KR20210070720A - 바이오 센서 - Google Patents

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KR20210070720A
KR20210070720A KR1020190160809A KR20190160809A KR20210070720A KR 20210070720 A KR20210070720 A KR 20210070720A KR 1020190160809 A KR1020190160809 A KR 1020190160809A KR 20190160809 A KR20190160809 A KR 20190160809A KR 20210070720 A KR20210070720 A KR 20210070720A
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electrolyte
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KR1020190160809A
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이영근
권혜림
천승환
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동우 화인켐 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 바이오 센서는 기판 상에 서로 이격되어 형성된 작업 전극 및 기준 전극을 포함하며, 작업 전극은 기판 상에 배치된 반응 전극층, 반응 전극층 상에 배치된 효소 반응층 및 효소 반응층에 함유된 보상 전해질을 포함한다. 시료 내 전해질에 기인한 측정 전류의 오차가 억제될 수 있다.

Description

바이오 센서{BIO SENSOR}
본 발명은 바이오 센서에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 효소 반응층을 포함하는 바이오 센서에 관한 것이다.
인간의 평균 수명이 증가함에 따라, 헬스 케어 산업이 급속히 팽창하고 있다. 특히, 여러 가지 생체 신호들을 어디서든 편리하게 측정할 수 있는 휴대 가능한 소형 바이오 센서에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.
종래의 바이오 센서는 체액(땀, 눈물, 혈액 등)에 포함된 화학종들과 반응하는 효소를 사용하였다. 상기 효소가 상기 화학종과 반응하여 전류가 발생하면, 이를 측정하여 해당 화학종의 농도를 측정한다.
체액의 조성은 개인별로 상이하며, 체액이 배출되는 시점의 컨디션에 따라서도 변화할 수 있다. 예를 들면, 개인별 수분 섭취 습관 및 행동량, 체액 배출 시간 등에 의해 체액의 조성에 차이가 발생할 수 있다.
특히, 체액 내에 포함된 전해질은 시료의 전기 전도도를 증가시켜 바이오 센서의 측정 전류값을 과도하게 증가시킬 수 있다. 측정 전류값 중 바이오 센서 구동(산화환원 반응)과 무관한 양은 측정 오차를 발생시킬 수 있다.
예를 들면, 대한민국 공개특허공보 특2001-0110272호는 전극에 프러시안 블루를 도입한 바이오 센서를 개시하지만, 체액 중 전해질 농도에 따른 측정 오차 문제를 그대로 포함하고 있다.
대한민국 공개특허공보 특2001-0110272호
본 발명의 일 과제는 감지 성능이 향상된 바이오 센서를 제공하는 것이다.
1. 기판; 상기 기판 상에 배치된 반응 전극층 및 상기 반응 전극층 상에 배치되며 반응 효소 및 보상 전해질을 포함하는 효소 반응층을 포함하는 작업 전극; 및 상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격된 기준 전극을 포함하는, 바이오 센서.
2. 위 1에 있어서, 상기 보상 전해질은 상기 효소 반응층 100 중량부 대비 0.1 내지 20중량부로 포함되는, 바이오 센서.
3. 위 1에 있어서, 상기 보상 전해질은 중성 전해질을 포함하는, 바이오 센서.
4. 위 1에 있어서, 상기 보상 전해질은 알칼리 금속염 또는 알칼리 토금속 염을 포함하는, 바이오 센서.
5. 위 1에 있어서, 상기 작업 전극은 상기 효소 반응층 상에 배치된 이온 필터층을 더 포함하는, 바이오 센서.
6. 위 5에 있어서, 상기 이온 필터층은 상기 보상 전해질을 포함하는, 바이오 센서.
7. 위 1에 있어서, 상기 반응 전극층은 전자 수송 물질 및 탄소계 전극 보호 물질을 포함하는, 바이오 센서.
8. 위 7에 있어서, 상기 전자 수송 물질은 프러시안 블루(prussian blue), 포타슘 페리시아나이드(potassium ferricyanide), 포타슘 페로시아나이드(potassium ferrocyanide), 염화헥사아민루테늄(Ⅲ)(hexaammineruthenium(Ⅲ) chloride), 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체 및 하이드로퀴논(hydroquinone)으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 바이오 센서.
9. 위 7에 있어서, 상기 탄소계 전극 보호 물질은 카본 페이스트를 포함하는, 바이오 센서.
10. 위 1에 있어서, 상기 반응 효소는 글루코스 산화 효소, 콜레스테롤 산화 효소, 락테이트 산화 효소, 아스코빅산 산화 효소, 알코올 산화 효소, 글루코스 탈수소 효소, 글루탐산 탈수소 효소, 락테이트 탈수소 효소 및 알코올 탈수소 효소 중 적어도 하나를 포함하는, 바이오 센서.
11. 위 1에 있어서, 상기 반응 전극층 및 상기 기판 사이에 배치된 제1 배선 전극을 더 포함하는, 바이오 센서.
12. 위 1에 있어서, 상기 기판 및 상기 기준 전극 사이에 배치된 제2 배선 전극을 더 포함하는, 바이오 센서.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서는 보상 전해질을 포함하여 시료 중의 전해질 농도에 따른 측정 전류값 변화를 감소시킬 수 있다.
예를 들면, 보상 전해질이 전해질에 의해 발생하는 전류량을 바이오 센서 자체적으로 포화시킬 수 있으며, 시료 중의 전해질 농도에 의한 전류량 변화가 실질적으로 억제될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 평면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 단면도이다.
도 4는 시료 중의 글루코스 농도, 전해질 농도 및 측정 전류값의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시예들은 기판 상에 서로 이격되어 형성된 작업 전극 및 기준 전극을 포함하며, 작업 전극은 기판 상에 배치된 반응 전극층, 반응 전극층 상에 배치된 효소 반응층 및 효소 반응층에 함유된 보상 전해질을 포함하는 바이오 센서를 제공한다. 시료 내 전해질에 기인한 측정 전류의 오차가 억제될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 예시적으로 설명된 구체적인 실시 형태로 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 평면도이다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서(10)는 기판(100), 작업 전극(200) 및 기준 전극(300)을 포함한다. 바이오 센서(10)는 보조 센서(130) 및 배선부(140)를 포함할 수 있다. 배선부(140)는 제1 배선(142), 제2 배선(144) 및 제3 배선(146)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 작업 전극(200), 기준 전극(300) 등이 배치되는 기재로 제공될 수 있다.
예를 들어, 기판(100)은 플렉서블 특성을 갖는 필름일 수 있다. 예를 들면, 상기 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌이소프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르계 수지; 디아세틸셀룰로오스, 트리아세틸셀룰로오스 등의 셀룰로오스계 수지; 폴리카보네이트계 수지; 폴리메틸(메타)아크릴레이트, 폴리에틸(메타)아크릴레이트 등의 아크릴계 수지; 폴리스티렌, 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체 등의 스티렌계 수지; 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 시클로계 또는 노보넨 구조를 갖는 폴리올레핀, 에틸렌-프로필렌 공중합체 등의 폴리올레핀계 수지; 염화비닐계 수지; 나일론, 방향족 폴리아미드 등의 아미드계 수지; 이미드계 수지; 폴리에테르술폰계 수지; 술폰계 수지; 폴리에테르에테르케톤계 수지; 황화 폴리페닐렌계 수지; 비닐알코올계 수지; 염화비닐리덴계 수지; 비닐부티랄계 수지; 알릴레이트계 수지; 폴리옥시메틸렌계 수지; 에폭시계 수지 등과 같은 열가소성 수지 또는 이들의 조합으로 형성된 필름을 포함할 수 있다. 또한, (메타)아크릴계, 우레탄계, 아크릴우레탄계, 에폭시계, 실리콘계 등의 열경화성 수지 또는 자외선 경화형 수지로 형성된 필름을 포함할 수 있다.
기판(100)의 두께는 적절히 결정될 수 있지만, 강도, 취급성, 작업성, 박층성 등을 고려하여, 1 내지 500㎛일 수 있다. 1 내지 300㎛가 바람직하고, 5 내지 200㎛가 보다 바람직하다.
예를 들면, 상기 기판(100)에는 첨가제가 함유될 수 있다. 예를 들면, 첨가제는, 자외선흡수제, 산화방지제, 윤활제, 가소제, 이형제, 착색방지제, 난연제, 핵제, 대전방지제, 안료, 착색제 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 기판(100)은 필름의 일면 또는 양면에 기능성 층을 포함할 수 있다. 상기 기능성 층은 예를 들면, 하드코팅층, 반사방지층, 가스 배리어층 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 기판(100)은 표면 처리될 수 있다. 예를 들면, 상기 표면 처리는 플라즈마(plasma) 처리, 코로나(corona) 처리, 프라이머(primer) 처리 등의 건식 처리, 검화 처리를 포함하는 알칼리 처리 등의 화학 처리를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서(10)는 기판(100), 작업 전극(200) 및 기준 전극(300)을 포함한다. 작업 전극 (200)은 반응 전극층(220) 및 효소 반응층(230)을 포함한다. 기준 전극(300)은 기준 전극층(320)을 포함할 수 있다. 작업 전극(200) 및 기준 전극(300)은 제1 배선 전극(210) 및 제2 배선 전극(310)을 각각 포함할 수 있다.
작업 전극(200)에서는 감지 대상 물질의 산화환원 반응이 일어날 수 있다. 작업 전극(200)은 효소 반응층(230)의 효소와 시료 중의 감지 대상 물질의 반응에 의해 발생된 전기적 신호를 감지할 수 있다. 상기 시료는 인체의 땀, 체액, 혈액 등일 수 있다. 상기 시료가 땀일 경우, 땀 내에 함유된 전해질(예를 들면, 염화소듐)의 농도 편차가 클 수 있다. 이 경우, 상기 전해질에 의해 측정 전류값의 편차가 증가할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 측정 전류값의 편차를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
제1 배선 전극(210)은 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 배선 전극(210)은 기판(100)에 접촉할 수 있다. 제1 배선 전극(210)은 감지 대상 물질의 산화-환원 반응에서 발생한 전자 또는 정공이 전달되는 통로로 제공될 수 있다. 제1 배선 전극(210)은 제1 배선(142)을 통해 구동 집적 회로 칩과 연결될 수 있으며, 제1 배선(142)과 일체로 형성될 수도 있다.
제1 배선 전극(210)은 금속층 및 상기 금속층 상면 상에 배치된 금속 보호층을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 보호층은 상기 금속층을 덮을 수 있다. 상기 금속 보호층은 전기 전도성을 가지며, 작업 전극(200)의 산화-환원 반응으로 인해 상기 금속층이 산화-환원되는 것을 방지할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 금속층은 Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, APC 합금(Ag-Pd-Cu alloy)이 사용될 수 있다. 상기 Au, Ag, APC 합금(Ag-Pd-Cu alloy) 및 Pt는 제1 배선 전극(210)의 전기 전도성을 향상시키고 저항을 감소시킬 수 있다. 따라서, 바이오 센서(10)의 검출 성능을 향상시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 금속 보호층은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)를 포함할 수 있다. 상기 ITO 및 IZO는 전기 전도성을 가지면서도 화학적으로 안정하여 상기 금속층을 산화-환원 반응으로부터 효과적으로 보호할 수 있다.
예를 들면, 상기 금속 보호층은 상기 금속층이 대기와 직접 접촉하는 것을 방지하여 상기 금속층을 구성하는 금속 성분의 산화를 방지할 수 있다. 따라서, 상기 금속층에 의해 감지되는 전기적 신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
반응 전극층(220)은 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 반응 전극층(220)은 제1 배선 전극(210) 상에 배치될 수 있다. 반응 전극층(220)은 제1 배선 전극(210)의 상면을 덮을 수 있다. 이 경우, 반응 전극층(220)은 제1 배선 전극(210)을 바이오 센서(10)의 산화-환원 반응으로부터 보호할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 반응 전극층(220)은 전자 수송 물질 및 탄소계 전극 보호 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 전자 수송 물질이 상기 탄소계 전극 보호 물질 내에 분산되어 반응 전극층(220)을 형성할 수 있다.
상기 전자 수송 물질은 반응 전극층(220)의 전자 및 정공의 수송 속도 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 전자 수송 물질은 예를 들면, 효소 반응층(230)에서 일어나는 감지 대상 물질의 산화-환원 반응에서 발생한 전자/정공을 수용하여 산화 또는 환원되는 물질을 포함할 수 있다. 상기 산화 또는 환원을 통해 전자/정공을 반응 전극층(220)으로 전달할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 철(Fe)의 시안화 착물을 포함할 수 있다. 상기 철의 시안화 착물은 쉽게 산화 또는 환원될 수 있다. 따라서, 전자 및 정공을 용이하고 신속하게 수송할 수 있다.
예를 들면, 감지 대상 물질은 효소 반응층(230)의 효소와 반응하여 과산화수소(H2O2)를 형성할 수 있으며, 바이오 센서(10)는 과산화수소를 분해하면서 발생하는 전류를 측정할 수 있다.
과산화수소는 높은 산화환원전위를 가질 수 있다. 비교예에 있어서, 철의 시안화 착물을 사용하지 않을 경우, 높은 전위에서 과산화수소를 분해하여야 한다. 이 경우, 과산화수소 이외의 다른 물질들이 같이 분해되어 전류를 발생시킬 수 있다. 따라서, 바이오 센서(10)의 선택성이 저하될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 철의 시안화 착물을 사용하여 과산화수소의 산화환원전위를 감소시킬 수 있다. 이 경우, 보다 낮은 전위에서 과산화수소를 선택적으로 분해할 수 있다. 따라서, 바이오 센서(10)의 선택성을 향상시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 전자 수송 물질은 프러시안 블루(Prussian blue, Fe4[Fe(CN)6]3), 포타슘 페리시아나이드(Potassium ferricyanide, K3 [Fe(CN)6]), 포타슘 페로시아나이드(Potassium ferrocyanide, K4[Fe(CN)]6), 염화헥사아민루테늄(Ⅲ)(hexaammineruthenium(Ⅲ) chloride), 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체, 하이드로퀴논(hydroquinone) 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 프러시안 블루는 청색 안료로서, 높은 산화성을 가질 수 있다. 전자 수송 물질로서 프러시안 블루를 반응 전극층(220) 상에 배치할 경우 작업 전극(200)의 전기적 감도를 향상시킬 수 있다.
상기 탄소계 전극 보호 물질은 전기 전도성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 탄소계 전극 보호 물질은 효소 반응층(230)에서 발생한 전자 및/또는 정공을 수송할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 탄소계 전극 보호 물질은 카본 페이스트(carbon paste)를 포함할 수 있다.
상기 전자 수송 물질은 반응 전극층(220)의 총 중량 중 0.01 내지 7 중량%로 포함될 수 있다. 상술한 함량 범위에서 상기 전자 수송 물질이 균일하게 분산될 수 있으며, 전자 및 정공을 효과적으로 수송할 수 있다. 바람직하게는, 상기 전자 수송 물질은 반응 전극층(220)의 총 중량 중 0.3 내지 3 중량%로 포함될 수 있다.
효소 반응층(230)은 반응 전극층(220) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 반응 전극층(220)의 상면을 덮을 수 있다. 효소 반응층(230)에서 감지 대상 물질의 산화환원 반응이 일어날 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 효소 반응층(230)은 반응 효소로서 산화 효소 또는 탈수소 효소를 포함할 수 있다. 산화 효소 및 탈수소 효소는 검사 대상 물질의 종류에 따라 선택될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 산화 효소는 글루코스 산화 효소(glucose oxidase), 콜레스테롤 산화 효소(cholesterol oxidase), 락테이트 산화 효소(cholesterol oxidase), 아스코빅산 산화 효소(ascorbic acid oxidase) 또는 알코올 산화 효소(alcohol oxidase) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 탈수소 효소는 글루코스 탈수소 효소(glucose dehydrogenase), 글루탐산 탈수소 효소(glutamate dehydrogenase), 락테이트 탈수소 효소(lactate dehydronase) 또는 알코올 탈수소 효소(alcohol dehydrogenase) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이 경우, 바이오 센서(10)는 글루코스, 콜레스테롤, 락테이트, 아스코빅산, 알코올, 글루탐산 등의 농도를 측정할 수 있다.
예를 들면, 감지 대상 물질이 포함된 시료를 바이오 센서(10)에 주입하면, 시료에 포함되어 있는 감지 대상 물질이 산화 효소 또는 탈수소 효소와 반응하여 과산화수소(H2O2) 등의 부산물이 생성될 수 있다. 이때, 상기 전자 수송 물질은 상기 부산물을 환원시키고, 자신은 산화될 수 있다. 산화된 전자 수송 물질은 일정 전압이 가해진 전극 표면에서 전자를 얻어 다시 환원될 수 있다.
시료 내의 감지 대상 물질 농도는 전자 수송 물질이 산화되는 과정에서 발생되는 전류량에 비례할 수 있다. 따라서, 상기 전류량을 측정하여 감지 대상 물질 농도를 측정할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 산화 효소 또는 탈수소 효소는 바인더를 통해 고정될 수 있다. 상기 바인더는 당분야에서 통상적으로 사용되는 바인더를 포함할 수 있으며, 예를 들면, 나피온, 이의 유도체 또는 키토산을 포함할 수 있다.
효소 반응층(230)은 보상 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 보상 전해질은 측정 전류값 중 감지 대상 물질로부터 유래되는 측정 전류값(타겟 전류값) 이외의 전류값(비-타겟 전류값)을 상쇄할 수 있다.
예를 들면, 시료는 전해질을 포함할 수 있으며, 상기 전해질은 시료 및 작업 전극(200)의 전기 전도도를 증가시킬 수 있다. 이 경우, 바이오 센서(10)의 측정 전류값이 상기 타겟 전류값 이상으로 나타날 수 있다. 다시 말해, 상기 전해질이 비-타겟 전류값을 유발할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 보상 전해질은 측정 전부터 상기 비-타겟 전류값을 포화시킬 수 있다. 따라서, 측정 전류값 중 상기 비-타겟 전류값에 의한 영향이 상쇄될 수 있으며, 상기 측정 전류값과 상기 타겟 전류값의 상관관계가 도출될 수 있다. 상기 상관관계를 통해 보정 계산 없이 상기 측정 전류값에 따른 감지 대상 물질의 농도를 효과적으로 검출할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보상 전해질은 산성, 염기성 또는 중성 전해질을 포함할 수 있으며, 강전해질 및 약전해질을 포함할 수 있다.
상기 강전해질은 염화나트륨, 염화칼륨, 수산화나트륨, 염산 등을 포함할 수 있으며, 상기 약전해질은 암모니아, 염화은, 아세트산 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 보상 전해질로서 무기 전해질을 사용할 경우, 효소 반응층(230)에서 발생하는 부반응을 억제할 수 있다.
예를 들면, 중성 전해질을 사용할 경우 효소 반응층(230)에 포함된 효소의 활성을 실질적으로 유지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 보상 전해질로서 알칼리 금속염 또는 알칼리 토금속염을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는, 나트륨(소듐) 또는 칼륨(포타슘)을 함유하는 무기 염 화합물을 사용할 수 있다. 이 경우, 효소 반응층(230) 내부의 전기 전도도를 향상시키면서도, 효소 반응에 실질적으로 영향을 주지 않을 수 있다.
상기 보상 전해질은 상기 효소 반응층 100 중량부 대비 0.1 내지 20 중량부로 포함될 수 있다. 상기 보상 전해질의 함량이 상술한 범위 미만일 경우, 상기 비-타겟 전류의 사전 포화가 불가능할 수 있다. 상기 보상 전해질의 함량이 상술한 범위 초과일 경우, 상기 보상 전해질이 효소 반응층(230)의 효소 활성에 영향을 줄 수 있다. 바람직하게는, 상기 보상 전해질은 상기 효소 반응층 100 중량부 대비 0.5 내지 8 중량부로 포함될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보상 전해질은 반응 전극층(220)과 효소 반응층(230)의 계면에 집중될 수 있다. 예를 들면, 상기 보상 전해질을 반응 전극층(220) 상에 도포한 후 효소 반응층(230)을 형성할 경우, 상술한 농도 분포가 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서의 개략적인 단면도이다.
도 3을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 바이오 센서(20)는 작업 전극(200)은 이온 필터층(240)을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 효소 반응층(230) 상에 이온 필터층(240)이 배치될 수 있다. 예를 들면, 이온 필터층(240)은 효소 반응층(230)의 상면을 덮을 수 있다.
이온 필터층(240)은 상기 검사 대상 물질을 제외한 화학 물질으로부터 효소 반응층(230)을 보호할 수 있다. 또한, 효소 반응층(230)의 산화 효소 또는 탈수소 효소가 외부 환경에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
이온 필터층(240)은 감지 대상 물질만을 통과시킬 수 있다. 따라서, 효소 반응층(230)이 측정 대상 성분 외의 타 물질에 의해 변성, 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이온 필터층(240)은 감지 대상 물질을 통과시키는 것이라면, 당분야에서 통상적으로 사용되는 이온 교환막이 사용될 수 있으며, 나피온(Nafion), 나피온 유도체, 폴리아닐린 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 보상 전해질은 이온 필터층(240)에 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 보상 전해질은 효소 반응층(230) 및 이온 필터층(240)에 분산될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기준 전극(300)은 기판(100) 상에 작업 전극(200)과 이격되어 배치될 수 있다. 기준 전극(300)과 작업 전극(200)은 전기적으로 단절될 수 있다. 기준 전극(300)은 기판(100)의 작업 전극(200)이 배치된 면과 같은 면에 배치거나, 기판(100)을 사이에 두고 작업 전극(200)과 마주볼 수 있다.
기준 전극(300)은 측정 시 작업 전극(200)에서 측정되는 전류 값 또는 전위 값에 대한 기준치를 제공할 수 있다. 기준 전극(300)의 전위 값을 기준치로 하여 작업 전극(200)에서 일어나는 감지 대상 물질 산화-환원 반응을 특정할 수 있다.
또한, 상기 전류 값의 기준치와 작업 전극(200)에서 측정되는 전류 값을 비교하여 순수하게 측정 대상 성분(예를 들면, 감지 대상 물질)에 의해 변화한 전류 량을 계산할 수 있으며, 상기 전류 량으로부터 측정 대상 성분의 농도를 도출할 수 있다.
기준 전극(300)은 제2 배선 전극(310) 및 기준 전극층(320)을 포함할 수 있다. 기준 전극층(320)은 제2 배선 전극(310) 상에 형성될 수 있다.
제2 배선 전극(310)은 작업 전극(200)의 제1 배선 전극(210)과 동일한 소재로 형성될 수 있다.
기준 전극층(320)은, Ag/AgCl 전극을 포함할 수 있다. 상기 Ag/AgCl 전극 층은 Ag/AgCl 페이스트(paste)로부터 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 기준 전극층(320)의 측면으로 제2 배선(144)을 연결할 경우 제2 배선 전극(310)은 생략될 수 있다.
일부 실시예에들 있어서, 기준 전극(300)의 상면 상에 보호층이 배치될 수 있다. 상기 보호층은 기준 전극(300)을 외부 충격 및 환경으로부터 보호할 수 있다. 상기 보호층은 작업 전극(200)의 이온 필터층(240)과 동일하게 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 기판(100) 상에 반응 전극층(220) 및 효소 반응층(230)을 순서대로 적층하여 작업 전극(200)을 형성할 수 있다. 기준 전극(300)은 작업 전극(200)과 소정 거리 이격하여 형성할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 기판(100)과 반응 전극층(220) 사이에 제1 배선 전극(210)을 형성할 수 있으며, 기판(100)과 기준 전극층(320) 사이에 제2 배선 전극(310)을 형성할 수 있다.
제1 배선 전극(210)은 기판(100) 상에 카본 페이스트를 인쇄하거나, Au, Ag, Cu, Pt, Ti, Ni, Sn, Mo, Co, Pd 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 금속막을 형성한 후 이를 패터닝(patterning)하여 형성될 수 있다. 기준 전극(300)도 동일한 방법으로 형성될 수 있다.
상기 패터닝은 당분야에서 통상적으로 사용되는 패터닝 공법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 포토리소그라피(photolithography)를 사용할 수 있다.
제1 배선 전극(210)이 금속 보호층을 더 포함할 경우, 금속층을 먼저 패터닝한 후 상기 금속 보호층을 형성하거나, 상기 금속막 상에 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide) 도전성 산화물막을 형성한 후, 상기 금속막과 도전성 산화물막을 함께 패터닝하여 금속층 및 금속 보호층을 함께 형성될 수 있다.
반응 전극층(220)은 상기 전자 수송 물질 및 상기 탄소계 전극 보호 물질을 혼합한 조성물을 제1 배선 전극(210)에 도포한 후 건조하여 형성할 수 있다.
상기 도포는 당분야에서 통상적으로 사용되는 도포법이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 각종 프린팅 방법이 사용될 수 있다.
효소 반응층(230)은 예를 들면, 산화 효소 또는 탈수소 효소를 바인더와 혼합한 조성물을 반응 전극층(220) 상에 도포한 후 건조하여 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 혼합 조성물(효소 반응층 형성용 조성물)에 상기 보상 전해질을 첨가할 수 있다. 이 경우, 효소 반응층(230) 내에 상기 보상 전해질이 분산될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 반응 전극층(220) 상에 상기 보상 전해질을 포함하는 수용액(보상 전해질 수용액)을 도포 및 건조한 후 효소 반응층(230)을 형성할 수 있다. 이 경우, 반응 전극층(220)과 효소 반응층(230)의 계면에 상기 보상 전해질이 집중될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 효소 반응층(230)의 상면에 이온 필터층(240)을 형성할 수 있다. 이온 필터층(240)은 나피온 등의 이온 필터 기능을 갖는 물질을 도공 후 건조하여 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 이온 필터층(240)에 상기 보상 전해질 수용액을 첨가할 수 있다. 이 경우, 상기 보상 전해질이 이온 필터층(240)을 통과하여 효소 반응층(230)에 도달할 수 있다. 따라서, 상기 보상 전해질이 이온 필터층(240) 및 효소 반응층(230)에 분산될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 작업 전극(200) 및 기준 전극(300) 각각에 배선부(140)가 연결될 수 있다. 작업 전극(200)에 연결된 제1 배선(142) 및 기준 전극(300)에 연결된 제2 배선(144)은 서로 전기적으로 이격될 수 있다. 배선부(140)는 구동 집적 회로(IC) 칩에 연결될 수 있다.
예를 들면, 배선부(140)는 작업 전극(200)의 반응 전극층(220)과 동일한 소재로 형성될 수 있으며, 기준 전극(300)과 동일한 소재로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 배선(142) 및 제2 배선(144)은 각각 작업 전극(200) 및 기준 전극(300)과 일체로 형성될 수 있다. 기판(100) 상에 카본 페이스트 막 및/또는 금속 막을 형성하고 이를 패터닝함으로써 제1 배선(142) 및 제2 배선(144)을 일체로 형성할 수 있다. 또는, 스크린 인쇄법을 통해 반응 전극층(220), 기준 전극(300) 및 제1 배선(142) 및 제2 배선(144)을 일체로 형성할 수 있다.
작업 전극(200) 및 기준 전극(300)으로부터 측정된 전기적 신호가 제1 배선(142) 및 제2 배선(144)을 통해 구동 IC 칩에 전달될 수 있으며, 구동 IC 칩이 측정 대상 성분의 농도를 계산할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 바이오 센서(10)는 보조 센서(130)를 더 포함할 수 있다. 보조 센서(130)는 열감지 센서, pH 센서 및/또는 습도 센서를 포함할 수 있다. 예를 들면, 보조 센서(130)는 온도, pH 및/또는 습도를 측정하여, 바이오 센서의 측정 오차를 정정할 수 있다. 보조 센서(130)는 제3 배선(146)에 의해 상기 구동 IC 칩과 연결될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1
절연성 기재로 두께 180㎛ PET제 기판을 준비하였다.
상기 기판 상에 스크린 인쇄를 통해 배선 및 제1 배선 전극을 형성하였다. 상기 스크린 인쇄는 Ag를 통해 수행되었다.
상기 제1 배선 전극 상에 프러시안 블루(Sigma Aldrich) 2wt%를 포함하는 카본 페이스트를 스크린 인쇄하여 반응 전극층을 형성하였다.
상기 반응 전극층 상에 키토산 1wt%, 글루코스 산화 효소 0.7wt% 및 NaCl(전해질) 10wt%의 혼합 용액을 도포한 후 약 10분 동안 N2 분위기에서 건조시켜 효소 반응층을 형성하였다.
작업 전극층으로부터 일정한 거리를 두고 Ag/AgCl을 스크린 인쇄하여 기준 전극을 형성하여 바이오 센서를 준비하였다.
비교예 1
실시예 1에 있어서, 효소 반응층에 NaCl 10wt%를 첨가하지 않은 바이오 센서를 준비하였다.
실험예
글루코스를 각각 0.05, 0.1, 0.2 및 0.3 mM 포함하는 표준 시료를 준비하였다. 상기 표준 시료들에 NaCl을 각각 0.2, 0.5, 0.8 및 1.1 wt%로 첨가하여 측정 시료를 제조하였다.
비교예 1의 바이오 센서의 작업 전극과 기준 전극에 상기 측정 시료들을 고르게 적하한 후 -0.1 V의 전압을 인가하고 30초 후의 전류값을 측정하였다.
실시예 1의 바이오 센서의 작업 전극과 기준 전극에 상기 글루코스 0.1mM 표준 시료로부터 제조된 측정 시료들을 고르게 적하한 후 -0.1 V의 전압을 인가하고 30초 후의 전류값을 측정하였다.
측정된 전류값은 도 4의 그래프에 도시되었다.
도 4를 참조하면, 비교예 1의 바이오 센서의 경우, 글루코스 농도가 동일하더라도, NaCl을 많이 함유하는 시료의 측정 전류값이 높게 나타났다. 또한, NaCl를 1.1 wt%로 포함하는 측정 시료들에 있어서 글루코스 함량에 따른 측정 전류값 차이가 증가한 것이 확인되었다.
그러나, 실시예 1의 바이오 센서의 경우, 글루코스 농도가 동일할 경우 NaCl의 함량 차이에 의한 전류값 변화가 현저히 감소한 것이 확인되었다.
10: 바이오 센서
100: 기판
200: 작업 전극 210: 제1 배선 전극
220: 반응 전극층 230: 효소 반응층
240: 이온 필터층
300: 기준 전극 310: 제2 배선 전극

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 반응 전극층 및 상기 반응 전극층 상에 배치되며 반응 효소 및 보상 전해질을 포함하는 효소 반응층을 포함하는 작업 전극; 및
    상기 기판 상에서 상기 작업 전극과 이격된 기준 전극을 포함하는, 바이오 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 보상 전해질은 상기 효소 반응층 100 중량부 대비 0.1 내지 20중량부로 포함되는, 바이오 센서.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 보상 전해질은 중성 전해질을 포함하는, 바이오 센서.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 보상 전해질은 알칼리 금속염 또는 알칼리 토금속 염을 포함하는, 바이오 센서.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 작업 전극은 상기 효소 반응층 상에 배치된 이온 필터층을 더 포함하는, 바이오 센서.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 이온 필터층은 상기 보상 전해질을 포함하는, 바이오 센서.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 반응 전극층은 전자 수송 물질 및 탄소계 전극 보호 물질을 포함하는, 바이오 센서.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 전자 수송 물질은 프러시안 블루(prussian blue), 포타슘 페리시아나이드(potassium ferricyanide), 포타슘 페로시아나이드(potassium ferrocyanide), 염화헥사아민루테늄(Ⅲ)(hexaammineruthenium(Ⅲ) chloride), 페로센(ferrocene), 페로센 유도체, 퀴논(quinones), 퀴논 유도체 및 하이드로퀴논(hydroquinone)으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 바이오 센서.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 탄소계 전극 보호 물질은 카본 페이스트를 포함하는, 바이오 센서.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 반응 효소는 글루코스 산화 효소, 콜레스테롤 산화 효소, 락테이트 산화 효소, 아스코빅산 산화 효소, 알코올 산화 효소, 글루코스 탈수소 효소, 글루탐산 탈수소 효소, 락테이트 탈수소 효소 및 알코올 탈수소 효소 중 적어도 하나를 포함하는, 바이오 센서.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 반응 전극층 및 상기 기판 사이에 배치된 제1 배선 전극을 더 포함하는, 바이오 센서.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 기판 및 상기 기준 전극 사이에 배치된 제2 배선 전극을 더 포함하는, 바이오 센서.
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