KR20090092506A

KR20090092506A - 혈당 측정 장치

Info

Publication number: KR20090092506A
Application number: KR1020080017785A
Authority: KR
Inventors: 윤인준; 권정우; 김동철; 김태호
Original assignee: 케이엠에이치 주식회사
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-01
Also published as: WO2009107936A3; WO2009107936A2

Abstract

본원 발명은 피부에 접촉하거나 삽입되는 이온 선택성 전극을 포함하는 전극부, 상기 전극부의 전극에 전기적으로 연결되어 있는 신호 측정부, 상기 신호 측정부에 연결되어 있는 모니터부를 포함하는 혈당 측정 장치를 제공한다.

Description

혈당 측정 장치{Glucose measuring system}

본 연구는 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행되었음.[2007-S-093-03, 생체신호 처리기반 Implantable System 개발].

당뇨병은 인슐린 분비 부족 또는 인슐린에 대한 세포의 반응성 저하로 인하여 글루코스가 인체 내 혈액에 축적되는 질병이다. 또한, 당뇨병은 동맥경화증, 고혈압, 뇌혈관 경색증과 같은 심혈관계 질환, 당뇨병성 신증과 같은 신장 질환, 당뇨병성 망막증 또는 백내장과 같은 안질환, 농피증, 괴저와 같은 피부질환, 치주 농루와 같은 구강질환 등의 합병증을 유발하기도 한다. 사회 경제적 발전이 이루어지면서, 과식, 운동 부족, 스트레스 증가 등으로 인하여 당뇨병에 걸린 인구가 현저하게 증가하고 있다. 선진화된 국가의 경우 전체 인구 대비 5 내지 10％가 당뇨병 환자로 추정되고 있고, 이들 중 50％ 정도는 본인이 당뇨병 환자임을 인식하지 못하고 있는 상황이다. 그러나, 이러한 심각한 상황에도 불구하고, 이들은 혈당 측정 시 채혈에 의해 혈당을 측정해야 한다는 일반적 관념을 갖고 있어서, 섣불리 혈당 측정을 시도하지 않게 된다.

당뇨병 환자는 기본적으로 공복 시(허용 최대치 140 mg/dL)와 식후 2시간 (허용 최대치 200 mg/dL)에 주기적으로 혈당을 모니터함으로써 혈당을 관리할 것을 권장받고 있다. 이 외에도 전신 상태, 섭취하는 음식물의 종류와 양, 나이, 합병증의 유무, 스트레스, 기타 동반된 질환 등 많은 여건들에 의하여 하루 중에도 혈당의 변동이 급격하게 나타나므로, 당뇨병 환자가 혈당 검사 및 관리를 하는 것은 건강 유지 및 합병증 예방에 매우 중요한 요소라고 할 수 있다. 이를 위해, 당뇨병 환자는 하루 중에도 여러 번 때와 장소를 가리지 않고 혈당을 측정함으로써, 자신의 혈당을 관리할 필요가 있다.

종래 당뇨병 환자들은 침습식 방법으로 혈당치를 측정해왔다. 침습식 방법은 혈당 분석 전에 피부에서 혈액을 직접 채혈한 후, 채혈된 혈액을 이용하여 혈당치를 측정하는 과정을 거치는 것이다. 그러나, 이와 같은 종래 혈당치를 침습식 방법으로 측정하는 방법은 혈당치를 분석하기 전에 피부를 통해 채혈하는 것의 불편함과 고통으로 인하여 정기적인 사용을 불가능하게 하는 문제점이 있었다. 또한, 무 채혈에 의한 비침습식 방법에 의할 경우 보통 역이온 영동 방식을 이용하지만, 이러한 방식에 의할 때에도 혈당치를 구하기 위해서는 매번 채혈에 의한 보정(calibration)을 필요로 한다.

따라서, 채혈에 의한 반복된 보정을 할 필요가 없고, 제작이 간단하며, 소형화시킬 수 있어, 때와 장소에 구애받지 않고 혈당을 측정할 수 있도록 하는 혈당 측정 장치가 필요하게 되었다.

본원 발명은 혈당치 보정을 위해 필요한 채혈을 매회 반복할 필요가 없고, 이로 인한 불편함과 고통을 없애주며, 채혈에 의한 보정을 할 필요가 없는 혈당 측정 장치를 제공한다.

본원 발명은 피부에 접촉하거나 삽입되는 이온 선택성 전극(ion selective electorde)을 포함하는 전극부, 상기 전극부의 전극에 전기적으로 연결되어 있는 신호 측정부, 상기 신호 측정부에 연결되어 있는 모니터부를 포함하는 혈당 측정 장치를 제공한다.

상기 전극부는 피부에 삽입되는 나노 크기의 다공성 백금 재질의 작동전극과 기준전극, 상대전극 및 이온 선택성 전극을 포함한다.

또한, 상기 전극부는 피부에 접촉하는 이온전도성 매질과, 상기 이온전도성 매질이 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 있는 작동전극, 추출전극, 기준전극, 상대전극 및 이온 선택성 전극을 포함한다.

본원 발명의 이온 선택성 전극을 포함하는 혈당 측정 장치는 측정된 신호(전류, 파장 등)를 혈당으로 보정하기 위하여 최초 1회 이상 수행해야 하는 채혈 과정 없이, 글루코스 이외의 기준 물질을 이온 선택성 전극 등을 사용하여 측정하고, 이를 통해 얻어진 글루코스와의 상관 관계를 이용하여 측정된 신호(전류, 파장 등)를 혈당으로 보정하는 것이다.

체액 내에는 Na⁺, K⁺ 등의 이온, 우레아(urea) 등의 물질이 존재한다. 본원 발명의 혈당 측정 장치에서, 이들은 글루코스 측정을 위한 기준 물질로 사용된다. 본원 발명의 혈당 측정 장치에서는, 이온 전도성 매질을 통해 글루코스가 추출될 때 상기 기준 물질들이 동시에 추출된다. 본원 발명의 혈당 측정 장치에서는, 상기 기준 물질을 위한 이온 선택성 전극이 장착되어 있어, 추출된 기준 물질이 전위차 측정 방법(potentiometry)에 의해 측정될 수 있다. 추출된 글루코스 농도와 추출된 기준 물질 농도 사이에는 일정한 상관 관계가 성립한다. 상기 상관 관계는 1회의 측정을 통해 혈당 측정 장치의 시스템에 입력될 수 있다. 따라서, 글루코스 추출시 동시에 추출되는 기준 물질의 농도를 측정하고, 상기 상관 관계를 이용하여 글루코스 농도를 계산할 수 있다. 이를 통해, 본원 발명은 계속된 채혈에 의한 보정 없이 글루코스와 기준 물질의 상관 관계에 의해 글루코스 농도를 계산할 수 있다.

본원 발명의 혈당 측정 장치에서 이온 선택성 전극의 기준전극은 Ag/AgCl 재질의 추출전극이다. 따라서, 기존의 혈당 측정 장치에서 사용되는 추출전극을 이온 선택성 전극의 기준전극으로 사용함으로써, 별도로 또 다른 기준전극을 장착할 필요가 없고, 센서를 소형화시킬 수 있으며, 제작을 용이하게 하고 경제적이다.

이온 선택성 전극은 이온 선택성 막을 이용하여 특정 이온을 선택적으로 끌어 당겨 막 표면의 전위를 측정하는 전극이다. 기준 물질이 Na⁺ 이온, K⁺ 이온 등의 이온 성분일 경우에는 직접적으로 각각 Na⁺ 이온, K⁺ 이온 선택성 막을 사용하여 측정할 수 있다. 또한, 기준 물질이 우레아 등의 비이온성 물질일 경우에도, 우레아는 우레아제(urease) 효소와의 반응에 의해 NH₄ ⁺ 이온을 생성하므로, 생성된 NH₄ ⁺ 이온을 NH₄ ⁺ 이온 선택성 막을 사용하여 측정할 수 있다.

이온 선택성 전극은 특정 이온에 대하여 선택적인 이온 선택성 물질을 지지체(PVC, PU 등) 등과 혼합하여 유기 용매에 녹인 용액을 통상의 전극에 도포시킨 다음 건조시켜 제조된다. 특정 이온에 선택성인 물질들은 당업계에 잘 알려져 있고, 이러한 물질을 이용하여 이온 선택성 전극을 제조하는 방법도 잘 알려져 있다. 일례로서, Na⁺ 선택성 전극에 사용되는 Na⁺ 선택성 막은 지지체로 PU(polyurethane) 49.5mg과 PVC(poly(vinyl chloride)) 16.5mg을 혼합하고, Na⁺ 선택성 물질(4-tert-Butylcalix[4]arene-tetraacetic acid tetraethyl ester) 2mg, KTpCIPB(Potassium tetrakis(4-chlorophenyl)borate) 0.2mg, DOA(dioctyl adipic acid) 132mg을 혼합하여 제조된다. K⁺ 선택성 전극에 사용되는 K⁺ 선택성 막은 PU/PVC(PU 49.5 mg/PVC 16.5 mg) 66 mg, K⁺ 이온 선택성 물질인 발리노마이신(Valinomycin) 2 mg, 및 DOS 132 mg을 혼합하여 제조된다. NH₄ ⁺ 선택성 전극에 사용되는 NH₄ ⁺ 선택성 막은 PU/PVC(PU 49.5 mg/PVC 16.5 mg) 66 mg, NH₄ ⁺ 이온 선택성 물질인 논액틴(Nonactin) 2 mg, 및 DOS 132 mg을 혼합하여 제조된다. 각각 제조된 이온 선택성 막을 PET 재질의 평면형 전극에 부착시킨 다음 건조시켜 이온 선택성 전극을 제조하게 된다. 상기 이온 선택성 전극을 제조할 때 사용되는 모든 물질의 함량은 변경 가능하다.

추출되는 글루코스에 대한 기준 물질로는 바람직하게는 Na⁺ 이온 또는 우레아를 사용할 수 있다. 우레아는 우레아제 효소 반응에 의해 생성되는 CO₂나 NH₄ ⁺를 전위차 측정법에 의하여 CO₂ 기체 센서나 NH₄ ⁺ 선택성 전극으로 측정할 수 있다. 그러나, CO₂ 기체 센서는 전극 구조가 복잡하기 때문에 혈당 측정 장치에 장착하여 소형화하는 데에는 제약이 따른다. 또한, CO₂ 투과에 의한 pH 변화를 이용하는 경우는 감응 시간이 지연된다. 또한, CO₂ 기체 센서나 NH₄ ⁺ 선택성 전극에서 CO₂ 및 NH₄ ⁺ 모두 산성 영역에 존재하기 때문에 시료의 pH에 영향을 받는다는 단점이 있다. 그러나, 체액 내 Na⁺ 이온은 체액 중 다량 포함되어 있어 체액 내에서 일정 농도를 유지하므로 기준 물질로 사용할 수 있다. 그리고, Na⁺ 이온은 전위차 측정법을 이용하여 Na⁺ 선택성 전극으로 측정할 수 있고, Na⁺ 선택성 전극은 전 처리 과정 없이 사용할 수 있으며, 혈당 측정 장치의 센서에 직접 적용이 가능하고, 센서를 소형화할 수 있으며, pH에 영향을 받지 않는다. 따라서, 본원 발명의 혈당 측정 장치에서는 Na⁺ 이온 선택성 전극이 특히 바람직하다.

이온 선택성 막의 대표적인 예인 Na⁺ 선택성 막의 전기화학적 감응성을 조사한 결과, K⁺, NH₄ ⁺, Mg² ⁺ 또는 Ca² ⁺에 비하여 Na⁺에서 우수한 선택성을 나타내었으며, Na⁺ 이온에 대해 10^-5~10^-1 M 농도 범위에서 우수한 감응성을 나타냄을 확인할 수 있다(도 2 참조).

혈당 측정 장치에서 통상의 추출전극이 Na⁺ 선택성 전극에 대한 기준전극으로 사용될 수 있는지 여부를 알아보았다. 구체적으로는, 도 1에 제시된 구조의 혈당 측정 장치에 있어서, Ag/AgCl 재질의 추출 전극과 Na⁺ 선택성 전극을 조합하였을 때의 Na⁺에 대한 전기화학적 감응성(도 4)과, 기존에 통상적으로 사용되고 있는 기준전극(Orion double junction Ag/AgCl 전극(model 90-02))과 본원 발명의 Na⁺ 선택성 전극을 조합하였을 때의 Na⁺에 대한 전기화학적 감응성(도 3)을 비교하였다. 그 결과, Na⁺에 대해 동일한 양상의 전기화학적 감응성을 나타내었다(도 3과 도 4 참조). 따라서, 본원 발명의 혈당 측정 장치에서는 기존의 혈당 측정 장치에서 사용되는 추출전극을 이온 선택성 전극의 기준전극으로 사용할 수 있다.

본원 발명의 혈당 측정 장치에서는, 상기 이온 전도성 매질을 통해 추출되는 글루코스 농도와 추출되는 Na⁺ 농도 사이에서 일정한 상관 관계를 나타내었다. 구체적으로, 본원 발명의 혈당 측정 장치를 이용하여 추출 전류 밀도와 추출 시간을 변경하면서 글루코스와 Na⁺ 이온을 추출하였고, 이들의 농도를 각각 정량 분석하였다. 그 결과, 0.3 mA/cm² 이상의 전류 밀도에서는 추출되는 글루코스 농도가 추출되는 Na⁺ 이온 농도에 비례하여 증가하였다. 특히 0.3―0.5 mA/cm²의 추출 전류 밀도에서는 추출되는 글루코스 농도와 추출되는 Na⁺ 이온 농도가 0.995 이상의 직선성(linearity)을 나타내었다(도 6a, 6b, 6c 참조).

본원 발명의 혈당 측정 장치에서 Na⁺ 선택성 전극은 통상의 혈당 측정 장치에서 작동전극, 상대전극, 기준전극 및 추출전극을 포함하는 제1 추출부와, 또 다른 추출전극을 포함하는 제2 추출부 중 어느 하나에 배치될 수 있다.

본원 발명의 Na⁺ 선택성 전극이 제2 추출부에 배치되는 바람직한 형태로는, 추출전극 중 제1 추출전극이 일부분이 절취된 고리 형태로서 작동전극 둘레를 둘러싸고 있으며 이온전도성 매질(도시되지 않음)이 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 추출전극 중 제2 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 이때 상기 제1 추출전극과 상기 제2 추출전극은 분리되어 있고, 상대전극은 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 작동전극과 도전 가능하게 전기적으로 연결되어 있고, 기준전극과 상기 상대전극은 상기 제1 추출전극의 절취된 부분에 일렬로 위치하고, 이온 선택성 전극은 상기 제2 추출전극의 고리 형태 안쪽에 위치한다(도 1 참조).

본원 발명의 Na⁺ 선택성 전극이 제2 추출부에 배치되는 바람직한 형태로는, 추출전극 중 제1 추출전극이 일부분이 절취된 고리 형태로서 작동전극 둘레를 둘러싸고 있으며 이온전도성 매질이 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 추출전극 중 제2 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고 이때 상기 제1 추출전극과 상기 제2 추출전극은 분리되어 있고, 상대전극은 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 작동전극과 도전 가능하게 전기적으로 연결되어 있고, 기준전극과 상기 상대전극은 상기 제1 추출전극의 절취된 부분에 병렬로 위치하고, 이온 선택성 전극은 상기 제2 추출전극의 고리 형태 안쪽에 위치한다.

본원 발명의 Na⁺ 선택성 전극이 제2 추출부에 배치되는 바람직한 형태로는, 추출전극 중 제1 추출전극이 일부분이 절취된 고리 형태로서 작동전극 둘레를 둘러싸고 있으며 이온전도성 매질이 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 추출전극 중 제2 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고 이때 상기 제1 추출전극과 상기 제2 추출전극은 분리되어 있고, 상대전극은 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 작동전극과 도전 가능하게 전기적으로 연결되어 있고, 기준전극과 상기 상대전극은 상기 제1 추출전극의 둘레를 반씩 둘러싸도록 위치하고, 이온 선택성 전극은 상기 제2 추출전극의 고리 형태 안쪽에 위치한다.

본원 발명의 Na⁺ 선택성 전극이 제2 추출부에 배치되는 바람직한 형태로는, 추출전극 중 제1 추출전극이 일부분이 절취된 고리 형태로서 작동전극 둘레를 둘러싸고 있으며 이온전도성 매질이 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 추출전극 중 제2 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 이때 상기 제1 추출전극과 상기 제2 추출전극은 분리되어 있고, 상대전극은 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 작동전극과 도전 가능하게 전기적으로 연결되어 있고, 기준전극은 상기 상대전극이 연장하지 않는 부분에서 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있고, 이온 선택성 전극은 상기 제2 추출전극의 고리 형태 안쪽에 위치한다.

본원 발명의 Na⁺ 선택성 전극이 제1 추출부에 배치되는 바람직한 형태로는 추출전극 중 제1 추출전극이 일 부분이 절취된 고리 형태로서 작동전극 둘레를 둘러싸고 있으며 이온전도성 매질이 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 추출전극 중 제2 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 이때 상기 제1 추출전극과 제2 추출전극은 분리되어 있고, 상대전극, 이온 선택성 전극 및 기준전극은 서로 접하지 않은 상태로 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있다.

본원 발명의 일 실시 형태를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 추출전극 중 제1 추출전극(1)은 일부분이 절취된 고리 형태로서 작동전극(3) 둘레를 둘러싸고 있으며 이온전도성 매질이 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 추출전극 중 제2 추출전극(2)은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 이때 상기 제1 추출전극(1)과 상기 제2 추출전극(2)은 분리되어 있고, 상대전극(4)은 상기 제1 추출전극(1) 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 작동전극(3)과 도전 가능하게 전기적으로 연결되어 있고, 기준전극(5)과 상기 상대전극(4)은 상기 제1 추출전극(1)의 절취된 부분에 일렬로 위치하고, Na⁺ 선택성 전극(6)은 상기 제2 추출전극(2)의 고리 형태 안쪽에 위치한다.

본원 발명에서는 혈당 측정 장치에 이온 선택성 전극을 장착하여 체액에 있는 기준 물질을 전위차측정 방법에 의해 높은 전기화학적 감응성으로 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 이러한 장치를 이용하여 글루코스와 기준 물질을 추출하여 이들의 상관 관계를 밝혀내어, 글루코스 추출 시 동시에 추출되는 기준 물질의 농도를 측정하고, 글루코스와 기준 물질의 상관 관계를 이용하여 글루코스 농도를 계산함으로써, 계속된 채혈에 의한 보정 없이 글루코스와 기준 물질의 상관 관계에 의해 계산된 글루코스에 의한 보정에 의해 혈당을 측정할 수 있도록 하였다. 이와 함께, 본원 발명의 혈당 측정 장치에서는 기존의 혈당 측정 장치에서 사용되는 추출전극을 이온 선택성 전극의 기준전극으로 사용함으로써, 별도로 또 다른 기준전극을 장착할 필요가 없고 센서를 소형화시킬 수 있으며 제작을 용이하게 하고 경제적이다.

도 1은 본원 발명에서 사용한 전극 시스템의 일 실시예이다.

도 2는 본원 발명에서 사용한 Na⁺ 선택성 막의 Na⁺ 이온에 대한 전기화학적 감응성을 나타낸 것이다.

도 3은 기존에 상용화된 Ag/AgCl 기준전극을 이용하여 본원 발명에 따른 혈당 측정 장치의 Na⁺ 선택성 전극의 Na⁺ 이온에 대한 전기화학적 감응성 및 기준전극으로 사용하고자 한 Ag/AgCl 재질 추출전극의 Cl^- 이온에 대한 전기화학적 감응성을 나타낸 것이다.

도 4는 본원 발명에 따른 혈당 측정 장치에서 기준전극으로 Ag/AgCl 재질의 추출전극을 사용하였을 때 Na⁺ 선택성 전극의 Na⁺ 이온에 대한 전기화학적 감응성을 나타낸 것이다.

도 5는 실험예 3에서 사용된 프란즈 셀(Franz cell)의 구조를 나타낸 것이다.

도 6a는 추출 전류 밀도가 0.1 mA/cm²일 때, 도 6b는 추출 전류 밀도가 0.3 mA/cm²일 때, 도 6c는 추출 전류 밀도가 0.5 mA/cm²일 때, 추출된 글루코스와 추출된 Na⁺ 이온의 상관관계를 나타낸 것이다.

＊ 도면 부호에 대한 설명

1: 제1 추출전극 2: 제2 추출전극

3: 작동전극 4: 상대전극

5: 기준전극 6: 이온 선택성 전극

이하, 본원 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 그러나, 본원 발명이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예: Na⁺ 선택성 막전극의 제조

막 조성 물질인 PU/PVC(PU 49.5mg/PVC 16.5mg) 66mg, Na⁺ 이온 선택성 물질(4-tert-Butylcalix[4]arene-tetraacetic acid tetraethyl ester) 2mg, KTpCIPB (Potassium tetrakis(4-chlorophenyl)borate) 0.2mg, 및 DOA(dioctyl adipic acid) 132mg를 용매인 THF 800㎕에 녹여 제조된 막 조성 용액을, 원형으로 성형하거나, Air Fluid Dispensor (1000XL; EFD Inc,. East Providence, RI, USA)를 사용하여 PEt 재질의 평면형 고체상 전극표면에 얇게 도포하였다. 그런 다음, 대기 중에서 4일 정도 건조시켜 Na⁺ 선택성 전극을 제조하였다.

실험예 1: Na⁺ 선택성 막의 전기화학적 감응성 조사

실시예 1에서 제조한 Na⁺ 선택성 막의 Na⁺ 이온에 대한 전기화학적 감응성을 조사하였다.

외부 기준전극으로는 Orion double junction Ag/AgCl 전극(model 90-02)을 사용하였고, PET 재질의 평면형 고체상 전극을 사용하였다. 바탕 전해질 용액(0.01 M Tris-H₂SO₄, pH 7.0)에 대해, 100초 간격으로 농도(10^-6~ 10^-1 M)를 변화시켜 Na⁺ 이온에 대한 전위차를 측정하였다. 기준전극과 작동전극의 전위차는 Multi pH/Ion Meter KST101B(Kosentech, 한국)의 high impedance input 16-channel analog-to-digital converter를 거쳐 PC 호환기종 컴퓨터에 저장하는 데이터 수집 장치(data acquisition system)를 사용하여 측정하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2에서 나타낸 바와 같이, 본원 발명의 Na⁺ 선택성 전극은 Na⁺ 이온에 대한 선택성이 우수하였고, Na⁺ 이온 10^-5－10^-1 M 농도에서는 Na⁺ 이온에 대한 전기화학적 감응성이 우수하였다.

실험예 2: 혈당 측정 장치 내에서 Na⁺ 선택성 전극의 Na⁺ 이온에 대한 전기 화학적 감응성 및 기준전극으로 사용하고자 하는 Ag/AgCl 재질의 추출전극의 Cl^-에 대한 전기화학적 감응성 조사

도 1에서 제시된 전극 시스템의 혈당 측정 센서를 제조하여 Na⁺ 선택성 전극의 Na⁺ 전기화학적 감응성 및 기준전극으로 사용하고자 한 Ag/AgCl 재질 추출전극의 Cl^-에 대한 전기화학적 감응성을 조사하였다. 기준전극으로는 Orion double junction Ag/AgCl전극(model 90-02)을 사용하였다. Ag/AgCl 재질의 추출전극은 Cl^-에 대해 전기화학적 감응성을 나타내기 때문에 기존에 사용하던 바탕 전해질 용액(0.01 M Tris-H₂SO₄, pH 7.0)을 Cl^-가 10 mM 이상 함유된 바탕 전해질 용액(0.05 M Tris-H₂SO₄, pH 7.0)으로 대체하여 각각 Na⁺와 Cl^-에 대한 전기화학적 감응성을 조사하였다. 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에서 나타낸 바와 같이, 본원 발명의 Na⁺ 선택성 전극은 Na⁺ 이온 10^-5-10^-1 M 농도에서는 Na⁺ 이온에 대한 전기화학적 감응성이 우수하였고, 기준전극으로 사용하고자 한 Ag/AgCl 재질 추출전극의 Cl^-에 대한 감응성은 10^-2 M까지 거의 감응성을 나타내지 않아 기준전극으로 사용 가능함을 확인하였다.

실험예 3:혈당 측정 장치 내에서 Ag/AgCl 재질의 추출전극을 기준전극으로 사용하였을 때 Na⁺ 선택성 전극의 전기화학적 감응성 조사

도 1에서 제시된 전극 시스템의 혈당 측정 센서를 제조하여 혈당 측정 장치 내에서 Ag/AgCl 재질의 추출전극을 기준전극으로 사용하였을 때 Na⁺ 선택성 전극의 전기화학적 감응성을 조사하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에서 보여지는 바와 같이, 본원 발명의 혈당 측정 장치에서 Ag/AgCl 재질의 추출전극을 기준전극으로 사용하였을 때 Na⁺ 선택성 전극의 Na⁺ 이온에 대한 전기화학적 감응성은 기존에 사용화된 기준전극을 사용하였을 때 Na⁺ 선택성 전극의 Na⁺ 이온에 대한 전기화학적 감응성(도 3 참조)과 동일한 양상을 나타내었다.

실험예 4: 추출 전류 밀도의 크기와 시간에 변화에 따라 추출되는 글루코스와 Na⁺ 이온의 상관 관계

추출 전류 밀도의 크기와 시간의 변화에 따라 피부를 통해 추출되는 글루코스와 Na⁺ 이온을 정량 분석하여, 글루코스 농도와 Na⁺ 이온 농도의 상관관계를 조사하였다. 추출 전류는 동물 사체 피부를 이용하는 재현 시스템(mimic system)에서 인가되는 범위에 있다.

(1) 추출셀의 설계 및 준비

도 5에서 제시된 바와 같이, 피부의 바깥면에 전극을 배열함으로써 실질적으로 역이온 삼투에 의한 체액의 추출 조건과 동일한 조건이 되도록 프란즈 셀(Franz cell)을 설계하였다. 피부 조직은 무모 마우스(hairless mouse)의 피부 조직을 사용하였다.

(2) 추출 실험

프란즈 셀 하부에는 0.05 M Tris-HCl, pH 7.4/0.1 M NaCl/0.01 M 글루코스의 혼합 용액을 가득 채운 후 기포가 발생되지 않도록 피부 조직을 조심스럽게 덮고, 그 위에 프란즈 셀 상부를 올려 고정시켰다. 프란즈 셀 상부에 (-) 전위가 인가되는 추출 부분에는 0.05 M Tris-HCl, pH 7.4 혼합용액 1.5 m, (+) 전위가 인가되는 추출 부분에는 0.05 M Tris-HCl, pH 7.4/0.1 M NaCl 혼합용액 1.5 ml를 취하였다. 추출 전류를 인가하기 위하여 추출전극 Ag/AgCl을 장착하였다.

추출전극에 도선을 연결하여 일정 전류 공급기(RCP-2000μ, 영남 기기, 한국)를 이용하여 인가되는 추출 전류 밀도(0.1 mA/cm², 0.3 mA/cm² 및 0.5 mA/cm²)와 추출 시간(1시간, 3시간 및 5시간)을 조절하였다. 추출이 종료된 후 상부의 (-) 전위 인가 부분의 용액을 분취하여 추출된 글루코스와 Na⁺ 이온의 농도를 정량 분석하였다.

(3) 추출 글루코스와 Na⁺ 이온의 정량 분석

추출된 글루코스의 분석에는 Bio-LC(DX-2500 System, DIONEX, USA)를 사용하였다. 추출된 Na+ 이온의 분석에는 ICP-Mass (iCAP 6300 Duo, Thermo Electron, USA)를 사용하였다. 추출된 글루코스와 Na⁺ 이온의 정량 분석 결과를 표 1에 나타내었다.

<표 1>

추출조건	0.1 mA/cm²			0.3 mA/cm²			0.5 mA/cm²
추출조건	1시간	3시간	5시간	1시간	3시간	5시간	1시간	3시간	5시간
글루코스(ppm)	0.14	1.96	6.19	2.14	11.09	19.65	3.90	11.83	18.02
Na⁺(ppm)	52.99	138.66	232.31	73.63	414.23	852.84	153.82	455.24	769.55

상기 표 1에서 보여지는 바와 같이, 동일한 추출 전류 밀도에서는 추출 시간에 따라 추출되는 글루코스 농도와 Na⁺ 이온의 농도가 비례하면서 증가하는 것으로 나타났다. 상기 표 1의 결과를 이용하여 추출 전류 밀도에 따른 글루코스와 Na⁺ 이온의 상관 관계를 도 6a(0.1 mA/cm²), 6b(0.3 mA/cm²) 및 6c(0.5 mA/cm²)에 나타내었다. 도 6a, 6b 및 6c에서 보여지는 바와 같이, 추출 전류 밀도가 0.1 mA/cm² 이하에서는 직선성이 낮았지만, 추출 전류 밀도가 0.3 mA/cm², 0.5 mA/cm² 에서는 직선성이 높았다(추출 전류 밀도가 0.3-0.5 mA/cm² 일 때에는 글루코스 농도(X)(ppm)와 Na+ 이온 농도(Y)(ppm) 사이에 Y=aX + b(a는 45.67-49.77, b는 28.15-40.29)의 관계가 성립함). 구체적으로, 추출 전류 밀도가 0.3 mA/cm² 일 경우, 글루코스(X)와 Na+ 이온(Y) 사이에는 Y=49.77X + 40.29의 관계가 성립하였다. 또한, 추출 전류 밀도가 0.5 mA/cm² 일 때에는 글루코스(X)와 Na+ 이온(Y) 사이에는 Y=45.67X + 28.15의 관계가 성립하였다. 상기 상관 관계를 이용하여 특정 Na⁺ 이온 농도로 계산된 글루코스 농도를 하기 표 2에 나타내었다.

<표 2>

Na⁺ (ppm)	상관 관계에 의해 계산된 글루코스(ppm)
Na⁺ (ppm)	0.1 mA/cm²	0.3 mA/cm²	0.5 mA/cm²
100	1.71	2.82	2.81
500	20.27	10.86	11.56

상기 표 2에서 보여지는 바와 같이, 0.3 mA/cm² 및 0.5 mA/cm² 추출 전류 밀도에서는 Na⁺ 이온의 농도가 5배 증가함에 따라 계산된 글루코스의 양도 5배 증가하였음을 확인할 수 있다.

Claims

피부에 접촉하거나 삽입되는 이온 선택성 전극을 포함하는 전극부, 상기 전극부의 전극에 전기적으로 연결되어 있는 신호 측정부, 상기 신호 측정부에 연결되어 있는 모니터부를 포함하는 혈당 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 전극부는 피부에 삽입되는 나노 크기의 다공성 백금 재질의 작동전극과 기준전극, 상대전극 및 이온 선택성 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 전극부는 피부에 접촉하는 이온전도성 매질과, 상기 이온전도성 매질이 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 있는 작동전극, 추출전극, 기준전극, 상대전극 및 이온 선택성 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 이온 선택성 전극은 Na⁺ 이온, K⁺ 이온 또는 NH₄ ⁺ 이온 선택성 전극인 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 0.3 mA/cm² 이상의 전류 밀도에서는 추출되는 글루코스 농도와 추출되는 이온 농도가 상관 관계에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서, 상기 전류 밀도가 0.3－0.5 mA/cm²인 것을 특징으로 하는 장치.
제6항에 있어서, 상기 전류 밀도가 0.3-0.5 mA/cm² 일 때에는 추출되는 글루코스 농도(X)(ppm)와 추출되는 이온 농도(Y)(ppm) 사이에 Y=aX + b(a는 45.67-49.77, b는 28.15-40.29)의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 이온 선택성 전극의 기준전극은 상기 추출전극인 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 이온 선택성 전극은 작동전극, 추출전극, 기준전극 및 상대전극으로 구성되는 제1 추출부에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 이온 선택성 전극은 추출전극으로 구성되는 제2 추출부에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 추출전극 중 제1 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 작동전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 상기 추출전극 중 제2 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 이때 상기 제1 추출전극과 제2 추출전극은 분리되어 있고, 상기 상대전극은 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 작동전극과 도전 가능하게 전기적으로 연결되어 있고, 상기 기준전극과 상기 상대전극은 상기 제1 추출전극의 절취된 부분에 일렬로 위치하고, 상기 이온 선택성 전극은 상기 제2 추출전극의 고리 형태 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 추출전극 중 제1 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 작동전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 상기 추출전극 중 제2 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고 이때 상기 제1 추출전극과 제2 추출전극은 분리되어 있고, 상기 상대전극은 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 작동전극과 도전 가능하게 전기적으로 연결되어 있고, 상기 기준전극과 상기 상대전극은 상기 제1 추출전극의 절취된 부분에 병렬로 위치하고, 상기 이온 선택성 전극은 상기 제2 추출전극의 고리 형태 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 추출전극 중 제1 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 작동전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 상기 추출전극 중 제2 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고 이때 상기 제1 추출전극과 제2 추출전극은 분리되어 있고, 상기 상대전극은 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 작동전극과 도전 가능하게 전기적으로 연결되어 있고, 상기 기준전극과 상기 상대전극은 상기 제1 추출전극의 둘레를 반씩 둘러싸도록 위치하고, 상기 이온 선택성 전극은 상기 제2 추출전극의 고리 형태 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 추출전극 중 제1 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 작동전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 상기 추출전극 중 제2 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 이때 상기 제1 추출전극과 제2 추출전극은 분리되어 있고, 상기 상대전극은 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 작동전극과 도전 가능하게 전기적으로 연결되어 있고, 상기 기준전극은 상기 상대전극이 연장하지 않는 부분에서 상기 제1 추출전극 둘레를 둘러싸고 있고, 상기 이온 선택성 전극은 상기 제2 추출전극의 고리 형태 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 추출전극 중 제1 추출전극은 일 부분이 절취된 고리 형태로서 상기 작동전극 둘레를 둘러싸고 있으며 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 상기 추출전극 중 제2 추출전극은 일부분이 절취된 고리 형태로서 상기 이온전도성 매질의 피부에 접촉하는 면의 반대 측면에 위치하고, 이때 상기 제1 추출전극과 제2 추출전극은 분리되어 있고, 상기 상대전극, 상기 이온 선택성 전극 및 상기 기준전극은 서로 접하지 않은 상태로 상기 제1 추출 전극 둘레를 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 혈당 측정 장치를 사용하여 채혈에 의한 보정 없이 혈당을 측정하는 방법.