KR20120000592A - 전기화학 센서에서의 나선형 전극 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 화학 센서의 민감도를 최적화하기 위하여 작업전극과 기준전극을 나선형을 배치함으로써 발생하는 전하들이 효율적으로 전극을 통하여 흐를 수 있도록 한고, 작업전극의 면적을 그 폭을 조절함으로써 상대전극의 면적보다 작게함으로써 전하의 흐름이 아닌 반응물이나 반응부산물에 의한 작업전극에 대한 방해 작용을 최소화 한다.

Description

전기화학 센서에서의 나선형 전극 구조 {Spiral Electrodes for electrochemical sensors}

본 발명은 전기화학 센서를 구성하는 전극의 구조에 관한 것이다. 특히 전기화학 센서의 민감도를 증가시키고 잡음 신호를 감소시키기 위한 전극 구조에 관한 것이다.

검체와의 전기화학적인 반응을 통하여 검체에 존재하는 특정 물질의 존재 유무의 판별 혹은 특정물질을 정량하는 전기화학적인 센서와 방법들이 알려져 있다. 혈액에 존재하는 글루코스와 센서에 있는 효소 등과 반응하여 발생하는 전하량을 측정하는 혈당센서, 특정항체와의 결합 시 발생하는 전하량을 측정하는 전기화학 면역센서 등이 있다. 이러한 전기화학 센서의 중요한 특성 중의 하나는 적은 시료나 작은 양의 검체를 감지할 수 있는 민감도이다. 센서의 민감도를 높이면 과도한 신호 증폭 단계를 제거할 수 있어 불필요한 잡음 역시 제거할 수 있다. 또한 검체와 전기화학 반응하는 센서 물질을 소량만 사용 가능함에 따라, 환경적 변화에 둔감한 센서를 제작할 수 있다.

전기화학 센서에 있어서 중요하게 요구되는 것 중의 하나는 비평형 상태로 지속적으로 일어나는 전기화학 반응을 정확히 감지하는 것이다. 센서의 시료와 검체가 반응하는 전기화학 반응 셀은 전극이 위치한 표면과 용액의 중간 부분은 전기화학 반응이 진행되는 동안 화학적으로 다른 상태에 있다. 이러한 비평형 상태는 확산 과정을 통하여 평형에 도달하고자 하는 화학적 포텐셜을 갖게 된다. 하지만 전기화학 반응에서 생성되는 전자들이 지속적으로 양극을 통하여 흐르고 음극에서는 이에 상당하는 전자를 공급하게 되어, 실제로 전기화학센서는 측정하는 동안 지속적인 화학반응이 발생하는 비평형 상태로 존재하게 된다. 따라서, 가능한 전기화학 셀 내부의 여러 위치에서 전기화학 신호를 감지하는 것이 중요하다.

전기화학 센서에 있어서 또 다른 중요한 점은 잡음을 가능한 감소시켜야 하는 것이다. 양극과 음극에서의 전하 소모와 공급량을 일정하나, 일반적으로 작업 전극의 근처에서 전기화학 반응이 발생하고 전기화학센서가 감지하는 전하뿐만 아니라 다른 형태의 화학물질의 변화가 발생한다. 이에 따라, 작업전극은 감지하고자하는 전기화학반응에서 발생하는 전기적인 신호뿐만 아니라, 다른 간섭 물질에 의한 잡음에 대해서도 민감히 반응한다. 따라서 작업 전극의 잡음을 감소시키는 것이 중요하다.

복수의 전극을 사용하여 보다 정교하게 측정할 수 있는 바이오센서에 관하여 공개되어있다.(US Patent 5,120,420 Biosensor and a process for preparation thereof) 교호적으로 교차하는 전극을 사용하여 보다 민감한 바이오센서에 관한 기술이 공개되어있다.(US Patent 7,022,218 Biosensor with interdigitated electrodes) 그러나 이들 기술은 전기화학센서의 민감도를 높이기 위한 최적 구조를 제안하고 있지 않으며, 잡음을 감소시키기 위한 작업전극과 상대전극의 비대칭 전극 면적에 대한 제안을 하고 있지 않다.

본 발명의 목적은 전기화학 센서의 민감도를 향상시키는 전극구조를 제공한

다.

본 발명의 다른 목적은 전기화학 센서의 잡음 신호를 적게 검출할 수 있는 전극구조를 제공하는 것이다.

본 발명에서는 전기 화가 센서의 민감도를 최적화하기 위하여 전기화학 반응이 일어나는 공간에 작업전극과 기준전극을 나선형을 배치함으로써 발생하는 전하들이 효율적으로 전극을 통하여 흐를 수 있도록 한다.

또한 작업전극의 면적으로 상대전극의 면적보다 작게함으로써 전하의 흐름이 아닌 반응물이나 반응부산물에 의한 작업전극에 대한 방해 작용을 최소화 한다.

본 발명에 따르면, 나선형으로 작업전극과 상대전극을 구성하고 특히 작업전극의 면적을 상대전극 대비하여 작게 제조하여 민감도가 향상될 뿐만 아니라, 잡음 신호가 적게 검출되는 전기화학 센서를 만들 수 있다. 작업전극과 상대전극이 교차하는 나선형 구조의 회전수는 특별히 제한하지 않는다.

도 1. 일자형 전극으로서 작업전극의 폭이 상대전극보다 작은 구조
도 2. 정사각형 나선 전극 구조
도 3. 직사각형 나선 전극 구조
도 4. 원형 나선 전극 구조
도 5. 타원형 나선 전극 구조
도 6. 직사각형 나선 전극에서 작업전극과 상대전극의 폭이 동일한 전극을 사용하였을 때의 전기화학 반응 신호 검출 곡선
도 7. 직사각형 나선 전극에서 작업전극의 폭을 상대전극보다 작게한 경우의 전기화학 반응 신호 검출 곡선

본 발명의 민감도가 향상된 전극을 제작하기 위하여, PET 필름이나 폴리이미드 등의 필름위에 스퍼터링 방식이나, 전기플레이팅방식 혹은 임프린팅 방식으로 전극을 제작할 수 있다.

이 때, 주의할 점은 각 전극에 존재하는 전기 이중층의 두께보다 전극 사이가 넓어야하는 것이다. 또한 전극 사이에 전기화학적 진단 시약과 검체 등이 존재할 수 있는 충분한 공간이 확보되어야 한다. 전극 사이의 폭이 100nm보다 작을 경우, 재현성의 문제가 발생할 수 있다.

전극 사이의 폭이 적을 경우에는 또한 축전성분의 기생전류가 발생하여 오히려 측정값이 부정확해질 수 있다. 또한 각 공법에 따른 전극패턴의 제조 시, 전극의 모서리 등이 무너지기 쉬울 뿐만 아니라 전극 표면이 매끄럽지 못할 수 있다. 또한 제조 비용이 상승하게 된다.

따라서, 전극의 두께와 전극 사이의 간극은 100nm이상을 제조하는 것이 바람직하다.

[실시예]

이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기

위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 어떤 식으로든지 한정하는 것은 아니다.

실시예 1:

도 1, 도 3, 도 5의 전극에 글루코스 옥시다제 효소와 Ferricyanide 기반의 글루코스 진단 용액을 일정량을 도포하고 상온에서 건조한 후 25도 항온

챔버에 24시간 방치한 후 작업전극과 상대전극 사이에 180mV의 전압을 5초간 인가하였다. 인가 후에 4초 후와 5초 사이에 발생한 전류량의 평균을 구하였다. 표 1은 각 전극 구조별 측정된 측정 전류량의 평균을 나타낸다.

전극 구조별 측정 전류 값

	기본 전극 (도 1)	직사각형 나선 전극	타원형 나선 전극
전류 평균	5 마이크로 A	25 마이크로 A	24 마이크로 A

도 1의 일자형 전극에 비하여 도 3과 도5의 나선형 전극에서의 전류 검출량이 커서 전기화학 반응을 보다 민감하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.

도 6과 도 7은 나선형 전극이라도 작업전극과 상대전극의 면적비에 따라 검출 신호의 잡음 수준이 다름을 보여준다. 도 5에 보여주는 것처럼 작업전극의 면적이 상대적으로 큰 경우 검출신호에 많은 잡음이 섞여 있음을 알 수 있고, 작업전극의 폭을 1/4로 줄인 도 7의 경우, 잡음이 제거된 깨끗한 신호를 검출함을 알 수 있다.

Claims (7)

1. 작업전극과 상대전극이 0.1마이크로미터 이상 떨어져서 나선형으로 배열된 전기화학 전극구조
2. 제 1항에 있어서 2개 이상의 턴을 갖는 나선형 전극 구조.
3. 제 1항에 있어서 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형 등의 다각형 구조와 원형 및 타원형 구조를 갖는 나선형 전극 구조.
4. 제 1항에 있어서 전극의 폭이 0.1마이크로미터에서 10밀리미터 사이의 전극 구조
5. 제 1항에 있어서 작업전극의 전극 면적이 상대전극의 전극면적보다 작은 전극 구조
6. 제 5항에 있어서 작업전극의 전극의 폭이 상대전극의 폭보다 작은 전극 구조
7. 제 6항에 있어서 작업전극의 폭이 상대전극에 비교하여 0.1% ~ 99.9% 사이의 전극 구조
   

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