KR20020077407A - 피분석물 측정에 사용하기 위한 전기화학적 시험 스트립 - Google Patents

피분석물 측정에 사용하기 위한 전기화학적 시험 스트립 Download PDF

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Abstract

생리학적 샘플에서 피분석물의 검출에 사용되는 전기화학적 시험 스트립 및 이의 사용방법이 제공된다. 본 발명의 시험 스트립은 스페이서 박층에 의해 분리된 대향하는 금속 전극에 의해 한정된 반응 대역을 갖는다. 전극 중 하나 이상의 금속 표면은 단쇄 알킬 연결 그룹에 의해 분리된 제1 설프히드릴 말단 그룹 및 제2 설포네이트 말단 그룹을 갖는 선형 셀프-어셈블링(self-assembling) 분자로 된 균일한 표면 개질 층에 의해 개질되며, 여기서 2-머캅토에탄 설폰산 또는 이의 염이 특정 양태에서 바람직하다. 본 발명의 전기화학적 시험 스트립은 다양한 피분석물의 검출에 적용되며, 특히 글루코즈 검출에 사용하는 데 적합하다.

Description

피분석물 측정에 사용하기 위한 전기화학적 시험 스트립{Electrochemical test strip for use in analyte determination}
생리학적 유체, 즉 혈액 또는 혈액 유래 산물에서의 피분석물 검출은 현대 사회에서 중요성이 끊임없이 증가하고 있다. 피분석물 검출 분석은 임상 실험실 시험, 가정에서의 시험 등을 포함하는 다양한 용도를 가지며, 여기서 이러한 시험 결과는 다양한 질병 상태에서 진단 및 처치하는데 중요한 역할을 한다. 목적 피분석물은 당뇨병 관리를 위한 글루코즈 및 콜레스테롤 등을 포함한다. 이러한 피분석물 검출 중요성에 응하여, 임상적 및 가정용 용도의 다양한 피분석물 검출 방법 및 장치가 개발되었다.
피분석물 검출용으로 사용되는 한 가지 형태의 방법은 전기화학적 방법이다. 이러한 방법에서, 수성 액체 샘플을 2개의 전극, 즉 기준 전극 및 작동 전극을 포함하는 전기화학적 전지에서 반응 대역에 위치시키고, 여기서 전극들은 이들이 전류 측정에 적합하도록 하는 임피던스(impedance)를 갖는다. 분석될 성분을 전극과 직접 반응시키거나, 산화환원 시약과 직접 또는 간접 반응시켜 분석될 성분, 즉 피분석물의 농도에 상응하는 양으로 산화될 수 있는(또는 환원될 수 있는) 물질을 형성한다. 존재하는 산화될 수 있는(또는 환원될 수 있는) 물질의 양을 전기화학적으로 측정하고, 이를 초기 샘플에 존재하는 피분석물의 양과 연관시킨다.
전술한 방법을 실행하는데 사용된 전기화학적 피분석물 검출기에서, 금속 전극의 표면을 친수성으로 개질시키는 것이 바람직하다. 상이한 다양한 기술이 금속 전극의 표면을 개질시키는데 개발되었다. 그러나, 이러한 표면 개질된 전극은 제한된 저장 수명을 가지므로, 잠재적 적용성을 제한한다.
이로서, 피분석물의 전기화학적 검출에 사용되는 금속 전극 표면을 개질하기 위한 새로운 방법을 개발하는데 지속적인 관심이 높다. 특히, 빠른 위킹(wicking) 시간을 제공하며 전극의 전기화학적 측정을 방해하지 않는 저장 안정한 친수성 표면을 제공하는 방법의 개발이 흥미롭다.
관련 문헌
다음의 미국 특허 문헌을 포함한다[참조: 미국 특허 제5,834,224호, 제5,942,102호 및 제5,972,199호]. 다음의 다른 특허 문헌을 포함한다[참조: 국제특허공보 제WO 99/49307호, 제WO 97/18465호 및 영국 특허공보 제2,304,628호]. 다음의 다른 관련 문헌을 포함한다[참조: Dalmia et al, J. Electroanalytical Chemistry (1997) 430: 205-214; Nakashima et al., J. Chem. Soc. (1990) 12:845-847; and Palacin et al., Chem. Mater. (1996) 8: 1316-1325].
본 발명의 분야는 피분석물 측정, 특히 전기화학적 피분석물 측정, 보다 구체적으로는 혈액 피분석물의 전기화학적 측정이다.
도 1 및 2는 본 발명에 따른 전기화학적 시험 스트립의 대표적인 예를 제공한다.
도 3은 시스틴 처리된 다양한 금속 전극의 처리후 다양한 시간에서의 접촉 각의 분석을 제공한다.
도 4는 시스틴 처리된 다양한 금속 전극의 처리후 다양한 시간에서의 위킹 시간의 분석을 제공한다.
도 5A 및 5B는 MESA(2-머캅토에탄 설폰산) 처리된 다양한 금속 전극의 처리후 다양한 시간에서의 접촉각의 분석을 제공한다.
도 6은 MESA 처리된 다양한 금속 전극의 처리후 다양한 시간에서의 위킹 시간의 분석을 제공한다.
도 7은 시스틴 및 MESA 피복된 다양한 전극의 위킹 시간의 비교를 제공한다.
구체적인 양태의 설명
생리학적 샘플내의 피분석물 검출에 사용되는 전기화학적 시험 스트립이 제공된다. 본 발명의 시험 스트립에서, 스페이서 박층에 의해 분리된 2개의 대향하는 금속 전극은 반응 영역을 한정한다. 본 발명의 시험 스트립의 특징은 금속 전극 중 하나 이상이 저급 알킬 연결 그룹에 의해 분리된 설프히드릴 말단 그룹 및 설포네이트 말단 그룹을 갖는 선형 분자로 된 균일한 표면 개질 층에 의해 개질된 표면을 갖는 다는 것이다. 효소 및 조정자를 포함하는 산화환원 시약이 반응 영역에 존재한다. 또한, 피분석물 검출, 예를 들면, 글루코즈 측정에 본 발명의 시험 스트립을 사용하는 방법이 제공된다. 본 발명을 기술하는데 있어서, 전기화학적 시험 스트립이 먼저 설명된 후, 상기 시험 스트립을 피분석물 검출에 사용하는 방법이 이어진다.
본 발명을 추가로 설명하기 전에, 후술하는 본 발명의 특정 양태의 변형이 수행될 수 있고 첨부되는 청구범위의 범주내에 속하므로, 본 발명은 특정 양태로 제한되지 않는다. 또한, 사용된 용어는 특정 양태를 설명하기 위해 사용한 것이며제한하기 위한 의도가 아니다. 대신, 본 발명의 범위는 첨부되는 청구범위에 의해 확립될 것이다.
본 명세서 및 첨부되는 청구범위에서, 단수 참조물은 달리 정의되지 않는 한 복수의 의미를 포함한다. 달리 정의되지 않는 한, 여기서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 분야의 통상적인 숙련자에게 익히 이해될 수 있는 것과 같은 동일한 의미를 지닌다.
전기화학적 시험 스트립
상기 요약된 바와 같이, 본 발명의 전기화학적 시험 스트립은 스페이서 박층에 의해 분리된 2개의 대향하는 금속 전극으로 이루어지며, 여기서 이들 부분은 산화환원 시약 시스템이 존재하는 반응 영역을 한정한다. 본 발명에 따른 전기화학적 시험 스트립의 예가 도 1 및 2에 제공되어 있다. 특히, 도 1은 어셈블링된 스트립에서 반응 대역 또는 반응 영역을 한정하는 절단된 부분(18)을 갖는 스페이서 층(16)에 의해 분리된 작동 전극(12) 및 기준 전극(14)으로 된 전기화학적 시험 스트립(10)의 분리도이다. 도 2는 어셈블링된 형태의 동일한 시험 스트립을 나타낸다. 상기 요소, 즉 작동 전극, 기준 전극, 스페이서 층 및 반응 영역 각각이 개별적으로 보다 상세하게 설명된다.
전극
전술한 바와 같이, 본 발명의 전기화학적 시험 스트립은 작동 전극 및 기준전극을 포함한다. 일반적으로, 작동 전극 및 기준 전극은 연장된 직사각형 스트립의 형태를 갖는다. 전형적으로, 전극의 길이는 약 1.9 내지 4.5cm, 통상 약 2 내지 2.8cm의 범위이다. 전극의 너비는 약 0.38 내지 0.76cm, 통상 약 0.51 내지 0.67cm의 범위이다. 전형적으로, 기준 전극은 두께가 약 10 내지 100nm, 통상 약 18 내지 22nm의 범위이다. 특정 양태에서, 전극 중 하나의 길이는 다른 전극의 길이보다 짧으며, 특정 양태에서 약 0.32cm 더 짧다.
작동 전극 및 기준 전극은 적어도 상기 스트립에서 반응 영역에 접하는 전극의 표면이 금속임을 특징으로 하며, 여기서 금속은 팔라듐, 금, 백금, 은, 이리듐, 탄소, 도핑된 산화주석인듐 및 스테인레스 강 등을 포함한다. 대부분의 양태에서, 금속은 금 또는 팔라듐이다. 원칙적으로 전체 전극을 금속으로 만들 수 있지만, 각 전극은 일반적으로 전극의 금속 성분의 박층이 이의 표면에 존재하는 불활성 지지체 물질로 만들어진다. 이러한 양태에서, 불활성 이면 물질의 두께는 전형적으로는 약 51 내지 356㎛, 통상 약 10 내지 153㎛의 범위인 반면, 금속 층, 예를 들면, 스퍼터링된 금속 층의 두께는 전형적으로 약 10 내지 100nm, 통상 약 20 내지 40nm의 범위이다. 임의의 편리한 불활성 이면 물질을 본 발명의 전극에 사용할 수 있으며, 여기서 물질은 전체적으로 전극 및 전기화학적 시험 스트립에 구조적 지지체를 제공할 수 있는 강성 물질이다. 이면 기판으로서 사용될 수 있는 적합한 물질은 플라스틱, 예를 들면, PET, PETG, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 규소, 세라믹 및 유리 등을 포함한다.
본 발명의 시험 스트립은 추가로 전극의 금속 표면 중 하나 이상 및 특정 양태에서, 반응 영역에 접하는, 즉 반응 영역에 접하거나 결합된 전극의 금속 표면 둘 다가 표면 개질 층을 가짐을 특징으로 한다. 표면 개질 층은 표면을 저장 안정한 방식으로 안정하게 친수성으로 만드는 셀프-어셈블링 분자의 균일한 층이다. 보다 구체적으로는, 표면 개질 층은 승온에서 연장된 시간 후에도, 예를 들면, 약 4 내지 56℃의 온도에서 7 내지 14일 후에도 표면에 낮은 접촉각, 전형적으로 약 10 내지 30°, 통상 약 15 내지 25°의 접촉각 및 빠른 위킹 시간, 예를 들면, 0.5 내지 2초, 통상 약 1 내지 2초를 부여해야한다.
균일하다는 것은 표면 개질 층이 동일한 형태의 분자로 이루어진 것을 의미한다. 다시 말해서, 표면 개질 층에서의 셀프-어셈블링 분자 모두는 동일하다. 일반적으로, 표면 개질 층을 구성하는 셀프-어셈블링 분자는 저급 알킬 연결 그룹에 의해 분리된 설프히드릴 말단 그룹 및 설포네이트 말단 그룹을 갖는 선형 분자이다. 본 명세서에서 용어 설포네이트 말단 그룹은 설포네이트 잔기 및 설폰산 잔기 둘 다를 의미하며, 이들은 설포네이트 염에서 발견되는 바와 같이, 나트륨과 같은 양이온과 연합될 수 있다. 알킬 연결 그룹은 일반적으로 탄소수가 약 1 내지 8, 통상 약 1 내지 6이고, 하나 이상의 불포화 위치를 포함하거나 포함하지 않을 수 있으나, 일반적으로 포화된 분자이다. 특정 양태에서, 알킬 연결 그룹에서의 탄소수는 약 1 내지 4, 종종 약 1 내지 3이며, 이러한 양태에서 메틸렌 및 에틸렌 연결 그룹이 통상적이다.
대부분의 양태에서, 셀프-어셈블링 표면 개질 층을 구성하는 분자는 화학식 1의 분자이다.
HS-(CH2)n-SO3Y
위의 화학식 1에서,
n은 1 내지 6의 정수이고,
Y는 H 또는 양이온이다.
본 발명의 대부분의 양태에서 2-머캅토에탄 설폰산 또는 이의 염, 예를 들면, 2-머캅토에탄 설포네이트 나트륨으로 된 표면 개질 층이 특히 바람직하다.
전술한 바와 같은 작동 전극 및 기준 전극은 임의의 편리한 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 대표적인 방법은 먼저 충분한 두께의 금속 층을 불활성 이면 물질의 표면상에 스퍼터링하여 금속 전극을 제조하는 방법을 포함한다. 다음, 표면 개질 층을 갖도록 표면 개질될 전극(들) 또는 적어도 개질될 금속 표면을 셀프-어셈블링 분자의 유체 조성물, 예를 들면, 유기 수용액과 접촉시킨다. 접촉은 전극을 조성물에 침지 슬롯 피복하는 방법, 그라비어 인쇄하는 방법을 포함하는 임의의 편리한 수단으로 달성될 수 있다. 셀프-어셈블링 분자의 유체 조성물내 농도는 전형적으로 약 0.5 내지 1%, 통상 약 0.05 내지 0.5%, 보다 통상적으로는 약 0.05 내지 0.3%의 범위이다. 접촉은 단일 층이 형성되는 충분한 시간, 예를 들면, 약 0.5 내지 3분, 통상 약 0.5 내지 2분 동안 지속되며, 이 후 본 발명의 전기화학적 시험 스트립에 사용하기 위해 전극 표면을 건조시킨다. 더욱 상세한 대표적인 제조 설명이 하기 실험 부분에서 제공된다.
스페이서 층
본 발명의 전기화학적 시험 스트립의 특징은 전술한 바와 같이 작동 전극 및 기준 전극이 서로 접하고 있고 짧은 간격으로 분리되어 있어서, 전기화학적 시험 스트립의 반응 대역 또는 반응 영역에서 작동 전극 및 기준 전극 사이의 거리가 극히 작다는 것이다. 본 발명의 시험 스트립에서의 이러한 작동 전극 및 기준 전극의 최소한의 간격은 작동 전극 및 기준 전극 간에 위치된 또는 샌드위치된 스페이서 박층의 존재 결과이다. 이러한 스페이서 층의 두께는 일반적으로 약 1 내지 500㎛, 통상 약 102 내지 153㎛의 범위이다. 스페이서 층을 절단하여 반응 대역 또는 반응 영역을 제공하며, 이는 반응 대역으로 유입되는 하나 이상의 입구 포트 및 일반적으로 반응 대역으로부터 나오는 출구 포트를 갖는다. 대표적인 스페이서 층 형상이 도 1 및 2에 도시되어 있다. 스페이서 층이 측면 입구 및 출구 수단 또는 포트를 갖는 절단된 원형 반응 영역을 갖는 것으로 도면에 나타내었지만, 다른 형상, 예를 들면, 정사각형, 삼각형, 직사각형, 불규칙한 형태의 반응 영역 등이 가능하다. 스페이서 층은 임의의 편리한 물질로부터 제조될 수 있으며, 대표적인 적합한 물질은 PET, PETG, 폴리이미드 및 폴리카보네이트 등을 포함하고, 스페이스 층의 표면은 각각의 전극에 대하여 접착성이 되도록 처리되어 전기화학적 시험 스트립의 구조를 유지한다. 특히, 다이-절단 양면 접착제 스트립을 스페이서 층으로서 사용한다.
반응 대역
본 발명의 전기화학적 시험 스트립은 상기한 바와 같은 작동 전극, 기준 전극 및 스페이서 층에 의해 한정되는 반응 대역 또는 반응 영역을 포함한다. 특히, 작동 전극 및 기준 전극은 반응 영역의 상부 및 저부를 한정하는 반면, 스페이서 층은 반응 영역의 벽을 한정한다. 반응 영역의 용적은 약 0.1㎕ 이상, 통상 약 1㎕ 이상, 보다 통상적으로는 약 1.5㎕ 이상이고, 용적은 10㎕ 이상일 수 있다. 전술한 바와 같이, 반응 영역은 일반적으로 적어도 하나의 입구 포트를 포함하고, 대부분의 양태에서 또한 출구 포트를 포함한다. 입구 및 출구 포트의 단면적은 반응 영역으로부터 유체의 효과적인 출입을 제공할 정도로 크면 다양할 수 있지만, 일반적으로 약 9x10-5내지 5x10-3cm2, 통상 약 1.3x10-3내지 2.5x10-3cm2의 범위이다.
산화환원 시약 시스템이 반응 영역에 존재하고, 시약 시스템은 전극에 의해 측정되는 물질을 제공하므로, 생리학적 샘플에서 피분석물이 농도를 유추하는데 사용된다. 반응 영역에 존재하는 산화환원 시약 시스템은 전형적으로 하나 이상의 효소(들) 및 조정자를 포함한다. 대부분의 양태에서, 산화환원 시약 시스템의 효소 구성원(들)은 하나의 효소 또는 협력하여 목적 피분석물을 산화시킬 수 있는 다수의 효소이다. 다시 말해서, 산화환원 시약 시스템의 효소 성분은 단일 피분석물 산화 효소 또는 협력하여 목적 피분석물을 산화시킬 수 있는 2개 이상의 효소 배합물로 이루어진다. 목적 효소는 옥시다제, 탈수소화 효소, 리파제, 키나제, 디아포라제 및 퀴노프로테인 등을 포함한다.
반응 영역에 존재하는 특정 효소는 전기화학적 시험 스트립이 검출하고자 하는 특정 피분석물에 좌우되며, 대표적인 효소는 글루코즈 옥시다제, 글루코즈 탈수소화 효소, 콜레스테롤 에스테라제, 콜레스테롤 옥시다제, 리포프로테인 리파제, 글리세롤 키나제, 글리세롤-3-포스페이트 옥시다제, 락테이트 옥시다제, 락테이트 탈수소화 효소, 피루베이트 옥시다제, 알콜 옥시다제, 빌리루빈 옥시다제 및 우리카제 등을 포함한다. 목적 피분석물이 글루코즈인 대부분의 바람직한 양태에서, 산화환원 시약 시스템의 효소 성분은 글루코즈 산화 효소, 예를 들면, 글루코즈 옥시다제 또는 글루코즈 탈수소화 효소이다.
산화환원 시약 시스템의 제2 성분은 조정자 성분으로서, 하나 이상의 조정자 제제로 구성된다. 상이한 다양한 조정자 제제는 당해 분야에 공지되어 있으며, 페리시아나이드, 펜아진 에토설페이트, 펜아진 메토설페이트, 페릴렌디아민, 1-메톡시-펜아진 메토설페이트, 2,6-디메틸-1,4-벤조퀴논, 2,5-디클로로-1,4-벤조퀴논, 페로센 유도체, 오스뮴 비피리딜 착체 및 루테늄 착체 등을 포함한다. 글루코즈가 목적 피분석물이고 글루코즈 옥시다제 또는 글루코즈 탈수소화 효소가 효소 성분인 양태에서, 목적 조정자는 페리시아나이드이다. 반응 영역에 존재할 수 있는 다른 시약은 완충제, 예를 들면, 시트라코네이트, 시트레이트, 포스페이트 및 "Good" 완충제 등을 포함한다.
산화환원 시약 시스템은 일반적으로 무수 형태로 존재한다. 다양한 성분의 양은 가변적이고, 효소 성분의 양은 전형적으로 약 0.1 내지 10중량%이다.
방법
또한, 본 발명의 전기화학적 시험 스트립을 사용하여 생리학적 샘플내에 피분석물 농도를 측정하는 방법이 제공된다. 본 발명의 시험 스트립을 사용하여 상이한 다양한 피분석물을 검출할 수 있으며, 대표적인 피분석물은 글루코즈, 콜레스테롤, 락테이트 및 알콜 등을 포함한다. 대부분의 바람직한 양태에서, 본 발명의 방법을 사용하여 생리학적 샘플내에 글루코즈 농도를 측정한다. 기본적으로 본 발명의 방법을 사용하여 소변, 눈물 및 타액 등과 같은 다양한 상이한 생리학적 샘플내의 피분석물의 농도를 측정할 수 있지만, 혈액 또는 혈액 분획, 특히 전혈내의 피분석물의 농도를 측정하는데 특히 적합하다.
본 발명의 방법을 실행하는데 있어서, 제1 단계는 전술한 바와 같은 전기화학적 시험 스트립의 반응 영역에 일정량의 생리학적 샘플을 도입하는 것이다. 시험 스트립의 반응 영역으로 도입되는 생리학적 샘플, 예를 들면, 혈액의 양은 가변적이지만, 일반적으로 약 0.1 내지 10㎕, 통상 약 1 내지 1.6㎕이다. 샘플을 임의의 편리한 방법을 사용하여 반응 영역으로 도입할 수 있으며, 편리하게는, 샘플을 반응 영역에 주입하거나, 반응 영역으로 위킹시킬 수 있다.
반응 대역으로 샘플을 적용한 후, 기준 전극 및 작동 전극을 사용하여 전기화학적 측정을 수행한다. 실시되는 전기화학적 측정은 전기화학적 시험 스트립이 사용되는 분석 및 장치의 특정 성질에 의존하여, 예를 들면, 분석이 전량, 전류 또는 전위차 분석인지에 따라서 변할 수 있다. 일반적으로, 전기화학적 측정은 통상적으로는 샘플을 반응 영역으로 도입한 후, 전하(전량), 전류(전류) 또는 전위(전위차)를 주어진 기간에 걸쳐 측정하는 것이다. 상기한 전기화학적 측정을 실시하는 방법은 미국 특허 제4,224,125호, 제4,545,382호 및 제5,266,179호 및 국제특허공보 제WO 97/18465호, 제WO 99/49307호에 추가로 기술되어 있으며, 이들의 내용은 참조문헌으로 본원에서 기재된다.
전술한 바와 같이 반응 대역에서 발생한 전기화학적 신호를 검출한 후, 반응 대역내로 도입된 샘플에 존재하는 피분석물의 양을 전기화학적 신호를 샘플내 피분석물 양과 연관시킴으로써 측정한다. 이렇게 유도하는데 있어서, 측정된 전기화학적 신호는 전형적으로 이미 얻어진 일련의 대조 또는 기준 값으로부터 발생한 신호와 비교되고, 이러한 비교로부터 측정된다. 대부분의 양태에서, 전술한 바와 같이 전기화학적 신호 측정 단계 및 피분석물 농도 유도 단계는 시험 스트립과 작동하도록 고안된 장치에 의해 자동적으로 실행되어 시험 스트립에 적용된 샘플내의 피분석물의 농도 값을 나타낸다. 사용자가 단지 샘플을 반응 대역에 적용하고 장치로부터 최종 피분석물 농도 결과를 판독하도록 이러한 단계들을 자동적으로 실행케 하는 대표적인 판독 장치는 1999년 6월 15일에 출원된 공계류중인 미국 특허원 제09/333,793호에 추가로 설명되어 있고, 이의 내용은 참조문헌으로 본원에서 기재된다.
키트
또한, 본 발명의 방법을 실행하는 데 사용되는 키트(kit)가 제공된다. 본 발명의 키트는 적어도 전술한 바와 같이 하나 이상의 표면 개질 금속 전극을 갖는 전기화학적 시험 스트립을 포함한다. 본 발명의 키트는 추가로 생리학적 샘플을수득하는 수단을 포함할 수 있다. 예를 들면, 생리학적 샘플이 혈액인 경우, 본 발명의 키트는 혈액 샘플을 수득하는 수단, 예를 들면, 손가락을 찌르는 랜스(lance), 랜스 작동 수단 등을 추가로 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 키트는 대조 용액, 예를 들면, 글루코즈의 표준화된 농도를 함유하는 글루코즈 대조 용액을 포함할 수 있다. 특정 양태에서는, 본 발명의 키트는 또한 전술한 바와 같이, 샘플 적용후 전극을 사용하여 전기화학적 신호를 검출하고 검출된 신호와 샘플내 피분석물의 양을 연관시키는 자동화된 장치를 포함한다. 최종적으로, 키트는 생리학적 샘플내의 피분석물 농도를 측정하는데 있어서 본 발명의 시약 시험 스트립을 사용하는 지침을 포함한다. 이러한 지침은 키트내에 존재하는 하나 이상의 패키징, 라벨 삽입물, 용기상에 존재할 수 있다.
생리학적 샘플, 예를 들면, 혈액에서 피분석물, 예를 들면, 글루코즈를 검출하는데 사용되는 전기화학적 시험 스트립 및 이의 사용방법이 제공된다. 본 발명의 시험 스트립은 스페이서 박층에 의해 분리된 대향하는 금속 전극에 의해 한정된 반응 영역을 갖는다. 전극 중 하나 이상의 금속 표면은 단쇄 알킬 연결 그룹에 의해 분리된 제1 설프히드릴 말단 그룹 및 제2 설포네이트 말단 그룹을 갖는 선형 셀프-어셈블링(self-assembling) 분자로 된 균일한 표면 개질 층에 의해 개질되며, 여기서 2-머캅토에탄 설폰산 또는 이의 염이 특정 양태에서 바람직하다. 본 발명의 전기화학적 시험 스트립은 다양한 피분석물의 검출에 적용되며, 특히 글루코즈 검출에 사용하는데 적합하다.
하기 실시예는 예시하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 함은 아니다.
실험
I. 전기화학적 시험 스트립의 제조
A. MESA 처리된 전기화학적 시험 스트립의 제조
MESA(TCI, Catalog # M0913) 1,000g을 Milli Q 물 999g에 용해하여 (0.1)1% 2-머캅토에탄 설폰산(MESA) 용액을 제조한다. 7mil 두께의 폴리에스테르 기판의 표면에 금 또는 팔라듐을 스퍼터링하여 100 내지 500Å의 표면 금속 층을 수득함으로써 금 및 팔라듐 시트를 제조한다. 금 및 팔라듐 마스터 롤을 제조한 후, 12in x 8.5inch 시트를 절단한다. 시트를 1% MESA 용액에 1분 동안 침지시킨다. 피복된 시트를 1시간 동안 공기 건조시키고, 하기 부록 A의 과정 A에서 설명된 바와 같이 각도계 및 물을 사용하여 접촉각에 대해 시험하여 접촉각이 <20°임을 확인한다.
크기가 0.2 x 1.2inch인 시험 스트립을 금 및 금속 시트로부터 절단하고, 다음과 같이 전기화학적 시험 스트립을 제조하는데 사용한다. 금 스트립 및 팔라듐 스트립을 사용하여 두께가 0.005in인 다이-절단 양면 감압성 접착제 스트립 및 금 및 금속 스트립 사이에 샌드위치되는 경우 반응 대역, 입구 및 출구 포트를 한정하는 원형 다이-절단 영역을 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 샌드위치시킨다. 양면 접착제를 샌드위치시키기 전에 완충제, 조정자, 효소 및 벌킹제로 이루어진 무수 시약을 팔라듐 전극상에 잉크젯시킨다.
B. 시스틴 처리된 전기화학적 시험 스트립의 제조
시스틴 처리된 전기화학적 시험 스트립을 표준 산업적인 방법으로 제조한다.
II. 시스틴 처리된 전기화학적 시험 스트립의 특성
A. 접촉각
시스틴 처리된 금 및 팔라듐 시험 스트립의 접촉각을 부록 A의 과정 B에서 설명된 바와 같이 물 및 각도계를 사용하여 측정한다. 접촉각은 표면처리후 각종시간, 즉 처리후 0일, 7일 및 14일에, 다양한 저장 온도, 예를 들면, 실온 및 56℃에서 측정한다. 결과는 도 3에 나타내었다.
B. 위킹 시간
시스틴 처리된 금 및 팔라듐 시험 스트립의 위킹 시간을 부록 A의 과정 C에서 설명된 바와 같이 측정한다. 위킹 시간은 표면처리후 각종 시간, 즉 처리후 0일, 7일 및 14일에, 다양한 저장 온도, 예를 들면, 실온 및 56℃에서 측정한다. 결과는 도 4에 나타내었다.
III. MESA 처리된 전기화학적 시험 스트립의 특성
A. 접촉각
MESA 처리된 금 및 팔라듐 시험 스트립(pH 5.4 및 11.5에서 처리)의 접촉각을 부록 A의 과정 B에서 설명된 바와 같이 물 및 각도계를 사용하여 측정한다. 접촉각은 표면처리후 각종 시간, 즉 처리후 0일, 7일 및 14일에, 다양한 저장 온도, 예를 들면, 실온 및 56℃에서 측정한다. 결과는 도 5A(pH 5.4) 및 5B(pH 11.5)에 나타내었다.
B. 위킹 시간
MESA 처리된 금 및 팔라듐 시험 스트립(pH 5.4 및 11.5에서 처리)의 위킹 시간을 부록 A의 과정 B에서 설명된 바와 같이 물 및 각도계를 사용하여 측정한다.접촉각은 표면처리후 각종 시간, 즉 처리후 0일, 7일 및 15일에, 다양한 저장 온도, 예를 들면, 실온 및 56℃에서 측정한다. 결과는 도 6에 나타내었다.
IV. 위킹 시간 비교 연구
전술한 바와 같이 제조한 3개의 상이한 전기화학적 시험 스트립의 위킹 시간을 비교한다. 제1 전기화학적 시험 스트립(케이스 A)은 금 및 팔라듐 표면이 둘 다 시스틴 처리된 것이다. 제2 전기화학적 시험 스트립(케이스 B)는 팔라듐 및 금 표면이 둘 다 MESA로 처리된 것이다. 제3 전기화학적 시험 스트립(케이스 C)는 팔라듐 표면이 시스틴 처리되고 금 표면은 MESA 처리된 것이다. 위킹 시간을 부록 A의 과정 C에서 설명된 바와 같이, SureStepR바이얼에 56℃에서 7일 및 14일 동안 저장된 스트립상에서 측정하고, 결과는 도 7에 나타내었다.
상기 결과 및 논의는 본 발명이 시험 샘플에서 피분석물 측정에 사용되는 상당히 향상된 전기화학적 시험 스트립을 제공함을 입증한다. 특히, 산화된 종의 전기화학적 측정에 대한 방해가 낮고 위킹 시간이 빠른 내구성 친수성 표면을 갖는 저장 안정한 전기화학적 시험 스트립이 제공된다. 또한, 본 발명의 시험 스트립의 표면을 개질하는데 사용된 표면 개질 시약은 무취이다. 이로서, 본 발명은 당해 분야에 상당히 기여한다.
본 명세서에서 인용된 모든 공보 및 특허는 각각의 개별 공보 또는 특허가 구체적으로 및 개별적으로 참조문헌으로 개시되는 경우와 같이, 참조문헌으로 개시된다. 임의의 공보의 인용은 출원일 이전에 내용이 개시된 것이며, 본 발명이 선행 발명이라는 이유로 이러한 공보보다 시일이 앞서는 것으로 권리를 인정받은 것으로 해석되어서는 안 된다.
상기 발명이 이해를 명확히 하기 위한 목적으로 예로서 다소 상세히 설명되었지만, 본 발명의 교시에 비추어 특정 변화 및 변형이 첨부되는 청구범위의 범주 또는 범위를 벗어나지 않으면서 수행될 수 있음이 당해분야의 숙련자들에게는 명백한 것이다.
부록 A
과정 A
금 및 팔라듐 금속화된 플라스틱에 대한 표면 처리 과정
재료:
1. 파이렉스 유리 베이킹 접시 크기 4Q (10.5"x14.75"x2.25")
2. Milli Q 물
3. 스톱 워치
4. 금 및 팔라듐 시트 크기 12"x8.5"
화학물질:
2-머캅토에탄 설폰산, 나트륨 염
제조자 TCI
Catalog # MO913
순도: 99%
분자량 164.18
과정: 0.1%(w/w) MESA
1. 계량지에 2-머캅토에탄 설폰산 나트륨 1.000(±0.0005)g을 계량한다.
2. 유리 비이커에 Milli Q 물을 999.0(±0.1)g을 계량한다.
3. MESA 분말을 비이커에 서서히 가하고, 이를 완전히 용해시킨다.
표면 처리:
4. 롤로부터 금 및 팔라듐 시트(크기 12"x8.5")를 절단한다.
5. 비이커의 내용물을 베이킹 접시에 서서히 붓는다.
6. 금속 시트를 하나씩 피복하고, 금속 층이 접시 바닥에 향하게 한다. 확실하게 시트가 용액으로 완전히 덮히게 한다. 스톱 워치를 사용하여 피복 시간을 모니터한다(1분/시트).
7. 건조 시간은 약 1시간이다.
8. 각도계를 사용하여 금속화된 필름과 물과의 접촉각을 체크한다. 접촉각은 Au 및 Pd 표면에 대하여 <20°이어야 한다.
과정 B
램-하트(Rame-Hart) 각도계를 사용하는 접촉각 측정
재료:
1. MESA 피복된 금 및 팔라듐 시트
2. 램-하트 각도계 모델-100-00-115
3. 자동화된 피펫팅 시스템
4. 소프트웨어 RHI 2001
과정:
물을 사용하여 자동 피펫 시스템을 채운다. 샘플(Au/Pd)를 샘플 플랫폼에놓고 클램프로 고정한다. RHI 2001 프로그램을 열고 기본선을 정한다. 물 3 내지 5㎕를 자동 피펫으로부터 적가한다. RHI 2001 시스템으로 영상을 잡고 양쪽으로부터의 접촉각을 측정하고 이를 평균한다. 이것을 수회 반복할 수 있다.
과정 C
위킹 시간 측정
재료:
1. MESA 처리된 시험 스트립
2. 70% 헤마토크릿으로 조정된 갓 채취한 혈액
3. 피펫-20㎕
4. 혈액 적용용 파라필름 조각
5. 파나소닉 카메라 모델 GP KP222
6. 비디오 캡쳐용 Adobe Premiere 소프트웨어 4.2
7. 컴퓨터 시스템 및 모니터
8. 양면 접착제 테이프 및 스트립용 플랫폼
과정:
1. 스트립을 플랫폼에 놓고 이를 테이프로 고정시킨다.
2. 스트립을 카메라 렌즈 아래에 위치시키고 초점 및 배율을 조정한다.
3. Premiere 소프트웨어를 작동시키고 영상 캡쳐 프로그램을 연다. 생화면을 잡기 위해 30fps NTSC 시스템을 선택한다.
4. 70% hct 혈액 5㎕을 파라필름 표면에 놓는다.
5. 기록 모드를 개시시키고 시험 스트립 각 면으로부터의 혈액을 모세관에 적용시킨다.
6. 혈액이 시험 스트립의 다른 말단에 도달할 때 기록 모드를 끈다.
7. 영상 윈도우로 가서 이를 분석한다. 혈액이 스트립과 접촉할 때는 인 마크를 사용하고 혈액이 다른 말단에 도달할 때는 아웃 마크를 사용한다. 소프트웨어는 프레임 계수(30 프레임/초)하고 이를 하부 윈도우에 나타낸다.
8. 위킹 시간을 계산하기 위해, 프레임의 수를 30으로 나눈다.
9. 스트립의 수대로 이 과정을 반복한다.

Claims (25)

  1. 스페이서 층에 의해 분리된 대향하는 작동 전극과 기준 전극에 의해 한정된 반응 대역(a)[여기서, 제1 전극과 제2 전극 중 하나 이상은 제1 설프히드릴 말단 그룹과 제2 설포네이트 말단 그룹을 갖는 셀프-어셈블링(self-assembling) 분자로 된 균일한 표면 개질 층으로 개질된 표면을 가지며, 설프히드릴 말단 그룹과 설포네이트 말단 그룹은 저급 알킬 링커 그룹에 의해 분리된다]과
    반응 대역에 존재하는 산화환원 시약 시스템(b)(여기서, 산화환원 시약 시스템은 하나 이상의 효소와 조정자를 포함한다)을 포함하는 전기화학적 시험 스트립.
  2. 제1항에 있어서, 전극 중 하나 이상이 금, 팔라듐, 은, 이리듐, 탄소, 도핑된 산화주석인듐 및 스테인레스 강으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 전기화학적 시험 스트립.
  3. 제2항에 있어서, 전극이 금 또는 팔라듐을 포함하는 전기화학적 시험 스트립.
  4. 제1항에 있어서, 셀프-어셈블링 분자가 화학식 1의 분자인 전기화학적 시험 스트립.
    화학식 1
    HS-(CH2)n-SO3Y
    위의 화학식 1에서,
    n은 1 내지 6의 정수이고,
    Y는 H 또는 양이온이다.
  5. 제1항에 있어서, 하나 이상의 효소가 산화 효소를 포함하는 전기화학적 시험 스트립.
  6. 스페이서 박층에 의해 분리된 금속 표면을 포함하는 대향하는 작동 전극과 기준 전극에 의해 한정된 반응 대역(a)(여기서, 제1 금속 전극과 제2 금속 전극 중 하나 이상은 화학식 1의 셀프-어셈블링 분자로 된 균일한 표면 개질 층으로 개질된 표면을 갖는다)과
    반응 대역에 존재하는 산화환원 시약 시스템(b)(여기서, 산화환원 시약 시스템은 효소와 조정자를 포함한다)을 포함하는 전기화학적 시험 스트립.
    화학식 1
    HS-(CH2)n-SO3Y
    위의 화학식 1에서,
    n은 1 내지 6의 정수이고,
    Y는 H 또는 양이온이다,
  7. 제6항에 있어서, 반응 대역의 용적 범위가 약 0.1 내지 10㎕인 전기화학적 시험 스트립.
  8. 제6항에 있어서, 금속이 금 및 팔라듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 전기화학적 시험 스트립.
  9. 제6항에 있어서, 효소가 산화 효소를 포함하는 전기화학적 시험 스트립.
  10. 제9항에 있어서, 산화 효소가 글루코즈 산화 효소인 전기화학적 시험 스트립.
  11. 제6항에 있어서, 셀프-어셈블링 분자가 2-머캅토에탄 설폰산 또는 이의 염인 전기화학적 시험 스트립.
  12. 스페이서 박층에 의해 분리된 금 및 팔라듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 표면을 포함하는 대향하는 작동 전극과 기준 전극에 의해 한정된 반응 대역(a)(여기서, 제1 금속 전극과 제2 금속 전극 중 하나 이상은 2-머캅토에탄 설폰산 또는 이의 염으로 된 균일한 표면 개질 층으로 개질된 표면을 갖는다)과
    반응 대역에 존재하는 산화환원 시약 시스템(b)(여기서, 산화환원 시약 시스템은 글루코즈 산화 효소와 조정자를 포함한다)을 포함하는, 생리학적 샘플내 글루코즈 농도 검출용 전기화학적 시험 스트립.
  13. 제12항에 있어서, 반응 대역의 용적 범위가 약 0.1 내지 10㎕인 전기화학적 시험 스트립.
  14. 제12항에 있어서, 기준 전극이 금 전극인 전기화학적 시험 스트립.
  15. 제12항에 있어서, 작동 전극이 팔라듐 전극인 전기화학적 시험 스트립.
  16. 생리학적 샘플을, 스페이서 층에 의해 분리된 대항하는 작동 금속 전극과 기준 금속 전극에 의해 한정된 반응 대역(i)(여기서, 제1 금속 전극과 제2 금속 전극 중 하나 이상은 제1 설프히드릴 말단 그룹과 제2 설포네이트 말단 그룹을 갖는 셀프-어셈블링 분자로 된 균일한 표면 개질 층으로 개질된 표면을 가지며, 설프히드릴 말단 그룹과 설포네이트 말단 그룹은 저급 알킬 링커 그룹에 의해 분리된다)과 반응 대역에 존재하는 산화환원 시약 시스템(ii)(여기서, 산화환원 시약 시스템은 하나 이상의 효소와 조정자를 포함한다)을 포함하는 전기화학적 시험 스트립에 적용하는 단계(a),
    금속 전극을 사용하여 반응 대역에서 전기 신호를 검출하는 단계(b) 및
    검출된 전기 신호를 샘플내 피분석물의 양과 연관시키는 단계(c)를 포함하는, 생리학적 샘플내 피분석물 농도의 측정방법.
  17. 제16항에 있어서, 셀프-어셈블링 분자가 화학식 1의 분자인 방법.
    화학식 1
    HS-(CH2)n-SO3Y
    위의 화학식 1에서,
    n은 1 내지 6의 정수이고,
    Y는 H 또는 양이온이다.
  18. 제17항에 있어서, 셀프-어셈블링 분자가 2-머캅토에탄 설폰산 또는 이의 염인 방법.
  19. 제16항에 있어서, 피분석물이 글루코즈인 방법.
  20. 제19항에 있어서, 산화환원 시약 시스템이 글루코즈 산화 효소를 포함하는 방법.
  21. 스페이서 층에 의해 분리된 대향하는 작동 금속 전극과 기준 금속 전극에 의해 한정된 반응 대역(i)(여기서, 제1 금속 전극과 제2 금속 전극 중 하나 이상은제1 설프히드릴 말단 그룹과 제2 설포네이트 말단 그룹을 갖는 셀프-어셈블링 분자로 된 균일한 표면 개질 층으로 개질된 표면을 가지며, 설프히드릴 말단 그룹과 설포네이트 말단 그룹은 저급 알킬 링커 그룹에 의해 분리된다)과 반응 대역에 존재하는 산화환원 시약 시스템(ii)(여기서, 산화환원 시약 시스템은 하나 이상의 효소 및 조정자를 포함한다)을 포함하는 전기화학적 시험 스트립(a)과
    생리학적 샘플을 수득하는 수단(i)과 피분석물 표준물(ii) 중의 하나 이상(b)을 포함하는, 생리학적 샘플내 피분석물의 농도 측정용 키트(kit).
  22. 제21항에 있어서, 피분석물이 글루코즈인 키트.
  23. 제21항에 있어서, 생리학적 샘플이 혈액인 키트.
  24. 제21항에 있어서, 생리학적 샘플을 수득하는 수단이 랜스(lance)인 키트.
  25. 제21항에 있어서, 전극을 사용하여 전기 신호를 검출하고 검출된 신호를 샘플내 피분석물의 양과 연관시키는 자동화 장치를 추가로 포함하는 키트.
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