사이의 화학적 상호작용 또는 공정의 결과로서, 정량적 또는 정성적 타입의 화학적 또는 생화학적 정보를 분석적으로 유용한 신호로 전환하는, 임의의 센서 제품 또는 장치에 유용할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 개시된 루테늄-계 합금은, 자동차, 실내 공기 품질 (IAQ), 식품, 농업, 의료, 수처리, 환경, 산업 안전, 공익 설비 (예를 들어, 가스, 전기), 석유화학, 철강, 군용, 및 항공우주 적용 및 시장에 적합한 제품에 포함될 수 있는 것으로 고려된다.
위에서 개시된 및 다른 특색들 및 기능들의 변형들, 또는 이의 대안들이, 많은 다른 상이한 시스템 또는 적용에 조합될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 다양한 현재 예기치않거나 또는 예상하지 못한 대안, 변경, 변형 또는 개선은, 나중에 통상의 기술자에 의해 이루어질 수 있고, 이는 하기 청구범위에 의해 포괄되는 것으로 또한 의도된다.

Claims (20)

  1. 루테늄 및 제1 합금 원소를 포함하는 분석물질 측정용 전극을 형성하기 위한 금속 합금이며,
    여기서 상기 금속 합금은:
    (a) 55 at% 내지 85 at%의 루테늄 및 (b) 15 at% 내지 45 at%의 크롬 또는 텅스텐;
    (a) 55 at% 내지 95 at%의 루테늄 및 (b) 5 at% 내지 45 at%의 알루미늄 또는 레늄; 또는
    (a) 5 at% 내지 25 at%의 루테늄 및 (b) 75 at% 내지 95 at%의 니켈;
    로 필수적으로 이루어진 2원 합금인 것을 특징으로 하는 금속 합금.
  2. 분석물질 측정용 전극을 형성하기 위한 금속 합금이며, 여기서 상기 금속 합금은 루테늄, 제1 합금 원소, 및 제2 합금 원소를 포함하는 3원 합금이며, 여기서 상기 3원 합금은:
    (a) 20 at% 내지 55 at%의 루테늄 및 (b) 45 at% 내지 80 at%의 니켈 및 알루미늄의 조합; 또는
    (a) 20 at% 내지 55 at%의 루테늄 및 (b) 45 at% 내지 80 at%의 크롬 및 텅스텐의 조합;
    으로 필수적으로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 합금.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 (a) 55 at% 내지 65 at%의 루테늄 및 (b) 35 at% 내지 45 at%의 크롬 또는 텅스텐으로 필수적으로 이루어진 2원 합금인 것을 특징으로 하는 금속 합금.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 (a) 75 at% 내지 85 at%의 루테늄 및 (b) 15 at% 내지 25 at%의 크롬 또는 텅스텐으로 필수적으로 이루어진 2원 합금인 것을 특징으로 하는 금속 합금.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 합금은 (a) 60 at% 내지 70 at%의 루테늄 및 (b) 30 at% 내지 40 at%의 알루미늄으로 필수적으로 이루어진 2원 합금인 것을 특징으로 하는 금속 합금.
  6. 청구항 2에 있어서,
    제2 합금 원소에 대한 제1 합금 원소의 중량비는 1 내지 2인 것을 특징으로 하는 금속 합금.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 금속 합금으로 제조된 전극을 포함하는 바이오센서.
  8. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 따른 금속 합금을 포함하는 전극.
  9. 기판의 표면 상에 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항의 루테늄-계 금속 합금으로부터 제1 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 생물학적 유체에서 분석물질을 측정하기 위한 바이오센서를 생성하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 전극은 10 나노미터 내지 100 나노미터의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오센서를 생성하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 두께에서 100 옴/스퀘어(Ω/sq) 미만의 전기 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오센서를 생성하는 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 전극은 동시-스퍼터링(co-sputtering)에 의해 형성되는 것을 특징으로하는 바이오센서를 생성하는 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 기판에서 제1 전극과 접촉하는 반응 챔버를 형성하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로하는 바이오센서를 생성하는 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    작업 전극을 형성하기 위해 상기 제1 전극 상에 시약 층을 형성하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로하는 바이오센서를 생성하는 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 전극은 기준 전극으로서 작동하고, 상기 루테늄-계 합금으로부터 상기 기판 상에 제2 전극을 형성하는 단계, 및 작업 전극을 형성하기 위해 상기 제2 전극 상에 시약 층을 배치하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서를 생성하는 방법.
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