KR19980043198A - 다공성 효소전극과 이를 이용한 효소센서 및 이들의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 당의 농도를 측정하기 위한 소형 간이 당농도 계측기에 사용되는 것으로 의료용으로 당뇨병 환자 진료를 위한 혈중의 당농도를 측정하고 식품발효 공업에서 식품이나 해당 공정의 당농도를 측정하여 식품의 숙성과 공정제어관리를 위한 계측기 센서로 사용되는 다공성 효소전극과 센서제조방법에 관한 것으로 세라믹스등 절연체 기판 위에 형성되는 전극을 충분한 도전성과 다공성을 가지고 이 전극의 일측이 계측기와 전기적으로 접촉, 연결해주는 표면실장형 접촉부로 형성하고 타측은 피검체와 반응하여 발생하는 전기적 신호를 검지하기 위해 효소가 고정담지된 검지부로 구성된 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극과 이를 이용한 효소센서 및 이들의 제조방법.
Description
본 발명은 당의 농도를 측정하기 위한 소형 간이 당농도 계측기에 사용되는 것으로서 의료용으로 당뇨병 환자 진료를 위한 혈중의 당농도를 측정하고 식품발효 공업에서 식품이나 해당 공정의 당농도를 측정하여 식품의 숙성과 공정제어관리를 위한 계측기 센서로 사용되는 다공성 효소전극과 이를 이용한 효소센서 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 어떤 액중의 당농도를 측정하는 방법은 크게 광학식과 반응식으로 양분되어 진다.
광학식은 당농도에 따른 굴절율의 변화를 측정하는 것이고, 반응식은 당과 효소가 반응하여 발생되는 생성물을 측정하는 것이다.
광학식은 혈액중의 여러 성분에 의한 굴절율의 편차와 유리 표면에 부착되는 습기 등에 의한 굴절율 및 반사율의 편차를 최소화하는 것이 중요하며 반응식은 혈액과 효소를 반응시켜 검지하기 때문에 비교적 정확하나 반응시간이 요구되어 측정기 시간이 과다하게 소요된다.
또한 반응식에서는 글르코스의 산화반응을 이용하는 것이 가장 많으며 글르코스(당)는 산화되면서 글르코노락톤으로 되고 과산화 수소를 발생시키는데 이 반응을 위한 촉매효소로서 글르코스 옥시다제가 가장 많이 쓰여지고 있다.(제 1 식)
Glucose + O2--------------- Gluconolactone + H2O2-------- (제 1 식)
(Glucose oxidase)
반응의 제 2 단계로 아래 제 2 식과 같이 이때 생성된 과산화 수소는 양극(Anode)의 전극 위에서 산화분해되어 일렉트론을 발생시켜 전류가 흐르게 된다.
이때 흐르는 전류는 과산화 수소의 몰수에 비례하고 과산화 수소는 반응하는 글르코스와 동일한 몰수로 생성되므로 결국 글르코스의 양에 비례하게 된다.
H2O2--------- 2 H++ O22 e- -----------------------(제 2식)
이상의 반응 단계에서 볼때 글르코스(당)의 산화를 위해서는 통기성이 있어야 하고 고정시켜 놓은 촉매효소와 피검물의 글르코스 성분과의 접촉이 원활하면서 발생되는 과산화 수소 및 산소의 기포중에서도 전류를 잘 감지할 수 있는 전극제조가 매우 중요하다.
특히 당뇨병 환자의 경우 혈액중의 글르코스의 함량이 산소량에 비해 월등히 많으므로 산소가 반응속도를 지배하게 되고 산소의 원활한 공급이 매우 중요한 것이다.
종래 글르코스 효소 센서는 당뇨병 환자의 당농도를 측정하는 임상병리기기와 발효 공업 분야에서 당농도를 측정하는 계측기 등에 사용되고 있으나 대부분 그 장치가 크고 특히 임상용으로 혈당을 측정할때는 혈액을 희석시키거나 경화방지 처리등 복잡한 전처리 공정을 통하여 측정하기 때문에 시간이 과다하게 투입되는 등의 문제점이 있었으며 식품공업에서는 공정 및 품질관리를 위해 측정하고 있으나 이 역시 고정 설치된 장소로 측정제품을 운반하여 장시간 동안 측정해야 하는 번거로움이 있었다.
상기한 이유로 최근에는 휴대용 소형 당측정기 등이 개발되고 있으며 이 소형 계측기는 고정식 대형계측기에 비해 정밀성에 다소 차이가 있으나 소형이면서 피측정물의 원액을 전처리 공정없이 직접 현장에서 반응시켜 측정하는 현장성의 편리성으로 인해 개발이 요구되고 있는 실정이다.
그리고 종래의 전극들은 전도성과 경시 변화만 고려하였고 센서 구성은 전극위에 효소를 담지시킨 효소 고정막을 놓고 그 위에 글르코스 성분만 통과시키기 위한 필터막을 입혀 왔다.
혈액중에는 혈당이외에 여러가지 다른 성분이 공존하고 있기 때문에 반응에 불필요한 성분을 걸러주기 위한 필터막과 효소 고정을 위한 효소 고정화막을 포함하여 전극층, 담체층, 효소층, 필터막층 및 보호막층의 약 5 층 구조의 센서로 되어 있으며 측정방법은 혈액 한두방울을 센서 감지부에 떨어뜨려 일정시간 후 당의 농도를 읽게 되어 있는데 각자의 사람과 환자상태의 경중 정도 및 합병증 등에 따라 혈액이 필터막을 통과하는 정도에 차이가 나는 등의 문제점이 있다.
즉 혈액이 빨리 굳기 쉬운 사람의 경우와 그렇지 않은 사람의 경우 등에 의한 편차가 커서 정확도가 떨어질수 있다.
그리고 반응식효소 센서는 다층구조를 가능한 저층화하거나 각층의 막두께를 최소화하여 외부로부터 떨어뜨린 피측정물이 바로 흡수되어 다층구조의 최하층에 있는 전극위에서 많은 효소가 충분히 검지하도록 하는 것이 가장 중요하고 이 경우 발효 식품 공업 분야에서의 글르코스 함유 화학용액의 당농도 측정은 비교적 용이한 편이나 사람의 혈액중의 당농도를 측정할때는 특히 빠른 흡수와 반응성이 요구되는 것이다.
따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적으로 창출된 것으로 다공성 전극을 제조하여 사용할수 있게 한 것이다.
다공성 전극은 일정한 기공을 가지고 있으면서도 부분적으로 모두 연결되어 있는 구조형상을 가지기 때문에 전극으로서 필요한 전도율은 충분하며 다공성 전극을 사용할 때의 기능 및 작용효과를 요약하면 다음과 같다.
첫째 절연기판에서 차지하는 동일한 허용면적에서 전극은 입체화된 표면적을 갖게 되므로 전극의 표면적을 기하급수적으로 넓혀 주어 전극의 감지도가 높아진다.
둘째 통기성이 우수하여 산화반응을 순조롭게 해주면서 글르코스(당)의 산화에 의해 발생되는 과산화 수소 및 과산화 수소의 분해방으로 발생되는 산소 기포에 의한 부작용도 최소화 해 준다.
셋째 기공들에 의한 모세관 현상으로 종래보다 흡수 능력도 탁월해져 많은 량의 효소를 고정시킬 수 있는 효소 고정 담체로서의 역할을 해주어 효소와 전극과의 접촉 면적을 극대화 해 준다.
넷째 피검물인 액체를 빨리 흡수해 주면서 최하층이라 할수 있는 전극층까지 단시간에 도달하게 해주어 단시간에 전체 반응이 동시에 이루어 지도록 한다.
다섯째 전극층의 두께를 조절하므로서 전극과 효소 고정 담체의 두기능을 발휘할수 있는 장점도 가질수 있어 효소 고정화막을 생략할수도 있다.
도 1 은 본 발명의 전극 형상도
도 2 는 본 발명 효소 전극의 구조형상도
도 3 은 본 발명 효소 센서의 구조형상도
도 4 는 글르코스 농도에 따른 효소센서의 전류변화를 도시한 그래프도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
(1) 절연체기판(2) 전극
(3) 전극감응부(5) 표면실장형 단자 접촉부
(6) 절연코팅막
이하 발명의 요지를 첨부도면과 실시예에 의해 그 구성과 작용효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.
[실시예]
먼저 전극의 제작순서를 보면 기판 스크라이빙(Scribing) ---- 세척 --- 건조 --- 전극인쇄 --- 건조 --- 열처리 --- 절연막코팅 --- 열처리의 순서로 이루어진다.
전극용 절연체기판(1)은 소정의 크기로 레이저 스크라이빙된 알루미나 기판을 사용하였으며 전극(2)의 크기는 전극을 사용할 당측정기기의 크기와 설계에 따라 달라지겠지만 간이 소형 측정기용이라는 것과 전극가격 등의 문제점을 감안하여 적정크기로 선정하였으며 형상은 도 1 에 도시된 바와같이 원형, 타원형, 사각형 등 다양하게 선정할수 있으며 전극구조는 도 2 에 도시하였다.
전극 크기는 반응부가 폭 2mm - 5mm 의 범위, 길이 20mm - 40mm 의 범위로 제작 하였으며 참조 전극에 대한 작용 전극의 면적비는 1 : 1 - 1: 10 이상의 범위까지 감도에 문제가 없었다.
전극은 백금, 금, 니켈 등의 페이스트를 후막인쇄한 후 150℃에서 30분간 건조한 후 열처리 온도는 각 금속 페이스트에 맞는 온도를 해 주면서 전도도와 다공성이 극대치가 되는 최적조건을 선정하였다.
예로서 백금의 경우 800-950℃, 금은 700-900℃, 은의 경우는 500-700℃, 니켈은 400-600℃에서 10분간 열처리 하였으며 전극을 최적의 다공성으로 제조하기 위해 스크린 두께, 페이스트의 프린팅 조건, 열처리 온도 및 시간 등을 제어하여 표면에 다공성을 갖추면서도 전기 전도성에는 문제가 없도록 하였다.
기공의 크기는 1-10㎛ 의 다양한 크기의 분표이면서도 기공율이 약 50% 까지 많을수록 좋으며 전극의 두께는 목적의 전도성과 다공성을 달성하기 위해 검토한 결과 10-50㎛ 의 범위일때 다공성이면서도 전도성에 이상이 없었다.
또한 도 3 에 도시한 바와같이 효소(4)가 고정 담지된 전극 감응부분(3)과 계측기 본체(도시없음)와의 연결을 위한 표면실장형단자 접촉부(5)를 제외한 전부분에 절연 코팅막(6)을 도포하였으며 이 코팅막(6)은 보호막 기능과 취급이 용이하도록 하는 조작 편이성과 전극 감응부(3)의 전극면이 낮고 주위의 절연 코팅막(6)이 한층 높기 때문에 피검사액체가 외부로 흘러 퍼지지 않고 중앙의 낮은 전극면으로 자연스럽게 뭉쳐 모이게 하는 기능도 겸비하게 된다.
제작된 전극의 평가는 실제 사용되는 효소 전극과 동일한 조건으로 하기 위해 과산화 수소의 농도 10×10-4% 에서 60×10-4% 의 범위량에 따른 산화 환원 전류를 측정 하였으며 효소사용은 시그마(Sigma)사의 GOD 및 포도당 제조시 부산물인 아스퍼질러스 나이거(Aspergillus niger)균체로부터 정제한 GOD의 두종류를 사용하였으며 효소는 최소량이면서 반응이 신속하고 글르코스의 농도 범위가 50-400mg/㎗ 의 영역에서 반응한 전류량이 선형적인 일차식을 갖는 것이 바람직하며 생화학적 특성을 갖기 때문에 고정화시킨 경우 용액상태보다 그활성이 5-10% 로 떨어지고 전극위에 효소용액만으로 고정시키면 외부 환경에 영향을 받아 산화가 되거나 전극과 분리가 일어나는 등 안정성이 떨어질 수 있다.
따라서 보호막 처리를 하는데 고정 효소막의 보호막으로 바이코어 글래스[Vycor Glass(200㎛ 두께)], 셀루로스 나이트레이트[Cellulose Nitrate(0.45㎛ pore size)], 폴리카보네이트[Polycarbonate(0.1㎛ pore size)]를 사용하여 비교 검토하였다.
셀루로스 나이트레이트는 반응시간 2-3초 이내로 매우 빨랐고 폴리카보네이트(0.2㎛ pore size)는 5-10초 폴리카보나이트(0.1㎛ pore size)는 30-40초 였다.
상기와 같이 제작된 본 발명은 다공성 전극위에 결합제로서 B.S.A(Bovine Serum Albumin)와 촉매효소로서 GOD(Glucose oxidase E.C.I.I,3.4)를 혼합하여 고정화 시켰다.
즉 300㎕ 의 버퍼(Buffer)용액(Na-Acetate Buffer, Ph 6.0, I=50mM)에 B.S.A(25mg)을 넣어 녹인 후 이 용액중 50㎕ 를 전극위에 고정화시켰고 필요에 따라 가교제로서 글라타알데하이드(Glutaraldehyde) 25% 의 수용액중에 침적시켜 고정화시켰다.
GOD와 BSA의 조성비 및 절대량에서는 GOD 0.05-0.15g 에 BSA 0.2-0.3g 을 용해시켰을 때에 반응이 선형적인 비례관계를 나타냈다.
효소 고정시 효소반응의 안정화를 위해 GOD 혼합액 3㎖ 에 대해 pH 7.4의 인산 버퍼(Phosphate buffer) 0.1M 용액 3㎕ 를 사용하였다.
또 전극감응부의 크기와 모양에 맞쳐 절단한 부직포에 글르타알데하이드 용액을 침적시켜 전극위에 놓으므로서 기판과의 밀착성을 높혔고 마지막으로 효소 보호막을 입혀 효소센서를 제작했다.
전극의 면적비에 따른 영향을 보기 위해 면적비가 1:1 이면서 11.06mm2와 9.31mm2에 동일한 량의 효소를 고정하여 전극위에 일정농도의 글르코스 용액 40㎕를 떨어뜨려 비교 하였다.
지금까지 서술한 효소센서의 제작순서를 정리하면 건조-- 효소액의 조성-- 가교용액 침적-- 효소 조성액 적하-- 건조의 순이다.
그러므로 본 발명은 도 4 에서와 같이 다공성 전극의 성능은 매우 양호하여 글르코스 농도 20-400 mg/㎗ 까지 측정 가능 하였고 반응이 1분 이내에 평형에 도달하는 신속한 반응응답성을 보여 당계측기의 센서로서 그 성능의 우수성을 확인할수 있었다.
또한 전극은 입체화된 표면적을 가져 기하급수적 확장이 가능하여 전극의 감지도를 향상시키고 통기성이 우수하여 산화반응이 순조롭고 글르코스의 산화시 발생되는 과산화 수소 및 과산화 수소의 분해반응시 산소기포에 의한 부작용도 최소화할수 있으며 기공의 모세관 현상으로 흡수능력이 우수하여 다량의 효소를 고정시켜 효소와 전극과의 접촉면적을 극대화 시키고 피검물의 흡수능력이 빨라 단시간에 전체 반응이 동시에 가능케하고, 전극층의 두께 조절이 가능하여 효소의 고정화막을 생략할 수 있는 효과가 매우 탁월한 발명을 창출 한 것이다.
Claims (12)
- 세라믹스등 절연체 기판위에 형성되는 전극을 충분한 도전성과 다공성을 가지고 이 전극의 일측이 계측기와 전기적으로 접촉, 연결해주는 표면실장형 단자 접촉부로 형성하고 타측은 피검체와 반응하여 발생되는 전기적 신호를 검지하기 위해 효소가 고정담지된 전극감응부로 구성된 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극.
- 제 1 항에 있어서 효소전극, 전극의 접촉부는 표면실장형으로 계측기에 삽입 접촉하므로 본체와 전기적으로 통전시킴에 양극과 음극을 갖는 2단자 내지 작용극, 대극 및 참조극을 갖는 3단자로 구성되어 있으며 전극의 검지부/감지부 중 작용극 및 대극의 일부 또는 전부 효소가 고정담지 되어 있는 전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극.
- 제 1,2 의 어느 한가지 항에 있어서 전극의 두께가 10㎛ 이상, 기공의 크기가 1-20㎛ 의 범위, 기공율은 60% 미만의 다공성이면서 충분한 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극.
- 제 1 항에 있어서 전극과 효소사이에 막을 사용하지 않고 전극위에 직접 효소를 고정시켜 효소간에 접촉면적을 높혀 전극 감지부의 감지성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극.
- 제 1 항에 있어서 효소고정 담체로서 부직포를 포함한 섬유막 또는 고분자 및 세라믹 멤브레인을 사용한 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극.
- 제 1 항에 있어서 검지부의 전극형성은 원형, 타원형, 사각형 및 빗살무늬형을 갖고 계측기에 표면실장형으로 삽입하여 접촉되도록 설계된 부분과는 최대한 가는 선으로 연결되어 있으며 인접 전극선과는 일정한 거리를 유지하도록 되어있는 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극.
- 제 1 항에 있어서 검지부의 전극부분과 표면실장 삽입을 위한 기판 및 접속부분을 제외한 모든 전극부분을 소수성을 띤 두께 100㎛ 이하의 절연막으로 입힌 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극. 백금, 금, 은, 카본 및 니켈 등의 금속류를 일반적으로 사용하는 전극재료를 스파터링, 무전해 도금 등의 방법으로 박막제조하거나 페이스트를 사용하여 인쇄법으로 제작한 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서 절연체 기판은 세라믹스, 플라스틱, 피씨비(PCB)등이 좋으나 취급하기 위한 외부의 힘에 의해 휘거나 뒤틀리지 않고 평탄면을 그대로 유지할수 있는 강도를 갖고 있는 기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극.
- 효소 전극위에 효소를 고정시킨 후 그 위에 보호막 내지는 필터막으로 작용할 수 있는 섬유질 또는 고분자 및 유리나 세라믹 멤브레인 막을 입힌 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극을 이용한 효소센서.
- 제 7 항에 있어서 절연막은 고분자로서 소수성을 갖는 열경화성수지 또는 상온 경화수지막으로 특히 검지부의 효소 고정부에만 피검체가 자체 표면장력으로 묻혀질 수 있게 절연막 두께를 갖게 하고 타부분에 피검체가 묻어도 전극 부분에 스며 들어 가지 못하도록 차단할 수 있는 성질을 갖는 100㎛ 이하의 절연막으로 구성된 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극을 이용한 효소센서.
- 백금, 금, 은, 카본 및 니켈 등의 금속류를 일반적으로 사용하는 전극재료를 스파터링, 무전해 도금 등의 방법으로 박막제조하거나 페이스트를 사용하여 인쇄법으로 제작한 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극의 제조방법.
- 포도당 제조시 부산물인 아스퍼질러스 나이거(Aspergillus niger)균체로부터 정제한 GOD 효소를 사용 1종 내지 2종 이상의 가교제, 결합제등과 함께 혼합하여 프린팅, 침액(Dipping) 침적법 및 포토 리쏘그라피(Photo Lithography)법 등에 의해 고정시키는 것을 특징으로 하는 다공성 효소전극을 이용한 효소센서의 제조방법.
Priority Applications (1)
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| KR1019960060978A KR19980043198A (ko) | 1996-12-02 | 1996-12-02 | 다공성 효소전극과 이를 이용한 효소센서 및 이들의 제조방법 |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR19980043198A true KR19980043198A (ko) | 1998-09-05 |
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ID=66475909
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| KR1019960060978A KR19980043198A (ko) | 1996-12-02 | 1996-12-02 | 다공성 효소전극과 이를 이용한 효소센서 및 이들의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR19980043198A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100451132B1 (ko) * | 2001-11-08 | 2004-10-02 | 홍석인 | 다공성 실리콘을 이용한 효소고정화 전극 제작 방법 |
| KR100481663B1 (ko) * | 2002-09-24 | 2005-04-08 | 김희찬 | 중기공성 백금을 포함하는 바이오센서 및 이를 이용한글루코스 농도 측정방법 |
| KR100845343B1 (ko) * | 2007-04-11 | 2008-07-10 | 한국표준과학연구원 | 동심원 구조 이중전극을 이용한 초소형 전기전도도 센서 |
-
1996
- 1996-12-02 KR KR1019960060978A patent/KR19980043198A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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