KR20190048546A

KR20190048546A - 전도성 탄성 마이크로입자를 이용한 글루코스 센서 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20190048546A
Application number: KR1020170143600A
Authority: KR
Inventors: 김진웅; 최송이; 한상우
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-05-09
Also published as: KR102008366B1

Abstract

본 발명은 글루코스 농도를 센싱할 수 있는 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 글루코스 결합에 따른 압전 특성의 변화량을 통해 글루코스를 검출할 수 있는 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 글루코스 센서는 계속적인 사용이 가능하고, 적은 시료로도 측정이 가능하다는 현저한 장점을 가지고 있는 것으로, 제조공정이 쉽고, 가공성과 탄력성 및 신축성이 뛰어나므로 착용형 바이오 센서 및 글루코스 모니터링 분야에도 활용이 가능하다는 이점을 가지고 있다.

Description

전도성 탄성 마이크로입자를 이용한 글루코스 센서 및 이의 제조방법{Glucose sensor using conductive elastomeric microparticles and the manufacturing method thereof}

본 발명은 글루코스 농도를 센싱할 수 있는 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 글루코스 결합에 따른 압전 특성의 변화량을 통해 글루코스를 검출할 수 있는 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

바이오센서는 주로 의료용, 환경용, 식품용, 산업용, 군사용, 실험연구용 등이며, 의료용은 현재 가장 많이 이용되고 있는 분야로써 상용화 기술로는 혈당측정용 바이오센서와 임신진단용 키트 등이 있다. 혈당측정용 글루코스 센서는 포도당을 산화시키는 글루코스 산화효소(GOD, glucose oxidase)를 이용하는데, 혈액 내의 글루코스가 GOD와 반응하면 글루코닉산(gluconic acid)으로 바뀌게 된다. 글루코스가 산화될 때 산소 또는 산화된 매개체가 과산화수소 또는 환원된 매개체로 바뀌고, 다시 원래의 산화된 형태로 되돌아올 때 전자가 발생한다. 이 때 발생하는 전류를 측정하여 글루코스를 정량화한다. 글루코스 센서에 사용되는 효소인 GOD는 공급이 용이하고 다른 효소보다 pH, 이온강도, 온도에 대해 안정하며 GOD가 글루코스를 산화시키는 최적조건이 사람 혈액 속의 글루코스 농도와 일치한다.

현재 상품화 되어 있는 대부분의 혈당 센서는 당 산화효소를 작은 스트립 끝에 도입시킨 일회용 센서로, 손가락이나 기타 대체 부위에서 혈액을 채취하여 스트립에 접촉시켜 발생하는 효소 반응을 색깔 변화를 통해 검출하는 방식을 채택하고 있다. 이러한 방식은 측정할때마다 채혈 과정이 필요하고, 이전에 채혈했던 부위에서는 다시 채혈이 어렵기 때문에 반복 사용에 문제가 있다. 또한 채혈 방식의 숙련도와 채혈 부위에 따라 혈당 측정치의 정확도에 영향이 미치거나, 환자의 식사 혹은 공복상태에 따라 혈당 측정치가 변화하므로 단속적인 측정을 통해, 이러한 상태가 반영된 완전한 혈당을 측정하는 것이 불가능하다는 문제가 있다. 게다가 육안으로 정량화된 글루코스 농도를 식별할 수 없다는 한계점을 가지고 있으므로, 글루코스 농도의 정량화를 위해 별도의 측정장치가 요구된다는 점에서 휴대가 용이하지 않다는 제약이 존재한다.

당뇨가 심한 환자의 경우, 하루 5-6회의 채혈 및 혈당 측정이 권장되고 있고, 실제로 당뇨를 조절하기 위해 이보다 더 잦은 채혈과 높은 정확도를 필요로 하는데도 불구하고, 상기 나열된 문제점들 때문에, 연속적인 측정과 정확하지 않은 혈당 측정 결과로 인해 당뇨 조절에 어려움을 겪고 있으므로, 이러한 문제점을 해결하기 위해 채혈을 하지 않고도 정확하면서도 연속적인 모니터링을 할 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국등록특허 제10-0360774호

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 글루코스와 보론산의 결합에 의하여 생성되는 전류량 변화를 검출하여, 적은 양의 시료로도, 높은 감도로 글루코스 농도를 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 반복적인 사용이 가능한 글루토스 센서를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 글루코스 센서를 대량으로 생산할 수 있는 제조방법과 이를 이용하여 글루코스 농도를 높은 감도와 정확도로 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 기판의 상에 배치되고, 일정한 주기의 패턴이 형성되어 있는 스텐실; 및 상기 패턴 내에 도입되어 있는 전도성 탄성 마이크로입자;를 포함하고, 상기 전도성 탄성 마이크로입자는 1 내지 1000 MPa 탄성계수를 갖는 코어 입자; 상기 코어 입자의 표면에 형성된 쉘층; 및 상기 쉘층에 직접 결합되어 있는 보론산 유도체를 포함하는 표면개질막;을 포함하되, 상기 쉘층이 고분자층과 은 나노와이어층이 규칙적 내지 불규칙적으로 교대로 코팅되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 글루코스 센서를 제공한다.

상기 코어 입자는 천연 고무(natural rubber), 니트릴 고무(acrylonitrile-butadiene rubber), 스티렌부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber), 부틸 고무(isoprene-isobutylene rubber), 에틸렌프로피렌 고무(ethylene propylene rubber), 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무(chlorosulphonated polyethylene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 불소 고무(fluororubber), 다황화물계 고무(polysulfide rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 부타디엔 고무(butadiene rubber), 이소프렌 고무(isoprene rubber), 우레탄 고무(urethane rubber), 폴리올레핀계 열가소성 엘라스토머(polyolefin thermoplastic elastomer, TPE), 폴리스티렌계 TPE(polystyrene TPE), 폴리염화비닐 TPE(Polyvinyl chloride TPE), 폴리에스터 TPE(polyester TPE), 폴리우레탄 TPE(polyurethane TPE) 및 폴리아미드 TPE(polyamide TPE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.

상기 코어 입자의 평균 직경은 5 내지 500 ㎛일 수 있다.

상기 코어 입자의 탄성계수는 5 내지 500 MPa일 수 있다.

상기 쉘층의 고분자는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI), 폴리디알릴디메탈암모늄클로라이드(Poly(diallyldimethylammonium chloride, PDADMAC)), 폴리알릴아민염소산(Polyallylamine hydrochloride), 세틸트리메틸암모늄브로마이드(Cetyl trimethylammonium bromide, CTAB) 및 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.

상기 쉘층의 은 나노와이어는 길이와 직경이 0.5 내지 100 ㎚일 수 있다.

상기 보론산 유도체는 머캅토페닐 보론산(4-mercaptophenylboronic acid, MPBA), 메타크릴아미도페닐 보론산(methacrylamidophenyl-boronic acid), 비닐페닐보론산(vinylphenylboronic acid), 아미노페닐보론산(aminophenylboronic acid), 시아노페닐보론산(cyanophenylboronic acid), 디클로로페닐보론산(dichlorophenylboronic acid), 아미노카보닐페닐보론산(aminocarbonylphenylboronic acid), 디메틸페닐보론산(dimethylphenylboronic acid), 하이드록시페닐보론산(hydroxyphenylboronic acid), 프로필페닐보론산(propylphenylboronic acid), 클로로카보닐페닐보론산(chlorocarbonylphenylboronic acid), 니트로비닐페닐보론산(nitrovinylphenylboronic acid), 2,4-벤질로기피리미딘-5-보론산(2,4-bis(benzyloxy)pyrimidin-5-boronic acid), 및 2-브로모-3-보론산(2-bromopyridine-3-boronic acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.

상기 쉘층은 1 내지 100 층일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 10층일 수 있다.

상기 패턴은 동일한 크기를 갖는 원기둥 형태의 홀이 일정한 주기로 배열되어 있는 구조이고, 상기 원기둥 형태의 홀은 높이가 10 내지 100 ㎛이고, 평균직경이 10 내지 100 ㎛일 수 있다.

본 발명은 상기 다른 목적을 이루기 위하여, 아래 단계를 포함하는 글루코스 센서의 제조방법을 제공한다.

1) 분산상 용액과 연속상 용액을 마이크로플루딕스 미세유체장치에 주입하여 코어 입자를 제조하는 단계;

2) 상기 코어 입자 표면에 고분자 수용액과 은 나노와이어 분산액을 교대로 주입하여 쉘층을 형성하는 단계;

3) 상기 쉘층 표면에 보론산 유도체 용액을 처리하여 표면개질하여, 전도성 탄성 마이크로입자를 제조하는 단계; 및

4) 상기 3) 단계를 통해 회수한 전도성 탄성 마이크로입자를 원하는 원기둥 패턴을 갖는 스텐실 상에 패터닝하여 글루코스 센서를 제조하는 단계.

본 발명은 상기 다른 목적을 이루기 위하여, 아래 단계를 포함하는 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법을 제공한다.

A) 일정 압력하에서, 제1항에 따른 글루코스 센서에 전압을 인가하는 단계;

B) 상기 A) 단계의 글루코스 센서에 시료를 접촉시키고, 전류세기를 측정하는 단계; 및

C) 상기 B) 단계에서 측정한 전류세기를 분석하는 단계.

상기 A) 단계에서 1 내지 100 kPa 압력을 가하는 것일 수 있다.

상기 A) 단계에서 인가되는 전압은 기준 전극 대비 -0.1 내지 10 V일 수 있다.

본 발명에 따른 글루코스 센서는 계속적인 사용이 가능하고, 적은 시료로도 측정이 가능하다는 현저한 장점을 가지고 있는 것으로, 제조공정이 쉽고, 가공성과 탄력성 및 신축성이 뛰어나므로 착용형 바이오 센서 및 글루코스 모니터링 분야에도 활용이 가능하다는 이점을 가지고 있다.

도 1a는 유리모세관 기반의 마이크로플루딕스 장치를 도시한 것이다.
도 1b는 제조예 4를 통해 제조된 전도성 탄성 마이크로입자의 구조를 도시한 도면이다.
도 1c는 실시예 1을 통해 제조된 글루코스 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 제조예 1로부터 제조된 코어 입자를 광학현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3은 폴리우레탄으로 이루어진 코어 입자 표면에, 다층박막적층법을 통해 복합막(PEI/AgNWs)이 쉘층으로 코팅된 코어-쉘 마이크로입자를 제조하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 제조예 2, 제조예 3으로부터 제조된 코어-쉘 마이크로입자를 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 5는 제조예 4로부터 제조된 전도성 탄성 마이크로입자를 에너지 분산형 X선 분석(Energy Dispersive X-ray Spectrometer, EDX) 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 글루코스 센서와 글루코스의 반응을 도시화한 도면이다.
도 7은 실시예 1-1)로부터 제조된 스텐의 광학현미경 사진(a)과, 실시예 1-2)로부터 제조된 글루코스 센서의 광학현미경 사진(b) 및 형광현미경 사진(c)이다.
도 8은 실시예 1을 통해 제조된 글루코스 센서를 이용하여 글루코스를 검출하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 9a는 다양한 농도의 글루코스 용액을 처리하였을 때, 실시예 1로부터 제조된 글루코스 센서에서 측정된 각각의 전류량을 나타낸 그래프이다. 도 9b는 도 9a로부터 얻어진 결과에서, 각 글루코스 농도에 따른 평균값을 제도한 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 일측면은 기판의 상에 배치되고, 일정한 주기의 패턴이 형성되어 있는 스텐실; 및 상기 패턴 내에 도입되어 있는 전도성 탄성 마이크로입자;를 포함하고, 상기 전도성 탄성 마이크로입자는 1 내지 1000 MPa 탄성계수를 갖는 코어 입자; 상기 코어 입자의 표면에 형성된 쉘층; 및 상기 쉘층에 직접 결합되어 있는 보론산 유도체를 포함하는 표면개질막;을 포함하되, 상기 쉘층이 고분자와 은 나노와이어가 규칙적 내지 불규칙적으로 교대로 코팅되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 글루코스 센서에 관한 것이다.

도 1a는 유리모세관 기반의 마이크로플루딕스 장치를 도시한 것이고, 도 1b는 제조예 4를 통해 제조된 전도성 탄성 마이크로입자의 구조를 도시한 도면이고, 도 1c는 실시예 1을 통해 제조된 글루코스 센서의 구조를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 글루코스 센서는 기판(150) 상에 배치되어 있고, 일정한 주기의 패턴이 형성되어 있는 스텐실(140);과 상기 패턴 내에 도입되어 있는 전도성 탄성 마이크로입자(100);로 구성되어 있다(도 1c).

상기 기판은 각종 생체 시료에 영향을 미치지 않는 고체로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 금속, 플라스틱, 실리카 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

상기 스텐실은 다음과 같은 과정을 통해 일정한 주기의 패턴이 형성되어 있는 것으로써, 일정한 주기의 패턴으로 전도성 탄성 마이크로입자(100)를 배열하기 위한 역할을 수행하기 위해 도입된다.

1) 일정한 주기의 패턴이 형성되어 있는 포토리지스트층을 베이스 부재상에 부착하고, 이를 마스크로 하여 식각함으로써, 양각 패턴을 갖는 베이스 부재를 제조하는 단계;

2) 상기 1) 단계를 통해 제작된 양각 패턴을 갖는 베이스 부재 상에 폴리머층으로 임프린팅을 통해 음각 패턴을 형성하는 단계;

3) 상기 음각 패턴을 갖는 폴리머층에서 패턴면을 평평한 소수성 기판에 접촉시킨 후, 상기 접촉면에 경화성 고분자를 도포함으로써, 상기 패턴면의 음각 부분의 빈 공간으로 유입되어, 패터닝되는 단계;

4) 상기 패터닝된 경화성 고분자를 고형화한 후, 몰드를 탈거하여 상기 기판 상에 일정한 주기의 패턴이 형성되어 있는 스텐실을 제조하는 단계;

여기서, 상기 경화성 고분자는 PUA(Polyurethane acrylate)이고, 상기 폴리머층은 PDMS층인 것이 바람직하다.

또한, 상기 스텐실 상에 형성된 패턴은 동일한 크기를 갖는 원기둥 형태의 홀이 일정한 주기로 배열되어 있는 구조로, 상기 원기둥 형태의 홀은 높이가 10 내지 100 ㎛이고, 평균직경이 10 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 스텐실을 이용하지 않고, 평평한 기판 상에 전도성 탄성 마이크로입자를 도입할 경우, 일정한 주기의 패턴으로 전도성 탄성 마이크로입자를 배열시키는데 어려움이 있고, 공정상 추가적인 비용과 시간이 소요되며, 정밀하게 패턴을 제어하는 것이 불가능하다는 문제가 존재한다. 이러한 문제들로 인해, 글루코스 센서의 민감도 및 정확도가 저하될 수 있다. 게다가 상기 스텐실은 재사용이 가능하므로, 비용을 현저히 절감할 수 있다.

또한, 상기 전도성 탄성 마이크로입자는 1 내지 1000 MPa 탄성계수를 갖는 코어 입자(110); 상기 코어 입자(110)의 표면에 형성된 쉘층(120); 및 상기 쉘층에 직접 결합되어 있는 보론산 유도체를 포함하는 표면개질막(130);을 포함하는데, 이때, 상기 쉘층(120)은 고분자층(121)와 은 나노와이어층(122)이 규칙적 내지 불규칙적으로 교대로 코팅되어 형성되어 있다.

상기 글루코스 센서는, 상기 전도성 탄성 마이크로입자의 표면개질막에 존재하는 보론산과 글루코스가 반응함으로써, 전류량의 변화를 나타내게 되고, 이를 측정하여 글루코스 농도를 검출할 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따라 제조된 글루코스 센서에 압력을 가하면, 전도성 탄성 마이크로입자의 모양이 변형되어, 쉘층에 존재하는 은 나노와이어의 접합점이 손실되어, 전류량이 거의 검출되지 않는 상태로 있다가, 글루코스 센서의 표면에 존재하는 보론산과 글루코스가 반응하면 접합점의 손실이 감소하게 되고, 이를 통해 출력 전류값이 상승하게 되므로, 상기 전류량에 따라 글루코스 농도를 정량화할 수 있게 되는 것이다.

즉, 본 발명의 센서는 코어 입자의 탄성과 쉘층의 은 나노와이어에 의한 전도성을 활용한 것으로, 글루코스와 접촉시 화학적 반응을 통해 접합점의 손실이 감소되면서 전류량이 상승하게 되는 것으로써, 은 나노와이어의 접합점에 의한 전류변화를 측정하는 것이기 때문에 감도 및 정확도가 우수하고, 글루코스 농도 0.01 ㎎/㎗도 검출할 수 있을 정도로 감도가 우수하다.

일반적인 센서는 압력에 의한 입자 모양의 변형에 의해서 상승되는 출력 전류량을 측정하거나, 효소를 이용한 전기화학적 반응을 통한 전류량 변화를 측정하는데 반해, 본 발명은 이와는 전혀 상이한 방식을 통해 글루코스의 농도를 측정할 수 있으며, 주어진 압력에서 은 나노와이어의 접합점 손실을 준 후, 이로부터 변화하는 전류량을 측정하는 것이기 때문에, 탄성 회복율에 영향을 입지 않을뿐만 아니라 효소의 유실에 따른 수명저하 문제가 존재하지 않으므로 장기간 사용이 가능하다는 장점이 있다.

이는 종래의 글루코스 센서와 비교하였을 때, 계속적인 사용이 가능하고, 적은 시료로도 측정이 가능하다는 현저한 장점을 가지고 있는 것으로, 제조공정이 쉽고, 가공성과 탄력성 및 신축성이 뛰어나므로 착용형 바이오 센서 및 글루코스 모니터링 분야에도 활용이 가능하다는 이점을 가지고 있다.

상기 코어 입자는 천연 고무(natural rubber), 니트릴 고무(acrylonitrile-butadiene rubber), 스티렌부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber), 부틸 고무(isoprene-isobutylene rubber), 에틸렌프로피렌 고무(ethylene propylene rubber), 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무(chlorosulphonated polyethylene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 불소 고무(fluororubber), 다황화물계 고무(polysulfide rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 부타디엔 고무(butadiene rubber), 이소프렌 고무(isoprene rubber), 우레탄 고무(urethane rubber), 폴리올레핀계 열가소성 엘라스토머(polyolefin thermoplastic elastomer, TPE), 폴리스티렌계 TPE(polystyrene TPE), 폴리염화비닐 TPE(Polyvinyl chloride TPE), 폴리에스터 TPE(polyester TPE), 폴리우레탄 TPE(polyurethane TPE) 및 폴리아미드 TPE(polyamide TPE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있는데, 바람직하게는 폴리우레탄 TPE일 수 있다.

상기 코어 입자의 평균 직경를 조절할 경우, 글루코스의 농도에 따라 높은 민감도와 정확도를 구현할 수 있도록 할 수 있고, 이를 위해 상기 코어 입자의 평균 직경은 5 내지 500 ㎛이고, 탄성계수는 5 내지 500 MPa인 것이 바람직하다. 상기 코어 입자의 평균 직경이 5 ㎛ 미만이거나, 탄성계수가 5 MPa 미만인 경우, 탄성 회복력이 낮아지기 때문에, 측정할 수 있는 글루코스 농도의 범위가 좁아지게 되는 문제가 발생할 수 있다. 또한 상기 코어 입자의 평균 직경이 500 ㎛를 초과하거나 탄성계수가 500 MPa를 초과하는 경우에는 글루코스 농도에 따른 전류 변화가 작아 민감도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 상기 전도성 탄성 마이크로입자의 모양은 반드시 이에 제한되는 것은 아니지만, 구형, 막대형, 와이어형, 피라미드형, 큐브형 및 프리즘형 중에서 선택될 수 있는데, 바람직하게 마이크로플루딕스를 통해 제조공정의 간편화를 달성하기 위해서는 구형인 것이 가장 좋다.

상기 쉘층의 고분자는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI), 폴리디알릴디메탈암모늄클로라이드(Poly(diallyldimethylammonium chloride, PDADMAC)), 폴리알릴아민염소산(Polyallylamine hydrochloride), 세틸트리메틸암모늄브로마이드(Cetyl trimethylammonium bromide, CTAB) 및 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으나, 바람직하게는 폴리에틸렌이민일 수 있다.

상기 쉘층의 은 나노와이어는 길이와 직경이 0.5 내지 100 ㎚인 것일 수 있는데, 상기 은 나노와이어의 길이 혹은 직경이 0.5 ㎚ 미만일 경우에는 압력이 가해지지 않아도, 은 나노와이어 간에 접합점이 충분히 형성되지 않아 글루코스 센서로 작동하지 않게되는 문제가 발생할 수 있고, 100 ㎚를 초과할 경우 은 나노와이어 간에 과도하게 접합점이 형성되게 되어 압력이 가해짐에도 불구하고 접합점이 소실되지 않아, 전류량 변화를 측정할 수 없게되는 문제가 발생할 수 있다.

상기 쉘층은 다층박막적층법에 의해 양전하를 띄는 고분자와 음전하를 띄는 은 나노와이어가, 상호간의 정전기적 인력, 을 이용하여 교대로 결합시켜 적층하여 형성된 것으로, 원하는 두께와 물성을 갖는 복합막이 균일하게 형성되어 있는 것이다.

상기 쉘층은 1 내지 100 ㎚의 두께를 갖는 고분자층과 은 나노와이어층이 각각 1 내지 100층으로 적층되어 있다. 다만 상기 쉘층의 두께가 두꺼워질수록 전도성 탄성 마이크로입자의 탄성이 낮아지게 되어, 변형률이 작아지게 되므로, 글루코스 농도에 따른 전류량의 변화폭이 줄어들게 되면, 글루코스를 민감하게 측정하기 어렵기 때문에, 상기 쉘층은 1 내지 10층으로 이루어져 있는 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 전도성 탄성 마이크로입자는 상기와 같은 구성을 가질 경우, 센서 민감도가 약 1.5 배에서 최대 3 배까지 차이가 나는 현저한 차이를 나타내며(미도시), 본 발명의 쉘층이 폴리에틸렌이민층과 은 나노와이어층의 복합막(1 내지 10층)일 경우, 민감도가 더욱 증진되었음을 확인하였다.

상기 보론산 유도체는 머캅토페닐 보론산(4-mercaptophenylboronic acid, MPBA), 메타크릴아미도페닐 보론산(methacrylamidophenyl-boronic acid), 비닐페닐보론산(vinylphenylboronic acid), 아미노페닐보론산(aminophenylboronic acid), 시아노페닐보론산(cyanophenylboronic acid), 디클로로페닐보론산(dichlorophenylboronic acid), 아미노카보닐페닐보론산(aminocarbonylphenylboronic acid), 디메틸페닐보론산(dimethylphenylboronic acid), 하이드록시페닐보론산(hydroxyphenylboronic acid), 프로필페닐보론산(propylphenylboronic acid), 클로로카보닐페닐보론산(chlorocarbonylphenylboronic acid), 니트로비닐페닐보론산(nitrovinylphenylboronic acid), 2,4-벤질로기피리미딘-5-보론산(2,4-bis(benzyloxy)pyrimidin-5-boronic acid), 및 2-브로모-3-보론산(2-bromopyridine-3-boronic acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 바람직하게 본 발명의 실시예에서는 머캅토페닐 보론산(4-mercaptophenylboronic acid, MPBA)을 사용하였다.

또한, 본 발명에 따른 글루코스 센서는 일정한 주기의 패턴이 형성되어 있는 스텐실을 사용함으로써, 원하는 패턴으로 전도성 탄성 마이크로입자를 배열시킬 수 있는 바, 시료와의 접촉을 통해 글루코스 농도를 정량화할 수 있는 글루코스 센서 분야에 유용하게 적용할 수 있다.

나아가 본 발명은 높은 신축성과 탄력성을 가지고 있어, 장소에 제약없이 글루코스 농도를 검출할 수 있는 센서를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 웨어러블 기기로써도 응용 가능하다.

본 발명의 다른 측면은 하기 단계를 포함하는 마이크로입자의 제조방법에 관한 것이다.

4) 상기 3) 단계를 통해 회수한 전도성 탄성 마이크로입자를 원하는 원기둥 패턴을 갖는 스텐실 상에 패터닝하여 글루코스 센서를 제조하는 단계;

우선, 1) 분산상 용액과 연속상 용액을 제조하여, 이를 마이크로플루딕스 미세유체장치에 주입하여 코어 입자를 제조한다.

제조과정에 있어서 코어 입자를 형성하는데, 분산상 용액의 유량과 연속상 용액의 유량에 의해, 상기 코어 입자의 평균 직경이 결정되는 것이기 때문에, 일률적인 수치로 정의할 수 없으나, 각 시스템에서 단순한 반복 실험에 의해 결정될 수 있다.

글루코스의 농도에 따라 높은 민감도와 정확도를 구현할 수 있도록 하기 위해 상기 코어 입자의 평균 직경은 5 내지 500 ㎛이고, 탄성계수는 5 내지 500 MPa이 되도록 유량을 조절하는 것이 바람직하다.

분산상 용액은 코어 입자를 형성하는 전구체라면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 폴리우레탄 전구체를 포함하며, 상기 연속상 용액은 코어 입자의 표면에 음전하를 도입할 수 있는 물질이라면 특별히 이에 제한되지 않으나, 바람직하게는 우레탄 이온단량체 및 유기용매를 포함하는 것일 수 있다.

상기 마이크로플루딕스 미세유체장치는 일정직경의 관 내에 설되어 있는 것으로, 모세관으로부터 분산상 용액이 주입되고, 상기 일정직경의 관을 통해 분산상과 혼합되지 않는 연속상 용액이 주입된다(도 1a 참조).

다음 2) 상기 코어 입자 표면에 고분자 수용액과 은 나노와이어 분산액을 교대로 주입하여 쉘층을 형성한다.

상기 2) 단계는 다층박막적층법에 의해, 상기 코어 입자 표면에 양전하를 띄는 고분자층과 은 나노와이어층이 교대로 적층되어 다층의 복합막인 쉘층을 형성하는 것으로, 일 예로 양전하를 띄는 폴리에틸렌이민층이 적층되고, 상기 양전하를 띄는 폴리에틸렌이민층 상에 음전하를 띄는 은나노와이어층이 적층되고, 상기 은 나노와이어층 상에 다시 양전하를 띄는 폴리에틸렌이민층이 적층될 수 있다.

이때, 상기 다층박막적층법라 함은 양전하를 띄는 고분자 물질과, 반대로 음전하를 띄는 은 나노와이어와 상호간의 정전기적 인력, 수소 결합, 전자 전달(electron transfer)와 같은 분자간 인력을 이용하여 교대로 결합시켜 적층함으로써 기능성 다층박막을 제작할 수 있는 기술을 의미한다.

본 발명에서는 양전하를 띄는 폴리에틸렌이민층에 음전하를 띄는 은 나노와이어를 적층함으로써, 정전기적 상호인력에 기반한 다층박막적층법을 활용하여 원하는 두께와 물성을 갖는 쉘층을 형성하였다.

또한, 이러한 다층박막적층법을 활용함으로써, 상기 쉘층은 고분자층과 은 나노와이어층이 균일하게 적층될 수 있다.

3) 상기 쉘층 표면에 보론산 유도체 용액을 처리하여 표면개질하여, 전도성 탄성 마이크로입자를 제조한다.

본 발명은 상기 쉘층 표면에 보론산 유도체 용액을 처리함으로써, 글루코스와 접촉시, 글루코스 디올기(-diol)와 반응하여 고리형 보로네이트 에스터를 생성하여, 전류량 변화를 발생할 수 있는 보론산을 포함하는 표면개질막을 형성할 수 있다. 이러한 일련의 반응을 통해 전류량의 변화를 통해 글루코스의 농도를 검출할 수 있게 된다.

상기 보론산 유도체는 머캅토페닐 보론산(4-mercaptophenylboronic acid, MPBA), 메타크릴아미도페닐 보론산(methacrylamidophenyl-boronic acid), 비닐페닐보론산(vinylphenylboronic acid), 아미노페닐보론산(aminophenylboronic acid), 시아노페닐보론산(cyanophenylboronic acid), 디클로로페닐보론산(dichlorophenylboronic acid), 아미노카보닐페닐보론산(aminocarbonylphenylboronic acid), 디메틸페닐보론산(dimethylphenylboronic acid), 하이드록시페닐보론산(hydroxyphenylboronic acid), 프로필페닐보론산(propylphenylboronic acid), 클로로카보닐페닐보론산(chlorocarbonylphenylboronic acid), 니트로비닐페닐보론산(nitrovinylphenylboronic acid), 2,4-벤질로기피리미딘-5-보론산(2,4-bis(benzyloxy)pyrimidin-5-boronic acid), 및 2-브로모-3-보론산(2-bromopyridine-3-boronic acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 머캅토페닐 보론산(4-mercaptophenylboronic acid, MPBA)일 수 있다.

4) 상기 3) 단계를 통해 회수한 전도성 탄성 마이크로입자를 일정한 주기의 패턴을 갖는 스텐실 상에 패터닝하여 글루코스 센서를 제조한다.

상기 스텐실은 일정한 주기의 패턴이 형성되어 있는 것으로, 상기 스텐실 상에 형성된 패턴은 동일한 크기를 갖는 원기둥 형태의 홀이 일정한 주기로 배열되어 있는 구조이며, 상기 원기둥 형태의 홀은 높이가 10 내지 100 ㎚이고, 평균직경이 10 내지 100 ㎚인 것이 바람직하다. 상기 스텐실을 이용하지 않고, 평평한 기판 상에 전도성 탄성 마이크로입자를 도입할 경우, 일정한 주기의 패턴으로 전도성 탄성 마이크로입자를 배열시키는데 어려움이 있고, 공정상 추가적인 비용과 시간이 소요되며, 정밀하게 패턴을 제어하는 것이 불가능하다는 문제가 존재한다. 이러한 문제들로 인해, 글루코스 센서의 민감도 및 정확도가 저하될 수 있다. 게다가 상기 스텐실은 재사용이 가능하므로, 비용을 현저히 절감할 수 있다.

본 발명의 글루코스 센서는 상기와 같은 구성을 가질 경우, 센서 민감도가 약 1.5 배에서 최대 3 배까지 차이가 나는 현저한 차이를 나타내며(미도시), 본 발명의 쉘층이 폴리에틸렌층과 은 나노와이어층의 복합막(1 내지 10층)일 경우, 민감도가 더욱 증진되었음을 확인하였다.

본 발명의 또 다른 측면은 아래 단계를 포함하는 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도를 측정하는 방법에 관한 것이다.

A) 일정 압력하에서, 상기 글루코스 센서에 전압을 인가하는 단계;

C) 상기 B) 단계에서 측정한 전류세기를 분석하는 단계.

상기 글루코스 센서에는 일정 압력과, 전압이 인가되면, 상기 글루코스 센서에 도입되어 있는 전도성 탄성 마이크로입자의 모양이 변형되고, 쉘층에 존재하는 은 나노와이어의 접합점이 손실되어 전류량이 발생하지 않는다(A 단계).

상기 일정압력과 전압이 인가되어 있는 글루코스 센서에 시료를 접촉시키면, 상기 글루코스 센서는 시료 중의 글루코스와 반응하게 되고, 이로부터 전류를 발생시키게 된다. 따라서 상기 글루코스 센서로부터 발생한 전류는 검출신호로 상기 글루코스 센서와 연결되어 있는 전극으로 출력할 수 있다(B 단계).

상기 A) 단계에서 0.1 내지 10 MPa 압력과 기준 전극 대비 -0.1 내지 10 V의 전압이 인가될 수 있다. 만약 상기 범위를 벗어날 경우 글루코스 센서로부터 검출될 수 있는 글루코스의 농도 범위가 좁아지는 문제가 발생할 수 있다.

상기 시료는, 분석하고자 하는 글루코스를 함유하는 것으로 의심되는 생물학적 물질을 의미하는 것으로, 예컨대 혈액, 간질액, 타액, 접안 렌즈 유체, 뇌척수액, 땀, 소변, 젖, 복수, 점액, 비강유체(nasal fluid), rorguf, 관절혈액, 복강액 등을 포함하며, 생리적 유체와 같은 어떠한 생물학적 공급원으로부터도 유래될 수 있다.

상기 글루코스 센서는 비효소형이기 때문에, 시료 중의 글루코스 농도가 낮은 경우에도, 시료 중의 글루코스 농도에 따라 구분가능하게 변화하는 전류량을 출력할 수 있다.

효소를 사용하는 효소형 센서의 경우, 시료 중의 글루코스 농도가 낮은 경우에는, 글루코스 농도에 따라 구분가능하게 변화는 전류 세기를 출력하기가 어려우나, 본 발명에 따른 비효소형 글루코스 센서는 글루코스의 존재 여부 뿐만 아니라 글루코스 농도를 검출하는데 충분한 전류량 변화를 나타내는 장점을 갖는다.

또한 보론산과 글루코스의 디올기의 반응을 통해 글루코스를 도출할 수 있기 때문에, 시료 중에 불순물이 존재하는 경우에도 글루코스에 대해 높은 선택성을 가지므로, 상기 글루코스 센서로부터 측정된 전류는 글루코스의 존재여부 및 글루코스의 농도를 대표할 수 있다.

상술한 과정을 통해 측정된 전류세기는, 이전 측정 실행에서 얻은 전류세기에 따른 글루코스 농도의 검량선을 사용하여, 이에 대응하는 전류세기값을 통해 글루코스 농도를 분석할 수 있다(C 단계).

글루코스의 농도를 분석함에 있어서, 검량선을 대신하여 전류 세기와 농도가 대응된 테이블을 이용할 수도 있다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

제조예 1. 코어 입자의 제조

도 1a에 도시된 유리모세관 기반의 마이크로플루딕스 미세유체장치를 사용하여, 탄성을 갖는 코어 입자를 제조하였다. 본 발명에서 사용된 각각의 시약은 다음의 회사로부터 구입하여 사용하였다. 폴리비닐알코올 (Polyvinylalcohol, PVA), 톨루엔 (Toluene)은 시그마알드리치 (Sigma Aldrich), 클로로포름 (Chloroform)은 대정, 우레탄 단량체는 오비탈월드 (Orbital World), 우레탄 이온단량체는 미원스페샬티케미칼 (Miwon specialty Chemical)에서 구입하였다.

가장 먼저, 폴리우레탄 액적을 합성하기 위하여 분산상(dispersion fluid)과 연속상(outer fluid) 용액을 제조하였다.

분산상 용액은 우레탄(urethane) 1 ㎖와 톨루엔·클로로포름 혼합액 (1.8:1 v/v) 4 ㎖를 섞어 제조하였다. 연속상 용액은 0.308 ㎖의 우레탄 이온단량체(urethane ionomer)를 10 중량%의 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA) 수용액에 녹여 10 ㎖ 제조하였다. 이때 상기 우레탄 이온단량체는 우레탄 입자의 표면에 음전하를 도입하기 위한 것으로, 상기 우레탄 이온단량체는 -10 mV 제타 퍼텐셜인 것을 사용하였다.

상술한 과정을 통해 제조된 분산상 용액을 연속상 용액에 마이크로플루딕스 장치를 통해 주입하였고, 분산상 용액의 유량(flow rate)와 연속상 용액의 유량을 제어하여, 합성되는 폴리우레탄 액적의 크기를 조절할 수 있다. 본 제조예 1에서 제조된 폴리우레탄 액적의 평균 직경은 95 ㎛였다.

다음으로, 상기 제조된 폴리우레탄 액적을 45 ℃, 100 mmHg의 조건으로 용매를 증발시키고, 폴리우레탄 액적의 평균 직경이 45 내지 50 ㎛이 되었을 때, 365 ㎚ 파장의 자외선을 조사함으로써, 도 2에서와 같이 폴리우레탄 코어 입자를 합성하였다. 이는 음전하를 띄는 폴리우레탄의 탄성 코어 입자이다.

도 2는 제조예 1로부터 제조된 코어 입자를 광학현미경으로 촬영한 사진이고, 이를 통해 코어 입자의 크기 분포(평균 직경 분포)가 매우 균일하게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 상기 제조예 1로부터 제조된 코어 입자는 약 100 MPa의 탄성계수(modulus)를 가지고 있음을 확인하였다.

제조예 2 내지 3. 코어-쉘 마이크로입자 제조.

상기 제조예 1로부터 제조된 코어 입자의 표면에 쉘층을 형성하여, 코어-쉘 마이크로입자를 제조하였다. 쉘층은 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI)과 은 나노와이어(AgNWs)층이 교대로 반복 코팅되어 형성된 것이다.

본 발명에서 사용된 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI), 은 나노와이어, 이소프로필알코올 (Isopropyl alcohol), 염화나트륨 (Sodium chloride)은 모두 시그마 알드리치에서 구입한 것이다.

가장 먼저, 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine, PEI) 0.25 g과 염화나트륨 0.29 g을 물 10 g에 녹여 PEI 수용액을 제조하였다. 이후 이소프로필알코올에 0.5 중량%으로 은 나노와이어를 분산시켜 은 나노와이어 분산액을 제조하였다.

상기 PEI 수용액에 제조예 1로부터 합성된 코어 입자를 첨가하여 30분 동안 반응시켜, 양전하를 띄는 폴리에틸렌이민층이 1차적으로 코팅된 1차 코어-쉘 마이크로입자를 생성한 후, 이를 원심분리하여 불순물을 제거하고 1차 코어-쉘 마이크로입자만을 분리하였다. 분리된 1차 코어-쉘 마이크로입자를 5번 반복하여 세척한 후, 은 나노와이어 분산액에 첨가하여, 120 rpm에서 90분 동안 흔들어 1차 폴리에틸렌층 상에 은 나노와이어(AgNWs)층를 코팅하여 2차 코어-쉘 마이크로입자를 제조하였다. 이를 다시금 원심분리하여 불순물을 제고하고, 2차 코어-쉘 마이크로입자만을 분리한 다음, 5번 반복하여 세척하였다.

상기 폴리에틸렌과 은나노와이어를 이용한 코팅과정을 수회 반복하는 다층박막적층법을 이용해, 폴리에틸렌층과 은나노와이어층이 교대로 코팅된 복합막(PEI/AgNWs)이 쉘층으로 형성되어 있는 코어-쉘 마이크로입자를 제조하였다.

여기서, 제조예 2는 상기 폴리에틸렌층을 코팅하고 은 나노와이어층을 코팅하는 과정을 2회 반복하여 제조된 코어-쉘 마이크로입자(2회)이고, 제조예 3은 상기 폴리에틸렌층을 코팅하고 은 나노와이어층을 코팅하는 과정을 3회 반복하여 제조된 코어-쉘 마이크로입자(3회)이다.

도 3은 폴리우레탄으로 이루어진 코어 입자 표면에, 다층박막적층법을 통해 복합막(PEI/AgNWs)이 쉘층으로 코팅된 코어-쉘 마이크로입자를 제조하는 과정을 나타낸 모식도이다.

도 4는 제조예 2, 제조예 3으로부터 제조된 코어-쉘 마이크로입자를 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 촬영한 사진으로, 이를 통해 제조예 2로부터 제조된 코어-쉘 마이크로입자는 폴리우레탄으로 이루어진 코어 입자 표면에, 폴리에틸렌과 은 나노와이어로 이루어진 복합층이 쉘층(PEI/AgNWs)으로 잘 코팅되어 있음을 확인하였다. 또한 은 나노와이어가 쉘층에 골고루 분산되어 있음을 확인하였다.

제조예 4 및 5. 글루코스를 검출할 수 있는 전도성 탄성 마이크로입자 제조

글루코스를 센싱할 수 있도록, 제조예 2 또는 3으로부터 제조된 코어-쉘 마이크로입자 표면을 머캅토페닐 보론산(Mercaptophenylboronic acid, MPBA)으로 개질하여, 전도성 탄성 마이크로입자를 제조하였다.

본 제조예에서 MPBA는 알라딘(Aladdin industrial corporation)으로부터 구입한 것을 사용하였다.

가장 먼저, 7.7 ㎎의 MPBA와 50 ml의 에탄올을 혼합하여 5 mM의 MPBA 용액을 제조하고, 여기에 제조예 2 또는 제조예 3으로부터 제조된 코어-쉘 마이크로입자를 첨가하여, 분산시킨 후 120 rpm에서 2 시간 동안 흔들어 코어-쉘 마이크로입자의 쉘층에 직접 결합되어 있는 MPBA의 표면개질막을 도입함으로써, 전도성 탄성 마이크로입자를 제조하였다.

상기 최종 용액을 원심분리하여 불순물을 제거하고, 전도성 탄성 마이크로입자를 분리한 다음, 이를 5번 반복하여 세척하였다. 상기 전도성 탄성 마이크로입자는 코어-쉘 마이크로입자를 표면개질함으로써, 글루코스 센싱이 가능해짐과 동시에 전도성 및 탄성을 가지고 있는 것을 특징으로 하므로, 이러한 점을 들어 전도성 탄성 마이크로입자라고 명명하였다.

이때, 제조예 4는 제조예 2로부터 제조된 코어-쉘 마이크로입자(2회)를 사용하여 제조된 것이고, 제조예 5는 제조예 3으로부터 제조된 코어-쉘 마이크로입자(3회)를 사용하여 제조된 것이다.

도 5는 제조예 4로부터 제조된 전도성 탄성 마이크로입자를 에너지 분산형 X선 분석(Energy Dispersive X-ray Spectrometer, EDX) 결과 그래프이다.

이를 통해, 본 발명에 따른 전도성 탄성 마이크로입자의 표면에 다량의 B, S 원소와 C, O, Ag 원소 등이 존재하는 것을 확인한 바, 성공적으로 쉘층 표면에 MPBA가 도입되었음을 확인하였다.

제조예 4로부터 제조된 전도성 탄성 마이크로입자를 제조하고, 이로부터 글루코스를 검출하는 일련의 과정을 도 6에 나타내었다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 전도성 탄성 마이크로입자는 글루코스와 접촉시, 전도성 탄성 마이크로입자 표면에 존재하는 보론산과 글루코스 디올기(-diol)가 반응하여 고리형 보로네이트 에스터를 생성하게 되고, 이러한 과정을 통해 전류량이 변화하므로, 글루코스를 검출하게 된다.

실시예 1 및 실시예 2. 글루코스 센서 제조.

1) 스텐실 제조

글루코스를 검출하기 위한 글루코스 센서를 제조함에 있어서, 우선 제조예 4 또는 5로부터 제조한 전도성 탄성 마이크로입자를 기판 상에 2차원적으로 배열할 수 있도록 하는, 스텐실을 제조하였다.

스텐실은 유연한 폴리우레탄아크릴레이트(Polyurethaneacrylate, PUA)로 제조되며, 제조과정에서 사용된 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)는 실리콘 테크놀로지(Silicon technology corporation)로부터 구입한 것을 사용하였고, SU-8 레지스트(SU-8 photoresist)와 SU-8 디벨로퍼(SU-8 developer)는 마이크로켐(Microchem)으로부터 구입한 것을 사용하였으며, 에틸렌글라이콜(Ethylene glycol, EG)은 준세이 화학 (Junsei chemical co. Ltd)로부터 구입한 것을 사용하였으며, 폴리다이메틸실록세인(PDMS, (Polydimethylsiloxane, PDMS)과 그 경화제(PDMS curing agent)는 다우코닝(Dowcorning)으로부터 구입한 것을 사용하였으며, 폴리우레탄아크릴레이트(Polyurethaneacrylate, PUA)는 미뉴타 테크놀로지(Minuta technology)로부터 구입한 것을 사용하였다.

스텐실을 제조하기 위하여 우선 실리콘 웨이퍼에 SU-8 포토레지스트를 1500 rpm에 35초 간 스핀 코팅하고, 65 ℃에서 10 분, 95 ℃에서 30분 동안 가열한 후, 에틸렌글라이콜을 이용해 포토마스크를 올려 11 분 동안 UV 중합하였다. 이를 증류수로 씻어준 다음 65 ℃에서 1 분, 95 ℃에서 10 분 가열하고, SU-8 디벨로퍼에 7 분 담가준 후, 다시 증류수로 씻어 마이크로스케일의 원기둥 음각 패턴을 갖는 기판을 제작하였다.

다음 상기 음각 패턴을 갖는 기판에 PDMS 27 g, 경화제 3 g를 혼합하여 제조된 혼합액을 도포하고, 85 ℃에서 1 시간 동안 가열하여 원기둥 양각 패턴을 갖는 PDMS 몰드를 제작하였다. 제작된 PDMS 몰드에는 높이와 직경이 각각 50 ㎛, 55 ㎛인 원기둥형의 패턴이 형성되어 있고, 상기 원기둥 패턴의 중심 간 간격은 120 ㎛로 일정하게 배열되어 있다. 이는 도 7의 광학현미경 사진을 통해 확인할 수 있다.

이후, 원기둥 양각 패턴을 갖는 PDMS 몰드에 평평한 소수성 기판(substrate)을 올려놓고, 상기 몰드와 기판 사이에 UV 경화성 고분자인 PUA(polyurethaneacrylate, MINS-301, Minuta Tech)를 도포한 후, 정확한 접촉을 위해 적당한 압력을 가하였다. PUA가 모세관 현상과 표면 친화도에 따라, 상기 PDMS 몰드의 패턴으로 이동하고, PUA의 비젖음성으로 용액이 빠져나가면, 365 nm 파장의 자외선을 조사하여 마이크로스케일의 원기둥 패턴을 갖는 스텐실이 제작하였다.

2) 전도성 탄성 마이크로입자를 패터닝하여, 글루코스 센서 제작

우선, 상기 1) 단계를 통해 제조된 스텐실의 원기둥 패턴에 전도성 탄성 마이크로입자를 각각 앉힘으로써 전도성 탄성 마이크로입자를 원하는 곳에 위치시킨다.

구체적으로 상기 1) 단계를 통해 제조된 스텐실 상에 제조예 4 혹은 제조예 5로부터 제조된 전도성 탄성 마이크로입자를 도포한 후, 평평한 PDMS 기판으로 약 30초 동안 문질러(rubbing process), 상기 전도성 탄성 마이크로입자가 스텐실 원기둥 패턴 내로 들어가도록 하였다. 이를 통해 상기 원기둥 패턴 내에 전도성 탄성 마이크로입자로 채워지게 되고, 스텐실 표면에 남아 있는 전도성 탄성 마이크로입자는 바람을 불어넣어 제거하였다. 패터닝이 완료된 후, 전도성 탄성 마이크로입자의 배열을 광학현미경과 형광현미경으로 확인하였다(도 7b, c).

실시예 1은 제조예 4의 전도성 탄성 마이크로입자를 패터닝하여 제조된 글루코스 센서이고, 실시예 2는 제조예 5의 전도성 탄성 마이크로입자를 패터닝하여 제조된 글루코스 센서이다.

실험예 1. 글루코스 센서를 이용한 글루코스 검출

실시예 1로부터 제조된 글루코스 센서의 글루코스 검출능력을 확인하고자 하였다. 이를 위해 우선 실시예 1로부터 제조된 글루코스 센서를 각각 전극판(PEDOT:PSS와 ITO glass 전극) 사이에 배치시켜 제조하였으며, 구체적으로 전극판으로 1 ㎝ㅧ2 ㎝의 ITO glass를 사용하였고, 스텐실로부터 전도성 탄성 마이크로입자가 떨어져나오는 것을 방지하기 위해 ITO 글라스를 Triton X와 PEDOT:PSS가 3 중량%로 혼합되어 있는 혼합액으로 스핀 코팅한 것을 사용하였다. 다음 실시예 1로부터 제조된 글루코스 센서를 0.5 ㎝ × 0.5 ㎝로 재단한 후, 상기 ITO 글라스 전극판 상에 배치하였다. 여기에 다양한 농도의 글루코스 용액(0.01 mg/dl, 0.1 mg/dl, 1 ㎎/㎗, 10 ㎎/㎗, 100 ㎎/㎗, 1000 ㎎/㎗)을 접촉시킨 다음, 각 농도에 따른 전류량을 측정하였고, 이의 결과를 도 9에 나타내었다.

도 9a는 다양한 농도의 글루코스 용액을 처리하였을 때, 실시예 1로부터 제조된 글루코스 센서에서 측정된 각각의 전류량을 나타낸 그래프이다. 도 9b는 도 9a로부터 얻어진 결과에서, 각 글루코스 농도에 따른 평균값을 제도한 그래프이다.

상기 실시예 1로부터 제조된 글루코스 센서에, 7 kPa의 일정 압력 하에서 각각의 글루코스 용액을 주입하고, 이의 저항과 전류를 측정하였다. 이때 전압은 1 V로 고정하였다.

도 9에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 글루코스 센서는 글루코스 농도에 따라 전류값이 확연하게 구별됨을 확인하였으며, 동일한 글루코스 센서를 수회 반복하여 측정하였음에도 불구하고, 각 평균값이 선형으로 표현되는 것을 확인하였다. 이를 통해 본 발명에 따른 글루코스 센서는 0.01 ㎎/㎗의 낮은 농도로 글루코스를 포함하고 있더라도 충분히 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 반복 안정성을 가지며, 정확도도 우수함을 알 수 있다.

결론

상술한 실험들을 통해, 제조예 및 실시예를 통해 제조된 글루코스 센서는 보론산 유도체로 개질된 전도성 탄성 마이크로입자를 전극판 사이에 일정한 패턴을 갖는 형태와 간격으로 배열시켜 제조된 것으로써, 일정 압력 하에서 시료를 접촉시킨 후, 전류값을 측정하여 글루코스 농도를 높은 감도와 정확도로 정량화할 수 있음을 확인하였다.

즉, 본 발명에 따라 제조된 글루코스 센서에 압력을 가하면, 전도성 탄성 마이크로입자의 모양이 변형되어, 쉘층에 존재하는 은 나노와이어의 접합점이 손실되어, 전류량이 거의 검출되지 않는 상태가 된다.

여기에 글루코스 용액 혹은 글루코스가 포함된 시료를 접촉시키면, 글루코스 센서의 표면에 존재하는 보론산과 글루코스가 반응하여, 접합점의 손실이 감소하게 되고, 이를 통해 출력 전류값이 상승하게 되는 것이다. 즉, 글루코스 농도와 비례하여, 본 발명에 따른 글루코스 센스의 전류량은 증가하게 되므로, 시료 내에 존재하는 글루코스 농도를 정확하고 신속하면서, 신뢰성있게 검출할 수 있다.

이는 종래의 글루코스 센서와 비교하였을 때, 계속적인 사용이 가능하고 적은 시료로도 측정이 가능하다는 현저한 장점을 가지고 있기 때문에 다양한 분야에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 제조공정이 쉽고, 가공성과 탄력성 및 신축성이 뛰어나므로 착용형 바이오 센서 및 글루코스 모니터링 분야에도 활용이 가능하다는 이점을 가지고 있다.

[도면부호]

100 : 전도성 탄성 마이크로입자 110 : 코어 입자

120 : 쉘층 121 : 폴리에틸렌층

122 : 은나노와이어층 130 : 표면개질막

140 : 스텐실 150 : 기판

Claims

기판의 상에 배치되고, 일정한 주기의 패턴이 형성되어 있는 스텐실; 및
상기 패턴 내에 도입되어 있는 전도성 탄성 마이크로입자;를 포함하고,
상기 전도성 탄성 마이크로입자는 1 내지 1000 MPa 탄성계수를 갖는 코어 입자; 상기 코어 입자의 표면에 형성된 쉘층; 및 상기 쉘층에 직접 결합되어 있는 보론산 유도체를 포함하는 표면개질막;을 포함하되,
상기 쉘층이 고분자층과 은 나노와이어층이 규칙적 내지 불규칙적으로 교대로 코팅되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 글루코스 센서.
제1항에 있어서,
상기 코어 입자는 천연 고무(natural rubber), 니트릴 고무(acrylonitrile-butadiene rubber), 스티렌부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber), 부틸 고무(isoprene-isobutylene rubber), 에틸렌프로피렌 고무(ethylene propylene rubber), 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무(chlorosulphonated polyethylene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 불소 고무(fluororubber), 다황화물계 고무(polysulfide rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 부타디엔 고무(butadiene rubber), 이소프렌 고무(isoprene rubber), 우레탄 고무(urethane rubber), 폴리올레핀계 열가소성 엘라스토머(polyolefin thermoplastic elastomer, TPE), 폴리스티렌계 TPE(polystyrene TPE), 폴리염화비닐 TPE(Polyvinyl chloride TPE), 폴리에스터 TPE(polyester TPE), 폴리우레탄 TPE(polyurethane TPE) 및 폴리아미드 TPE(polyamide TPE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 글루코스 센서.
제1항에 있어서,
상기 코어 입자의 평균 직경은 5 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 글루코스 센서.
제1항에 있어서,
상기 코어 입자의 탄성계수는 5 내지 500 MPa인 것을 특징으로 하는 글루코스 센서.
제1항에 있어서,
상기 쉘층의 고분자는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI), 폴리디알릴디메탈암모늄클로라이드(Poly(diallyldimethylammonium chloride, PDADMAC)), 폴리알릴아민염소산(Polyallylamine hydrochloride), 세틸트리메틸암모늄브로마이드(Cetyl trimethylammonium bromide, CTAB) 및 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 글루코스 센서.
제1항에 있어서,
상기 쉘층의 은 나노와이어는 길이와 직경이 0.5 내지 100 ㎚인 것을 특징으로 하는 글루코스 센서.
제1항에 있어서,
상기 보론산 유도체는 머캅토페닐 보론산(4-mercaptophenylboronic acid, MPBA), 메타크릴아미도페닐 보론산(methacrylamidophenyl-boronic acid), 비닐페닐보론산(vinylphenylboronic acid), 아미노페닐보론산(aminophenylboronic acid), 시아노페닐보론산(cyanophenylboronic acid), 디클로로페닐보론산(dichlorophenylboronic acid), 아미노카보닐페닐보론산(aminocarbonylphenylboronic acid), 디메틸페닐보론산(dimethylphenylboronic acid), 하이드록시페닐보론산(hydroxyphenylboronic acid), 프로필페닐보론산(propylphenylboronic acid), 클로로카보닐페닐보론산(chlorocarbonylphenylboronic acid), 니트로비닐페닐보론산(nitrovinylphenylboronic acid), 2,4-벤질로기피리미딘-5-보론산(2,4-bis(benzyloxy)pyrimidin-5-boronic acid), 및 2-브로모-3-보론산(2-bromopyridine-3-boronic acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 글루코스 센서.
제1항에 있어서,
상기 쉘층은 1 내지 10 층인 것을 특징으로 하는 글루코스 센서.
제1항에 있어서
상기 패턴은 동일한 크기를 갖는 원기둥 형태의 홀이 일정한 주기로 배열되어 있는 구조이고,
상기 원기둥 형태의 홀은 높이가 10 내지 100 ㎛이고, 평균직경이 10 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 글루코스 센서.
1) 분산상 용액과 연속상 용액을 마이크로플루딕스 미세유체장치에 주입하여 코어 입자를 제조하는 단계;
2) 상기 코어 입자 표면에 고분자 수용액과 은 나노와이어 분산액을 교대로 주입하여 쉘층을 형성하는 단계;
3) 상기 쉘층 표면에 보론산 유도체 용액을 처리하여 표면개질하여, 전도성 탄성 마이크로입자를 제조하는 단계; 및
4) 상기 3) 단계를 통해 회수한 전도성 탄성 마이크로입자를 일정한 주기의 패턴이 형성되어 있는 스텐실 상에 패터닝하여 글루코스 센서를 제조하는 단계;를 포함하는 글루코스 센서의 제조방법.
A) 일정 압력하에서, 제1항에 따른 글루코스 센서에 전압을 인가하는 단계;
B) 상기 A) 단계의 글루코스 센서에 시료를 접촉시키고, 전류세기를 측정하는 단계; 및
C) 상기 B) 단계에서 측정한 전류세기를 분석하는 단계;를 포함하는 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법.
제11항에 있어서,
상기 A) 단계에서 0.1 내지 100 kPa 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법.
제11항에 있어서,
상기 A) 단계에서 인가되는 전압은 기준 전극 대비 -0.1 내지 10 V인 것을 특징으로 하는 글루코스 센서를 이용한 글루코스 농도 측정 방법.