KR20120049723A - 전기화학적 바이오 센서용 전극 스트립 및 그 제조방법 - Google Patents

전기화학적 바이오 센서용 전극 스트립 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 소재로 된 비전도성 기판에 카본(Carbon)층을 형성한 후,그 위에 티타늄(Titanium,Ti)을 포함하는 금속층을 형성하고 패터닝하여 제조되는 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립에 대한 것이다.

Description

전기화학적 바이오 센서용 전극 스트립 및 그 제조방법{ELECTROCHEMICAL BIOSENSOR ELECTRODE STRIP AND PREPARING METHOD THEREOF}
본 발명은 제조비용이 저렴하면서도 성능이 우수한 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 생체 시료에 있는 특정 물질, 예컨대, 혈액 중의 글루코스를 정량 분석하기 위한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 전극 스트립 및 제조방법에 관한 것이다.
최근 의약 분야에서 혈액을 포함한 생체 시료를 분석하기 위하여 전기화학적 바이오센서를 많이 사용하고 있다. 그 중 효소를 이용한 전기화학적 바이오센서는 적용이 간편하고 측정 감도가 우수하며 신속하게 결과를 얻을 수 있어 현재 매우 널리 사용되고 있다.
이러한 전기화학적 바이오센서의 예로서, 혈당 측정용 바이오센서를 들 수 있다. 다음은 그 작동원리이다.
혈당측정용 바이오센서의 경우, 소정의 전극을 형성한 후 상기 전극의 일부에 분석시약인 혈당산화효소를 고정하여 반응층을 형성한다. 혈액 샘플이 상기 반응층에 도입되면 혈액중의 혈당이 혈당산화효소에 의하여 산화되고, 혈당산화효소는 환원된다. 전자수용체는 혈당산화효소를 산화시키고 자신은 환원된다. 환원된 전자수용체는 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 잃고 전기화학적으로 다시 산화된다. 혈액샘플 내의 글루코스 농도는 전자 수용체가 산화 되는 과정에서 발생하는 전류량에 비례하므로, 상기 전류량을 측정함으로서 혈당 농도를 측정할 수 있게 된다.
이러한 전기화학적 바이오센서를 이용할 경우, 혈액 내의 글루코스(Glucose) 뿐만 아니라, 요산(尿酸), 단백질을 측정할 수 있고, 나아가 DNA 및 간기능 검사에서의 GOT(Glutamate-Oxaloacetate Transaminase) 또는 GPT(Glutamate-Pyruvate Transaminase)의 효소활성도 측정할 수 있다.
여기서, 상기 바이오센서는 측정대상을 식별하는 식별부위와 전기신호로 변환하는 변환부위로 구분될 수 있다. 식별부위에는 생체물질이 사용되는데, 상기 생체물질이 측정대상을 인식하면 화학변화나 물리변화가 생긴다. 이러한 변화를 전기 신호로 변환하는 것을 변환부위라고 하며 이를 통칭하여 바이오센서용 전극이라고 부른다.
이러한 바이오센서용 전극의 제조방법으로서 실크 프린팅(silk printing)방식이 있다. 상기 실크 프린팅 방식은 백금, 카본 또는 은/염화은 잉크를 이용하는 인쇄방식으로서, 장치비가 저렴한 반면, 재현성이 요구되는 센서용 전극을 제조하기에는 저항편차 조절이 어려운 문제점이 있다.
또 다른 방식으로서, 패터닝(patterning)된 마스크(Mask)와 귀금속을 이용하는 진공증착 및 스퍼터링(sputtering) 방식을 적용하여 바이오센서용 전극을 제조하는 방법이 있다. 이 방법에 따르면, 패터닝된 마스크를 기판에 배치한 후 귀금속을 이용한 진공증착 또는 스퍼터링(sputtering)을 실행하여 전극 패턴을 형성한다. 그러나 이 방법의 경우, 귀금속을 사용하는 관계로 비용이 많이 들고, 상기 귀금속의 회수에 따른 어려운 문제점이 있다.
또한 종래 스퍼터링 방법의 경우 패턴이 형성된 마스크(MASK)를 사용하여 스퍼터링을 하였기 때문에 시트(SHEET) 타입으로 작업해야하고 스퍼터링 시간도 많이 걸려서 생산효율이 떨어지는 문제점이 있다.
한편, 바이오센서용 전극을 제조하기 위하여 종래 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: 이하, "PCB")의 제조에 사용되던 금속 패터닝 기술을 혈액 등의 생체시료 중 특정 물질을 정량하기 위한 전기화학적 바이오센서용 전극의 제조에 적용하는 것을 생각할 수 있다.
그러나 종래 PCB 제조에서는 구리 등을 이용하여 전극을 제조하는 것으로서, 상기 구리 기판 상에 금속을 적층하는 것은 불규칙적이고 덩어리진 표면을 발생시켜서 구리의 하부층으로 시료가 유입되어 측정값을 교란시키는 전기적 신호를 발생시키기 때문에 바이오센서용 전극의 제조에 적용하기가 적절하지 않았다. 게다가, 상기 PCB에서 사용되는 구리나 니켈은 전기화학적 바이오센서에서 통상적으로 사용되는 전압에서 전기 활성적이어서, 즉, 불안정하여, 전기화학적 바이오센서용 전극물질로서 적합하지 않았다.
즉, 전기화학적 바이오센서용 전극 물질은 효소에 비활성인 전도성 물질이어야 한다. 효소에 비활성인 특성을 지니는 전도성 물질은 탄소, 백금, 팔라듐, 금 및 티타늄 산화물이 도핑된 인듐과 같은 반도체 물질 등이 주를 이룬다. 이러한 물질들은 보통 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스크린 프린팅(Screen printing) 등의 방식으로 증착된다. 이런 작업들은 정확한 전극의 크기와 성능 발현을 위해 정교한 기술이 요구되나, 실질적으로 탄소를 제외하고는 나머지 비활성 물질들은 뛰어난 전기적 특성을 보임에도 불구하고 고가이므로 대량 생산이 쉽지 않은 형편이다. 그래서 일반적으로는 전기 저항을 줄이기 위해 스크린 프린팅 방식으로 탄소를 두껍게 증착하는 방식을 취한다. 그러나, 탄소 잉크를 사용하는 Screen printing 방식은 경도가 낮고, 두께가 불균일하여 전기 저항의 불규칙성, 탄소 입자의 발생, 복잡한 공정 등의 많은 단점을 보유하고 있다.
이러한 이유로 기판에 크롬층과 니켈층을 스퍼터링하여 증착시키는 기술 등이 고려되기도 하나, 이 역시도 크롬이 효소에 활성을 가지는 금속이므로, 레이저 식각 이후 크롬이 효소에 반응하는 위험성을 감소시키기 위해, 탄소층을 증착하고, 효소에 비활성인 특성을 보이면서도 높은 전도성을 가지는 티타늄(Ti)층을 스퍼터링하는 기술을 도입하게 되었다.
본 발명에서는 상기한 종래의 문제점들을 해결할 수 있는 개선된 전기화학적 바이오센서용 전극 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 구성요소를 적게 사용하고 제조공정을 단순화시켜 제조시간 및 제조비용을 절감할 수 있는 전기화학적 바이오센서용 전극 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은 또한 표면이 균일하면서도 원하는 모양으로 패터닝할 수 있어 필요에 따라 적절하게 변형이 가능하고 검출특성이 우수한 전기화학적 바이오센서용 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이에 본 발명은 전기화학적 바이오센서에 사용되는 전극 스트립으로서, 제조비용이 저렴하면서도 성능이 우수한 전극 스트립을 제공한다.
본 발명에 의한 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립은 스트립 형상의 비전도성의 기판 및 상기 기판 상에 형성되어 작업전극과 기준전극으로 작동하는 적어도 2개의 전극을 포함하는데, 상기 전극은 카본층 및 금속층을 포함하며, 먼저 상기 카본층은 기판상에 형성되어 있고, 상기 카본층 위에 상기 금속층이 형성되어 있다. 여기서 상기 금속층은 티타늄을 포함한다.
본 발명은 또한 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의한 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립은 비전도성의 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 카본층을 형성하는 단계; 상기 형성된 카본층 위에 티타늄을 포함하는 금속층을 형성하여 카본층과 금속층으로 된 전도층을 형성하는 단계; 및 상기 전도층을 부분적으로 식각하여 전극 형상을 패터닝하는 단계; 를 포함한다.
본 발명에 따르면, 균일한 표면의 전극을 형성하게 하여 검출의 정확성을 높일 수 있다. 또한, 비전도성 필름 위에 카본층과 티타늄을 포함하는 금속층을 동일 챔버(chamber) 내에서 연속 공정으로 스퍼터링 할 수 있기 때문에 제조 공정이 매우 편리하고 대량 생산이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립의 일례에 대한 제조과정을 도식적으로 표현한 도면이다.
도 2는 도 1에서 제조된 전극 스트립의 전극 배치를 보여주는 상면도이다.
도 3은 도 1에서 제조된 전극 스트립의 단면도로서 도 2의 A-A'라인을 따라 절단한 모습이다.
도 4은 도 1에서 제조된 전극 스트립의 단면도로서 도 2의 B-B'라인을 따라 절단한 모습이다.
도 5 내지 도7은 각각 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립에 대한 각기 다른 일례를 보여주는 도면들이다.
도 8은 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립을 테스트한 결과를 나타내주는 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립 및 그 제조방법을 보다 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 의한 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립(100)은 스트립 형상의 비전도성의 기판(10) 및 상기 기판 상에 형성되어 작업전극(101)과 기준전극(102)으로 작동하는 적어도 2개의 전극을 포함하는데, 상기 전극은 카본층(20) 및 금속층(30)을 포함하는데, 상기 카본층(20)은 기판(10)상에 형성되어 있고(도 2 참조), 상기 금속층(30)은 상기 카본층(20) 위에 형성되어 있고, 상기 금속층(30)은 티타늄을 포함하고 있다.
상기 티타늄은 일반적으로 그 강도가 높아서 기판 위에 균일하게 스퍼터링하는데 어려움이 있으나, 카본층을 기판에 먼저 스퍼터링하고 카본층 위에 티타늄을 포함하는 금속층을 스퍼터링함으로써, 표면의 roughness가 균일화되고, 전기 저항을 균일하게 유지하게 해 줄 수 있다. 결국 보다 신뢰성 있는 센서의 제작이 가능해진다.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 전극 스트립의 전극 배치를 보여주는 상면도이며, 도 3은 상기 도 2의 A-A'라인을 따라 절단한 모습이고, 도 4는 상기 도 2의 B-B'라인을 따라 절단한 모습이다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 카본층(20)과 상기 금속층(30)은 스퍼터링에 의하여 형성될 수 있다. 상기 스퍼터링에 의하여 균일한 두께의 박막을 형성하는 것이 가능하다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 카본층(20)의 두께는 1000~1500Å이고, 상기 금속층(30)의 두께는 각각 500~1500Å 정도의 두께를 가지도록 할 수 있다. 상기 두께는 제조의 편의성 및 전기적 특성 등을 고려하여 조정될 수 있다.
본 발명에 있어서 상기 전극을 형성하는 금속층(30)은 티타늄을 주재료로 포함하는 금속층이다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 작업전극(101)과 기준전극(102) 사이에 보조전극(104)이 더 형성될 수 있다. 이러한 구조에서는, 측정하고자 하는 생체시료를 상기 보조전극이 형성되어 있는 부위에 인가되도록 할 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립(100)이 바이오센서의 적용될 때에 상기 작동전극(101)과 기준전극(102)이 인접한 부분에는 측정하고자 하는 생체시료와 반응할 수 있는 시약 등이 배치되는데, 상기 보조전극(104)이 배치된 영역에 상기 시약이 배치되도록 할 수 있다.
예를 들어, 혈액 속의 글루코스를 측정하여 혈당을 측정하기 위한 키트에 본 발명에 의한 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립이 사용되는 경우, 상기 보조전극(104) 부위가 반응부위가 되도록 할 수 있다. 이 때, 상기 반응부위에는, 시약으로서, 예를 들어 하이드로겔과 글루코스 산화제(이하, "GO"라 한다.)를 주제로 하는 시약이 배치될 수 있다. 이 때 혈액샘플이 상기 반응부위에 인가되면 혈액샘플 내에 함유되어 있는 글루코스는 GO와의 효소반응에 의하여 산화되고 GO는 환원된다. 환원된 GO는 전자수용체와 반응을 통하여 다시 산화되고, 산화된 GO는 다른 글루코스와 반응한다. 이와 함께 환원된 전자수용체는 전압이 가해진 전극 표면으로 이동하여 전자를 잃고 전기화학적으로 다시 산화되어 상기 반응에 계속 참여하게 된다. 전자수용체의 산화 과정에서 발생하는 전류는 혈액내의 글루코스 농도와 비례하게 되므로, 작동전극(101)과 기준전극(102) 사이의 전류량을 측정하면 혈액 내의 글루코스 농도를 정량적으로 측정할 수 있다. 한편, 상기 보조전극(104)은 작동전극(101)과 기준전극(102) 사이의 전기적 흐름을 돕는 역할을 할 수도 있고, 반응부위를 표시하는 표시자 역할을 할 수도 있다.
또한, 상기 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립이 테스터에 삽입되어 사용되는 경우를 고려하여, 상기 전극 스트립이 테스터에 제대로 삽입되었는지 여부를 확인하기 위한 인식전극(103)을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 전극 스트립이 테스터에 삽입될 경우, 상기 인식전극(103)에 의하여 테스터에 별도로 구비된 센싱회로가 전기적으로 연결되도록 테스터를 구성할 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면 상기 비도전성 기판(10)으로서 절연성 고분자 필름을 사용할 수 있다. 절연성을 나타낸다면 상기의 절연성 고분자 필름으로서 제한없이 사용될 수 있다. 이러한 절연성 고분자 필름의 예로는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(poly ethylene telephthalate; PET) 필름, 에폭시 수지 필름, 페놀수지 필름, 폴리에틸렌(poly ethylene) 필름, 폴리비닐클로라이드(poly vinyl chloride) 필름, 폴리에스테르(poly ester) 필름, 폴리카보네이트(poly carbonate) 필름, 폴리스티렌(poly stylene) 필름, 폴리이미드(poly imide) 필름 등이 있으며, 그 종류가 이것으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일례에 따르면, 탄소를 증착하는 단계 이전에 비전도성 기판을 pre-baking하는 과정을 거치기도 하는데, 이는 기판이 갖는 자연상태의 수분을 제거하기 위함이다.
본 발명은 또한 비전도성의 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 카본층을 형성하는 단계; 상기 형성된 카본층 위에 금속층을 형성하여 카본층과 금속층으로 된 전도층을 형성하는 단계; 및 상기 전도층을 부분적으로 식각하여 전극 형상을 패터닝하는 단계; 를 포함하는 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일례에 따르면, 넓고 큰 대면적의 기판을 사용하여, 상기 기판상에 복수개의 전극 패턴을 형성한 후, 각각의 전극 패턴을 따라 기판을 절단함으로써 각각의 독립된 전극을 제조할 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면 상기 카본층과 상기 티타늄을 포함하는 금속층은 스퍼터링에 의하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 카본층과 금속층을 스퍼터링하여 카본층과 금속층으로 된 전도층을 형성한 후, 식각에 의하여 전극패턴을 형성하는데 여기에 적용되는 식각으로서 레이저 식각이 가능하다. 이러한 레이저 식각 이후에도, 본 발명에 따른 제조방법으로 제작된 전극은 탄소층이 효소에 반응성이 없으므로, 우수한 특성을 얻을 수 있다.
상기 레이저 식각에 의하여 전극패턴을 형성할 경우 미세한 형태의 전극 패턴을 간편하게 형성할 수 있고, 용매를 사용하는 에칭방법과는 달리 용매에 의한 환경오염 문제가 발생하지 않는 등의 장점이 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 먼저 기판의 전면에 스퍼터링에 의하여 전도층을 형성한 후 레이저 식각에 의해 전극 패턴을 형성하기 때문에, 스퍼터링 과정에서 패턴이 형성된 마스크(Mask) 등을 사용할 필요가 없다.
즉, 본 발명에서 레이저 식각을 적용하는 경우, 기판의 전면을 일괄적으로 스퍼터링하는 다이렉트 스퍼터링(Direct Sputtering)을 적용할 수 있다. 이러한 다이렉트 스퍼터링(Direct Sputtering)의 경우, 스퍼터링 과정에서 패턴이 형성된 시트를 사용하지 않아도 되고, 또한 롤 단위의 작업이 가능하기 때문에 스퍼터링 작업이 단순하여 작업 시간이 절약되고 생산효율도 높아진다.
또한 레이저 식각에 의하여 간단히 패턴이 형성될 수 있기 때문에 대량 생산이 용이하다.
상기와 같은 식각에 의하여 작업전극(101)과 기준전극(102)을 형성할 수 있으며, 나아가 보조전극(104) 및 인식전극(103)과 같은 전극을 선택적으로 적어도 하나 이상 추가적으로 형성할 수도 있다.
이러한 본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립은 도 1에 도시된 바와 같이 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립에 대한 각기 다른 일례들이 도 5 내지 도7에 도시되어 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립은 작업전극(101)과 기준전극(102)만을 포함하는 기본적인 형태의 전극 스트립을 도시한 것이다.
도 7에 도시된 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립은 작업전극(101)과 기준전극(102) 외에 인식전극(103)을 더 포함하는 전극 스트립을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일례에 따라 제작된 전극 스트립을 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다.
테스트는 수 mV의 전압을 전극에 인가하여 강제적으로 전극 위에 로딩된 시약(Hexaammineruthenium Ⅲ)과 반응시켜 이 때 발생된 전류값을 측정하는 것이다. 즉, 전류값의 크기는 용액에 포함된 특정 시약의 농도를 의미하고, 이 정량의 시약에서 발생되는 정량의 전자가 전극 표면을 통해서 잘 전달되는가를 검증하여야 하므로, 전극 표면 및 저항이 일률적이라면, 도 8과 같이 각 전극들이 일정하게 선형적인(Linear) 결과값을 얻을 수 있다.
10: 기판 20: 카본층
30: 금속층 100: 바이오센서용 전극 스트립
101: 작업전극 102: 기준전극
103: 인식전극 104: 보조전극

Claims (14)

  1. 비전도성의 기판; 및 상기 기판 상에 형성되어 작업전극과 기준전극으로 작동하는 적어도 2개의 전극을 포함하는 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립으로서,
    상기 전극은 카본층 및 금속층을 포함하며, 여기서
    상기 카본층은 기판상에 형성되어 있고, 상기 금속층은 상기 카본층위에 형성되어 있으며,
    상기 금속층은 티타늄을 포함하는 것임을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 카본층 및 상기 금속층은 스퍼터링에 의하여 형성된 것임을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 카본층의 두께는 1000~1500Å 임을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 금속층의 두께는 500~1500Å 임을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 비전도성 기판은 절연성 고분자 필름인 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립.
  6. 제 1항에 있어서, 인식전극 및 보조전극 중 적어도 하나의 전극 형상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립.
  7. 비전도성의 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 카본층을 형성하는 단계;
    상기 형성된 카본층 위에 티타늄을 포함하는 금속층을 형성하여 카본층과 금속층으로 된 전도층을 형성하는 단계; 및
    상기 전도층을 부분적으로 식각하여 전극 형상을 패터닝하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 바이오센서용 전극 스트립의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 카본층 및 상기 티타늄을 포함하는 금속층은 스퍼터링에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 스퍼터링은 동일 챔버 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 카본층은 각각 1000~1500Å 의 두께인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 티타늄을 포함하는 금속층은 500~1500Å 의 두께인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 식각은 레이저(LASER)에 의함을 특징으로 하는 제조방법.
  13. 제 7항에 있어서, 상기 식각에 의해 형성되는 전극 형상은 작업전극과 기준전극임을 특징으로 하는 제조방법.
  14. 제 7항에 있어서, 상기 작업전극과 기준전극에 더하여, 보조전극 및 인식전극 중 적어도 하나의 전극 형상을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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