KR20110138753A - 전기화학센서의 자가진단 방법 및 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극과 음극이 비대칭이며 서로 대하는 면적을 극대화시키는 교호 구조를 갖는 전극을 사용하여 전기화학 바이오 센서 자체의 전기적인 특성을 사전에 측정하여 실제 검체 측정값을 보정하여 보다 정교한 센서 측정 시스템에 관한 것이다. 이를 통하여 보관상태나 환경의 변화에 따라 센서의 상태가 변화하여도 그 실제 측정값은 일정한 값을 유지하게 된다.

Description

전기화학센서의 자가진단 방법 및 구조 {Method and electrode structures for self-diagnosis of electrochemical sensors}

본 발명은, 전기화학 센서 자체의 특성을 사전에 측정하여 실제 검체와의 측정값을 보정하는데 사용하는 방법과 전극의 구조에 관한 것이다. 특히 전기적인 방법으로 센서의 특성을 파악하여 검출 신호를 보정하는 방법과 이를 최적화하는 전극 구조에 관한 것이다.

검체와의 전기화학적인 반응을 통하여 검체에 존재하는 특정 물질의 존재 유무의 판별 혹은 특정 물질을 정량하는 전기화학적인 센서와 방법들이 알려져 있다. 전기화학 센서의 예로는 혈액에 존재하는 글루코스와 센서에 있는 효소 등과 반응하여 발생하는 전하량을 측정하는 혈당센서, 특정 항체와의 결합 시 발생하는 전하량을 측정하는 전기화학 면역센서 등이 있다. 이러한 전기화학 센서에서 중요하게 요구되는 것은 정확성이다. 동일한 검체에 대하여 동일한 전기화학 반응이 발생하여 그 측정 값이 동일하여야 할 것이다. 그러나 센서에 따라 완벽하게 동일한 측정값을 갖는 것은 매우 어려우며 일정한 편차값을 허용하고 있다. 그럼에도 불구하고, 바이오센서의 제조 공정 상의 편차나, 보관기간이 오래되거나, 고온이나 다습한 환경에 노출된 센서에 있어서는 허용편차를 벗어나 잘못된 측정값을 나타내는 경우가 발생하기도 한다.

바이오센서의 제조 공정 상에서 합격 판정을 받은 제품들은 각기 나름대로의 유통기간과 보관 방법을 제시하고 있다. 일반적으로 제조 후에 오랜 보관 기간을 거친 바이오센서들은 새로 제조된 센서들에 비하여 변질의 위험성을 가지고 있다고 할 것이다. 그 원인으로는 바이오센서 물질들의 산화, 습도에 따른 노출, 시간에 따른 화학물질들의 노화 등이다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서 화학물질들의 구조를 변경하여 환경의 변화에 덜 민감한 센서를 제작하거나, 센서에 들어가는 화학물질의 양을 조절하고, 혹은 환경에 노출시키지 않도록 밀봉하거나 습기제거제가 들어간 용기에 보관하기도 한다.

전기화학적인 바이오센서에 있어서 가장 중요한 변질 원인 중의 하나는 습기이다. 습기는 산화 반응을 가속시키고 센서 물질들의 용해도를 증가시켜 검체와의 반응을 가속화하여 센서의 기본 값보다 많은 전하를 생성시키는 경향이 있다. 따라서 습도 자체를 측정하거나 습기에 따라 변화된 센서의 상태를 사전에 측정할 수 있으면 보다 정확한 바이오센서를 제작할 수 있을 것이다.

습도나 센서의 변화된 상태를 측정하는 것은 매우 미세한 전기적인 변화를 측정해야 하는 까닭에 단순한 2극 전극이나 3극 전극으로는 한계가 있다. 미세한 전기변화를 측정하기 위해서는 기본적으로 전극과 측정물질과의 접촉면적이 커야한다. 이를 위하여 복수의 전극을 사용하여 보다 정교하게 측정할 수 있는 바이오센서에 관하여 공개되어있다. (US Patent 5,120,420 Biosensor and a process for preparation thereof). 또한 교호적으로 교차하는 전극을 사용하여 보다 민감한 바이오센서에 관한 기술이 공개되어있다. (US Patent 7,022,218 Biosensor with interdigitated electrodes).

본 발명의 목적은 바이오센서의 변질 상태를 파악할 수 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 바이오센서의 변질 상태를 파악하기 위하여 민감한 전극구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 민감한 전극 구조를 만드는데 있어서 전기화학적인 특성을 고려하고 잡음의 검출이 적은 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 사전에 바이오센서의 특성을 파악하여 바이오센서가 검체와의 반응 값을 보정하는 데 사용할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서는 바이오센서의 변질 상태를 파악하기 위하여 집적화된 교호전극을사용한다. 또한 양극과 음극 한쪽에서 발생하는 전기화학 반응의 결과물인 전하를 검출하는데 있어, 보다 적은 접촉면을 갖는 비대칭 전극구조를 사용한다. 바이오센서의 변질 상태를 파악하기 위해서 전위, 전류, 저항, 커패시턴스, 임피던스 등의 전기적인 신호를 측정한다. 일정 전압을 인가하여 출력된 전압의 변화를 측정한다. 혹은 전압이나 전류의 교류를 인가하여 그 위상차를 측정하는 임피던스 방법을 사용한다. 혹은 구형파나 정현파 등의 특정 펄스를 인가하여 그 변화를 측정한다. 상기와 같은 방법으로 측정된 값은 사전에 미리 정해진 변화된 조건에서의 데이타 집합에 내삽 혹은 외삽하여 실제 검체하고의 측정값을 보정하는데 사용한다,

본 발명에 따르면, 바이오센서의 변질 특성을 사전에 파악하여 센서가 검체와 반응하여 측정된 측정값을 보정하는데 사용하여 환경의 변화나 유통기간에 상관없이 동일 검체에 대하여 일정하고 정확한 바이오센서의 측정값을 나타낸다.

도 1. 비대칭 전극의 모양
도 2. 비대칭이면서 양극과 음극의 대면적을 최대화 하는 구조
도 3a. 상대습도에 따른 센서의 임피던스 측정값
도 3b. 상대습도에 따른 임피던스 값의 선형구간
도 4. 센서 자체 진단과 보정 흐름도

일반적으로 단순한 전기화학적인 바이오센서는 측정하는 전류범위가 수 uA정도이다. 그러나 바이오센서의 사전 특성치를 측정하기 위해서는 훨씬 작은 전기적인 특성을 측정해야한다. 따라서 전극간의 간격을 최소한으로 줄이고 양극과 음극의 대면하는 면적을 늘려야한다. 이를 위해서 양극과 음극이 교호하는 구조를 사용할 수 있다. 서로 작은 폭의 교호하는 전극을 만들기 위해서는 스퍼터링이나 드라이필름을 이용한 에칭 방법이 사용될 수 있는데, 5um에서 100um정도의 폭을 구현할 수 있고, 교호되는 전극의 숫자도 1개에서 수십개를 만들 수 있다.

제작된 전극은 바이오센서의 사전 진단 뿐만 아니라, 실제 검체와의 반응이 진행되기 때문에 전기화학적인 반응의 신호와 잡음을 줄일 수 있는 구조여야 한다. 일반적인 센서의 전기화학 반응은 음의 전하를 생성하여 양극으로 전하가 흐르고, 이와 동일한 양의 전하를 음극에서 제공하는 방식이다. 따라서 반응이 일어나고 전하가 모이는 전극인 양극의 면적이 신호와 잡음의 관점에서 매우 중요하다. 미세전류 신호를 측정하기 위해서는 신호의 증폭보다는 잡음의 제거가 특히 중요한데, 이를 위해서 양극 전극의 면적을 음극 전극의 면적보다 작게 할 필요성이 있다. 즉, 교호적인 전극을 만들어 전체 대면하는 면적을 증가시키면서 양극 면적을 보다 작게하는 비대칭 구조가 적절하다. 양극과 음극의 폭에 대한 비율은 1:1에서 0.01:1까지 제작할 수 있다.

제작된 바이오센서의 특성을 파악하기 위해선 단순한 직류 전압을 인가한 후 출력 전압의 변화를 측정할 수 있다. 걸어주는 전압은 양극과 음극 사이의 간격에 따라 달라지는데, 일반적으로 수V까지 인가한다. 5마이크로m~100마이크로m정도의 양극과 음극의 좁은 간격으로 생성되는 전기장은 매우 크기 때문에 수V로 인가하여도 전기적인 특성을 측정할 수 있다. 또한 피크값이 수V인 정현파나 구형파를 인가하여 그 출력의 변화를 측정할 수 있다. 혹은 주파수별로 수mV~수백mV의 교류 전압을 인가하여 출력단의 위상차를 측정하고 주파수별 임피던스를 측정할 수 있다.

측정된 전기적인 출력을 그 특성을 정확히 알고 있는 바이오센서별로 회귀분석하여 향후 보정할 수 있는 값을 만들어낸다. 예를 들어, 바이오센서를 상대습도 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40% 등에 보관한 다음 이 바이오센서들의 사전 특성을 측정하여 각 F90, F80, F70, F60, F50, F40으로 놓는다. 이후 일정 환경에서 보관한 센서의 측정값이 F45라고 한다면, 이 바이오센서의 상대습도는 45%에 해당하고 검체와의 반응 후에는 45% 상대 습도에 해당하는 양을 보정하던지 45% 상대습도에 해당하는 특성 곡선에서 검출값을 찾아낸다.

실시예 1:

도2 의 전극에 GOx 효소 기반의 글루코스 진단 용액을 도포하고 상온에서 건조한 후 상대습도가 정의된 챔버에 30분간 방치한 후 HP사의 4192A로 임피던스를 측정하였다. 측정된 상대습도에 따른 임피던스 값은 도3a와 도 3b에 나타나 있다. 습도 30%와 40%에서 24시간 보관한 10개 센서, 그리고 완전건조한 센서에 대하여 센서를 100mg/dl 글루코스 표준용액으로 당을 측정한 결과는 표 1에 나타나 있다.

상대습도별 센서의 글루코스 측정값 및 편차

	30%에서 보관한 센서	45%에서 보관한 센서	완전건조한 센서
1	118	129	102
2	120	130	103
3	117	133	100
4	118	127	103
5	123	132	99
6	115	125	100
7	122	131	100
8	118	129	103
9	119	132	102
10	120	128	101
평균	119.0	129.6	101.3
표준편차	2.36	2.50	1.49
CV	1.98	1.93	1.48

완전 건조한 센서에 비하여 30%와 45% 상대습도에서 보관된 센서는 측정된 글루코스 값이 높게 측정되고 그 측정 편차도 증가함을 알 수 있다.

도 3a는 상대습도에 따른 센서의 임피던스 값을 나타내고 있으면 도 3b는 보다 자세히 보여주고 있다. 습도가 증가함에 따라 임피던스 값이 일정구간 선형으로 증가하고 있으며 다음 표 2에 나타나듯이 습도 1%에서 50% 구간에서 습도 1%당 0.67mg/dL 당의 측정값이 증가함을 알 수 있다.

임피던스 측정치로 보정전과 보정 후의 글루코스 측정값 및 편차

	상대습도	|Z| (ohm)	보정전혈당치(mg/dL)	보정후혈당치(mg/dL)
	45%	3.8M	130	100.0
	20%	3.9M	113	99.7
	0%	5.0M	103	103.0
	9%	3.95M	105	99.0
	30%	3.85M	120	100.0
평균			114.20	100.33
표준편차			11.12	1.55
CV			9.74	1.54

이에 따라, 보관상태에 따라 센서의 변화된 임피던스 값에 따라 보정하게되면 측정값은 보관상태에 상관없이 CV 1.54의 매우 정확한 값을 갖게 된다.

이 때 중요한 것은 상대습도 70% 이상에서는 내삽할 수 있는 선형성을 잃게되어 센서의 상태를 비정상으로 판단하여 센서 자체를 교체하여야한다.

Claims (7)

1. 전기화학 바이오센서에 사용되는 양극과 음극이 비대칭이면서 각 2개 이상으로 교호하는 전극 구조
2. 청구항 1에 있어서 각 전극의 폭과 전극사이 간극이 1마이크로미터에서 10밀리미터인 전극 구조
3. 청구항 1에 있어서 양극과 음극의 상호 대하는 면적을 늘리기 위하여 교호되는 전극이 곡선의 모양이거나 혹은 일정한 각도로 꺽이는 전극 구조
4. 바이오센서가 검체하고 반응하기 이전에 센서 자체의 전기적인 신호를 검출하여 바이오센서의 상태정보를 추출하고 이를 검체하고의 반응 후 측정값을 보정하는 방법
5. 청구항 4에 있어서 전위차, 전류, 임피던스, 정현파, 구형파등의 왜곡, 위상차 등의 센서 자체의 전기적인 상태정보를 추출하는 방법
6. 청구항 4에 있어서 바이오센서들을 여러가지 상태에 따라 전기적인 상태정보를 수집하여 이를 회귀분석하는 방법
7. 청구항 4에 있어서 회귀분석된 상태정보를 실체 검체하고의 반응값의 보정에 사용하는 방법.

Images