KR20140069324A - 글루코스 측정을 위한 귀금속의 활성화 방법 및 관련 바이오센서 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 개의 전극을 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서에 관한 것으로서, 이때 하나 이상의 전극은 금속성 층 및 상기 금속성 층과 직접 접촉된 비금속성 층 둘 다를 갖는다. 금속성 층은 귀금속 원소로 구성된다. 글루코스 반응성 스트립이 제 1 전극 및 제 2 전극을 접속시킨다.

Description

글루코스 측정을 위한 귀금속의 활성화 방법 및 관련 바이오센서 전극{METHOD OF ACTIVATION OF NOBLE METAL FOR MEASUREMENT OF GLUCOSE AND ASSOCIATED BIOSENSOR ELECTRODE}

본 발명은 귀금속의 분석물과의 반응성 분야, 구체적으로 글루코스와 반응하도록 설계된 바이오센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2011년 10월 3일자로 출원된 미국 가 특허 출원 번호 제 61/542,678 호의 이점을 청구하고 이를 우선권 주장하며, 그 전체 내용을 본원에서 참조로서 인용한다.

인간의 몸은 그의 기능면에서 처리, 전달 및 대사작용을 위하여 화학물질의 매우 섬세한 균형을 필요로 한다. 인간의 몸에서 주요 대사산물의 수준은 몸 유기체의 정상적인 작용에 의해 알려진 생리적인 범위 내에서 단지 적절하게 유지될 뿐이다. 이러한 예상되는 범위로부터 상기 알려진 화학물질의 농도의 임의의 반복적인 변화는 일반적으로 병의 징조이다.

운동이 부족하고, 또한 가공 식품의 유해한 식단이 여러 가정의 정상적인 건강 식품을 대신하고 있는 오늘날의 사회에서, 급격하게 상승중인 매우 흔한 병은 당뇨병이다. 단순히, 당뇨병은 췌장에서의 불충분한(또는 전혀 없는) 인슐린 생산결과로서 상승된 혈중 글루코스 농도, 또는 몇몇 경우 인슐린 저항을 특징으로 한다. 실제로, 몸의 혈액 화학은 규칙적으로 상기 화학의 정상적인 범위 밖에 있다.

국제 당뇨병 연맹에 따르면, 전 세계적으로 현재 2억 4천 6백만 명의 당뇨병 환자가 존재하고, 그 수는 2025년까지 3억 8천만 명에 도달할 것으로 예상된다. 많은 경우에, 심지어 만성 당뇨병은 몸의 기능이 올바르게 모니터되고, 글루코스(또는 인슐린)가 적절한 경우 몸으로 공급되는 한, 매우 조절가능한 질환이다. 그러나, 몸의 요구에 올바르게 반응하기 위해서, 몸의 요구가 결정되어야 한다. 현재의 혈액 화학을 결정하기 위해서, 당뇨병 환자는 규칙적으로 그의 혈액의 샘플을 채취하여 화학 분석을 수행함으로써 이들이 과량(또는 부족)의 글루코스를 갖는지를 결정할 것이다. 과량의 글루코스가 검출되는 경우, (특정한 주입에 의해, 설치된 펌프를 통해, 또는 다른 수단을 통해) 환자의 혈류로 인슐린을 첨가하여 글루코스 수준을 정상적인 범위 내로 되돌리려는 시도를 할 수 있다. 유사하게, 혈중 글루코스가 매우 낮은 경우, 개체는 탄수화물을 소모하여 상기 수준을 다시 정상적인 범위로 되돌릴 수 있다.

일반적으로, 당뇨병은 혈액 화학이 외부적으로 규제될 수 있기 때문에 조절가능한 것으로 고려되지만, 심지어 매우 짧은 기간 동안, 조절되지 않는 당뇨병의 영향은 대재앙이 될 수 있다. 일반적으로, 당뇨병은 혈관 및 신경을 손상시키고, 따라서 많은 당뇨병 환자는 이들이 인식하지 못하는 존재하는 상해를 심각하게 진행될 때까지 겪을 수 있고, 수족 절단과 같은 공격적이고 삶을 바꾸는 치료를 필요로 할 수 있다. 또한, 당뇨병 조절의 실패는 신부전, 실명, 뇌 손상, 심장 발작 또는 사망을 비롯한 훨씬 더 심각한 합병증을 초래할 수 있다. 상기로부터 명백해지는 바와 같이, 엄격한 조절에 대한 필요 조건은 치료 계획(즉, 인슐린 투여량)을 알리고, 결과적으로 최소한의 손상으로 임의의 불균형을 신속히 교정할 수 있음을 규정하는 혈중 글루코스 수준의 항상 정확하고 빈번한 모니터링이다.

규칙적으로 혈당을 모니터해야할 필요성으로 인하여, 혈중 글루코스의 양을 정확하게 결정할 수 있는 제품에 대해 매우 높은 수요가 존재한다. 이러한 장치는 일반적으로 글루코메터(glucometer)로 지칭되고, 가장 최근의 것은 사람이 (종종 손가락 끝으로부터 얻은) 혈액 한 방울을 채취하여 이를 글루코스에 반응하는 스트립 상에 놓아 작동시킨다. 그 후, 반응의 양이 검출되고, 글루코메터는 혈중 글루코스 수준의 표시를 보고한다. 그 후, 당뇨병 환자는 불균형이 교정되도록 식품을 소모하거나 인슐린을 이용할 수 있다. 명백해지는 바와 같이, 1 회용 바이오센서 스트립을 사용하여 하루에 혈액을 여러 번 시험해야 할 필요성으로 인하여 상기 스트립에 대한 많은 수요가 발생한다.

시험 스트립 형태의 1 회용 글루코스 바이오센서는 일반적으로 유사한 패턴의 구조를 수반한다. 시험 스트립은 일반적으로 기판 상에 위치한 건조 층의 형태로 효소(종종 글루코스 옥시다아제 또는 글루코스 데하이드로게나아제), 매개체(종종 페리시아나이드), 지시약 및 다수의 추가적인 성분을 함유한다. 그 후, 이러한 건조 층은 글루코메터에서 전기적 접속에 접속되는 둘 이상의 전극과 화학적으로 접촉할 수 있다.

시험 스트립의 측정 방법은 일반적으로 측광 및 전기화학이다. 두 방법 모두 유사한 설계의 검출 대역을 사용한다. 측광 시스템에서, LED로부터 좁은 파장의 번들을 사용하여, 반응된 샘플을 빛으로 조명함으로써 측정된다. 확산 반사 부분이 광검출기에 도착하여 전류로 전환된다.

일반적으로 보다 흔히 쓰이는 전류측정 시스템에서, 측정은 반응 생성물을 다시 산화된 형태로 전환한다. 이러한 반응은 시험 스트립 상의 전극 표면에서 발생하고, 환원된 종을 표면으로 운송하고 산화된 매개체를 이로부터 멀리 떨어뜨리기 위해 확산이 요구된다. 원칙적으로, 이는 측광에서의 즉각적인 관찰보다 더 느린 과정이다. 그러나, 상기 반응은 수 초 또는 그보다 짧은 시간 안에 완료될 수 있고, 종종 도구가 더 강건하고 더 간단하다.

전기화학 측정 품질은 평가 알고니즘을 포함한 측정 방법과 건조 화학 간의 밀접한 협동 결과이다. 전기화학 시험 스트립의 설계는 특히 시약과 혈액 샘플을 접촉하는데 사용되는 전극의 개수 및 스트립으로부터 취해지는 측정 방식 면에서 상당히 다양할 수 있다. 그러나, 최근의 시험 스트립은 심지어 글루코메터의 특이적 설계에 의해 강요되는 설계 제약 내에서도 동일한 일반적 원리를 이용한다.

일반적으로, 시험 스트립에서, 효소(글루코스 옥시다아제)는 글루코스의 글루코노락톤으로의 산화 및 산화환원 보조인자를 촉매화한다. 그 후, 글루코노락톤은 글루콘산으로 가수분해된다. 가수분해는 글루코스로부터 매개체(페리시아나이드)로의 전자 전달에 도움이 되며, 이렇게 전달된 글루코스 1 분자 당 알려진 양의 지시약(페로시아나이드)이 생성된다. 시약 층에서 페리시아나이드의 페로시아나이드로의 환원은 효소의 재산화를 일으킨다.

임의의 경우, 글루코스 수준과 관련한 측정된 전류 및 이에 따른 보정은 시험 스트립에서 작업 전극 면적에 비례한다. 작업 전극은 혈중 글루코스 양에 비례하는 전기화학 반응이 발생하는 전극이다.

상대 전극은 작업 전극이 정확하게 혈중 글루코스 수준을 측정할 수 있도록 적절하게 작용해야 한다. 실제로, 작업 전극에서의 반응에 대한 반대 반응이 상대 전극에서 계속해서 발생해야 한다. 전극은 일반적으로 하나 이상의 기판 상에 위치하며, 이는 이 후 (가능하게는 추가의 기판과 함께) 건조 성분과 결합되어 시험 스트립을 형성한다. 도 1a는 페리시아나이드의 환원 동안 생성되는 페로시아나이드의 소모된 농도를 기준으로 글루코스 수준의 전기화학 측정과 반응이 일어나는 방법의 블록 선도를 나타낸다.

전극 전위가 시스템에 가해진 후, 전류가 측정된다. 상대 전극 전위는 전극 표면에서 페리시아나이드와 페로시아나이드의 비율로서 정의된다. 인가된 전위는 작업 전극에서 확산-제한 전류를 제공하여, 따라서 페로시아나이드 농도가 쌍전류측정에 의해 결정될 수 있다. 글루코메터는 작업 전극 전류를 측정하고, 이는 페로시아나이드에 비례하며, 따라서 글루코스 농도와 직접적인 관계에 있다. 일반적으로 시험 스트립 및 글루코메터에 특이적인 알고니즘을 이용하여, 글루코스 농도가 결정될 수 있고, 사용자에게 보고될 수 있다.

이러한 측정 방법의 한 가지 장점은 시험 스트립의 구조에서 전극 둘 다 동일한 금속일 수 있고, 이는 구조를 단순화한다는 것이다. 구체적으로, 전극 및 기판 구조물은 커다란 롤 또는 다른 구조로 형성될 수 있고, 이는 그 후 시험 스트립에서 사용하기 위해 목적하는 구조물로 잘려나갈 수 있다. 효과적으로, 작업 전극 대 상대 전극의 선택은 한 실시양태에서 두 개의 전극이 효과적으로 동일하다면 단순히 생성된 시험 스트립에 놓아 결정된다.

매개체인 페리시아나이드는 두 전극 모두에서 동일하게 잘 반응해야 한다. 따라서, 두 전극에 대하여 동일한 물질(및 구조)을 사용하여 구조를 단순화하는 것이 유리하다. 대부분의 현행 글루코메터는 전극으로서 작용하기 위해 일반적으로 상업적으로 실현 가능한 가장 순수한 형태의 금 또는 다른 귀금속으로 코팅된 플라스틱 기판을 사용한다.

기판 상의 코팅 품질 및 전자의 매개체로부터 전극의 표면으로의 전달과 관련한 그의 활성 및 페로시아나이드의 작업 전극으로의 확산 속도는 혈중 글루코스 수준의 정확한 측정에 있어 중요한 역할을 한다. 구체적으로, 페로시아나이드가 전극으로 정확하게 확산되는 능력은 페로시아나이드 분자의 개수 및 이에 따른 글루코스 양의 정확한 계산을 유발한다. 계산이 보다 정확할수록, 전극에서의 센서의 감도는 더 우수해진다.

더 나아가, 글루코메터는 분자의 개수를 직접적으로 측정하지 않고, 그의 전기화학 특성을 측정하기 때문에, 스트립의 전기 특성은 측정된 전기 전위와 글루코스 농도 간에 일관된 관계를 갖는 것이 또한 중요하다. 많은 점에서, 판독의 일관성은 알고니즘이 글루코스 농도의 결정을 수행하는 경우의 판독의 실제 감도만큼 중요하며, 어쩌면 그보다 더 중요하다. 전위의 일관된 판독은 감도가 감소될지라도 보다 더 일관된(따라서 더 정확한) 결과를 제공할 것이다.

시험 스트립에 의한 판독의 일관성과 관련한 한 가지 염려는 미가공(또는 완료) 시험 스트립 제품 또는 성분의 노화이다. 스트립이 화학적으로 반응되도록 설계됨에 따라, 스트립에서 사용되는 물질은 시간이 흐르면서 화학 조성이 변할 수 있고, 그 다음에는 그의 전기 특성이 변할 수 있고, 따라서 생성된 출력 결정이 변할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 일반적으로 글루코메터는 스트립의 수명을 고려하는 것(또는 심지어 결정하는 것)이 가능하지 않으며, 일반적으로, (예컨대, 인쇄된 유효 기간을 통해) 실질적으로 오래된 스트립을 사용하지 못하게 하는 것을 제외하고, 시험 스트립 제조자는 가게에서 또는 최종 사용자가 제품 선반 보관을 정확하게 조절하는 것이 불가능하다. 더 나아가, 사용전 대기 시간 동안 재고품을 선반에 얹도록 강요하여 판매되기 전 일관된 수준으로 노화되었음을 확신하는 것은 비효율적이다.

다소 순수한(또는 거의 순수한) 귀금속 전극(예컨대, 팔라듐)과 관련하여, 시간에 따라 금속은 산화되고 전기 전도성 특성이 변할 것으로 여겨진다. 실험적인 시험은 최초 100 일 내에 주로 이러한 변경이 발생하는 것으로 밝혀냈다. 일반적으로 상업적인 이유로 글루코메터를 보정하여 (지속적으로 새로운 제품과 반대로) 지속적으로 노화된 제품을 수용하고 최종 사용자에 의한 준수 문제를 다루는 것이 보다 용이하게 때문에, 전극이 추가의 수명 관련된 효과를 나타내지 않으면서 제조 당시에 노화 후(구체적으로 100 일 이상 노화 후) 행동하는 것과 동일한 방식으로 행동하는 시험 스트립을 제조하는 것이 바람직하다(효과적으로 이들은 "사전-노화"된다). 이는 새로운 제품 및 노화된 제품 둘 다로 하여금 동일하고 일관적인 수준으로 제품 보관 수명 향상 및 최종 사용자에 대한 판독의 일관성을 성취하게 한다.

당해 분야의 상기 문제 및 다른 문제로 인하여, 특히 비전도성의 화학적으로 불활성인 기판을 포함하고, 그 위에 전기적으로 전도성인 층이 배치되어 있는, 제 1 전극; 비전도성의 화학적으로 불활성인 기판을 포함하고, 그 위에 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층을 포함하는 전기적으로 전도성인 층이 배치되어 있는, 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극을 접속시키는 글루코스 반응성 스트립을 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서가 본원에 기재되어 있다. 제 1 전극의 전기적으로 전도성인 층은 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층 및 상기 금속성 층과 직접 접촉하여 배치된 비금속성의 전기 전도성 층을 포함한다.

일부 실시양태에서, 제 1 전극의 귀금속 원소는 팔라듐이다.

제 1 전극 및 제 2 전극 둘 다에서 귀금속을 포함하는 금속성 층의 두께는 다양하다. 일부 실시양태에서, 두께는 약 10 nm 내지 약 10 ㎛이다. 다른 실시양태에서, 두께는 약 10 nm 내지 약 50 nm이다. 또 다른 실시양태에서, 두께는 약 20 nm 내지 약 30 nm이다.

또한, 비금속성의 전기 전도성 층의 두께는 다양할 수 있다. 일부 실시양태에서, 두께는 약 1 nm 내지 약 10 nm이다.

글루코스 반응성 스트립은 효소, 매개체 및 지시약을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 효소는 글루코스 옥시다아제이다. 또한, 매개체는 페리시아나이드일 수 있다.

다른 실시양태에서, 제 2 전극의 전기적으로 전도성인 층은 금속성 층과 직접 접촉하여 배치된 비금속성의 전기 전도성 층을 추가로 포함할 수 있다. 그러한 실시양태에서, 제 1 전극 및 제 2 전극 둘 다의 비금속성의 전기 전도성 층은 탄소를 포함할 수 있다.

일부 실시양태에서, 제 2 전극의 귀금속 원소는 금을 포함한다. 다른 실시양태에서, 비금속성의 전기 전도성 층은 탄소를 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 기판은 열가소성 중합체를 포함할 수 있다.

또한, 기판을 제공하는 단계; 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층 또는 비금속성의 전기 전도성 층을 포함하는 제 1 층을 상기 기판 상으로 스퍼터링하는 단계; 및 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층 또는 비금속성의 전기 전도성 층을 포함하는 제 2 층을 제 1 층 상으로 스퍼터링하는 단계를 포함하는 활성화된 전기화학적 글루코스 바이오센서의 형성 방법이 본원에 개시되어 있다. 이 방법에서, 제 1 층이 비금속성의 전기 전도성 층인 경우 제 2 층은 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층이고, 제 1 층이 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층인 경우 제 2 층은 비금속성의 전기 전도성 층이다.

일부 실시양태에서, 제 1 및 제 2 스퍼터링 단계는 진공에서 일어난다. 다른 실시양태에서, 귀금속 원소는 팔라듐이다.

또한, 전기적으로 전도성인 층을 포함하는 제 1 전극, 전기적으로 전도성인 층을 포함하는 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극을 접속시키는 글루코스 반응성 스트립을 포함하되, 전기적으로 전도성인 층이 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층을 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서가 본원에 개시되어 있다. 이러한 실시양태에서, 제 1 전극의 전기적으로 전도성인 층은 팔라듐을 포함하는 금속성 층, 및 금속성 층과 직접 접촉하여 배치된 비금속성의 전기 전도성 층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 제 2 전극의 귀금속 원소는 금을 포함한다. 다른 실시양태에서, 비금속성의 전기 전도성 층은 탄소를 포함하고, 비금속성의 전기 전도성 층의 두께는 약 1 nm 내지 약 10 nm이다.

도 1은 글루코메터에서 시험 스트립의 화학 작용 및 작동의 기능성 블록 선도를 나타낸다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 여러 실시양태의 전극의 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 전극을 생성하기 위해 사용될 수 있는 롤-투-롤(roll-to-roll) 스퍼터링 챔버의 기능성 블록 선도를 나타낸다.
도 4는 금속성 층의 침착 후 하나의 실시양태의 전극의 단면도를 나타낸다.
도 5는 금속성 층 상에의 비금속성 층의 침착 후 하나의 실시양태의 전극의 단면도를 나타낸다.
도 6은 탄소와 팔라듐을 포함하는 전극, 탄소가 없는 노화된 팔라듐 전극, 및 탄소가 없는 새로운 팔라듐 전극에 대한 EIS 분석으로부터 발생한 그래프를 제공한다.
도 7은 유사한 특성을 추가로 나타내는 팔라듐/탄소 및 노화된 팔라듐 샘플의 그래프 CV 비교를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시양태의 전극을 포함하는 시험 스트립의 블록 선도를 나타낸다.

글루코스 모니터링의 다른 형태 또는 활성화가 바람직한 다른 용도를 위하여, 당뇨병 환자의 시험 스트립에서 전극으로서 사용될 수 있는 귀금속의 층을 제조하고 활성화하는 방법이 본원에 기재되어 있다. 본원에서 사용되는 용어 "활성화"는 실제로 노화가 발생되지 않으면서, 마치 특정 시간 노화된 것처럼 효과적으로 전극을 수행하게 하는 것을 포함한다. 따라서, 활성화된 제품은 처음 제조되는 경우("새로운" 제품) 일정 시간 동안 표준 선반 및 포장 조건하에서 착석하도록 허용된 제품("노화된" 제품)과 유사하게 수행하는 것일 것이다. 특정 포장, 제조 및 다른 기법을 사용하여 제품에 대한 노화 효과를 방해하거나 감소시킬 수 있음을 주목해야 한다. 그러나, 본 발명은 이와 관련되지 않고, 그것이 새로운 당시에 공지되고 일관된 "사전-노화된" 특성을 갖는 제품을 제조하여 추가의 노화로 인하여 제품이 변하는 것을 효과적으로 방해하는 것이 바람직하다.

활성화 개념은 전극에 대한 수명 효과를 효과적으로 고려하고, 제품을 초기에 수명 곡선 아래로 이동하도록 설계된다. (귀금속에 따라, 임의의 활성화가 수행되지 않은) 몇몇 귀금속 전극의 반응성은 일반적으로 제조 직 후 더 확연하고, 변화량은 시간이 흐르면서 감소한다. 보다 구체적으로, 몇몇 귀금속 전극(예컨대, 팔라듐)에 대한 변화는 100 일 보다 더 긴 시간 이내라기보다 제조 후 최초 100 일 이내에 상당히 더 확연한 것으로 주목되어 왔다. 더 나아가, 상당히 더 오래 노화된 제품은 종종 인쇄된 제품의 유효 기간을 준수하여 사용되지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 하나의 실시양태에서, "노화된" 제품은 상기 제품에 대한 표준 저장 조건하에 100 일 동안 유휴 상태로 놓아둔 당해 분야의 숙련자에게 알려진 유형의 전극을 포함한다. "새로운" 제품은 상기 조건에서 포장되고 초기에 놓인 당시의 제품을 포함한다. "활성화된" 제품은 새로운 경우 노화된 비활성화된 제품의 특성을 유사하게 가진 제품이다.

한 가지 주목할 것은 본원에 고려되는 전극이 노화되고 적어도 부분적으로 산화된 전통적인 전극과 유사하게 행동한다는 점이다. 그러나, 본원의 공정은 귀금속을 산화하는데 도움이 되지 않는다. 대신에, 본원에 논의된 전극 중 일부는 먼저 귀금속이 침착되고, 그 후 비금속성 층으로 코팅되며, 이는 임의의 특정 작동 방식으로 제한되지 않으면서, 전극으로 하여금 산화를 야기하지 않으면서 노화된 전극과 유사하게 만든다. 그러나, 일부 귀금속(예컨대, 금, 은 등)의 반응성은 일반적으로 시간이 흐르면서 동일하게 남아 있고, 따라서 코팅된 비금속성 층에 대한 필요성이 존재하지 않는다.

도 2는 시험 스트립의 일부로서 사용될 수 있는 다양한 전극(801)의 단면도를 제공한다. 특히, 이들 전극은 도 1 및 8에 나타낸 스트립의 작업 또는 상대 전극을 포함할 수 있다. 도 2a 내지 2c에 나타낸 바와 같이, 전극(801)은 금속성 층(201) 및 비금속성 층(203)을 포함한다. 금속성 층(201) 및 비금속성 층(203)은 금속성/비금속성(도 2a에 나타남), 비금속성/금속성(도 2b에 나타남) 또는 금속성/비금속성/금속성(도 2c에 나타남)의 순서로 기판(205) 상에 침착되어 전극 물질의 최고 활성을 생성한다. 목적하는 전극의 작동 및 특성에 따라 다른 정렬을 생성하기 위해(예컨대, 모의된 노화 시간) 추가의 금속성 또는 비금속성 층 및 정렬이 교대로 사용될 수 있는 것으로 인식해야 한다. 도 2d에 나타낸 바와 같이, 일부 전극(801)(예컨대, 금을 포함하는 것)에서 비금속성 층이 생략되는 것이 바람직할 수 있다.

일반적으로, 시험 스트립(800)은 둘 이상의 전극(801)을 포함할 것이고, 일반적으로 기판을 포함할 것이고, 이 기판 상으로 화학 성분(예컨대, 효소 및 매개체)이 또한 침착될 것이다. 이는 도 2에 나타낸 것들과 상이한 위치에서 화학물질이 침착된 기판(205)을 포함할 수 있거나, 또는 화학 작용을 위한 기반으로서의 역할을 하고, 여기에 시험 스트립 설계에 따라 기판(205)이 부착되는 상이한 기판을 포함할 수 있다. 더 나아가, 각각의 스트립(800)은 둘 이상의 비교적 동일한 전극(801)(구체적으로, 둘 다 동일한 귀금속, 예컨대 팔라듐으로 구성된 상대 전극 및 작업 전극) 또는 둘 이상의 상이한 전극(구체적으로, 예컨대 팔라듐으로 구성된 상대 전극 및 예컨대 금으로 구성된 작업 전극)을 포함할 수 있다. 추가로, 스트립(800)이 작동되도록 설계되는 글루코메터의 설계에 따라, 스트립(800)은 두 개 보다 많은 전극, 상이한 형태를 갖는 둘 이상의 전극, 또는 상이한 구조를 갖는 둘 이상의 전극을 포함할 수 있다. 시험 스트립의 실시양태는 도 8에 나타나 있다.

기판(205)(및 존재하는 경우 임의의 다른 기판)은 가요성 또는 강성인 임의의 물질을 포함할 수 있고, 이는 상기 논의된 고려되는 반응에 대해 화학적으로 불활성이고 일반적으로 비전도성이다. 이는 종종 플라스틱 형태일 것이고, 폴리에스터, 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 나일론 또는 다른 중합체를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.

일반적으로, 금속성 층(201)은 귀금속을 포함할 것이다. 귀금속의 구체적인 예는 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 실시양태에서, 금속은 산화된 형태를 제거하기 위해서 침착 시에 상업적으로 실시 가능한 가장 순수한 형태로 제공될 것이다. 금속은 일반적으로 약 10 nm 내지 약 10 ㎛, 바람직하게는 약 10 nm 내지 약 50 nm, 보다 바람직하게는 약 20 nm 내지 약 30 nm 범위의 매우 얇은 층으로서 여러 가지 공지된 침착 기법을 통해 가요성 기판 상에 침착될 것이다. 금속성 층은 기판 상에 침착된 귀금속의 표면 상에 침착되는 비금속성의 전기 전도성 층에 의해 활성화될 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 몇몇 경우, 비금속성 층의 침착에 의해 금속성 층을 활성화시키는 것이 불필요할 수 있다.

존재하는 경우, 비금속성 층은 일반적으로 당해 분야의 숙련자에게 공지된 임의의 전도성 비금속성 물질을 포함할 것이다. 이는 전도성 투명 코팅, 예컨대 비제한적으로 탄소(종종, 흑연 형태) 및 전도성 중합체의 물질을 포함하지만, 이에 제한되지 않고, 다른 실시양태에서 다른 전도성 비금속성 물질 및 이의 조합물이 사용될 수도 있다. 일반적으로, 비금속성 전도성 층은 금속성 층에 비해 매우 더 얇은 층을 포함할 것이고, 이는 대게 15 nm 내지 100 nm 범위의 팔라듐 전극에 대하여 1 nm 내지 10 nm 범위일 것이다.

도 3은 플라스틱 기판 상에서 금속성 및 비금속성 층 둘 다의 제어된 침착 방법으로서, 하나의 실시양태에서 스퍼터링을 위해 사용될 수 있는 롤-투-롤 코팅 시스템의 실시양태를 나타낸다. 일반적으로, 상기 롤-투-롤 코팅 시스템은 롤-투-롤 포맷으로 플라스틱 필름 상에 원자 수준의 코팅을 제공하며, 따라서 물질 비용이 줄며, 이는 전극 구조에 대한 바람직한 실시양태이다. 그 후, 롤은 잘려 나가 공지된 방식으로 각 시험 스트립의 특정한 전극 부분이 형성될 수 있다. 일반적으로, 스퍼터링 적용은 환경적인 인자에 의한 오염이 거의 없거나 전혀 없는 매우 깨끗하고 균질한 층을 제공하는데, 임의의 또는 모든 층이 진공 또는 불활성 환경에서 침착되어 순수한 코팅을 제공할 수 있기 때문이다. 그러나, 당해 분야의 숙련자는 스퍼터링이 반드시 필요하지 않고, 다른 침착 방법이 전극 구조에 이용될 수 있음을 이해할 것이다.

도 4 및 도 5는 공지된 방법에 따라 작동되는 도 3의 장치에 의해 형성되는 물질의 정렬을 나타낸다. 도 4에서, 초기 금속성 층은 제 1 스퍼터링 단계에서 침착되었다. 도 5에서, 비금속성 층은 제 2 스퍼터링 단계를 거쳐 그 위에 놓여졌다. 금속성 층은 임의의 귀금속을 사용하여 제조되지만, 도 4의 실시양태에서 이는 팔라듐을 포함한다. 층은 바람직하게는 매우 균일할 것이고, 일반적으로 일정한 두께를 가질 것이다. 도 5에서, 이러한 금속성 층은 그 위에 비금속성 층(이 경우 탄소)을 놓았다. 비금속성 층은 침착을 위한 비금속성 전도성 물질을 사용하여, 제어된 두께에서 동일한 스퍼터링 방법에 의하여 침착된다. 도 5에서, 비금속성 물질의 층은 1 ㎛ 이하의 두께, 바람직하게는 1 Å 내지 1 ㎛, 보다 바람직하게는 5 Å 내지 50 nm의 두께이다. 그러나, 이는 반드시 요구되는 것은 아니며, 다른 두께가 사용될 수도 있다.

층상화된 팔라듐 및 탄소를 포함하는 전극은 비금속성 층을 포함하지 않는 전극보다 그의 전기 특성의 수명 관련된 변경에 대해 더 저항력이 있고, 노화된(100 일) 플레인(plain) 팔라듐 전극과 유사한 전기 특성을 제공하는 것으로 결정되었다. 즉, 그러한 구조는 상기 논의한 바와 같이 활성화된다.

도 6은 탄소가 없는 노화된(150 일 지남) 팔라듐(약 26 내지 28 nm) 층 및 탄소가 없는 새로운(72 시간 미만이 지남) 팔라듐(28 nm) 층에 대한 탄소 층 전극을 갖는 새로운 샘플(72 시간 미만이 지남) 팔라듐(약 28 nm)(상이한 두께의 탄소 층을 갖는 3 개의 샘플)의 차이를 보여주는 EIS 분석을 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 노화되지 않은 팔라듐/탄소 층상화된 전극(0.5 ㎛ 두께의 탄소 층을 가짐)은 노화된 팔라듐 전극의 성능을 상당히 밀접하게 추적한다. 도 7은 추가로 유사한 특성을 나타내는 동일한 팔라듐/탄소 및 노화된 팔라듐 샘플의 CV 비교를 나타낸다.

도 6으로부터 명백해지는 바와 같이, 특정 수명을 갖는 전극은 탄소 층을 사용하여 "모의"될 수 있고, 탄소 층의 두께를 변화시켜 약간 상이한 특성을 얻을 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시양태로 현재 생각되는 것들을 비롯하여 특정 실시양태의 설명과 관련하여 개시되었지만, 상세한 설명은 예시적인 것으로 의도되며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해해서는 안 된다. 당해 분야의 숙련자에 의해 이해되는 바와 같이, 본원에서 상세하게 기재된 것과 다른 실시양태가 본 발명에 포함된다. 본원에 개시된 임의의 발명의 범주 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 기재된 실시양태의 변형 및 변화가 이루어질 수 있다.

본 발명의 임의의 단일 성분에 대하여 주어진 임의의 범위, 값 또는 특성은 본원의 임의의 다른 성분에 대하여 주어진 임의의 범위, 값 또는 특성과 호환적으로 사용되어, 양립 가능한 경우, 본원 전체에서 제공되는 성분 각각에 대하여 한정된 값을 갖는 실시양태를 형성할 수 있음이 더욱 이해될 것이다. 더 나아가, 항목 또는 부류에 제공된 범위는 달리 지적하지 않는 한 항목의 요소 또는 부류 내의 종에 또한 적용될 수 있다.

Claims (21)

1. 비전도성의 화학적으로 불활성인 기판을 포함하고, 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층 및 상기 금속성 층과 직접 접촉하여 배치된 비금속성의 전기 전도성 층을 포함하는 전기적으로 전도성인 층이 상기 기판 위에 배치되어 있는, 제 1 전극;
   비전도성의 화학적으로 불활성인 기판을 포함하고, 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층을 포함하는 전기적으로 전도성인 층이 상기 기판 위에 배치되어 있는, 제 2 전극; 및
   상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극을 접속시키는 글루코스 반응성 스트립
   을 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   제 1 전극의 귀금속 원소가 팔라듐인 전기화학적 글루코스 바이오센서.
3. 제 2 항에 있어서,
   제 1 전극 및 제 2 전극 둘 다에서 귀금속을 포함하는 금속성 층의 두께가 약 10 nm 내지 약 10 ㎛인 전기화학적 글루코스 바이오센서.
4. 제 2 항에 있어서,
   제 1 전극 및 제 2 전극 둘 다에서 귀금속을 포함하는 금속성 층의 두께가 약 10 nm 내지 약 50 nm인 전기화학적 글루코스 바이오센서.
5. 제 2 항에 있어서,
   제 1 전극 및 제 2 전극 둘 다에서 귀금속을 포함하는 금속성 층의 두께가 약 20 nm 내지 약 30 nm인 전기화학적 글루코스 바이오센서.
6. 제 2 항에 있어서,
   비금속성의 전기 전도성 층의 두께가 약 1 nm 내지 약 10 nm인 전기화학적 글루코스 바이오센서.
7. 제 2 항에 있어서,
   글루코스 반응성 스트립이 효소, 매개체 및 지시약을 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서.
8. 제 7 항에 있어서,
   효소가 글루코스 옥시다아제인 전기화학적 글루코스 바이오센서.
9. 제 8 항에 있어서,
   매개체가 페리시아나이드(ferricyanide)인 전기화학적 글루코스 바이오센서.
10. 제 2 항에 있어서,
    제 2 전극의 전기적으로 전도성인 층이 금속성 층과 직접 접촉하여 배치된 비금속성의 전기 전도성 층을 추가로 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서.
11. 제 10 항에 있어서,
    제 1 전극 및 제 2 전극의 비금속성의 전기 전도성 층이 탄소를 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서.
12. 제 2 항에 있어서,
    제 2 전극의 귀금속 원소가 금을 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서.
13. 제 12 항에 있어서,
    비금속성의 전기 전도성 층이 탄소를 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서.
14. 제 2 항에 있어서,
    비금속성의 전기 전도성 층이 탄소를 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서.
15. 제 2 항에 있어서,
    기판이 열가소성 중합체를 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서.
16. 기판을 제공하는 단계;
    귀금속 원소를 포함하는 금속성 층 또는 비금속성의 전기 전도성 층을 포함하는 제 1 층을 상기 기판 상으로 스퍼터링하는 단계; 및
    귀금속 원소를 포함하는 금속성 층 또는 비금속성의 전기 전도성 층을 포함하는 제 2 층을 상기 제 1 층 상으로 스퍼터링하는 단계
    를 포함하되,
    상기 제 1 층이 비금속성의 전기 전도성 층인 경우 상기 제 2 층은 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층이고,
    상기 제 1 층이 귀금속 원소를 포함하는 금속성 층인 경우 상기 제 2 층은 비금속성의 전기 전도성 층인,
    활성화된 전기화학적 글루코스 바이오센서의 형성 방법.
17. 제 16 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 스퍼터링 단계가 진공에서 일어나는 방법.
18. 제 16 항에 있어서,
    귀금속 원소가 팔라듐인 방법.
19. 팔라듐을 포함하는 금속성 층 및 상기 금속성 층과 직접 접촉하여 배치된 비금속성의 전기 전도성 층을 포함하는 전기적으로 전도성인 층을 포함하는 제 1 전극;
    귀금속 원소를 포함하는 금속성 층을 포함하는 전기적으로 전도성인 층을 포함하는 제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극을 접속시키는 글루코스 반응성 스트립
    을 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서.
20. 제 19 항에 있어서,
    제 2 전극의 귀금속 원소가 금을 포함하는 전기화학적 글루코스 바이오센서.
21. 제 19 항에 있어서,
    비금속성의 전기 전도성 층이 탄소를 포함하고, 비금속성의 전기 전도성 층의 두께가 약 1 nm 내지 약 10 nm인 전기화학적 글루코스 바이오센서.

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