KR20100130901A - 바이오 센서 - Google Patents

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Abstract

수직형 플로우(vertical flow) 방식의 바이오 센서에 관한 것으로, 생체 시료와 반응 여부 측정을 위한 측정 레이어, 측정 레이어의 상단부에 위치하며, 측정 레이어의 측정 영역을 노출시키기 위한 개방 윈도우와, 개방 윈도우의 외곽에 하부 기판과 결합되는 방향으로 돌출되는 상부 돌출부를 포함하는 상부 커버, 및 측정 레이어의 하단부에 위치하며, 상부 커버의 개방 윈도우와 상부 돌출부 사이로 상부 돌출부와 엇갈리게 돌출되어 측정 레이어의 상부가 개방 윈도우로 상향 돌출되고, 측정 레이어의 하부는 평평하게 압착시키는 하부 돌출부를 포함하는 하부 기판을 포함하는 바이오 센서에 의해 측정에 필요한 생체시료의 양을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 적혈구 용적에 따른 측정 편차를 보정할 수 있는 효과가 도출된다.
바이오 센서, 스트립, 혈액

Description

바이오 센서{biosensor}
본 발명은 바이오 센서에 관한 것으로, 특히 수직형 플로우(vertical flow) 방식의 바이오 센서에 관한 것이다.
혈액과 같은 생체시료 내에 존재하는 분석 물질을 정량 또는 정성으로 분석하는 것은 화학적으로나 임상학적으로 중요하다. 여러 성인병의 요인이 되는 콜레스테롤을 측정하거나, 당뇨환자를 위해 혈액 내의 혈당을 측정하는 것 등이 그 대표적인 예이다. 콜레스테롤, 혈당과 같은 생체 데이터를 측정하기 위한 기술로 측정 스트립에 예를 들면 혈액과 같은 생체 시료를 떨어뜨리고, 반응 영역에서의 효소 반응 결과 나타나는 색깔 변화 혹은 전기 화학적 변화를 검출하는 것들이 널리 알려져 있다.
이를 위해 생체시료에 포함된 분석 물질을 측정하기 위한 측정 스트립 즉, 바이오 센서에 관한 기술들이 제안되고 있다. 예를 들면, 혈액 내의 혈당을 측정하고자 하는 경우, 바이오 센서는 채취된 혈액으로부터 전기 화학적인 방법으로 혈당의 양을 측정할 수 있다. 그러나 혈액을 포함한 생체시료를 채취하는 것은 채취되는 사람에게 고통을 주는 행위이므로, 그 고통을 줄이기 위해 측정에 필요한 생 체시료의 양을 최소화하는 것이 요구된다.
그런데 이때 일반적인 광학 센서에서 혈액 양의 부족은 분석 결과값에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에, 측정 스트립의 측정 레이어에 일정량 이상의 혈액이 로딩되도록 하는 것이 중요하다. 사람에 따라 혈구 용적은 사람에 따라 20~60% 이상까지 차이가 있으며, 이에 따라 동일한 양의 혈액을 주입하였다 하더라도 최종 반응 레이어에 도달하는 혈구 분리된 혈청의 양에는 차이가 발생하게 된다.
본 발명은 이 같은 배경에서 도출된 것으로, 측정에 필요한 생체 시료의 양을 최소화함과 동시에 최종 반응 레이어에 도달하는 혈청 양의 편차를 최소화할 수 있는 바이오 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제는 생체 시료와 반응 여부 측정을 위한 측정 레이어, 측정 레이어의 상단부에 위치하며, 측정 레이어의 측정 영역을 노출시키기 위한 개방 윈도우와, 개방 윈도우의 외곽에 하부 기판과 결합되는 방향으로 돌출되는 상부 돌출부를 포함하는 상부 커버, 및 측정 레이어의 하단부에 위치하며, 상부 커버의 개방 윈도우와 상부 돌출부 사이로 상부 돌출부와 엇갈리게 돌출되어 측정 레이어의 상부는 개방 윈도우로 상향 돌출되고, 측정 레이어의 하부는 평평하도록 압착시키는 하부 돌출부를 포함하는 하부 기판을 포함하는 바이오 센서에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 측정에 필요한 생체시료의 양을 최소화할 수 있는 바이오센서가 제공된다.
또한, 반응 영역에 도달하는 혈청 양의 편차를 최소화하여 적혈구 용적에 따른 측정 편차를 보정함으로써 반응 결과를 보다 정확히 나타낼 수 있는 바이오 센서를 제공할 수 있다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통해 더욱 명확해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예들을 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 구성도이다.
도시된 바와 같이 일 실시예에 따른 바이오 센서는 측정 레이어(20), 상부 커버(10) 및 하부 기판(30)을 포함한다.
측정 레이어(20)는 생체 시료와 반응 여부 측정을 위한 것으로, 생체 시료와 반응하여 색깔의 변화 혹은 전기 화학적 변화를 일으킨다.
상부 커버(10)는 개방 윈도우(12)를 포함한다. 본 실시예에 있어서 상부 커버(10)는 개방 윈도우(12)의 외곽으로부터 일정 거리 떨어져서 하부 기판 방향으로 돌출되어 하부 기판(30)과의 사이에 구비되는 측정 레이어를 하향 방향으로 압착하는 상부 돌출부(15)를 포함한다.
하부 기판(30)은 상부 커버의 개방 윈도우(12) 테두리에 대응되게 개방 윈도우(12)와 상부 돌출부(15)사이로 돌출되는 하부 돌출부(35)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 하부 돌출부(35)는 상부 커버(10)와 하부 기판(30) 결합시에 그 사이의 측정 레이어(20)의 상부가 상부 커버(10)의 개방 윈도우(12)로 상향 돌출되고, 측정 레이어의 하부는 평평하도록 압착하기 위한 것이다. 하부 돌출부(35)의 사이즈 및 길이는 상부 커버(10)의 개방 윈도우(12)에 따라 결정되는 것이 바람직하다. 하부 돌출부(35)의 돌출 정도를 일정하게 함으로써 측정 레이어의 하부는 평평하게 압착될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상부 커버(10)의 상부 돌출부(15)와 하부 기판(30)의 하부 돌출부(35)는 그 돌출 정도가 상이하다. 예를 들어 상부 돌출부(15)는 4mm가 돌출되고, 하부 돌출부(35)는 3mm가 돌출될 수 있다. 그러나 이에 한정되지는 않는다.
본 실시예에 있어서, 상부 커버(10)의 상부 돌출부(15)와 하부 기판(30)의 하부 돌출부(35)가 서로 엇갈림에 의해 측정 레이어의 상부는 상부 커버(10)의 개방 윈도우(12)에 볼록하게 상향 돌출되고, 측정 레이어의 하부는 평평한 형태가 된다.
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 바이오 센서의 측정 레이어를 구체적으로 도시한 예시도이다.
도 2 에 도시된 바와 같이 일 실시예에 따른 측정 레이어는 확산 레이어(22), 분리 레이어(24) 및, 반응 레이어(26)가 적층된 형태로 구현된다.
구체적으로 확산 레이어(22)는 도 3에 도시된 바와 같이 분리 레이어(24) 상부의 제 1 확산 레이어(22a)와 분리 레이어(24) 하부의 제 2 확산 레이어(22b)를 포함할 수 있다. 즉, 확산 레이어(22)가 적어도 하나의 레이어로 구현되어 다른 레이어들 사이에 구비될 수 있다.
제 1 확산 레이어(22a)는 주입되는 혈액 혹은 플라즈마와 같은 생체 시료가 신속하고 균일하게 확산되도록 한다. 본 실시예에 있어서 제 1 확산 레이어(22a) 는 예를 들어 폴리에스테르(polyester)나 무명(cotton)과 같은 직조 물질(woven material) 혹은 패브릭(fabric), 거즈(gauze), 모노필라먼트(Monofilament)와 같은 부직포 물질(non-woven fabric)일 수 있다.
분리 레이어(24)는 제 1 확산 레이어(22a) 하단에 구비되며, 제 1 확산 레이어(22a)에서 확산되는 생체 시료 즉, 혈액으로부터 적혈구(erythrocytes) 등 혈구를 분리해낸다. 일 실시예에 있어서, 혈액은 혈구와 혈청으로 분리된다. 혈구는 적혈구 백혈구와 같은 고체성분으로 돼 있으며 혈청은 노란색 액체로 구성돼 있다. 혈구는 항원(응집원)으로, 혈청은 항체(응집소)로 작용한다. 수직형 플로우(vertical flow) 방식의 바이오 센서는 먼저 주입되는 혈액으로부터 혈구를 분리해낸다. 그리고 반응 영역에서 혈청과의 반응결과를 관찰함으로써 분석물질의 분석 결과를 확인할 수 있다.
본 실시예에 있어서 분리 레이어(24)는 실험적으로 전체 적혈구의 약 80~90%를 걸러낼 수 있다. 일 실시예에 있어서 분리 레이어(24)는 유리 섬유를 포함하는 패드 형태로 구현될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 분리 레이어(24)는 폴리에스테르(Polyester), 니트로셀룰로오스(Nitrocellulose), 폴리-술포네이트(Poly-sulfonate) 재질의 패드로 구현될 수도 있다.
제 2 확산 레이어(22b)는 분리 레이어(24)에서 혈구 일부가 분리된 생체 시료들의 확산이 신속하고 균일하게 이루어지도록 하여, 그 하단에 구비되는 반응 레이어(26)로 흡수가 신속하고 균일하게 이루어지도록 한다. 본 실시예에 있어서, 제 2 확산 레이어(22b)는 제 1 확산 레이어(22a)와 동일한 구성 혹은 상이한 구성 으로 구현될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 추가적으로 제 2 확산 레이어(22b)와 반응 레이어(26) 사이에 미세 분리 레이어를 더 포함할 수 있다. 분리 레이어(24)의 하부에 구비되며, 본 실시예에 있어서, 구체적으로 유리미세섬유 (glass microfiber), 셀룰로오스 섬유(cellulise fiber), 합성 스테이플 섬유(synthetic staple fiber)를 포함한다. 이때 유리 미세 섬유는 직경 0.3~0.7㎛, 밀도 약 0.1 g/㎤ 이하의 유리 섬유로 구현된다. 추가 분리 레이어(24)는 분리 레이어(24)에서 미처 걸러지지 못한 나머지 혈구들을 분리해낼 수 있다.
반응 레이어(26)는 제 2 확산 레이어(22b) 혹은 추가 분리 레이어의 하부에 구비된다. 본 실시예에 있어서 반응 레이어(26)는 건성 화학제(dry chemicals)와 반응물질(reactant)을 포함하여, 콜레스테롤 등과 반응하여 색 변화를 일으킨다.
본 실시예에 있어서 측정 레이어의 구성은 이에 한정되지 않으며, 다양한 변형예들을 포함할 수 있다. 예를 들어 생체 시료 샘플의 흡수율 혹은 레이어들 간 상호 전달 속도를 보다 향상시키기 위해, 레이어들 사이에 부가적인 레이어들을 더 포함하는 것이 가능하다. 구체적으로 확산 레이어를 레이어들 간에 삽입하여 확산이 보다 신속하게 이루어지도록 할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 결합 상태의 바이오 센서 구성도이고, 도 5 는 바이오 센서에서 주입된 생체 시료 샘플의 흐름을 도시한 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 하나 이상의 레이어들이 적층된 측정 레이어가 서로 엇갈리게 형성된 상부 돌출부(15)와 하부 돌출부(35)에 의해 압착되기 때문에, 측정 레이어의 상단부는 위로 볼록한 형태이고, 하단부는 평평한 형태가 된다. 이 같이 측정 레이어의 상단부는 볼록하고, 하단부는 평평한 형태로 압착됨에 따라 상단부에서는 혈액과 같은 생체 시료 샘플의 흡수에 유리하고, 하단부에서는 주입된 생체 시료 샘플의 균일성을 확보할 수 있는 구조를 제공할 수 있다.
먼저, 이 같은 구조에서 상부 커버의 개방 윈도우를 통해 최소 혈액이 주입될 경우, 측정 레이어의 볼록한 형태에 의해 개방 윈도우의 끝단 쪽으로 상대적으로 많은 양의 혈액이 로딩된다. 그리고 서서히 수직형 플로우(vertical flow)가 진행되어 반응 레이어 내에 균일하게 로딩된다. 반응 레이어의 반응 영역 내에 플로우가 종료되면, 여분의 시료 샘플들이 더 이상 반응 영역 내로 첨가되지 못하기 때문에 오버 플로우가 강해지고, 이에 따라 여분의 시료 샘플들이 외부 쪽으로 흘러가게 된다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 개방 윈도우의 끝단 영역에서는 측정 레이어의 하단부로 흡수되는 시료 샘플의 흐름(F1)와 밖으로 빠져나가는 시료 샘플의 흐름(F2)이 동시에 존재한다. 또한, 측정 레이어의 상부가 볼록한 형태이기 때문에 수직형 플로우(flow)가 더 크게 발생할 수 있으므로, 측정 부위에 로딩 속도가 더 빠르게 진행될 수 있다. 측정 레이어의 측정 영역에 생체 시료 플로우가 진행되어 모든 표면에 흡수되는 시점에서는 더 이상 측정 레이어 하단부로의 시료 샘플 흐름(F1)이 발생하지 않으며, 밖으로 빠져나가는 흐름(F2)만 존재하게 된다. 즉, 측정 영역 내에 주입되는 시료의 양은 적혈구 용적과 무관하게 일정한 양만 로딩되는 것이 가능하다.
일 실시예에 있어서 바이오 센서의 반응 레이어 전체가 아닌 개방 윈도우에 대응되는, 예를 들어 반경 3mm 정도의 측정 영역에만 샘플이 로딩되어도 측정이 가능하다. 본 발명에 따른 바이오 센서의 경우에는 생체 시료 샘플을 10㎕~4㎕ 정도의 소량만 주입하더라도 반응 레이어의 측정 영역 내에서 반응 변화를 나타내기에 충분한 양의 시료 샘플이 주입되는 것이 가능하다.
그런데 전술한 바와 같이 혈액에 포함되는 혈구 용적은 사람에 따라 20~60% 이상까지 큰 차이가 있다. 즉 동일한 양의 혈액을 주입하더라도 최종 반응 레이어에 도달하는 혈구 분리된 혈청의 양에는 차이가 발생하게 된다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서에 주입되는 생체 시료 샘플 용량은 혈액 내 혈청 비율이 낮은 사람을 기준으로 정해지는 것이 바람직하다. 혈청 비율이 높은 사람의 경우에는 반응 레이어에 흡수되고 남은 만큼 오버플로우 시킬 수 있기 때문에, 혈청 비율이 낮은 사람을 기준으로 정함에 따라 반응 영역 내에 충분히 시료 샘플이 주입될 수 있다.
도 4 에서 알 수 있듯이, 다수의 레이어들이 적층된 측정 레이어(20)는 상향 돌출부(15)와 하향 돌출부(35)가 서로 엇갈리는 부분에서 압착되기 때문에 개방 윈도우(12)로 주입되는 혈액의 수평 흐름을 최소화시킬 수 있다.
이때, 상부 돌출부(15)와 하부 돌출부(35)가 서로 어긋나는 지점(A)에서 주입된 생체 시료의 흐름은, 측정 레이어(20)에 도달하기 전까지는 수직 하향 방향으로 흐르고, 측정 레이어에 도달한 후에는 측정 레이어(20) 내에서 측정 영역 내부 방향 혹은 외부 방향으로 퍼져나가게 된다.
즉, 수직형 플로우(vertical flow)에 의해 측정 레이어(20)에 도달한 혈구 분리된 혈청은 측정 레이어(20) 내부에서 수평 흐름은 거의 일어나지 않고, 특히 상부 돌출부와 하부 돌출부가 엇갈리는 부분(A)에서 압착된 상태이기 때문에 혈청이 외부로 빠져나가는 흐름보다 반응 영역 내부 쪽으로의 수평 흐름이 더 용이하다.
또한, 상부 돌출부와 하부 돌출부의 엇갈리는 결합에 의해 반응 영역 즉 개방 윈도우의 중앙부분(B)에서 측정 레이어(20)의 상단부는 위로 볼록한 형태이고, 측정 레이어(20)의 하단부 즉 반응 레이어(26)는 평평한 형태로 압착되기 때문에 반응 레이어(26)에 흡수된 혈청의 균일성을 확보할 수 있다.
도 6 내지 도 8 은 시간 경과에 따른 생체 시료 샘플의 주입 상태를 도시한 예시도이다.
먼저, 바이오 센서에서 반응을 관찰하기 위해 개방 윈도우(12)에 혈액과 같은 생체 시료를 떨어뜨린다. 시간이 어느 정도 지나지 않은 시료 주입 초기에는 도 6 에 도시된 것처럼 개방 윈도우의 끝단 영역(5-1) 즉, 측정 영역의 끝단에서 수직 흐름이 강하게 나타난다. 이때 측정 레이어는 상부 커버의 상부 돌출부와 하부 기판의 하부 돌출부에 의해 중앙부가 상향 볼록한 구조로 압축되기 때문에 측정 영역의 끝단에서 수직 방향 유속을 더 빠르게 하는 효과가 있다. 반면에 양 끝단의 수직 흐름이 강한 것에 비해 상대적으로 측정 영역의 중앙부(5-2)에서는 적은 양의 수직 흐름이 발생한다.
초기에 개방 윈도우(12)의 끝단 영역(6-1) 쪽에 흡수되었던 생체 시료 샘플들은 수평 방향으로는 거의 진행하지 못한다. 그러다 어느 정도 시간이 지나면, 도 7 에 도시된 바와 같이 개방 윈도우의 끝단 영역에서는 수직 흐름에 따라 측정 레이어(20)까지 도달한 이후에는 점차 개방 윈도우(12)의 중앙 방향과, 외부 방향으로 퍼지도록 수평 이동을 한다. 이때 구조상 측정 영역의 외부 방향으로의 흐름보다는 측정 영역의 중앙 방향으로의 진행이 더 강하게 이루어진다.
이때 개방 윈도우의 중앙 영역(6-2)의 시료들의 수직 흐름은 지속적으로 일어난다. 따라서 중앙 영역의 시료들도 수직 흐름에 의해 측정 레이어 최 하단의 측정 레이어까지 도달하게 된다.
한편, 상부 돌출부와 하부 돌출부가 어긋난 틈 사이 영역(6-3)의 측정 레이어에는 가장 많은 양의 시료가 도달하게 된다. 따라서 측정 레이어의 최 하단에 위치하는 반응 레이어에서 수평 흐름이 가장 먼저 일어나게 된다. 그리고 시료 일부는 측정 영역의 외부 방향(6-4)으로 흐른다.
시간이 더 경과하면 도 8 에 도시된 바와 같이, 양 끝단 영역에서 측정 영역의 중앙쪽으로 진행하는 시료 흐름과 수직 흐름에 의해 최 하단의 반응 레이어에 도달하는 시료가 포화 상태가 되어, 반응 레이어 내에서 측정 영역의 중앙쪽으로의 수평 흐름이 정지된다.
반응 레이어에서 측정 영역의 중앙부쪽으로의 흐름이 정지되면, 반응 레이어 외부로의 수평 흐름이 증가하게 되고, 점차 여분의 시료들은 측정 영역 외부(7-1)로 빠져나간다. 이에 따라 측정 영역의 반응 레이어에 축적(7-2)되는 시료의 양은 일정하게 유지될 수 있다. 아울러, 반응 레이어 전체가 아닌, 측정 영역 일 실시예에 있어서는 직경 3mm내에만 생체 시료가 로딩 되더라도 측정이 가능하다. 따라서 약 10㎕ ~4㎕정도의 소량의 혈액과 같은 생체 시료만으로도 반응 측정이 가능한 바이오 센서를 제공할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대해 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 센서의 구성도,
도 2 및 도 3은 일 실시예에 따른 바이오 센서의 측정 레이어를 구체적으로 도시한 예시도,
도 4 는 일 실시예에 따른 결합 상태의 바이오 센서 구성도,
도 5 는 바이오 센서에서 주입된 생체 시료 샘플의 흐름을 도시한 예시도,
도 6 내지 도 8 은 시간 경과에 따른 생체 시료 샘플의 주입 상태를 도시한 예시도이다.

Claims (6)

  1. 생체 시료와 반응 여부 측정을 위한 측정 레이어;
    상기 측정 레이어의 상단부에 위치하며, 상기 측정 레이어의 측정 영역을 노출시키기 위한 개방 윈도우와, 개방 윈도우의 외곽에 하부 기판과 결합되는 방향으로 돌출되는 상부 돌출부를 포함하는 상부 커버; 및
    상기 측정 레이어의 하단부에 위치하며, 상기 상부 커버의 개방 윈도우와 상부 돌출부 사이로 상부 돌출부와 엇갈리게 돌출되어 상기 측정 레이어의 상부가 개방 윈도우로 상향 돌출되도록 압착시키는 하부 돌출부를 포함하는 하부 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 돌출부는 상기 측정 레이어의 하부를 평평하게 압착시키는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 레이어는 생체 시료와의 반응을 통해 변색되는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 레이어는,
    주입되는 생체 시료를 확산시키는 확산 레이어(spreading layer), 상기 확산 레이어로 확산된 생체 시료를 혈청과 혈구로 분리하는 분리 레이어(separating layer) 및 상기 분리 레이어에서 혈구 분리된 혈청과의 반응에 따라 색 변화를 일으키는 발색 시약이 도포된 반응 레이어(reaction layer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 확산 레이어는,
    상기 분리 레이어 상부의 제 1 확산 레이어; 및
    상기 분리 레이어 하부의 제 2 확산 레이어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 분리 레이어는 유리 섬유, 폴리에스테르(Polyester), 니트로셀룰로오스(Nitrocellulose), 폴리-술포네이트(Poly-sulfonate) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
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