KR20120011102A - 바이오 센서의 습도 측정을 통한 측정값 보정 방법과 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 별도의 추가되는 센서를 사용하지 않고, 기존의 바이오 센서를 사용하여 습도에 따른 전기적인 특성의 변화를 감지하여, 이 변화량을 측정값을 보정하는데 사용함으로써 정확하고 재현성있는 측정값을 측정하는 방법과 장치에 관한 것이다. 이의 보정으로 통하여, 일례로서 혈당 센서로 측정한 표준 혈당 용액의 혈당값이, 습도가 다른 사용환경에 있어서도 동일하게 측정되어, 보다 안전하고 신뢰성있는 혈당측정 방법을 제공한다.

Description

바이오 센서의 습도 측정을 통한 측정값 보정 방법과 장치 {Method and Apparatus for Correction of Monitoring Value by Humidity Sensing of Bio Sensors}

본 발명은, 바이오 센서를 사용하여 습도를 측정하고, 측정된 습도값을 정확한 측정값을 보정하는데 사용하는 방법과 장치에 관한 것이다. 특히 전기적인 방법으로 혈당 센서를 사용하여 습도를 측정하고, 측정된 전기적인 특성치 혹은 습도값을 사용하여 혈당값을 보정하는 방법에 관한 것이다.

바이오센서는 센서에 여러가지 화학 및 생화학 물질들이 포함된다. 효소, 계면활성제, 버퍼용액 등이 있으며, 이들은 온도 및 습도와 같은 외부 조건에 변화에 따라, 조금씩 그 특성이 변화하게 된다. 따라서, 바이오센서의 측정값들은 외부 변수에 따라 일반적으로 보정을 하게되는데, 특히 온도에 따른 화학적 반응의 차이가 커서 온도 보정은 매우 잘 알려진 사실이다. 온도 보정과 비교하여 상대적으로 습도의 보정은 극히 드물다. 이에 따라, 습한 지역이나 환경에서의 바이오센서의 사용은 매우 유의해야한다.

바이오센서의 하나의 예로서 혈당 센서의 경우를 제시한다. 기존의 혈당 센서는 혈액 내에 존재하는 포도당과 반응하여 전류가 발생할 수 있는 용액이 코팅되어있다. 이 용액은 포도당과 산화 및 환원 반응할 수 있는 효소, 전자전달체, 버퍼용액과 함께 수용성 고분자 물질들로 구성되어 있다. 이 수용성 물질들의 예로서는 셀룰로우즈 혹은 아가로즈 등의 수용성 고분자 물질이 있다.

일반적으로 수용성 고분자 물질은 외부의 습도에 쉽게 습기를 흡수하는 정도가 다르기 때문에 다른 습도 조건에서는 글루코스와의 전기 화학 반응이 완전 동일한 것이 아니며, 이에 따라 동일한 농도의 글루코스 양이라도 할지라도 습도환경에 따라 반응 시발생하는 전류의 양이 다르다.

그럼에도 불구하고, 지금까지의 혈당 센서는 측정 시스템에 내재된 통계적인 에러 발생 요인들이 많고, 또한 오차의 크기가 습도의 변화에 따른 전기화학 반응의 변화보다 상대적으로 커서 습도 자체는 무시되어 왔다. 예를 들면, 온도 변화에 따른 혈당값의 변화는 상대적으로 매우 커서, 혈당 센서에 있어서 온도 보정은 일반적인 것이다. 또한, 혈구 효과, 산소 분압 효과, 다른 간섭 물질 효과에 의한 효과 등이 무시할 수 없는 에러 요인으로 존재한다. 따라서, 혈당 센서의 의약품 승인 기준은 이들을 고려하여 관리되어 왔다.

최근 혈당의 통계적인 에러에 대한 관리 수준이 엄격해지는 추세에서, 그리고 환자들에게 보다 정확한 혈당값을 제시하여 당뇨병과 같은 질병을 관리하기 위해서, 미세한 변수라도 정확한 관리가 필요하다고 할 것이다. 또한 대부분의 혈당 센서를 제조하는 시스템이 보통의 습도 조건에서 일어나, 습도가 매우 심한 지역에서는 혈당 센서를 사용할 수 없는 경우도 발생하여 습도에 대한 관리 및 이의 보정이 필요하게 되었다.

본 발명의 목적은 바이오 센서에 내재된 용액과 전극을 사용하여 습도를 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 측정된 습도 혹은 전기적인 특성을 사용하여 보다 정확한 측정값을 구하는데 보정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 측정된 습도 혹은 전기적인 특성을 사용하여 혈당 센서의 보다 정확하고 재현성있는 측정값을 구하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 개념을 확인하고, 이를 해결하기 위한 수단으로 바이오 센서로써 주위에서 손쉽게 구할 수 있는 혈당 센서를 사용하였다. 이러한 혈당 센서의 사용이 본 발명의 이용을 혈당 센서에 국한하는 것은 아니며, 습도에 따라 그 특성이 변화하는 화학 및 생화학 물질로 이루어진 바이오센서 전반에 걸쳐 이용될 수 있는 것이다.

본 발명에서는 혈당 센서에서 측정되는 혈당값의 습도에 따른 변화를 보정하기위하여 혈당 센서에 코팅된 용액의 전기적 특성의 측정을 통하여 습도를 측정한다. 전위, 전류, 저항, 커패시턴스, 임피던스 등의 전기적인 특성을 측정한다.

일반적인 습도 센서의 원리와 유사하게 발진회로를 구성하여 발진주파수의 위상차 측정을 통하여 정전용량을 측정할 수 있다. 본 발명에서 전기적인 특성은 정전용량에 국한된 것은 아니다.

습도별 정전용량과 습도별 혈당값을 사전에 구하여 실제 사용 환경에서의 습도로 혈당값을 보정한다.

본 발명에 따르면, 바이오 센서, 특히 예로써 혈당 센서가 습도에 따라 그 전기화학 반응이 변화하여 측정값을 보정하기 위하여 별도의 습도 센서없이 혈당 센서 자체를 습도 센서로 활용함에 따라, 간단히 습도를 측정할 수 있다. 간단히 측정된 전기화학 특성 혹은 습도가 혈당값을 보정하는데 사용됨으로써, 습도와 상관없이 일정하고 정확한 바이오 센서 예로써 혈당 센서를 만들 수 있다.

도 1은 빗무늬의 전극에서의 상대습도와 정전용량 그래프
도 2는 빗무늬 전극으로서 작업전극과 상대전극의 폭이 서로 다른 형태
도 3은 직사각형 나선형 전극 구조

기존에 알려진 혈당 전기화학 센서의 양극에 발진회로를 연결하여 습도에 따라 유전율이 변화하여 다음식에 의하여 정전용량을 측정할 수 있다.

C = eA/d (1)

여기서 e는 유전율, A는 전극 면적, 그리고 d는 전극 사이의 간격이다.

전기화학적인 반응에 의하여 측정된 혈당값은 여러 변수들에 따라 변화하기 때문에 보정하는 방법이 널리 알려져 있는데, 지금까지는 주로 온도 보정만을 하여왔다. 하지만 본 발명에서는 측정된 정전용량이 주로 습도에 의하여 변화하고, 같은 온도라도 습도에 따라 측정된 혈당값이 체계적으로 변화하기 때문에, 습도에 따른 보정을 할 수 있다.

즉, 습도에 따라 정전용량이 변화하고, 또한 이에 따라 같은 온도라도 측정된 혈당값이 체계적으로 변화하기 때문에 동일온도에서 정전용량과 혈당값 사이의 회귀분석을 통하여 측정된 혈당값을 보정한다.

또한, 습도에 따라 변화하는 정전용량은 식 (1)에 따라. 전극사이의 간극이 작을수록, 대면하는 면적이 넓을수록 민감하게 측정됨에 따라, 나선형 전극이 훨씬 민감하게 정전용량 변화를 감지한다. 본 발명의 상세한 내용은 실시예에 기술되어있다.

[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:

도1 의 빗무늬 전극에 GOD 효소 기반의 글루코스 진단 용액을 도포하고 상온에서 건조한 후 상대습도가 정의된 챔버에 30분간 방치한 후 애질런트사의 E4980A LCR 미터로 1KHz에서의 정전용량을 측정하였다. 측정된 정전용량과 상대습도 값이 표 1에 나타나있고, 이 값들의 식 (2)는 선형 회귀분석에 의한 근사식이다.

빗모양의 전극에서의 상대습도에 따른 정전용량

상대습도(Y)	정전용량 (X)
20%	42.5pF
30%	57.8pF
40%	73.9pF
50%	88.0pF
60%	105.3pF
70%	120.3pF

Y=1.5588X+11.15 R^2 = 0.99958 (2)

식 (2)에서 알 수 있듯이, 정전용량과 상대습도는 매우 선형적인 관계가 성립함을 알 수 있어, 전기적인 특성을 통한 바이오 센서의 습도 측정이 가능함을 알 수 있다. 도 2는 상대습도와 정전용량과의 관계를 나타낸 그래프이다.

실시예 2:

도1의 빗무늬 전극에 GOD 효소 기반의 글루코스 진단 용액을 도포하고 상온에서 건조한 후 여러 장소에서 무작위로 6개의 샘플에 대하여 25도에서 정전용량을 측정하고, 각각에 대하여 즉시 25도에서 글루코스 100mg/dL 콘트롤 용액으로 혈당값을 측정하였다. 혈당값은 올메디쿠스사의 AGM-4000 모델 혈당측정기를 개량하여 사용하였고, 측정 알고리듬은 AGM-4000 방식을 이용하였다. 표 2는 정전용량과 혈당 측정값을 나타내는데, 식 (3)의 선형회귀분석에서 알 수 있듯이 정전용량과 혈당측정치가 선형적으로 나타났다.

빗무늬 전극에서의 측정된 혈당값

샘플번호	정전용량 (X)	혈당값 (Y:mg/dL)
1	54.3pF	109
2	51.2pF	102
3	50.0pF	99
4	53.2pF	107
5	53.0pF	106
6	52.5pF	104

Y = 0.42137X + 8.33308 R^2 = 0.98447 (3)

측정된 혈당값은 5개의 샘플에 대하여 100mg/dL보다 높았고, 3번 샘플의 경우 99mg/dL로 측정되었다. 그리고 정전용량이 높을수록 높은 혈당값을 나타내는 경향이 나타났다. 이에 따라, 측정된 혈당값은 정전용량에 따라 보정될 수 있는데, 혈당값 100mg/dL를 보이는 정전용량은 50.12pF이고, 이를 표준값으로 설정하여 그 차이와 측정된 혈당값과 100mg/dL와의 차이값을 선형 회귀분석하면 식 (4)로 계산된다.

Y = 2.3363X - 0.74898 R^2=0.98447 (4)

이 방정식을 사용하여 각 6개의 샘플에 대하여 보정하면 표 3처럼 거의 모든 샘플에 대하여 실제 글루코스 농도인 100mg/dL값이 나옴을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 습도변화에 따른 정전용량을 측정하고, 측정된 혈당값을 이 정전용량에 따라 보정하면 매우 정확한 혈당값이 재현됨을 알 수 있다.

정전용량의 변화량으로 보정된 혈당값

샘플번호	표준값과의 차이	혈당값 (mg/dL)	보정혈당값(mg.dL)
1	4.18pF	109	100
2	1.08pF	102	100
3	-0.12pF	99	100
4	3.08pF	107	101
5	2.88pF	106	100
6	2.38pF	104	100

실시예 3:

전극에 따른 실시예 2의 측정 민감도를 조사하기 위하여, 양극과 음극의 접촉면이 보다많은 직사각형 나선형 전극을 사용하였다. 실시예 2와 유사한 방법으로 도3의 직사각형 나선형 전극에 GOD 효소 기반의 글루코스 진단 용액을 도포하고 상온에서 건조한 후, 여러 장소에서 무작위로 6개의 샘플에 대하여 25도에서 정전용량을 측정하고, 각각에 대하여 즉시 25도에서 글루코스 100mg/dL 콘트롤 용액으로 혈당값을 측정하였다. 혈당값은 올메디쿠스사의 AGM-4000 모델 혈당측정기를 개량하여 사용하였고, 측정 알고리듬은 AGM-4000 방식을 이용하였다.

직사각형 나선모양 전극을 사용한 정전용량과 혈당값, 그리고 보정 혈당값

샘플번호	정전용량	혈당값 (mg/dL)	보정혈당값 (mg/dL)
1	70.5pF	109	100
2	73.4pF	102	100
3	72.3pF	99	100
4	75.9pF	107	100
5	68.2pF	106	100
6	70.0pF	104	100

Y = 0.63125X + 7.11875 R^2 = 0.90752 (5)

표 4와 선형회귀분석 결과인 식 (5)에서 알 수 있듯이, 직사각형 나선형 전극이 빗모양 전극에 비하여 민감도가 0.63125로 보다 높은 것을 알 수 있었고, 정전용량의 절대값도 상대적으로 높은 것으로 알 수 있었다. 유사한 방법으로 정전용량에 따라 보정된 혈당값도 6개 샘플에 대하여 모두 100mg/dL로 계산되었다.

Claims (11)

1. 바이오 센서의 전극을 사용하여 전기적인 특성을 측정하여 습도를 구하고, 이 습도를 이용하여 센서의 측정값을 보정하는 방법과 장치
2. 제 1항에 있어서 바이오 센서는 혈당 센서 및 항체와의 반응을 이용하는 바이오 센서 혹은 전기화학 반응을 이용하는 센서
3. 제 1항에 있어서 전기적인 특성을 습도로 변환하지 않고, 직접 전기적인 특성치를 사용하여 바이오 센서의 측정값을 보정하는 방법과 장치
4. 제 1항의 습도를 측정하는 전기적인 특성에 있어서, 정전용량, 임피던스, 어드미턴스, 저항, 전류 등을 포함하는 장치
5. 제 1항의 측정값을 보정하는 방법에 있어 전기적인 특성과 습도와의 상관관계를 통하여 습도를 구하고, 습도에 따른 측정값의 변화량을 사전 실험에 의하여 구하고, 구해진 습도에 따라 바이오센서의 측정값을 보정하는 방법
6. 제 1항의 보정하는 방법에 있어, 선형 회귀 분석법이나 비선형 회귀 분석법, 다차원 상관계수법, 혹은 이 방법들을 사용하여 얻은 파라미터들을 테이블화 하는 방법
7. 제 1항의 바이오 센서의 전극에 있어서 일자형 전극, 빗무늬 전극, 사각형 전극, 다각형 전극, 원형 전극, 타원형 전극의 모양을 갖는 센서
8. 제 2항에 있어서 용액에 OH 그룹이 많이 포함된 흡습성 고분자를 포함한 조성물로서 이루어진 바이오 센서
9. 제 8항에 있어서 흡습성 고분자로서 셀룰로우즈 계열, 아가로즈 계열, 폴리비닐 필롤리돈, 폴리비닐 알코올, 키토산 등을 포함하는 조성물을 갖는 바이오센서
10. 제 7항에 있어서 바이오센서의 전극에 있어서, 전극의 선폭이 0.1마이크로미터에서 100마이크로미터 사이인 바이오 센서
11. 제 7항에 작업전극의 선폭이 상대전극의 선폭보다 작은 바이오센서

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