KR102567942B1 - 경피 알코올 모니터링 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지지체 상에 작업전극, 상대전극 및 기준전극이 적층되고, 그 위에 효소 전해질층이 적층되며, 그 위에 가스투과막이 적층된 구조로서, 상기 효소 전해질층에는 글리세롤 또는 글리콜이 포함되는 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서를 제공한다. 본 발명의 센서는 피부를 통해 배출되는 알코올 증기의 연속적인 측정이 가능하여 음주 여부를 지속적으로 판별해야 할 필요가 있는 경우에 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 본 발명의 센서는 휴대가 간편하고 사용 수명이 연장되어 실제 사용에 있어 유리한 장점을 갖는다.

Description

경피 알코올 모니터링 센서{Transdermal alcohol monitoring sensors}
본 발명은 경피 알코올 모니터링 센서에 대한 것으로, 피부를 통해 배출되는 알코올 증기를 통해 음주 여부를 연속적으로 측정하는 센서에 대한 것이다.
2018년 미국은 높은 일인당 연간 알코올 소비량 (8.9 L)으로 인해 알코올성 질환 전문 치료비용 120억 달러를 포함하여 2,490억 달러의 사회적 비용을 초래하고 있다. 특히 알코올 질환을 앓고 있는 사람들이 전문 치료를 받았음에도 불구하고 최대 80%가 재발에 직면하고 있으며, 환자의 92%가 치료 중에 술을 마셨음에도 절반 이상이 음주에 대한 사실을 보고 하지 않았다. (Sensors (basel), 2019 May; 19(10): 2380.)
또한 2018년 한국의 높은 일인당 연간 알코올 소비량 (8.5 L)으로 인해 알코올성 질환 (정신 및 행동장애, 간질환 등)에 대한 전문 치료비용 2,351억을 포함하여 음주관련 사회적 비용이 9조 4천억원에 육박하고 있다. (한국건강증진개발원 자료)
더욱이 국내에서는 전자장치 (예. 전자발찌)를 활용한 전자감독제도 시행 후 10년 동안 재범률이 시행 전 대비 1/7수준으로 감소하였으나, 발생하는 재범중 약 42%가 음주로 인해 발생하고 있다.
음주 여부를 판별하기 위해서는 널리 사용되는 호흡식 음주 측정장치는 연료 전지 방식으로 측정 시간이 짧고 휴대형으로 제작된 장비들이 많아 널리 사용되고 있다. 그러나 알코올이 포함된 가글에 의한 오류 등 오류가 발생하는 경우가 있고, 특히 연속적인 측정이 불가능하여 음주 여부를 모니터링하기에는 적합하지 않다.
사용자의 음주 여부를 판별 확인하기 위해서는 알코올 모니터링 센서가 요구되며, 연속적이 측정이 가능한 경피(피부를 통한 배출) 알코올 모니터 센서가 적합하다. 알코올은 섭취 후 95%는 간에서 대사되고, 4%는 소변 및 호흡으로 배출되며, 1%가 피부를 통해 배출된다. 피부를 통한 배출은 땀으로 배출되는 경우와 알코올 증기를 통한 배출의 두 가지 경로로 이루어진다. 경피 알코올 모니터링 센서는 이중 알코올 증기로 배출되는 양을 측정하는 것이다.(Swift R: Direct measurement of alcohol and its metabolites. Addiction 2003, 98: 73?80. [PubMed: 14984244])
이러한 센서는 일상 생활 속에서 지속적으로 음주 여부 판별이 가능하게 하므로, 알코올성 질환의 전문 치료, 전자발찌 등 전자감독 중의 음주 여부 판별을 통한 재범의 방지, 상습 음주 단속 적발자에 대한 지속적인 감시 등에 이용될 수 있어 궁극적으로는 사회안전서비스 분야에서 기여할 수 있다.
경피 알코올 모니터링 시스템으로는 연료전지를 기반으로 하는 센서 및 효소를 기반으로 하는 센서가 있다. 이중 연료전지 기반의 센서로는 미국교통안전국 (National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)에서 사용하는 제품 Alcohol Monitoring systems, Inc. SCRAM 및 국외에서 상용화하여 사용하고 있는 제품 Bactrack Skyn이 있다. 이들은 장시간 사용 가능하고 연속 모니터링이 가능한 반면, 습도에 의한 파울링이 발생하고 시간이 지남에 따라 베이스라인이 변화하여 데이터 후 처리가 필요하며 낮은 감도로 인해 낮은 수준의 음주량 검출에 한계가 있다는 문제점이 있다. 특히 SCRAM의 경우 장치가 무겁고 투박하여 휴대에 용이하지 않다.
한편, 효소 기반의 센서에 대한 자료로는 US2018/0125396, Bob Lansdorp et. al., Sensors, 2019, 19, 2380이 있고, 제품으로는 Milo sensor IonTM 이 있다. 상기 효소 기반 센서는 습도에 의한 영향이 없고, 높은 감응성 및 선택성의 장점을 가지며, 연속 모니터링이 가능하지만 연료전지 방식에 비해 짧은 사용 수명(약 24시간)을 갖는다는 문제점이 있다. 그러나 연속 모니터링 시스템에서 수명 시간의 문제는 실제 적용상 한계가 있는 것으로 치명적인 것이다.
따라서 효소 기반 센서에서 사용 수명을 연장하는 것이 경피 알코올 모니터링 센서에서 해결되어야 할 과제로 남아있다.
본 발명은 효소 기반의 경피 알코올 모니터링 센서를 제공하고자 한다. 본 발명은 음주 여부의 연속적인 모니터링이 가능하고, 휴대가 용이하며, 사용 수명이 늘어난 센서를 제공하고자 한다.
본 발명은 지지체 상에 작업전극, 상대전극 및 기준전극이 적층되고, 그 위에 효소 전해질층이 적층되며, 그 위에 가스투과막이 적층된 구조로서, 상기 효소 전해질층에는 글리세롤 또는 글리콜이 포함되는 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서를 제공한다.
바람직하게, 상기 효소는 알코올 옥시데이즈(alcohol oxidase) 또는 알코올 디하이드로지네이즈(alcohol dehydrogenase)이다.
바람직하게, 상기 글리세롤 또는 글리콜은 글리세롤, 에틸글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜 및 1,3-프로필렌 글리콜로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
바람직하게, 상기 효소 전해질층은 5~30 U/mg 농도 범위의 효소를 포함한다.
바람직하게, 상기 효소 전해질층 두께는 0.5 ~ 1 mm의 범위이다.
바람직하게, 상기 효소 전해질층은 월(wall)로 고정된다.
바람직하게, 상기 가스투과막은 친수성 지방족 폴리에테르 폴리우레탄이다.
바람직하게, 상기 가스투과막 농도는 3 내지 7 w/v%의 범위이다.
바람직하게, 상기 가스투과막 두께는 0.5 ~ 0.7 mm의 범위이다.
바람직하게, 상기 센서는 1세대 또는 2세대 센서이다.
본 발명의 센서는 피부를 통해 배출되는 알코올 증기의 연속적인 측정이 가능하여 음주 여부를 지속적으로 판별해야 할 필요가 있는 경우에 유용하게 이용될 수 있다. 본 발명의 센서는 알코올 기체 포집 능력이 우수하고, 알코올에 대한 높은 선택성을 나타내며, 알코올을 선택적으로 투과하고, 아울러 방해물질을 제거한다. 또한, 본 발명의 센서는 휴대가 간편하고 사용 수명이 연장되어 실제 사용에 있어 유리한 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명 센서의 구조도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명 센서에서 일어나는 알코올 분해 반응 및 전기화학적 반응을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명 센서에서 삼 전극의 배치도이다.
도 4는 본 발명 센서의 성능 평가 결과이다.
도 5는 본 발명 센서의 수명 평가 결과이다.
도 6은 본 발명 주취자의 측정 결과와 음주 측정장치와 비교한 결과이다.
본 발명은 지지체 상에 작업전극, 상대전극 및 기준전극이 적층되고, 그 위에 효소 전해질층이 적층되며, 그 위에 가스투과막이 적층된 구조로서, 상기 효소 전해질층에는 글리세롤 또는 글리콜이 포함되는 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서를 제공한다.
본 발명의 센서 구조는 도 1에 도시되어 있다. 피부로부터 배출되는 알코올 증기는 가스투과막을 통과해 효소 전해질층으로 들어오며, 여기서 효소에 의해 알코올의 분해 반응 및 전기화학적 반응이 일어난다. 도 2a 및 2b에 상기 반응이 도시되어 있다. 도 2a는 1세대 알코올 센서에서의 감응 원리를 나타낸 것이다. 여기서는 효소의 환원 반응으로 알코올이 알데히드로 분해되고, 이때 환원된 효소는 산소에 의해 다시 산화 상태로 되면서 과산화수소가 생성되며 전극표면에서 가해지는 인가전위에 의해 과산화수소가 산화되면서 생성된 전자를 측정하여 알코올을 정량한다. 도 2b는 2세대 알코올 센서에서의 감응 원리를 나타낸 것이다. 여기서는 전극 표면과 효소 사이에 전자 전달을 용이하게 하기 위해 전자전달매개체를 도입하여 측정한다. 본 발명의 센서는 상기 1세대 또는 2세대 센서의 형태로 제공될 수 있다.
상기 효소는 알코올 산화효소(alcohol oxidase) 또는 알코올 탈수소화효소(alcohol dehydrogenase)이다. 효소는 효소 전해질층에 포함된다. 효소 전해질층은 경피에서 발생하는 알코올 증기를 포집하며, 효소가 알코올과 작용하는데 방해가 되지 않으며, 온도 및 습도 등의 외부 환경에 영향을 받지 않아야 한다. 특히 상기 전해질층 재료는 겔 상태로 존재하여 효소에 유해한 영향을 미치지 않으며, 넓은 작동 온도 범위를 보유하고 있어 온도에 따른 성능 변화가 없어야 한다. 또한 알코올과 효소 반응으로 발생하는 전자를 효과적으로 작업전극 표면으로 전달하기 위해서 전해질에 염 (salt)이 용해 되어야 한다. 이러한 효소 전해질층의 기능적 역할을 위하여 본 발명에서는 전해질 재료로서 글리세롤 또는 글리콜을 사용한다. 바람직하게, 상기 글리세롤 또는 글리콜은 글리세롤, 에틸글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜 및 1,3-프로필렌 글리콜로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 글리세롤 또는 글리콜은 겔 상태로 존재하며 상술한 바와 같은 효소 전해질층으로서의 조건을 만족하는 재료이다. 즉, 효소의 작용 및 센서의 수명의 면에서 본 발명이 달성하고자 하는 효과를 실현시키고, 효소 기반의 센서로서 실제 사용에 있어 유리한 센서를 제공할 수 있게 하는 수단이 된다.
상기 효소 전해질층은 5~30 U/mg농도 범위의 효소를 포함하는 것이 센서의 성능을 위해 바람직하다.
효소 전해질층은 상술한 바와 같이 겔 상태이므로 이를 고정시키기 위한 월(wall)이 본 발명의 센서에는 추가된다. 이러한 월로는 방수 양면 테이프 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않고 겔 상태의 효소 전해질층의 유출을 막고 고정시킬 수 있는 재료라면 모두 사용 가능하다.
효소 전해질층의 두께는 센서의 바람직한 성능을 위해 0.5 ~ 1 mm의 범위로 한다.
다음으로 효소 전해질층 위에 적층된 가스투과막은 알코올 증기는 투과하고 다른 방해종의 투과는 억제할 수 있어야 한다. 또한 효소 전해질층의 효소 및 전해질의 유출이나 확산을 방지하고 시간적으로 균일한 투과성을 갖는 재질이어야 한다. 본 발명에서는 이러한 조건에 부합하는 가스투과막으로서 친수성 지방족 폴리에테르 폴리우레탄(Hydrophilic aliphatic polyether polyurethane, HAPP)을 사용한다. 가스투과막의 제조를 위해 상기 HAPP를 용매로서 데트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran (THF)), 디메틸포르아미드(dimethylformamide (DMF)), 사이클로헥산(cyclohexanone), 톨루엔(toluene), 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide (DMSO)), 클로로포름(chloroform), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 사이클로펜틸(cyclopentyl), 에틸에테르(ethyl ether), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 아세토니트릴(acetonitrile) 또는 디에틸에테르(diethyl ether)에 3 내지 7 w/v%의 농도 범위로 넣어 용액을 만든 다음, 상기 용액을 드롭캐스팅(drop casting), 딥핑(dipping), 스핀 코팅(spin coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating)하여 효소 전해질층 위에 가스투과막을 형성한다.
가스투과막의 두께는 센서의 바람직한 성능을 위해 0.5 ~ 0.7 mm의 범위로 한다.
본 발명의 센서는 작업전극, 상대전극 및 기준전극의 삼전극계를 사용하며, 각각의 전극은 지지체 상에 스크린 프린팅 기술을 이용해서 제작될 수 있다. 지지체로는 폴리에스터를 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 작업전극 및 상대전극으로는 카본을 사용할 수 있고, 기준전극으로는 Ag/AgCl을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
스크린 프린트 장비를 사용하여 지지체 상에 일정한 패턴을 가지는 스텐실 마스크를 이용하여 기준전극을 스크린 프린트하고 130~150 ℃ 오븐에서 큐어링을 한다. 동일한 방법으로 작업전극, 상대전극 및 절연체를 스크린 프린트 및 큐어링하여 전극을 제작한다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것으로 여겨져서는 안된다.
실시예
1. 센서의 제조
도 3과 같이 지지체(50 μm, 폴리에스터 필름)위에 작업전극(Carbon paste, Dupont BQ922), 상대전극(Carbon paste, Dupont BQ922) 및 기준전극(Silver paste, ASH LS-506J)을 형성하고 그 위에 절연체(JUJO chemical JELCON AC-3G)를 형성하였다.
다음으로 효소 전해질층 형성을 위한 재료의 준비를 위해 20 ml 바이알에 염화나트늄(NaCl)/글리세롤(glycerol)을 8 mg/mL의 농도로 넣고 80 ℃로 열을 가했다. 염화나트륨이 글리세롤에 녹은 용액을 식힌 후 효소(Alcohol oxidase solution from Pichia pastoris, Sigma-Aldrich)를 1 mg/480 μL을 넣고 30분 동안 2,000 rpm으로 교반했다.
효소 전해질층 고정을 위한 월(wall)의 형성을 위해 3M 스카치 강력 방수 양면 테이프를 10 * 10 mm 크기로 절단 후 직경 4 mm로 펀칭하여 구멍을 만들었다. 펀칭한 테이프의 정중앙에 작업전극 정중앙이 매치되도록 지지체에 테이프를 붙혔다.
월이 형성된 지지체 위의 전극 상에 상기 준비된 효소 전해질층 재료를 10 μL 분주하여 고르게 분포되도록 했다.
다음으로, 가스투과막 형성을 위해 친수성 지방족 폴리에테르 폴리우레탄(Hydrophilic aliphatic polyether polyurethane, HAPP)로서 HP-60D-35을 용매 THF에 녹인 후 20 μL 드롭 캐스팅하여 온도 25 ℃, 습도 15% 조건에서 오버나이트로 가스투과막 건조했다.
상기 제조방법에서 전해질 재료를 하기 표 1에서와 같이 바꾸어 센서를 제작하였다.
2. 센서의 성능 평가
상기 제조된 센서의 성능을 평가하기 위해 33 ℃로 열을 가하는 라운드 플라스크 환경하에 17 M 에탄올 용액을 적하하여 에탄올이 대기 중으로 증발하여 120, 160, 200, 240, 800 ppm까지 변화시켜 알코올 증기에 대한 감응을 평가하였다. 감응성 평가가 진행되지 않을 때에는 대기 중에서 전압 0.70 V를 인가하여 센서를 보관하였다.
결과를 하기 표 1 나타내었다. 또한 전해질로 글리세롤을 사용한 센서에서의 결과를 도 4에 나타내었다.
이를 보면, 알코올 농도가 커짐에 따라 센서의 감응 즉, 전류가 증가하여 상기 표에서와 같은 슬로프를 이루어 알코올 농도를 측정하는 센서로서 작동하는 것을 알 수 있었다.
3. 센서의 수명 평가
상기 제조된 센서의 성능을 평가하기 위해 33 ℃로 열을 가하는 라운드 플라스크 환경하에 17 M 에탄올 용액을 적하하여 에탄올이 대기 중으로 증발하여 120, 160, 200, 240, 800 ppm까지 변화시켜 알코올 증기에 대한 감응을 평가하였다. 감응성 평가가 진행되지 않을 때에는 대기 중에서 전압 0.70 V를 인가하여 센서를 보관하였다.
결과를 도 5에 나타냈다. 이로부터 20일까지 센서의 성능이 잘 유지된다는 것을 알 수 있었다.
4. 센서의 감응 속도 평가
다음으로, 센서의 감응 속도를 평가하기 위해 호흡식 음주 측정장치(Alcoscan AL9000)와 함께 주취자의 알코올 농도를 측정하는 실험을 하였다. 성인 남성 (신장: 180 cm, 체중: 약 73 kg)을 대상으로 대상자의 팔목을 기준으로 높이 2 ~ 4 mm 간격을 두고 알코올 센서를 고정한 후 시중에서 판매되고 있는 소주 (알코올 16.9%) 360 ml를 마시도록 하고 시간에 따른 알코올 센서 신호 변화와 동시에 호흡식 측정기로 혈중 알코올 농도의 변화를 측정하였다.
결과를 도 6에 나타냈다. 이를 보면, 본 발명의 센서는 42분 지연되어 호흡식 음주 측정장치와 정확하게 일치하는 결과를 나타냈다. 이로부터, 본 발명의 센서가 시간의 지연을 고려하여 호흡식 음주 측정장치와 동일하게 음주 여부를 판별할 수 있는 수단이 된다는 것을 확인하였다.

Claims (10)

  1. 지지체 상에 작업전극, 상대전극 및 기준전극이 적층되고, 그 위에 효소 전해질층이 적층되며, 그 위에 가스투과막이 적층된 구조로서, 상기 효소 전해질층의 재료로서 겔 상태로 존재하는 글리세롤 또는 글리콜을 사용하고, 상기 효소 전해질층은 5~30 U/mg 농도 범위의 효소를 포함하며, 상기 가스투과막은 친수성 지방족 폴리에테르 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서.
  2. 제 1 항에서,
    상기 효소는 알코올 옥시데이즈(alcohol oxidase) 또는 알코올 디하이드로지네이즈(alcohol dehydrogenase)인 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서.
  3. 제 1 항에서,
    상기 글리세롤 또는 글리콜은 글리세롤, 에틸글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜 및 1,3-프로필렌 글리콜로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에서,
    상기 효소 전해질층 두께는 0.5 ~ 1 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서.
  6. 제 1 항에서,
    상기 효소 전해질층은 월(wall)로 고정되는 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에서,
    상기 가스투과막 농도는 3 내지 7 w/v%의 범위인 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서.
  9. 제 1 항에서,
    상기 가스투과막 두께는 0.5 ~ 0.7 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서.
  10. 제 1 항에서,
    상기 센서는 1세대 또는 2세대 센서인 것을 특징으로 하는 경피 알코올 모니터링 센서.
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