KR20100084233A - 전기화학적 바이오센서 스트립 - Google Patents

Abstract

바이오센서 스트립의 전극 내구성을 높여, 전기적 단선을 방지하고 측정기 소켓 단자와 접속을 안정화시킬 수 있는 전기화학적 바이오센서 스트립이 개시된다. 상기 전기화학적 바이오센서 스트립은, 절연성 기판 상부에, 제1 도전성 박막 및 제2 도전성 박막으로 이루어진 전극부가 형성되어 있는 하판; 상기 하판 위에 위치시키며, 시료를 전극에 공급하기 위한 시료공급부가 형성되어 있는 중판; 상기 시료공급부 안쪽의 상기 제1 도전성 박막 상부에 고정시키는 고정화 시약; 및 상기 중판 위에 위치시키며, 상기 시료공급부와 연결되는 통기구가 형성되어 있는 상판을 포함한다. 여기서, 상기 제1 도전성 박막은, 상기 제2 도전성 박막 또는 상기 절연성 기판 및 제2 도전성 박막 상부에 형성되는 것이고, 상기 제2 도전성 박막은, 상기 절연성 기판 상부 전체 또는 일부에 형성되는 것이 바람직하다.

바이오센서 스트립, 내스크래치성, 제1 도전성 박막, 제2 도전성 박막

Description

전기화학적 바이오센서 스트립{Electrochemical biosensor strip}

본 발명은 전기화학적 바이오센서 스트립에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 바이오센서 스트립의 전극 내구성을 높여, 전기적 단선을 방지하고 측정기 소켓 단자와 접속을 안정화시킬 수 있는 전기화학적 바이오센서 스트립에 관한 것이다.

생체시료 내 분석물질의 농도 측정을 목적으로 하는 바이오센서는, 진단, 의약, 식품, 환경 등의 분야에 널리 사용되고 있으며, 그 중에서 혈액 내 글루코스의 농도를 측정하는 바이오센서가 수백만 명에 이르는 당뇨병 환자 및 당뇨병 유발 가능성을 갖고 있는 환자들로 인하여 가장 큰 관심을 받아 왔다. 당뇨병 및 당뇨병에 의한 합병증을 예방하기 위해서는 정확한 혈액 내 글루코스의 양(혈당량)을 알 수 있어야 하고, 혈액 내 글루코스의 농도가 일정 수준이 유지될 수 있도록 관리되어야 하므로, 정확하면서 지속적, 주기적인 혈당 측정이 필요하다. 지속적, 주기적인 혈당 측정을 위해서는 측정을 위한 혈액요구량의 최소화, 분석시간의 단축, 측 정방법의 단순화 등의 조건을 만족하며, 휴대하기 쉽도록 간소화 및 경량화된 혈당 측정 시스템의 제품 개발이 필요하다. 휴대용 측정기(계측기)와 스트립 형태의 바이오센서가 혈당 측정 시스템의 주요 구성요소로 사용되고 있는데, 당뇨관리의 방식상 스트립의 수요가 증대되고 있다.

혈당 측정을 위한 바이오센서 중 전기화학적 바이오센서는, 글루코스를 기질로 하는 산화효소, 예를 들어, 글루코스 산화효소(glucose oxidase)와 혈액 내 글루코스와 효소 간 산화환원반응에 의한 전자를 전극표면으로 전달하는 역할을 하는 전자전달매개체를 포함하는 효소전극의 형태로 제작될 수 있다. 산화효소로서 글루코스 산화효소, 글루코스 탈수소효소(glucose dehydrogenase)등이 사용되며, 전자전달매개체는 페로센(ferrocene)과 페로센-유도체, 포타슘 페리시아나이드(potassium ferricyanide), 퀴논(quinone)과 퀴논-유도체 혹은 금속-복합체 등이 널리 사용된다.

상기 전기화학적 바이오센서의 혈당 측정 원리는 하기 반응식 1과 같다.

(1) 글루코스 + 효소(산화상태) --> 글루콘산 + 효소(환원상태)

(2) 전자전달매개체(산화상태) + 효소(환원상태) --> 전자전달매개체(환원상태) + 효소(산화상태)

(3) 전자전달매개체(환원상태) --> 전자전달매개체(산화상태) + e-

상기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 글루코스 산화효소는 글루코스와 반응하여 위와 같은 메커니즘을 거친다. 상기 (3) 단계의 전자전달매개체(환원상태)는 스트립의 전극표면까지 확산되는데, 이때 작동 전극표면에서 환원상태의 전자전달매개체의 산화 전위를 인가하여 생성되는 전류를 측정하여 혈당의 농도를 측정하게 된다. 이러한 전기화학적 바이오센서는 산소에 의한 영향을 줄일 수 있고, 시료가 혼탁하더라도 시료를 별도의 전처리 없이 사용 가능하다는 장점을 갖는다.

전기화학적 바이오센서 스트립의 전극을 제조함에 있어서, 전극 재료는 전기전도성이 좋고 전극 재료의 변성이 없고 센서신호의 획득이 용이한 귀금속류(금, 팔라듐, 백금 등) 및 탄소가 주로 사용되고 있다. 스트립 타입의 전극은 플라스틱 필름과 같은 절연기판 위에 전극을 형성함에 있어서 스크린 프린팅, 스퍼터링, 도금 등의 다양한 방법으로 전극물질을 도포한다. 스크린 프린팅 방법을 이용한 전극 형성법은 주로 페이스트 타입의 전극물질을 이용하는데 표면이 불균일한 단점이 있다. 스퍼터링이나 도금 방법은 주로 귀금속류의 전극물질을 사용하며, 절연기판 상에 얇은 박막을 형성할 수 있다. 바이오센서 스트립의 작동전극, 상대전극 등의 전극들의 정의된 영역은 매우 정밀해야 한다. 상기 전극 형성 방법들 중에서 미국특허 제6,875,327호 'Biosensor, method of forming thin-film electrode, and method and apparatus for quantitative determination'은 박막으로 형성된 전극물질에 레이저 어블레이션 방법을 통해 전극의 영역을 결정함으로써, 간단하고 정밀하게 정의된 영역을 갖는 전극들을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 상기 박막으로 형성된 전극물질은 절연기판과의 접착성, 전기화학적 특성 등이 우수하여야 하는데, 금, 팔라듐, 백금 등의 귀금속류가 상기 조건에 가장 잘 부합하는 물질로 알려져 있다. 그러나 상기 귀금속류로 박막을 형성하면, 바이오센서 스트립의 제조가격이 높아지고, 제조가격을 낮추기 위해 박막의 두께를 얇게 하면, 측정기(계측기)의 소켓에 스트립을 삽입 시, 박막(전극)이 소켓 단자에 의한 스크래치에 의해 마모되어, 박막(전극)과 소켓 단자와의 접속이 불안정하거나 전기적으로 단선될 가능성이 높아지고, 적절한 전기적 신호를 전달하지 못하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 바이오센서 스트립의 전극 내구성을 높여, 전기적 단선을 방지하고 측정기 소켓 단자와 접속을 안정화시킬 수 있는 전기화학적 바이오센서 스트립을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 바이오센서 스트립의 전극에 사용되는 귀금속량을 줄여, 제조가격을 낮출 수 있는 전기화학적 바이오센서 스트립을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 절연성 기판 상부에, 제1 도전성 박막 및 제2 도전성 박막으로 이루어진 전극부가 형성되어 있는 하판; 상기 하판 위에 위치시키며, 시료를 전극에 공급하기 위한 시료공급부가 형성되어 있는 중판; 상기 시료공급부 안쪽의 상기 제1 도전성 박막 상부에 고정시키는 고정화 시약; 및 상기 중판 위에 위치시키며, 상기 시료공급부와 연결되는 통기구가 형성되어 있는 상판을 포함하는 바이오센서 스트립을 제공한다.

여기서, 상기 제1 도전성 박막은, 상기 제2 도전성 박막 또는 상기 절연성 기판 및 제2 도전성 박막 상부에 형성되는 것이고, 상기 제2 도전성 박막은, 상기 절연성 기판 상부 전체 또는 일부에 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서 스트립은, 전극 형성 시, 절연체 기판 전체 또는 일부(측정기 소켓 단자와 닿는 전극 부분)에 내구성이 뛰어난 니켈, 티타늄 등의 금속으로 이루어진 제2 도전성 박막을 형성한 후, 상기 제2 도전성 박막 또는 상기 절연성 기판 및 제2 도전성 박막 상부에 금 등의 귀금속으로 이루어진 제1 도전성 박막을 적층함으로써, 제1 도전성 박막이 측정기 소켓 단자에 의해 마모되어도, 제1 도전성 박막 하부의 제2 도전성 박막이, 측정기 소켓 단자와의 접속 안정화 및 전기적 단선을 방지하여, 바이오센서의 제품에 있어서 측정 실패율을 현저히 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 전기화학적 바이오센서 스트립은, 단일 귀금속 박막을 사용하는 스트립에 비해, 귀금속 박막(제1 도전성 박막)의 두께를 줄임으로써, 사용되는 귀금속량을 줄일 수 있으므로, 제조원가를 절감할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은, 본 발명에 따른 바이오센서 스트립의 분해 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오센서 스트립은, 절연성 기판(12) 상부에, 제1 도전성 박막(16) 및 제2 도전성 박막(14)으로 이루어진 전극부가 형성되어 있는 하판(10); 상기 하판(10) 위에 위치시키며, 시료를 전극에 공급하기 위한 시료공급부(32)가 형성되어 있는 중판(30); 상기 시료공급부(32) 안쪽의 상기 제1 도전성 박막(16) 상부에 고정시키는 고정화 시약(18); 및 상기 중판(30) 상부에 위치시키며, 상기 시료공급부(32)와 연결되는 통기구(42)가 형성되어 있는 상판(40)을 포함한다.

상기 절연성 기판(12)은 절연성을 가지는 물질이 광범위하게 사용될 수 있으며, 예를 들어, 폴리에스테르(polyester), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스틸렌(polystyrene), 폴리이미드(polyimide), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride), 폴리에틸렌(polyethylene) 등의 고분자 필름이 사용될 수 있다. 상기 절연성 기판(12)의 두께는 특별한 제한은 없으나, 통상 50 내지 300 ㎛이다.

상기 제1 도전성 박막(16)은, 시료와 고정화 시약(18)의 화학반응에 의한 전기신호를 검출하고, 측정기의 소켓 단자와 접촉되는 부분을 제공하는 2개 이상의 전극으로 이루어지는 전극부를 형성하기 위한 것으로, 상기 제2 도전성 박막(14) 또는 상기 절연성 기판(12) 및 제2 도전성 박막(14) 상부에, 전기전도성이 좋고, 재료의 변성이 없는, 금, 백금, 팔라듐 등의 도전성 물질, 바람직하게는 금을 스퍼터링 방법으로 증착시킨 것이다. 상기 제1 도전성 박막(16)의 두께는 5 내지 50 nm, 바람직하게는 10 내지 30 nm이다. 상기 두께가 5 nm 미만이면, 핀홀(pin-hole) 혹은 크랙(crack)이 일어날 수 있는 우려가 있고, 50 nm를 초과하면, 제조가격이 높아져 경제적이지 못하다.

상기 제2 도전성 박막(14)은, 상기 전극부의 내구성, 접속 안정성 등을 높이기 위한 것으로, 상기 절연성 기판(12) 상부 전체 또는 일부, 바람직하게는 전극과 소켓 단자가 접촉하는 부분에, 니켈, 티타늄, 크롬, 구리, 은, 강철 등의 도전성 물질, 바람직하게는 니켈 및/또는 티타늄을 스퍼터링 방법으로 증착시킨 것이다. 상기 제2 도전성 박막(14)의 두께는 50 내지 300 nm, 바람직하게는 80 내지 150 nm이다. 상기 두께가 50 nm 미만이면, 바이오센서 스트립 전극의 측정기 소켓 단자와의 접촉부가 마모되어, 측정기 소켓 단자와 접속이 불안정해 지거나 전기적 단선의 우려가 있고, 300 nm를 초과하면, 레이저 어블레이션(laser ablation) 등의 식각 방법에 의해 식각이 되지 않아, 분할에 의한 전극이 형성되지 않을 우려가 있다. 상기 제2 도전성 박막(14)을 상기 절연성 기판(12)의 일부, 즉, 전극과 소켓 단자가 접촉하는 부분(단자 접촉부, 50)에만 증착시킬 경우에는(도 3 참조), 전극의 내구성 및 접속 안정성을 높일 수 있으면서, 니켈, 티타늄 등의 상기 도전성 물질의 사용량을 줄임으로써, 제조가격을 더욱 줄일 수 있다.

상기 전극부는, 상기 절연성 기판(12)에 상기 제1 및 제2 도전성 박막(16, 14)을 증착시킨 후, 상기 제1 및 제2 도전성 박막(16, 14)을 레이저 어블레이션(laser ablation), 샌드 블라스트(sand blster), 포토리소그래피(photolithography) 등의 식각 방법으로 분할하여 2개 이상의 전극으로 형성시킨 것으로, 바람직하게는 상기 제1 및 제2 도전성 박막(16, 14)에 레이저 어블레이션(laser ablation) 방법으로, 금속을 완전히 제거하고 절연시킨 슬릿(slit, 20)을 형성함으로써, 기준전극(22), 작동전극(24), 시료인식전극(26) 및 센서인식전극(28)으로 분할된 전극부를 형성하는 것이다(도 4 참조). 여기서, 상기 기준전극(22)은 측정기로부터 인가된 전압을 안정하게 유지하고 전자를 통과시키는 기능을 하는 것이고, 상기 작동전극(24)은 시료와 고정화 시약(18)의 화학반응이 일어나는 전극 표면을 제공하고, 측정기로 전달하는 기능을 하는 것이고, 상기 시료인식전극(26)은 시료공급부에 시료의 적절한 양이 공급되었는지를 인식하는 기능을 하는 것이며, 상기 센서인식전극(28)은 바이오센서 스트립이 측정기 소켓에 삽입되었는지를 알려주는 기능을 하는 것이다. 상기 절연체 기판(12) 상에 전극부를 형성하는 다른 방법으로는, 스크린 프린팅(screen printing)법 등이 있다.

상기 고정화 시약(18)은, 진단 목적에 따라 통상의 전기화학적 바이오센서에 사용되는 시약(산화효소 등) 및 전자전달매개체를 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 글루코스 산화효소(glucose oxidase), 글루코스 탈수소효소(Glucose dehydrogenase) 등의 산화효소와 혈액 내 글루코스와 효소 간 산화환원반응에 의한 전자를 전극표면으로 전달하는 역할을 하는, 페로센(ferrocene)과 페로센-유도체, 포타슘 페리시아나이드(potassium ferricyanide), 퀴논(quinone)과 퀴논-유도체 혹은 금속-복합체 등의 전자전달매개체를 포함하는 효소전극의 형태로 제작될 수 있다. 상기 고정화시약(18)은 상기 시약(산화효소 등) 및 전자전달매개체에 안정제, 수용성 고분자, 계면활성제 등을 더욱 포함하는 용액을 제조한 후, 상기 용액을 디스펜서(dispenser)를 이용하여, 상기 중판(30)의 시료공급부(32)에 의해 한정된 제1 도전성 박막(16)의 영역에 분주한 후, 건조시킴으로써, 고정화시킬 수 있다.

상기 중판(30)은, 상하면에 접착성물질(adhesive)이 있어, 하면은 하판(10)의 제1 도전성 박막(16)과 접착되고 상면은 상판(40)과 접착된다. 상기 중판(30)은 시료공급부(32)가 형성되어 있어, 상기 중판(30)이 상기 상판(40)과 하판(10)과 접착되고, 상기 고정화 시약(18)이 시료공급부(32) 안쪽의 제1 도전성 박막(16) 위에 고정화되면, 모세관 구조의 시료 유입 및 저장이 가능한 시료공급부가 형성된다. 상기 시료공급부(32) 내벽 부위에 친수성 처리를 하여 시료의 흡입을 빠르게 할 수도 있다. 상기 중판(30)은, 상기 절연성 기판(12)과 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 통상 20 내지 300 ㎛로서, 상기 중판(30)에 상판(40)과 하판(10)을 접착하였을 때, 시료공급부(32)에 모세관 구조가 형성될 수 있는 두께이어야 한다.

상기 상판(40)은, 상기 절연성 기판(12)과 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 시료공급부(32)와 연결되어, 상기 고정화시약(18)과 시료의 반응에 의해 생성된 가스 등을 외부로 배출시킬 수 있는 통기구(42)가 형성되어 있다. 또한 상기 상판(40)의 하면은 상기 모세관 구조의 내벽 부위를 포함하므로, 친수성 처리를 하여 시료의 흡입을 빠르게 할 수 있다. 상기 상판(40)의 두께는 특별한 제한은 없으나, 통상 50 내지 300 ㎛이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금/니켈 박막 전극과 기존의 금 박막 전극에 대한 측정기 소켓 단자와 접속 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 도전성 박막(16)으로서 금을 사용하고, 제2 도전성 박막(14)으로서, 니켈을 사용하여, 전기화학적 바이오센서 스트립을 만들고, 상기 바이오센서 스트립과, 기존의 방법으로 제조된 단일 금 박막 전극을 가지는 바이오센서 스트립을 각각 측정기의 소켓에 약 10회 끼웠다 빼는 것을 반복한 후, 재삽입하였을 때, 단일 금 박막 전극을 가지는 바이오센서 스트립은, 금 박막이 단자에 의한 스크래치로 인해 소실되어, 소켓 단자와 접속이 되지 않으나, 본 발명의 금/니켈 박막 전극을 가지는 바이오센서 스트립은, 금 박막이 소실되어도 니켈 박막에 의해 소켓 단자와 접속이 유지됨을 알 수 있다. 또한, 금/니켈의 박막은 도전성 박막 전체의 두께가 상승하므로, 스크래치에 의한 전기적 단선의 가능성이 단일 박막의 바이오센서 스트립보다 감소한다. 따라서, 스크래치에 의한 측정 실패의 빈도를 현저히 감소시킬 수 있다. 도 6은 상기 바이오센서 스트립들의 소켓 단자와 접촉 후 상태 를 나타내는 사진이다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서 스트립의 분해 사시도.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서 스트립의 측면도.

도 3은, 제2 도전성 박막을 단자 접촉부에만 형성시킨, 본 발명의 바이오센서 스트립의 측면도.

도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 바이오센서 스트립의 전극을 나타내는 도면.

도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 금/니켈 박막 전극과 기존의 금 박막 전극에 대한 측정기 소켓 단자와 접속 상태를 설명하기 위한 도면.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 금/니켈 박막 전극을 포함하는 바이오센서스트립과 기존의 금 박막 전극을 포함하는 바이오센서 스트립의 소켓 단자와 접촉 후 상태를 나타내는 사진.

Claims (5)

1. 절연성 기판 상부에, 제1 도전성 박막 및 제2 도전성 박막으로 이루어진 전극부가 형성되어 있는 하판;

   상기 하판 위에 위치시키며, 시료를 전극에 공급하기 위한 시료공급부가 형성되어 있는 중판;

   상기 시료공급부 안쪽의 상기 제1 도전성 박막 상부에 고정시키는 고정화 시약; 및

   상기 중판 위에 위치시키며, 상기 시료공급부와 연결되는 통기구가 형성되어 있는 상판을 포함하는 바이오센서 스트립.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 도전성 박막은, 상기 제2 도전성 박막 또는 상기 절연성 기판 및 제2 도전성 박막 상부에 형성시킨 것이고, 상기 제2 도전성 박막은, 상기 절연성 기판 상부 전체 또는 일부(단자 접촉부)에 형성시킨 것인 바이오센서 스트립.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 도전성 박막은, 금, 백금, 팔라듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 물질로부터 형성되는 것인 바이오센서 스트립.
4. 제1항에 있어서, 상기 제2 도전성 박막은, 니켈, 티타늄, 크롬, 은, 구리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 물질로부터 형성되는 것인 바이오센서 스트립.
5. 제1항에 있어서, 상기 전극부는 상기 제1 및 제2 도전성 박막을 레이저 어블레이션 방법으로 분할하여 2개 이상의 전극으로 형성시킨 것인 바이오센서 스트립.

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