WO2019066592A1 - 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치 및 방법 - Google Patents

전기화학 바이오센서 에러 판별 장치 및 방법 Download PDF

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WO2019066592A1
WO2019066592A1 PCT/KR2018/011597 KR2018011597W WO2019066592A1 WO 2019066592 A1 WO2019066592 A1 WO 2019066592A1 KR 2018011597 W KR2018011597 W KR 2018011597W WO 2019066592 A1 WO2019066592 A1 WO 2019066592A1
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WO
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electrochemical biosensor
error
time
output current
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PCT/KR2018/011597
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Inventor
김동욱
김진구
윤광현
장제영
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주식회사 비바이오
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    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
    • G01N27/3274—Corrective measures, e.g. error detection, compensation for temperature or hematocrit, calibration
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    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements

Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical biosensor error discrimination apparatus and method, and more particularly, to an apparatus and method for discriminating an error in an electrochemical biosensor that outputs a current according to an electrochemical reaction between a biomaterial and a reactant will be.
  • an electrochemical biosensor is an electrochemical biosensor that uses an electrode fixed with a biologically specific reactant such as an enzyme, an antigen, an antibody, a hormone, and the like, Means an apparatus that outputs an electrical signal according to a chemical reaction. That is, an electrochemical biosensor is a device that provides specific information about a bio material as a current value or a voltage value. 2. Description of the Related Art Recently, electrochemical biosensors have been applied to blood glucose measurement systems and various kinds of precision medical diagnosis systems that require high accuracy and reliability, and interest and requests for detecting errors in electrochemical biosensors are increasing rapidly.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an electrochemical biosensor having an electrochemical biosensor having one working electrode, And to provide an electrochemical biosensor error discrimination apparatus and method that can reduce the manufacturing cost of the measurement system and simplify the operation process.
  • An electrochemical biosensor error discrimination apparatus is an apparatus for discriminating an error of an electrochemical biosensor that outputs a current according to an electrochemical reaction between a biomaterial and a reactant, A current measuring unit for measuring a magnitude of an output current outputted; The measured values of the current measuring unit are sampled at specific time points, and the measured values sampled at the respective time points are compared with the preceding measured values sampled immediately before the point in time to determine whether an abnormal current has occurred in the electrochemical biosensor A first determination unit; And a controller for monitoring an abnormal state of the output current for a predetermined time and determining whether an error has occurred in the electrochemical biosensor based on the duration of the abnormal state when it is determined that an abnormal current has occurred in the electrochemical biosensor 2 judgment unit.
  • the current measuring unit may be configured to periodically measure the magnitude of the output current with a measurement period shorter than a time interval between sampling times of the first determination unit.
  • the first determination unit may be configured to determine that an abnormal current has occurred when the measured value sampled at a certain point in time is not less than a reference value determined according to the preceding measured value sampled immediately before .
  • the first determination unit may be configured to gradually increase the number of sampling times per unit time as the elapsed time of the output of the electrochemical biosensor elapses, and to sample the measured value of the current measurement unit.
  • the second determination unit may include: a calculation module that monitors the measured values periodically measured by the current measuring unit to calculate an abnormal state duration of the output current; And an error determination module that compares the calculated abnormal state duration with a predetermined reference duration to determine whether an error has occurred in the electrochemical biosensor.
  • the calculating module may calculate a steady-state current value of the output current based on a measured value of the output current measured immediately before a peak occurs in the output current due to an abnormal current, module; And a second time point at which a peak occurs in the output current due to the generation of an abnormal current and a second time point at which the measurement value for the output current approaches the calculated normal current value within a certain range, And a second calculation module for calculating the state duration.
  • the error determination module may include: a reference time duration determined in accordance with a time point at which a peak occurs in the output current due to an abnormal current and a measured value of the output current measured at the time point, And if the calculated abnormal state duration is shorter than the reference duration time, the electrochemical biosensor may determine that no error has occurred.
  • An electrochemical biosensor error discrimination method is a method of discriminating an electrochemical biosensor error by using an electrochemical biosensor that outputs a current according to an electrochemical reaction between a biomaterial and a reactant, A method of applying to a system, the method comprising: (a) measuring a magnitude of an output current output from the electrochemical biosensor; Wherein the computer system samples the measured values measured at step (a) at specific points in time, compares the sampled measured values at each point in time with the preceding measured values sampled immediately before the point in time, (B) judging whether an abnormal current has occurred in the step (b); And a controller for monitoring an abnormal state of the output current for a predetermined time to determine whether an error has occurred in the electrochemical biosensor based on the duration of the abnormal state when it is determined that an abnormal current has occurred in the electrochemical biosensor (C).
  • the step (a) may include periodically measuring a magnitude of the output current with a measurement period shorter than a time interval between sampling points of the step (b).
  • the step (b) includes the step of determining that an abnormal current has occurred if the measured value sampled at any one point in time is not smaller than a reference value determined according to the preceding measured value sampled immediately before can do.
  • the step (b) gradually increases the number of sampling times per unit time as the elapsed time of the output of the electrochemical biosensor elapses, and samples the measurement value measured in the step (a) Step < / RTI >
  • the step (c) includes: a step of calculating an abnormal state duration of the output current by monitoring the measured values periodically measured through the step (a); And an error determination step of determining whether an error has occurred in the electrochemical biosensor by comparing the calculated abnormal state duration with a predetermined reference duration.
  • the calculating step may include: a first calculating step of calculating a steady current value of the output current based on a measured value measured immediately before the abnormal current is generated; And a second time point at which a peak occurs in the output current due to the generation of the abnormal current and a second time point at which the measurement value for the output current approaches the calculated normal current value within a certain range, And a second calculating step of calculating an abnormal state duration of the current.
  • the error determination step may include: determining a predetermined reference duration corresponding to a time point at which a peak occurs in the output current due to the occurrence of an abnormal current and a measured value of the output current measured at the time point, And determining that no error has occurred in the electrochemical biosensor if the calculated abnormal state duration is shorter than the reference duration time.
  • the embodiments according to the present invention can be implemented using a computer program recorded on a recording medium as a computer program for executing the above-described operations or methods through a computer system.
  • the present invention can be applied to a measurement system using an electrochemical biosensor to detect the error of an electrochemical biosensor, thereby ensuring the accuracy and reliability of the measurement system.
  • the present invention also provides a method of detecting an abnormal current in an electrochemical biosensor by sampling an output current of an electrochemical biosensor and determining whether an abnormal current has occurred in the electrochemical biosensor, By detecting the error of the electrochemical biosensor through a software process of secondarily determining whether an error has occurred based on the abnormal state duration of the output current by monitoring the electrochemical biosensor for a predetermined time, It is easy to apply to the system, and it is possible to perform accurate error judgment even with an electrochemical biosensor having one working electrode, and it is possible to reduce the manufacturing cost of the measuring system and simplify the operation process.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an electrochemical biosensor error discrimination apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing an example of an electrochemical biosensor.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a second determination unit of the electrochemical biosensor error discrimination apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an electrochemical biosensor error determination method according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a graph showing output current measured values of the electrochemical biosensor in a steady state over time.
  • FIG. 6 is a graph showing output current measurement values of an electrochemical biosensor in which an abnormal current is generated.
  • FIG. 1 is a block diagram of an electrochemical biosensor error discrimination apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the error determination device 100 can be applied to the biomaterial measurement system 2.
  • the biomaterial measurement system 2 uses an electrochemical biosensor 10 that outputs a current in response to an electrochemical reaction between a bio-material to be analyzed and a reactant, And the like, which is a kind of computer system that quantitatively measures the characteristics of a biomaterial.
  • biomaterial' is meant to include biomaterials such as blood, saliva, cells, genes and the like, biochemicals, biomaterials, and materials derived from biochemicals through an electrochemical biosensor.
  • the biomaterial measurement system 2 can quantitatively measure the characteristics of a biomaterial by applying amperometry among electrochemical techniques. That is, the biomaterial measurement system 2 applies a voltage of a predetermined magnitude to the electrode of the electrochemical biosensor 10 and measures the magnitude of the oxidation-reduction current generated in proportion to the concentration or content of the analyte, To provide a quantified value for the analyte.
  • the biomaterial measurement system 2 may include a characteristic value measurement unit 20 and an output unit 30 together with the electrochemical biosensor 10.
  • the characteristic value measuring unit 20 measures a current output from the electrochemical biosensor 10 by applying a predetermined voltage to the electrochemical biosensor 10 to which the bio material is input, And outputs the value of the characteristic value of the input signal to the output unit 30.
  • the characteristic value measuring unit 20 may be implemented by a combination of a processor and a computer program for driving the processor.
  • the output unit 30 is configured to visually or auditorily output information on the characteristic values of the biomaterial.
  • the output 30 may include a visual output device such as an LED, a display panel, a touch screen, a monitor, or the like.
  • output 130 may further include an acoustic generator such as a speaker or the like.
  • an example of the electrochemical biosensor 10 is shown in an exploded perspective view.
  • the electrochemical biosensor 10 includes a substrate 11, electrodes 12 and 13, a first film 14, a reactive material 15, a second film 16, and the like. can do.
  • the substrate 11 is made of an insulating material.
  • the working electrode 12 and the reference electrode 13 are formed of a conductive material and laminated on the upper surface of the substrate 11.
  • the working electrode 12 and the reference electrode 13 may be formed on the upper surface of the substrate 11 through a screen printing process using carbon ink.
  • the first film 14 is laminated on the upper surface of the substrate 11 on which the working electrode 12 and the reference electrode 13 are formed.
  • the first film 14 has an inlet groove 14a extending from the rim of the first film toward the center of the first film 14 to provide a space through which the bio-material to be analyzed flows.
  • the reactive substance 15 includes substances that cause an electrochemical reaction with the biomaterial to be analyzed.
  • the reaction material 15 is fixed at a position corresponding to the inflow groove 14a of the first film 14 so that one end thereof is in contact with the working electrode 12 and the other end thereof is in contact with the reference electrode 13.
  • the second film 16 is laminated and bonded to the upper surface of the first film 14 and covers the upper portion of the inflow groove 14a of the first film 14 in which the reaction material 15 is located.
  • the second film 16 has a through-hole 16a.
  • the through hole 16a of the second film 16 is formed at a position to communicate with the inflow groove 14a of the first film 14 so that the liquid biomaterial is allowed to flow through the first film 14 And can easily flow into the inlet groove 14a.
  • the second film 16 is made of a hydrophilic material and can facilitate the inflow of the biomaterial containing moisture.
  • the biomaterial measurement system 2 using the electrochemical biosensor 10 may be configured as a blood glucose measurement system for measuring the blood glucose level.
  • the electrochemical biosensor 10 may be a blood glucose sensor.
  • the reactant 15 of the electrochemical biosensor 10 is an enzyme which reacts with glucose, such as GOX (glucose oxidase) or GDH (glucose dehydrogenase), which reacts with sugar contained in blood, a mediator, and the like.
  • an enzyme such as GOX or GOD, which reacts with sugar to supply electrons to the medium, is added to the reaction material 15 at a concentration of 1000 to 5000 U / ml, and a liquid reaction material 15 is added to the electrode 12 , 0.1 to 2 wt% of a surfactant such as Triton X-100 or Tween-20, which helps to spread well, and 0.1 to 10 wt% of bovine serum albumin, which maintains enzyme activity, can be added have.
  • the reactant 15 may be added with 100 to 500 mM of a ferricyanide-based compound serving as a mediator.
  • 0.1 to 1 wt% of a polymer such as polyvinylpolypolydone, polyvinyl alcohol, and arginine may be added to the reactive material 15 to aid dispersion of the composition material.
  • the blood glucose measurement system using the electrochemical biosensor 10 is not intended to directly measure the electrons generated due to the reaction between the glucose and the enzyme in the electrochemical biosensor 10 but rather to oxidize the reduced medium , That is, the output current of the electrochemical biosensor 10 is measured to measure the amount of blood glucose.
  • a predetermined measurement voltage for example, 200 mV
  • the blood glucose measurement system calculates the blood glucose level by measuring the output current of the electrochemical biosensor 10 at a point of time after a voltage is applied to the electrochemical biosensor 10.
  • the electrochemical biosensor 10 may be damaged due to impact, contact failure, uneven distribution of the enzyme, The magnitude of the output current changes, and as a result, the blood glucose measurement system outputs an incorrect blood glucose amount. In order to prevent such a situation, the blood glucose measurement system should be able to accurately and quickly determine whether an electrochemical biosensor is erroneous due to the generation of an abnormal current.
  • the electrochemical biosensor error discrimination apparatus 100 may be configured such that, in the above-described biomaterial measurement system 2, And is configured to determine an error of the electrochemical biosensor 10 that outputs a current.
  • the error determination apparatus 100 includes a current measuring unit 110, a first determining unit 120, and a second determining unit 130, and further includes a storage unit 140 according to an embodiment of the present invention .
  • the current measuring unit 110 measures the magnitude of the output current output from the electrochemical biosensor 10 in the process of measuring the characteristics of the biomaterial.
  • the current measuring unit 110 may measure the output current at regular intervals.
  • the first determination unit 120 samples the measured values of the current measuring unit 110 at specific points of time and compares the measured values sampled at each point in time with the preceding measured values sampled immediately before the point of time, It is determined whether an abnormal current has occurred in the biosensor 10 or not. In this case, when the measured value sampled at a certain point in time is not smaller than a reference value determined according to the preceding measured value sampled immediately before, the first determination unit 120 determines that an abnormal current is generated in the electrochemical biosensor 10 . ≪ / RTI > The first determination unit 120 may be configured to gradually increase the number of sampling times per unit time and to sample the measured value of the current measurement unit 110 as time elapses after the start of the output of the electrochemical biosensor 10 have.
  • the second determination unit 130 monitors the abnormal state of the output current for a predetermined time and outputs the result to the electrochemical biosensor 10 determines whether an error has occurred.
  • FIG. 3 is a block diagram of a second determination unit 130 of the electrochemical biosensor error determination apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the second determination unit 130 may include a calculation module 132 and an error determination module 134.
  • the calculation module 132 is configured to calculate the abnormal state duration of the output current output from the electrochemical biosensor 10 by monitoring the measured values periodically measured by the current measuring unit 110.
  • the calculation module 132 may include a first calculation module 132a and a second calculation module 132b.
  • the first calculation module 132a calculates the steady-state current value of the output current in accordance with the measured value of the output current measured immediately before the peak of the output current of the electrochemical biosensor 10 due to the generation of the abnormal current Can be calculated. For example, the first calculation module 132a may calculate the steady current value of the output current over time using Cottrell's equation.
  • the second calculation module 132b calculates the first time when a peak occurs in the output current of the electrochemical biosensor 10 due to the generation of the abnormal current and the measured value of the output current of the electrochemical biosensor 10
  • the abnormal state duration of the output current can be calculated based on a second time point that is close to the calculated normal current value within a certain range.
  • the current measuring unit 110 periodically measures the output current magnitude of the electrochemical biosensor 10 at a time interval shorter than a time interval between sampling times of the first determiner 120, And store the measured values and the information about the measured time points of each measured value in the storage unit 140.
  • the second calculation module 132a inquires the information stored in the storage unit 140, and obtains information about the first time point at which the peak occurs in the output current of the electrochemical biosensor 10 due to the generation of the abnormal current Can be obtained.
  • the error determination module 134 is configured to determine whether an error has occurred in the electrochemical biosensor 10 by comparing the abnormal state duration calculated by the calculation module 132 with a predetermined reference duration. In this case, the error determination module 134 determines the output current of the electrochemical biosensor 10 measured at the first point of time and the first point of time at which the peak occurs in the output current of the electrochemical biosensor 10 due to the generation of the abnormal current,
  • the abnormality detection device further comprising: a comparison unit that compares a predetermined reference duration corresponding to a measured value with an abnormality state duration calculated by the calculation module (132), and if the calculated abnormality duration is shorter than the reference duration, It may be configured to determine that no error has occurred in the memory 10.
  • the electrochemical biosensor error discrimination apparatus 100 described above can be implemented by a combination of hardware and a computer program.
  • the error determination device 100 may optionally include hardware such as a general-purpose processor for executing a computer program, an application-specific integrated circuit (ASIC), other chipsets, logic circuits, registers, According to the embodiment, the error determination device 100 may be implemented in a form physically integrated with the biomaterial measurement system 2, or may be implemented as a separate device physically separable from the biomaterial measurement system 2.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an electrochemical biosensor error determination method according to an embodiment of the present invention.
  • a detailed operation of the biological material measurement system 2, which is a computer system to which the present invention is applied, will be described in a time-series manner.
  • the system 2 when the biomaterial to be analyzed is inputted to the electrochemical biosensor 10, the system 2 applies a predetermined voltage to the working terminal 12 of the electrochemical biosensor 10 S600). In this case, the system 2 may apply a primary voltage of O mV for 2 seconds, and then apply a secondary voltage of 200 mV for another 2 seconds.
  • the current measuring unit 110 of the system 2 measures the magnitude of the output current output from the electrochemical biosensor 10 in the process of measuring the characteristics of the bio material (S410). In this case, the current measuring unit 110 may measure the output current at regular intervals. Also, the current measuring unit 110 periodically measures the output current magnitude of the electrochemical biosensor 10 at a time interval shorter than the time interval between sampling points, which will be described later, Information on the measurement time point of the system 2 in the storage unit 140 of the system 2.
  • the first determiner 120 of the system 2 samples the measured values measured by the current measuring unit 110 at each specific time point T n at step S432 and compares the measured values sampled at each time point I n) to just before the time point (T n for the time (T n) - compared with the preceding measured value sampled in 1) (I n-1), it is determined that an abnormal current generated in the electrochemical biosensor 10 (S430, S432).
  • any time point (T n) measured values (I n) is just before the time sampling in-determined according to the preceding measurement value (I n-1) sample in the (T n 1) the reference value (I n-1 + x), it can be determined that an abnormal current has occurred in the electrochemical biosensor 10 at the time T n .
  • the first determination unit 120 may determine whether an abnormal current is generated in the electrochemical biosensor 10 according to the condition of Equation (1).
  • I n is the measured value
  • I n-1 is the measured value sampled immediately before the time point T n the time T n-1 sampled at the time T n
  • x denotes a margin into account a current measurement error
  • the margin value x can be selected in the range of 1 to 20%, preferably in the range of 3 to 10% of the slope of the calibration curve representing the current value corresponding to the blood sugar amount.
  • the margin value x is not meaningful in the early stage of the output where the rate of reduction of the output current per hour is large, but it is significant in the second half of the output where the rate of decrease per hour is very low.
  • a first determining unit 120 when meeting the conditions of the equation (1) at the time (T n) is determined to be not more than a current generated in the electrochemical biosensor 10, and the condition of the equation (1) is not satisfied , It can be determined that an abnormal current has occurred in the electrochemical biosensor 10 at the time T n .
  • FIG. 5 is a graph of measured output currents of the electrochemical biosensor 10 in a steady state over time.
  • the output current of the electrochemical biosensor 10 in a steady state has a small value close to 0 ⁇ A while a primary voltage of 0 mV is applied, and a secondary voltage of 200 mV The output is started and the peak is formed, and then it gradually decreases with the lapse of time. Therefore, in the steady state in which no abnormal current is generated in the electrochemical biosensor 10, the output current measurement values sampled later in time based on the application of the secondary voltage are always smaller than the sampled output current measurement values do.
  • the system 2 is capable of sampling the output current measurement value and generating an anomalous current at specific points of time until the measurement of the output current of the electrochemical biosensor 10 is completed,
  • the determination process can be repeatedly performed (S434).
  • the first determination unit 120 gradually increases the number of sampling times per unit time as the time elapses after the secondary voltage is applied and the output of the electrochemical biosensor 10 is started, And the above-described abnormality current occurrence determination process can be performed. This is because even if the same abnormal current occurs later in time, the final output current of the electrochemical biosensor 10 is greatly affected.
  • FIG. 6 is a graph showing an output current measurement value of the electrochemical biosensor 10 in which an abnormal current has occurred.
  • the measured value I 5 sampled at the time T 5 has a value larger than the preceding measured value I 4 sampled immediately before the time T 4 .
  • the first determination unit 120 of the system 2 determines that an abnormal current has occurred in the electrochemical biosensor 10.
  • step S440 it is determined whether an error has occurred in the electrochemical biosensor 10 based on the abnormal state duration of the output current that is confirmed as a result.
  • the calculation module 132 of the second determination unit 130 monitors the measured values periodically measured by the current measurement unit 110 (S440), and calculates the measured values by the electrochemical biosensor 10 The abnormal state duration of the output current is calculated (S450).
  • the first calculation module 132a of the second determination unit 130 determines the measured value of the output current measured immediately before the peak of the output current of the electrochemical biosensor 10 due to the generation of the abnormal current, , It is possible to calculate the steady current value of the output current over time.
  • the first calculation module 132a may inquire information on the measurement values of the current measurement unit 110 and the measurement time of each measurement value in the storage unit 140 so that a peak occurs in the output current due to the abnormal current And the calculated measured value is substituted into Cottrell's equation (2) to calculate the steady current value i (t) of the output current over time.
  • n is the number of electrons involved in the reaction
  • F is the Faraday constant
  • A is the electrode area
  • D is the diffusion coefficient
  • C 0 is the initial concentration of the material (reduced medium) .
  • the second calculation module 132b inquires information on the measurement values periodically measured by the current measurement unit 110 and stored in the storage unit 140 and the measurement time of each measurement value, The information about the first time point t a at which the abnormal peak occurs in the output current of the electrochemical biosensor 10 can be obtained.
  • the second calculation module 132b secondarily samples the measured values periodically measured by the current measuring unit 110 or the measured values periodically measured and stored in the storage unit 140 at regular intervals, it is able to obtain information about the chemical biosensor proximate the second time into the measurement value of the calculated steady-state current value i (t b) and a predetermined range of the output current (10) (t b).
  • the second calculation module (132b) is said to point reduced to within 10% of the difference between the measured value and the calculated steady-state current value i (t b) of the output current, the calculated steady-state current value i (t b) the 2 (t b ).
  • the error determination module 134 of the second determination unit 130 compares the abnormal state duration? T calculated by the calculation module 132 with a predetermined reference duration? It is determined whether an error has occurred in the biosensor 10 (S460, S462).
  • the error determination module 134 is an electrical measurement due to the occurrence of an abnormal current on a first time (t a) and the first point in time (t a) caused an abnormal peak in the output current of an electrochemical biosensor (10)
  • a predetermined reference duration? Tr corresponding to the output current measurement value of the chemical biosensor 10 and the abnormal state duration? T calculated by the calculation module 132 can be compared (S460).
  • the error determination module 134 may refer to the look-up table as shown in Table 1 to obtain information on the reference duration?
  • the system 2 may previously store a look-up table in which the reference duration? T is recorded for each of the abnormal peak occurrence time and the abnormal peak current value of the output current as shown in Table 1.
  • T is recorded as 0.00 [s] in the look-up table, if an abnormal peak of a corresponding magnitude occurs in the output current of the electrochemical biosensor 10 at that time, , It is possible to generate an error of more than 3% with respect to the biomaterial characteristic value measurement result regardless of whether the calculated abnormal state duration time? T does not need to be compared with the reference duration? It can be determined that an error has occurred.
  • the error determination module 134 determines that no error has occurred in the electrochemical biosensor 10 when the calculated abnormal state duration? T is shorter than the reference duration? T (S462). On the other hand, if the calculated abnormal state duration? T is equal to or greater than the reference duration? Tr, the error determination module 134 determines that an error has occurred in the electrochemical biosensor 10 (S470).
  • the system 2 can output an error occurrence alarm notifying the user of the error occurrence visually or audibly through the output unit 30 S480).
  • the embodiments according to the present invention can be implemented by a computer system and a computer program for driving such a computer system.
  • the elements of the present invention are program segments that execute corresponding operations or tasks through the computer system.
  • Such computer programs and program segments may be stored in various computer-readable media.
  • a computer-readable recording medium includes all kinds of media for recording data that can be read by a computer system.
  • a computer-readable recording medium may include a ROM, a RAM, an EEPROM, a register, a flash memory, a CD-ROM, a magnetic tape, a hard disk, a floppy disk,
  • the recording medium may be distributed to computer systems connected by various networks, and may store and execute program codes in a distributed manner.
  • Tables 2 to 4 below show experimental results confirming the effect of the present invention.
  • an electrochemical biosensor as shown in FIG. 2 was applied to each of the blood glucose measurement system to which the present invention was applied and the blood glucose measurement system for Comparative Examples 1 and 2, respectively.
  • the margin value x in Equation (1) is used as a value of 6% of the slope of the calibration curve representing the current value corresponding to the blood sugar amount, and the lookup table shown in Table 1 is used for judging whether or not an error occurs.
  • an error discrimination algorithm for judging whether or not an error has occurred is applied only by whether or not an abnormal current is generated according to Equation (1).
  • Blood glucose levels of 75, 126, and 303 [mg / dL] were sequentially input into the thus-constructed invention and Comparative Examples 1 and 2, respectively.
  • a voltage applied to an electrochemical biosensor was controlled by using a potentiostat. The tolerance was set to 12% of the actual value (9% error of the device + 3% error due to the overcurrent)
  • the voltage was adjusted so that the abnormal peak value of the output current increased about 75% from the steady current value in the time period of 0.3 to 1.37 [s] after the start of the output of the electrochemical biosensor.
  • the voltage was adjusted so that the abnormal peak value of the output current increased about 150% from the steady current value at the time of 0.6 ⁇ 1.3 [s] after the start of the output of the electrochemical biosensor.
  • the voltage was adjusted so that the abnormal peak value of the output current increased about 100% with respect to the normal current value in the time period of 1.1 to 1.75 [s] after the start of the output of the electrochemical biosensor.
  • the voltage was adjusted so that the abnormal peak value of the output current increased about 100% from the steady current value in the time period of 1.5 to 1.6 [s] after the start of the output of the electrochemical biosensor.
  • Comparative Example 1 As shown in Tables 2 to 4, in Comparative Example 1, when the error of the measured value does not exceed the allowable error of 12% (Experiment Condition 1), or when the error of the measured value exceeds the tolerance of 12% Test conditions 2-6) also showed the measured values. It can be seen from the above results that the accuracy and reliability of the measurement value can not be guaranteed in Comparative Example 1 in which the error discrimination algorithm is not applied. In Comparative Example 2, (Experiment condition 2-6), it was determined as an error as well as the case where the measurement value could be outputted because the error of the measured value did not exceed the allowable error of 12% (experimental condition 1).
  • the present invention when the error of the measured value exceeds the tolerance of 12% (experimental condition 2-6), it is judged as an error, while when the error of the measured value does not exceed the tolerance of 12% 1).
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and it is an object of the present invention to provide an electrochemical biosensor capable of ensuring the accuracy and reliability of measurement results using an electrochemical biosensor while restricting unnecessary error judgment and preventing waste of time and cost due to replacement or re- It can be seen that
  • the present invention can be applied to a measurement system using an electrochemical biosensor to detect the error of the electrochemical biosensor, thereby assuring the accuracy and reliability of the measurement system.
  • the present invention also provides a method of detecting an abnormal current in an electrochemical biosensor by sampling an output current of an electrochemical biosensor and determining whether an abnormal current has occurred in the electrochemical biosensor, By detecting the error of the electrochemical biosensor through a software process of secondarily determining whether an error has occurred based on the abnormal state duration of the output current by monitoring the electrochemical biosensor for a predetermined time, It is easy to apply to the system, and it is possible to perform accurate error judgment even with an electrochemical biosensor having one working electrode, and it is possible to reduce the manufacturing cost of the measuring system and simplify the operation process.

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Abstract

전기화학 바이오센서 에러 판별 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치는, 바이오 물질과 반응 물질 간의 전기화학 반응에 따라 전류를 출력하는 전기화학 바이오센서의 에러를 판별하는 장치로서, 상기 전기화학 바이오센서에서 출력되는 출력 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부; 상기 전류 측정부의 측정값을 특정 시점마다 샘플링하고, 각각의 시점에 샘플링된 측정값을 해당 시점의 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값과 비교하여 상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생했는지를 판단하는 제1 판단부; 및 상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 출력 전류의 이상 상태를 일정 시간 모니터링하여 상기 이상 상태의 지속 시간을 기준으로 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생했는지를 판단하는 제2 판단부를 포함한다.

Description

전기화학 바이오센서 에러 판별 장치 및 방법
본 출원은 2017년 9월 29일에 출원된 한국 특허출원 제10-2017-0128136호를 기초로 한 우선권 주장을 수반하며, 해당 특허출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 본 출원에 원용된다.
본 발명은 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 바이오 물질과 반응 물질 간의 전기화학 반응에 따라 전류를 출력하는 전기화학 바이오센서의 에러를 판별하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기화학 바이오센서(electrochemical biosensor)는 효소, 항원, 항체, 호르몬 등과 같이 생물학적 특이성을 가진 반응 물질이 고정된 전극(electrode)을 이용하여, 분석 대상이 되는 바이오 물질과 상기 반응 물질 간의 전기화학 반응에 따른 전기적 신호를 출력하는 장치를 말한다. 즉, 전기화학 바이오센서는 바이오 물질에 관한 특정 정보를 전류값 또는 전압값으로 제공하는 장치이다. 최근, 전기화학 바이오센서가 고도의 정확성과 신뢰성이 요구되는 혈당 측정 시스템이나 각종 정밀 의료 진단 시스템 등에 적용되면서, 전기화학 바이오센서의 에러를 감지하는 기술에 대한 관심과 요청이 급증하고 있다.
그러나, 전기화학 바이오센서에서 단순히 이상 전류가 발생하는지를 감지하여 전기화학 바이오센서의 에러를 판단하는 기술은, 발생한 이상 전류가 바이오센서를 통한 측정 결과에 사실상 유의미한 영향을 미치지 않는 경우에도 에러가 발생한 것으로 판단할 수 있기 때문에, 바이오센서의 교체나 재측정 수행 등으로 인한 시간과 비용의 낭비를 초래하는 문제가 있다.
또한, 한국 공개특허공보 제10-2004-0028437호, 한국 공개특허공보 제10-2014-0005156호 등에 개시된 바와 같이, 기준 전극과 함께 두 개의 작업 전극 가진 바이오센서를 이용하여 에러를 감지하는 기존 기술은, 바이오센서의 기판에 두 개의 작업 전극을 적층하여 설치해야 하고 두 개의 작업 전극을 통해 전달되는 전기 신호를 모두 처리해야 하기 때문에, 한 개의 작업 전극만 설치된 바이오센서를 이용하는 측정 시스템에는 적용될 수 없으며, 측정 시스템의 제조 비용을 증가시키고 동작 프로세스 복잡하게 하는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전기화학 바이오센서를 이용한 측정 시스템의 정확성과 신뢰성을 보장하면서도 불필요한 에러 판단을 제한하고, 한 개의 작업 전극을 가진 전기화학 바이오센서로도 정확한 에러 판단을 수행하여 측정 시스템의 제조 비용 절감과 동작 프로세스 간소화를 가능하게 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치는, 바이오 물질과 반응 물질 간의 전기화학 반응에 따라 전류를 출력하는 전기화학 바이오센서의 에러를 판별하는 장치로서, 상기 전기화학 바이오센서에서 출력되는 출력 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부; 상기 전류 측정부의 측정값을 특정 시점마다 샘플링하고, 각각의 시점에 샘플링된 측정값을 해당 시점의 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값과 비교하여 상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생했는지를 판단하는 제1 판단부; 및 상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 출력 전류의 이상 상태를 일정 시간 모니터링하여 상기 이상 상태의 지속 시간을 기준으로 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생했는지를 판단하는 제2 판단부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전류 측정부는, 상기 제1 판단부의 샘플링 시점들 간의 시간 간격보다 짧은 시간 간격을 측정 주기로 하여 상기 출력 전류의 크기를 주기적으로 측정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 판단부는, 어느 한 시점에 샘플링된 측정값이 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값에 따라 결정되는 기준값보다 작지 않은 경우, 이상 전류가 발생한 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 판단부는, 상기 전기화학 바이오센서의 출력 개시 후 시간이 경과함에 따라 단위 시간당 샘플링 횟수를 점진적으로 증가시키며 상기 전류 측정부의 측정값을 샘플링하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 판단부는, 상기 전류 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 측정값들을 모니터링하여 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출하는 산출 모듈; 및 상기 산출된 이상 상태 지속 시간을 미리 결정된 기준 지속 시간과 비교하여 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생했는지를 판단하는 에러 판단 모듈을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 산출 모듈은, 이상 전류의 발생으로 인해 상기 출력 전류에 피크가 발생하기 직전 측정된 상기 출력 전류의 측정값을 기초로 상기 출력 전류의 정상 전류값을 산출하는 제1 산출 모듈; 및 이상 전류의 발생으로 인해 상기 출력 전류에 피크가 발생한 제1 시점과, 상기 출력 전류에 대한 측정값이 상기 산출된 정상 전류값과 일정 범위 내로 근접한 제2 시점을 기준으로, 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출하는 제2 산출 모듈을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 에러 판단 모듈은, 이상 전류의 발생으로 인해 상기 출력 전류에 피크가 발생한 시점 및 해당 시점에서 측정된 상기 출력 전류의 측정값에 대응하여 미리 결정된 기준 지속 시간과, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간을 비교하여, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간이 상기 기준 지속 시간보다 짧은 경우, 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생하지 않은 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법은, 바이오 물질과 반응 물질 간의 전기화학 반응에 따라 전류를 출력하는 전기화학 바이오센서를 이용하여 상기 바이오 물질의 특성을 정량적으로 측정하는 컴퓨터 시스템에 적용되는 방법으로서, 상기 컴퓨터 시스템이 상기 전기화학 바이오센서에서 출력되는 출력 전류의 크기를 측정하는 (a) 단계; 상기 컴퓨터 시스템이 상기 (a) 단계를 통해 측정되는 측정값을 특정 시점마다 샘플링하고, 각각의 시점에 샘플링된 측정값을 해당 시점의 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값과 비교하여 상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생했는지를 판단하는 (b) 단계; 및 상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 컴퓨터 시스템이 상기 출력 전류의 이상 상태를 일정 시간 모니터링하여 상기 이상 상태의 지속 시간을 기준으로 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생했는지를 판단하는 (c) 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계는, 상기 (b) 단계의 샘플링 시점들 간의 시간 간격보다 짧은 시간 간격을 측정 주기로 하여 상기 출력 전류의 크기를 주기적으로 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는, 어느 한 시점에 샘플링된 측정값이 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값에 따라 결정되는 기준값보다 작지 않은 경우, 이상 전류가 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는, 상기 전기화학 바이오센서의 출력 개시 후 시간이 경과함에 따라 단위 시간당 샘플링 횟수를 점진적으로 증가시키며 상기 (a) 단계를 통해 측정되는 측정값을 샘플링하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 (a) 단계를 통해 주기적으로 측정되는 측정값들을 모니터링하여 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출하는 산출 단계; 및 상기 산출된 이상 상태 지속 시간을 미리 결정된 기준 지속 시간과 비교하여 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생했는지를 판단하는 에러 판단 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 산출 단계는, 상기 이상 전류의 발생 직전 측정된 측정값을 기초로 상기 출력 전류의 정상 전류값을 산출하는 제1 산출 단계; 및 상기 이상 전류의 발생으로 인해 상기 출력 전류에 피크가 발생하는 제1 시점과, 상기 출력 전류에 대한 측정값이 상기 산출된 정상 전류값과 일정 범위 내로 근접하는 제2 시점을 기준으로, 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출하는 제2 산출 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 에러 판단 단계는, 이상 전류의 발생으로 인해 상기 출력 전류에 피크가 발생한 시점 및 해당 시점에서 측정된 상기 출력 전류의 측정값에 대응하여 미리 결정된 기준 지속 시간과, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간을 비교하여, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간이 상기 기준 지속 시간보다 짧은 경우, 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생하지 않은 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예들은, 상술한 동작 또는 방법을 컴퓨터 시스템을 통해 실행하는 컴퓨터 프로그램으로서 기록매체에 기록되는 컴퓨터 프로그램을 이용하여 구현될 수 있다.
본 발명은, 전기화학 바이오센서를 이용한 측정 시스템에 적용되어 전기화학 바이오센서의 에러를 검출함으로써, 측정 시스템의 정확성과 신뢰성을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생하는 경우라도, 발생한 이상 전류가 전기화학 바이오센서를 이용한 측정 결과에 허용 범위를 초과하는 영향을 미치지 않는 경우에는, 전기화학 바이오센서에 에러가 발생하지 않은 것으로 판단함으로써, 불필요한 에러 판단을 제한하고 바이오센서의 교체나 재측정 수행 등으로 인한 시간과 비용의 낭비를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전기화학 바이오센서의 출력 전류를 샘플링하여 상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생했는지를 1차적으로 판단하고, 이상 전류가 발생한 것으로 판단된 경우에 전기화학 바이오센서의 출력 전류를 일정 시간 모니터링하여 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 기준으로 에러 발생 여부를 2차적으로 판단하는 소프트웨어적 처리를 통해, 전기화학 바이오센서의 에러를 검출함으로써, 전기화학 바이오센서를 이용하는 기존의 측정 시스템에 적용하기 쉽고, 한 개의 작업 전극을 가진 전기화학 바이오센서로도 정확한 에러 판단을 수행할 수 있으며, 측정 시스템의 제조 비용 절감과 동작 프로세스 간소화를 가능하게 한다.
나아가, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에 따른 다양한 실시예들이 상기 언급되지 않은 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음을 이하의 설명으로부터 자명하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 전기화학 바이오센서의 일례를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치의 제2 판단부를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 정상 상태에 있는 전기화학 바이오센서의 시간별 출력 전류 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 이상 전류가 발생한 전기화학 바이오센서의 시간별 출력 전류 측정값을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 대한 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우 그에 관한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이들은 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 후술되는 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치(100)가 블록도로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에러 판별 장치(100)는, 바이오 물질 측정 시스템(2)에 적용될 수 있다. 바이오 물질 측정 시스템(2)은, 분석 대상 바이오 물질과 반응 물질 간의 전기화학 반응에 따라 전류를 출력하는 전기화학 바이오센서(electrochemical biosensor)(10)를 이용하여, 바이오 물질의 성분이나 물리적 또는 화학적 성질 등과 같은 바이오 물질의 특성을 정량적으로 측정하는 일종의 컴퓨터 시스템이다.
본 명세서에서, ‘바이오 물질’은 전기화학 바이오센서를 통해 혈액, 타액, 세포, 유전자 등과 같은 생체 물질, 생화학 물질, 생체 물질 또는 생화학 물질로부터 유래된 물질 등을 포함하는 의미이다.
이러한 바이오 물질 측정 시스템(2)은, 전기화학적 테크닉들 중 암페로메트리(amperometry)를 적용하여 바이오 물질의 특성을 정량적으로 측정할 수 있다. 즉, 바이오 물질 측정 시스템(2)은 전기화학 바이오센서(10)의 전극에 일정한 크기의 전압을 인가하고, 분석 대상 물질의 농도나 함량 등에 비례하여 발생하는 산화-환원 전류의 크기를 측정함으로써, 분석 대상 물질에 대한 정량화된 값을 제공할 수 있다.
이를 위해, 바이오 물질 측정 시스템(2)은, 전기화학 바이오센서(10)와 함께 특성값 측정부(20) 및 출력부(30) 등을 포함할 수 있다. 특성값 측정부(20)는 바이오 물질이 입력된 전기화학 바이오센서(10)에 소정 전압을 인가하여 전기화학 바이오센서(10)로부터 출력되는 전류를 측정하고, 측정된 전류값에 대응하는 바이오 물질의 특성값을 출력부(30)를 통해 출력하도록 구성될 수 있다. 이러한 특성값 측정부(20)는 프로세서와 해당 프로세서를 구동하는 컴퓨터 프로그램의 결합으로 구현될 수 있다. 출력부(30)는 바이오 물질의 특성값에 관한 정보를 시각적 또는 시청각적으로 출력하도록 구성된다. 이를 위해, 출력부(30)는 LED, 디스플레이 패널, 터치 스크린, 또는 모니터 등과 같은 시각적 출력 장치를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 출력부(130)는 스피커 등과 같은 음향 발생 장치를 더 포함할 수 있다.
도 2에는 전기화학 바이오센서(10)의 일례가 분해 사시도로 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학 바이오센서(10)는 기판(11), 전극(12, 13), 제1 필름(14), 반응 물질(15), 제2 필름(16) 등을 포함할 수 있다.
기판(11)은 절연성 소재로 구성된다. 작업 전극(12)과 기준 전극(13)은 도전성 소재로 구성되며 기판(11)의 상면에 적층되어 형성된다. 예컨대, 작업 전극(12)과 기준 전극(13)은 탄소잉크를 사용하는 스크린 프린트 공정을 통해 기판(11)의 상면에 형성될 수 있다. 작업 전극(12)과 기준 전극(13)이 형성된 기판(11)의 상면에는 제1 필름(14)이 적층되어 결합된다. 제1 필름(14)은 제1 필름의 테두리에서 그 중심부 측으로 연장되어 분석 대상 바이오 물질이 유입되는 공간을 제공하는 유입 홈(14a)을 가진다. 반응 물질(15)은 분석 대상 바이오 물질과 전기화학적 반응을 일으키는 물질들을 포함한다. 반응 물질(15)은, 제1 필름(14)의 유입 홈(14a)과 대응하는 위치에 고정되어 그 일단은 작업 전극(12)과 접촉되고 그 타단은 기준 전극(13)과 접촉된다. 제2 필름(16)은 제1 필름(14)의 상면에 적층되어 결합되며, 반응 물질(15)이 위치한 제1 필름(14)의 유입 홈(14a)의 상부를 커버한다. 제2 필름(16)은 관통구(16a)를 가진다. 제2 필름(16)의 관통구(16a)는 제1 필름(14)의 유입 홈(14a)과 연통되는 위치에 형성되어, 액상의 바이오 물질로 하여금 모세관 현상 등에 의해 제1 필름(14)의 유입 홈(14a)으로 쉽게 유입되도록 할 수 있다. 또한, 제2 필름(16)은 친수성 소재로 구성되어 수분을 함유한 바이오 물질의 유입을 용이하게 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 전기화학 바이오센서(10)을 사용하는 바이오 물질 측정 시스템(2)은 혈당량을 측정하는 혈당 측정 시스템으로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 전기화학 바이오센서(10)는 혈당 센서로 구성될 수 있다. 즉, 전기화학 바이오센서(10)의 반응 물질(15)은, 혈액에 포함된 당과 반응하는 GOX(glucose oxidase)나 GDH(glucose dehydrogenase) 등의 효소와, 효소 반응시 전자를 받아 환원되는 매개체(mediator) 등을 포함하는 효소 용액으로 구성될 수 있다. 예컨대, 반응 물질(15)에는 당과 반응하여 매개체에 전자를 공급하는 역할을 하는 GOX나 GOD 등의 효소가 1000~5000 U/ml 농도로 첨가되고, 액상의 반응 물질(15)이 전극(12, 13) 위에 잘 퍼지도록 도움을 주는 TritonX-100나 Tween-20 등의 계면활성제가 0.1~2 wt%로 첨가되고, 효소의 활성도를 유지해주는 Bovine serum albumin이 0.1~10 wt%로 첨가될 수 있다. 또한, 반응 물질(15)에는 매개체 역할을 하는 페리시아나이드(ferricyanide)계 화합물이 100~500 mM 첨가될 수 있다. 또한, 반응 물질(15)에는 조성 물질의 분산을 돕는 폴리비닐피폴리돈, 폴리비닐알코올, 아르지닌과 같은 고분자가 0.1~1 wt% 첨가될 수 있다.
이러한 전기화학 바이오센서(10)를 이용하는 혈당 측정 시스템은, 전기화학 바이오센서(10)에서 혈당과 효소의 반응으로 인해 발생되는 전자들을 직접 측정하는 것이 아니라, 해당 전자들을 받아 환원된 매개체를 다시 산화시키면서 발생되는 산화 전류, 즉 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류를 측정함으로써 혈당량을 측정한다. 전기화학 바이오센서(10)의 작업 전극(12)에 소정 측정 전압(예컨대, 200 mV)이 인가되어 작업 전극(12)에서 전류가 출력되기 시작하면, 반응 물질(15)의 환원된 매개체의 농도가 점차 감소하고, 그에 따라 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류 역시 점차 감소하게 된다. 혈당 측정 시스템은 전기화학 바이오센서(10)에 전압을 인가한 후 일정 시간이 경과한 시점에 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류를 측정하여 혈당량을 산출한다.
그러나, 전기화학 바이오센서(10)에서 출력 전류가 출력되기 시작한 후 출력 전류에 대한 측정이 이루어지기 전에, 충격, 접점 불량, 효소 분포의 불균일, 이물질의 유입 등으로 인해 전기화학 바이오센서(10)에 이상 전류가 발생하게 되면, 출력 전류의 크기가 달라지고, 그 결과 혈당 측정 시스템은 잘못된 혈당량을 출력하게 된다. 이러한 상황을 방지하기 위해, 혈당 측정 시스템은 이상 전류의 발생으로 인한 전기화학 바이오센서의 에러 여부를 정확하고 신속하게 판별할 수 있어야 한다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치(100)는, 상술한 바이오 물질 측정 시스템(2)에서 분석 대상 바이오 물질과 반응 물질 간의 전기화학 반응에 따라 전류를 출력하는 전기화학 바이오센서(10)의 에러를 판별하도록 구성된다. 이를 위해, 상기 에러 판별 장치(100)는 전류 측정부(110), 제1 판단부(120) 및 제2 판단부(130)를 포함하며, 실시예에 따라 저장부(140)를 더 포함할 수 있다.
전류 측정부(110)는, 바이오 물질의 특성을 측정하는 과정에서 전기화학 바이오센서(10)로부터 출력되는 출력 전류의 크기를 측정한다. 이 경우, 전류 측정부(110)는 일정 주기로 출력 전류에 대한 측정을 수행할 수 있다.
제1 판단부(120)는, 전류 측정부(110)의 측정값을 특정 시점마다 샘플링하고, 각각의 시점에 샘플링된 측정값을 해당 시점의 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값과 비교하여 전기화학 바이오센서(10)에서 이상 전류가 발생했는지를 판단한다. 이 경우, 제1 판단부(120)는 어느 한 시점에 샘플링된 측정값이 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값에 따라 결정되는 기준값보다 작지 않은 경우, 전기화학 바이오센서(10)에 이상 전류가 발생한 것으로 판단하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 판단부(120)는 전기화학 바이오센서(10)의 출력 개시 후 시간이 경과함에 따라 단위 시간당 샘플링 횟수를 점진적으로 증가시키며 전류 측정부(110)의 측정값을 샘플링하도록 구성될 수 있다.
제2 판단부(130)는, 전기화학 바이오센서(10)에서 이상 전류가 발생한 것으로 판단된 경우, 출력 전류의 이상 상태를 일정 시간 모니터링하여 상기 이상 상태의 지속 시간을 기준으로 전기화학 바이오센서(10)에서 에러가 발생했는지를 판단한다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치(100)의 제2 판단부(130)가 블록도로 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 판단부(130)는 산출 모듈(132) 및 에러 판단 모듈(134)을 포함할 수 있다.
산출 모듈(132)은, 전류 측정부(110)에 의해 주기적으로 측정되는 측정값들을 모니터링하여 전기화학 바이오센서(10)에서 출력되는 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출하도록 구성된다. 이를 위해, 산출 모듈(132)은 제1 산출 모듈(132a)과 제2 산출 모듈(132b)을 포함할 수 있다.
제1 산출 모듈(132a)은, 이상 전류의 발생으로 인해 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 피크가 발생하기 직전 측정된 출력 전류의 측정값을 기초로, 출력 전류의 시간별 정상 전류값을 산출할 수 있다. 예컨대, 제1 산출 모듈(132a)은 코트렐 식(Cottrell's equation)을 이용하여 출력 전류의 시간별 정상 전류값을 산출할 수 있다.
제2 산출 모듈(132b)은, 이상 전류의 발생으로 인해 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 피크가 발생한 제1 시점과, 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 대한 측정값이 상기 산출된 정상 전류값과 일정 범위 내로 근접한 제2 시점을 기준으로, 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출할 수 있다.
이를 위해, 상기 전류 측정부(110)는 제1 판단부(120)의 샘플링 시점들 간의 시간 간격보다 짧은 시간 간격을 측정 주기로 하여 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류 크기를 주기적으로 측정하고, 해당 측정값들과 각 측정값의 측정 시점에 관한 정보를 저장부(140)에 저장하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제2 산출 모듈(132a)은 저장부(140)에 저장된 정보를 조회하여, 이상 전류의 발생으로 인해 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 피크가 발생한 제1 시점에 관한 정보를 획득할 수 있다.
에러 판단 모듈(134)은, 산출 모듈(132)에 의해 산출된 이상 상태 지속 시간을 미리 결정된 기준 지속 시간과 비교하여 전기화학 바이오센서(10)에서 에러가 발생했는지를 판단하도록 구성된다. 이 경우, 에러 판단 모듈(134)은 이상 전류의 발생으로 인해 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 피크가 발생한 제1 시점 및 제1 시점에서 측정된 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류 측정값에 대응하여 미리 결정된 기준 지속 시간과, 산출 모듈(132)에 의해 산출된 이상 상태 지속 시간을 비교하여, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간이 상기 기준 지속 시간보다 짧은 경우에는, 전기화학 바이오센서(10)에서 에러가 발생하지 않은 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
상술한 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치(100)는, 하드웨어와 컴퓨터 프로그램의 결합으로 구현될 수 있다. 이 경우, 에러 판별 장치(100)는 컴퓨터 프로그램을 실행하기 위한 범용 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 그 밖의 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 메모리 등의 하드웨어들을 선택적으로 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 에러 판별 장치(100)는 바이오 물질 측정 시스템(2)과 물리적으로 통합된 형태로 구현되거나, 바이오 물질 측정 시스템(2)과 물리적으로 분리 가능한 별도의 장치로 구현될 수 있다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법이 흐름도로 도시되어 있다. 도 4를 참조하여 본 발명이 적용된 컴퓨터 시스템인 바이오 물질 측정 시스템(2)의 세부 동작을 시계열적으로 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전기화학 바이오센서(10)에 분석 대상 바이오 물질이 입력되면, 상기 시스템(2)은 전기화학 바이오센서(10)의 작업 단자(12)에 소정 전압을 인가한다(S600). 이 경우, 상기 시스템(2)은 O mV의 1차 전압을 2초 동안 인가한 후, 이어서 200mV의 2차 전압을 다시 2초 동안 인가할 수 있다.
2차 전압이 인가되면, 상기 시스템(2)의 전류 측정부(110)는 바이오 물질의 특성을 측정하는 과정에서 전기화학 바이오센서(10)로부터 출력되는 출력 전류의 크기를 측정한다(S410). 이 경우, 전류 측정부(110)는 일정 주기로 출력 전류에 대한 측정을 수행할 수 있다. 또한, 전류 측정부(110)는 후술되는 샘플링 시점들 간의 시간 간격보다 짧은 시간 간격을 측정 주기로 하여 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류 크기를 주기적으로 측정하고, 해당 측정값들과 각 측정값의 측정 시점에 관한 정보를 상기 시스템(2)의 저장부(140)에 저장할 수 있다.
상기 시스템(2)의 제1 판단부(120)는, 전류 측정부(110)에 의해 측정되는 측정값들을 특정 시점(Tn)마다 샘플링하고(S432), 각각의 시점에 샘플링된 측정값(In)을 해당 시점(Tn)의 직전 시점(Tn - 1)에 샘플링된 선행 측정값(In-1)과 비교하여 전기화학 바이오센서(10)에서 이상 전류가 발생했는지를 판단한다(S430, S432). 이 경우, 어느 한 시점(Tn)에 샘플링된 측정값(In)이 직전 시점(Tn - 1)에 샘플링된 선행 측정값(In-1)에 따라 결정된 기준값(In-1 + x)보다 작지 않은 경우, 해당 시점(Tn)에 전기화학 바이오센서(10)에서 이상 전류가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
즉, 제1 판단부(120)는 수학식 1의 조건에 따라 전기화학 바이오센서(10)의 이상 전류 발생 여부를 판단할 수 있다.
[수학식 1]
In ＜ In -1 + x
수학식 1에서, In은 시점 Tn에 샘플링된 측정값, In-1은 시점 Tn의 직전 시점 Tn-1에 샘플링된 측정값, x는 전류 측정 오차를 고려한 마진값을 나타낸다.
마진값 x는, 혈당량에 대응한 전류값을 나타내는 calibration curve 기울기의 1 ~ 20 % 범위, 바람직하게는 3 ~ 10 % 범위에서 선택될 수 있다. 마진값 x는 출력 전류의 시간당 감소율이 큰 출력 초반에는 큰 의미가 없지만, 시간당 감소율이 매우 떨어지는 출력 후반에는 중요한 의미가 있다.
제1 판단부(120)는, 수학식 1의 조건이 충족되면 해당 시점(Tn)에 전기화학 바이오센서(10)에서 이상 전류가 발생하지 않은 것으로 판단하고, 수학식 1의 조건이 충족되지 않으면 해당 시점(Tn)에 전기화학 바이오센서(10)에서 이상 전류가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
도 5에는 정상 상태에 있는 전기화학 바이오센서(10)의 시간별 출력 전류 측정값이 그래프로 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 정상 상태에 있는 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류는, O mV의 1차 전압이 인가되는 동안 0 μA에 가까운 작은 값을 가지다가, 200mV의 2차 전압 인가시 출력이 개시되어 피크(peak)를 형성한 후 시간의 경과에 따라 점차 감소하게 된다. 따라서, 전기화학 바이오센서(10)에서 이상 전류가 발생하지 않는 정상 상태에서는, 2차 전압 인가시를 기준으로 시간상 나중에 샘플링된 출력 전류 측정값은 먼저 샘플링된 출력 전류 측정값보다 항상 작은 값을 가지게 된다.
상기 시스템(2)은 바이오 물질의 특성값을 획득할 수 있게 되어 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 대한 측정을 완료하게 될 때까지, 특정 시점마다 출력 전류 측정값 샘플링과 이상 전류 발생 여부 판단 프로세스를 반복하여 수행할 수 있다(S434).
이 경우, 제1 판단부(120)은 2차 전압이 인가되어 전기화학 바이오센서(10)의 출력이 개시된 후 시간이 경과함에 따라, 단위 시간당 샘플링 횟수를 점진적으로 증가시키며 전류 측정부(110)의 측정값을 샘플링하고, 상술한 이상 전류 발생 여부 판단 프로세스를 수행할 수 있다. 이는 동일한 이상 전류라도 시간적으로 뒤에 발생할수록 전기화학 바이오센서(10)의 최종 출력 전류에 큰 영향을 미치기 때문이다.
도 6에는 이상 전류가 발생한 전기화학 바이오센서(10)의 시간별 출력 전류 측정값이 그래프로 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전기화학 바이오센서(10)에 2차 전압이 인가된 후 전기화학 바이오센서(10)에서 이상 전류가 발생하면, 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에는 이상 전류 발생으로 인한 피크가 발생하게 된다.
이 경우, T5 시점에 샘플링된 측정값(I5)은 직전 T4 시점에 샘플링된 선행 측정값(I4)보다 큰 값을 가지게 된다. 그 결과, 상기 시스템(2)의 제1 판단부(120)는 전기화학 바이오센서(10)에 이상 전류가 발생한 것으로 판단하게 된다.
다시 도 4를 참조하면, 전기화학 바이오센서(10)에 이상 전류가 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 시스템(2)의 제2 판단부(130)는 출력 전류의 이상 상태를 일정 시간 모니터링하여, 그 결과 확인되는 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 기준으로 전기화학 바이오센서(10)에서 에러가 발생했는지를 판단한다(S440 내지 S462).
즉, 제2 판단부(130)의 산출 모듈(132)은, 전류 측정부(110)에 의해 주기적으로 측정되는 측정값들을 모니터링하고(S440), 모니터링 결과에 따라 전기화학 바이오센서(10)에서 출력되는 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출한다(S450).
즉, 제2 판단부(130)의 제1 산출 모듈(132a)은, 이상 전류의 발생으로 인해 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 피크가 발생하기 직전 측정된 출력 전류의 측정값을 기초로, 출력 전류의 시간별 정상 전류값을 산출할 수 있다. 예컨대, 제1 산출 모듈(132a)은 저장부(140)에서 전류 측정부(110)의 측정값들과 각 측정값의 측정 시간에 관한 정보를 조회하여, 이상 전류에 의한 출력 전류에 피크가 발생하기 직전 측정된 측정값을 획득하고, 획득된 측정값을 수학식 2와 같은 코트렐 식(Cottrell's equation)에 대입하여 출력 전류의 시간별 정상 전류값 i(t)를 산출할 수 있다.
[수학식 2]
i(t) ＝ (nFAD1 / 2C0) / (πt)1/2
수학식 2에서, n은 반응에 참여하는 전자 수, F는 패러데이 상수, A는 전극면적, D는 확산계수, C0는 물질(환원된 매개체)의 초기 농도, π는 원주율, t는 시간을 나타낸다.
그 다음, 제2 판단부(130)의 제2 산출 모듈(132b)은, 이상 전류의 발생으로 인해 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 비정상 피크가 발생한 제1 시점(ta)과, 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 대한 측정값이 산출된 정상 전류값 i(tb)과 일정 범위 내로 근접한 제2 시점(tb)을 기준으로, 출력 전류의 이상 상태 지속 시간(Δt ＝ tb - ta)을 산출할 수 있다.
이 경우, 제2 산출 모듈(132b)은 전류 측정부(110)에 의해 주기적으로 측정되어 저장부(140)에 저장된 측정값들과 각 측정값의 측정 시점에 관한 정보를 조회하여, 이상 전류의 발생으로 인해 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 비정상 피크가 발생한 제1 시점(ta)에 관한 정보를 획득할 수 있다. 또한, 제2 산출 모듈(132b)은 전류 측정부(110)에 의해 주기적으로 측정되는 측정값들, 또는 주기적으로 측정되어 저장부(140)에 저장되는 측정값들을 일정 주기로 2차 샘플링하여, 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 대한 측정값이 산출된 정상 전류값 i(tb)과 일정 범위 내로 근접한 제2 시점(tb)에 관한 정보를 획득할 수 있다. 예컨대, 제2 산출 모듈(132b)은 출력 전류의 측정값과 상기 산출된 정상 전류값 i(tb)의 차이가 상기 산출된 정상 전류값 i(tb)의 10% 이내로 줄어드는 시점을 상기 제2 시점(tb)으로 결정할 수 있다.
그 다음, 제2 판단부(130)의 에러 판단 모듈(134)은, 상기 산출 모듈(132)에 의해 산출된 이상 상태 지속 시간(Δt)을 미리 결정된 기준 지속 시간(Δtr)과 비교하여 전기화학 바이오센서(10)에서 에러가 발생했는지를 판단한다(S460, S462).
이 경우, 에러 판단 모듈(134)은 이상 전류의 발생으로 인해 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에 비정상 피크가 발생한 제1 시점(ta) 및 제1 시점(ta)에 측정된 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류 측정값에 대응하여 미리 결정된 기준 지속 시간(Δtr)과, 산출 모듈(132)에 의해 산출된 이상 상태 지속 시간(Δt)을 비교할 수 있다(S460).
한편, 에러 판단 모듈(134)은 기준 지속 시간(Δtr)에 관한 정보를 획득하기 위해 표 1과 같은 룩업 테이블을 참조할 수 있다.
출력 개시 이후 비정상 피크 발생 시점 [s] 정상 전류값 대비 비정상 피크 전류값 크기 [%] 기준 지속 시간(Δtr) [s]
0 ~ 0.5 100 이하 0.72
75 이하 1.05
50 이하 1.14
0.5 ~ 1 200 이하 0.38
150 이하 0.51
100 이하 0.69
1 ~ 1.5 300 이하 0.1
200 이하 0.14
100 이하 0.21
1.5 ~ 1.8 300 이하 0.00
200 이하 0.00
100 이하 0.07
즉, 상기 시스템(2)은 표 1과 같이 출력 전류의 비정상 피크 발생 시점 및 비정상 피크 전류값별로 기준 지속 시간(Δtr)이 기록된 룩업 테이블을 사전에 저장할 수 있다. 이 경우, 기준 지속 시간(Δtr)은 시스템(2)의 자체 오차와 이상 전류로 인해 발생한 오차의 합이, ISO 15197 또는 FDA의 권장 허용 오차를 넘지 않도록 결정될 수 있다.표 1의 룩업 테이블은, 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류 이상 상태가 바이오 물질 특성값 측정 결과에 3 %를 초과하는 오차를 발생시키는 경우를 에러로 판단하기 위한 것으로서, 실험적으로 결정된 것이다. 상기 룩업 테이블에서 기준 지속 시간(Δtr)이 0.00 [s]로 기록된 경우는, 해당 시점에 전기화학 바이오센서(10)의 출력 전류에서 해당 크기의 비정상 피크가 발생하면 출력 전류의 이상 상태 지속 시간과 무관하게 바이오 물질 특성값 측정 결과에 3 %를 초과하는 오차를 발생시키는 경우이므로, 산출된 이상 상태 지속 시간(Δt)을 기준 지속 시간(Δtr)과 비교할 필요 없이 전기화학 바이오센서(10)에 에러가 발생한 것으로 판단될 수 있다.
에러 판단 모듈(134)은, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간(Δt)이 기준 지속 시간(Δtr)보다 짧은 경우, 전기화학 바이오센서(10)에서 에러가 발생하지 않은 것으로 판단한다(S462). 반면, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간(Δt)이 기준 지속 시간(Δtr) 이상인 경우, 에러 판단 모듈(134)은 전기화학 바이오센서(10)에 에러가 발생한 것으로 판단한다(S470).
전기화학 바이오센서(10)에 에러가 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 시스템(2)은 출력부(30)를 통해 사용자에게 시각적 또는 시청각적으로 에러 발생 사실을 알리는 에러 발생 알람을 출력할 수 있다(S480).
한편, 본 발명에 따른 실시예들은 컴퓨터 시스템과 이러한 컴퓨터 시스템을 구동하는 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예들이 컴퓨터 프로그램으로 구현되는 경우, 본 발명의 구성요소들은 해당 컴퓨터 시스템을 통해 해당 동작이나 작업을 실행하는 프로그램 세그먼트들이다. 이러한 컴퓨터 프로그램 내지 프로그램 세그먼트들은 컴퓨터로 판독 가능한 다양한 기록매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 컴퓨터 시스템이 읽어들일 수 있는 데이터를 기록하는 모든 종류의 매체가 포함된다. 예컨대, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 ROM, RAM, EEPROM, 레지스터, 플래시 메모리, CD-ROM, 자기 테이프, 하드 디스크, 플로피디스크, 또는 광 데이터 기록장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 이러한 기록매체는 다양한 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산 배치되어 프로그램 코드들을 분산 방식으로 저장하거나 실행시킬 수 있다.
아래의 표 2 내지 표 4에는, 본 발명의 효과를 확인할 수 있는 실험 결과가 나타나 있다. 실험을 위해, 도 2와 같은 전기화학 바이오센서를 각각 동일하게 적용하여, 본 발명이 적용된 혈당 측정 시스템과, 비교예 1 및 2를 위한 혈당 측정 시스템을 각각 구성하였다.
본 발명의 경우, 상술한 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법을 적용하였다. 또한, 수학식 1의 마진값 x는, 혈당량에 대응한 전류값을 나타내는 calibration curve 기울기의 6% 값으로 사용하였으며, 에러 발생 여부 판단을 위해 표 1에 나타난 룩업 테이블을 사용하였다.
비교예 1의 경우, 에러 판별 알고리즘을 적용하지 않았다.
비교예 2의 경우, 수학식 1에 따른 이상 전류 발생 여부만으로 에러 발생 여부를 판단하는 에러 판별 알고리즘을 적용하였다.
이와 같이 구성된 본 발명과 비교예 1 및 2에 각각, 혈당량 75, 126, 303 [mg/dL]의 혈액을 차례로 입력하여 혈당량 측정을 수행하였다. 혈당량 측정 중 전기화학 바이오센서에 이상 전류를 발생시키기 위한 실험 조건으로서, Potentiostat을 사용하여 전기화학 바이오센서에 인가되는 전압을 조절하였다. 허용 오차는 실제값의 12%(기기 오차 9% + 이상 전류에 의한 오차 3%)로 설정하였다
실험 조건 1의 경우, 전기화학 바이오센서의 출력 개시 이후 0.6 ~ 1 [s]의 시간대에, 출력 전류의 비정상 피크값이 정상 전류값 대비 약 150% 증가하도록 전압을 조절하였다.
실험 조건 2의 경우, 전기화학 바이오센서의 출력 개시 이후 0.3~ 1.37 [s]의 시간대에, 출력 전류의 비정상 피크값이 정상 전류값 대비 약 75% 증가하도록 전압을 조절하였다.
실험 조건 3의 경우, 전기화학 바이오센서의 출력 개시 이후 0.6 ~ 1.3 [s]의 시간대에, 출력 전류의 비정상 피크값이 정상 전류값 대비 약 150% 증가하도록 전압을 조절하였다.
실험 조건 4의 경우, 전기화학 바이오센서의 출력 개시 이후 1.1 ~ 1.75 [s]의 시간대에, 출력 전류의 비정상 피크값이 정상 전류값 대비 약 100% 증가하도록 전압을 조절하였다.
실험 조건 5의 경우, 전기화학 바이오센서의 출력 개시 이후 1.5 ~ 1.6 [s]의 시간대에, 출력 전류의 비정상 피크값이 정상 전류값 대비 약 100% 증가하도록 전압을 조절하였다.
실험 조건 6의 경우, 전기화학 바이오센서의 출력 개시 이후 1.9 [s] 시점에, 출력 전류의 비정상 피크값이 정상 전류값 대비 약 100% 증가하도록 전압을 조절하였다.
75 [mg/dL]
실험 조건 본 발명 [mg/dL] 비교예1 [mg/dL] 비교예2 [mg/dL]
1 68 70 ERROR
2 ERROR 63 ERROR
3 ERROR 60 ERROR
4 ERROR 61 ERROR
5 ERROR 63 ERROR
6 ERROR 109 ERROR
126 [mg/dL]
실험 조건 본 발명 [mg/dL] 비교예1 [mg/dL] 비교예2 [mg/dL]
1 118 115 ERROR
2 ERROR 105 ERROR
3 ERROR 102 ERROR
4 ERROR 93 ERROR
5 ERROR 94 ERROR
6 ERROR 197 ERROR
303 [mg/dL]
실험 조건 본 발명 [mg/dL] 비교예1 [mg/dL] 비교예2 [mg/dL]
1 280 285 ERROR
2 ERROR 269 ERROR
3 ERROR 260 ERROR
4 ERROR 259 ERROR
5 ERROR 255 ERROR
6 ERROR 459 ERROR
표 2 내지 표 4에 나타난 바와 같이, 비교예 1은 측정값의 오차가 허용 오차 12%를 초과하지 않는 경우(실험 조건 1)에는 물론, 측정값의 오차가 허용 오차 12%를 초과하는 경우(실험 조건 2-6)에도 모두 측정값을 출력하였다. 이와 같은 결과를 통해, 에러 판별 알고리즘이 적용되지 않은 비교예 1은, 측정값의 정확성과 신뢰성을 보장할 수 없음을 알 수 있다.또한, 비교예 2는, 측정값의 오차가 허용 오차 12%를 초과하는 경우(실험 조건 2-6)에는 물론, 측정값의 오차가 허용 오차 12%를 초과하지 않아서 측정값을 출력해도 되는 경우(실험 조건 1)에도 모두 에러로 판단하였다. 이와 같은 결과를 통해, 전기화학 바이오센서(10)에서의 이상 전류 발생 여부만으로 에러 발생 여부를 판단하는 비교예 2는, 전기화학 바이오센서(10)에서 측정값에 유의미한 영향을 미치지 않는 이상 전류가 발생한 경우에도 불필요한 에러 판단을 하여 바이오센서의 교체나 재측정 수행 등으로 인한 시간과 비용의 낭비를 초래함을 알 수 있다.
반면, 본 발명은, 측정값의 오차가 허용 오차 12%를 초과하는 경우(실험 조건 2-6)에는 에러로 판단하는 한편, 측정값의 오차가 허용 오차 12%를 초과하지 않는 경우(실험 조건 1)에는 해당 측정값을 출력하였다. 이와 같은 결과를 통해, 본 발명은, 전기화학 바이오센서를 이용한 측정 결과의 정확성과 신뢰성을 보장하면서도, 불필요한 에러 판단을 제한하고 바이오센서의 교체나 재측정 수행 등으로 인한 시간과 비용의 낭비를 방지할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 전기화학 바이오센서를 이용한 측정 시스템에 적용되어 전기화학 바이오센서의 에러를 검출함으로써, 측정 시스템의 정확성과 신뢰성을 보장할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생하는 경우라도, 발생한 이상 전류가 전기화학 바이오센서를 이용한 측정 결과에 허용 범위를 초과하는 영향을 미치지 않는 경우에는, 전기화학 바이오센서에 에러가 발생하지 않은 것으로 판단함으로써, 불필요한 에러 판단을 제한하고 바이오센서의 교체나 재측정 수행 등으로 인한 시간과 비용의 낭비를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전기화학 바이오센서의 출력 전류를 샘플링하여 상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생했는지를 1차적으로 판단하고, 이상 전류가 발생한 것으로 판단된 경우에 전기화학 바이오센서의 출력 전류를 일정 시간 모니터링하여 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 기준으로 에러 발생 여부를 2차적으로 판단하는 소프트웨어적 처리를 통해, 전기화학 바이오센서의 에러를 검출함으로써, 전기화학 바이오센서를 이용하는 기존의 측정 시스템에 적용하기 쉽고, 한 개의 작업 전극을 가진 전기화학 바이오센서로도 정확한 에러 판단을 수행할 수 있으며, 측정 시스템의 제조 비용 절감과 동작 프로세스 간소화를 가능하게 한다.
나아가, 본 발명에 따른 실시예들은, 당해 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.
지금까지 본 발명에 대해 구체적인 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 기술적 범위에서 다양한 변형 실시예들이 구현될 수 있음을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 할 것이다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 바이오 물질과 반응 물질 간의 전기화학 반응에 따라 전류를 출력하는 전기화학 바이오센서의 에러를 판별하는 장치로서,
    상기 전기화학 바이오센서에서 출력되는 출력 전류의 크기를 측정하는 전류 측정부;
    상기 전류 측정부의 측정값을 특정 시점마다 샘플링하고, 각각의 시점에 샘플링된 측정값을 해당 시점의 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값과 비교하여 상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생했는지를 판단하는 제1 판단부; 및
    상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 출력 전류의 이상 상태를 일정 시간 모니터링하여 상기 이상 상태의 지속 시간을 기준으로 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생했는지를 판단하는 제2 판단부를 포함하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 측정부는, 상기 제1 판단부의 샘플링 시점들 간의 시간 간격보다 짧은 시간 간격을 측정 주기로 하여 상기 출력 전류의 크기를 주기적으로 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 판단부는, 어느 한 시점에 샘플링된 측정값이 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값에 따라 결정되는 기준값보다 작지 않은 경우, 이상 전류가 발생한 것으로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 판단부는, 상기 전기화학 바이오센서의 출력 개시 후 시간이 경과함에 따라 단위 시간당 샘플링 횟수를 점진적으로 증가시키며 상기 전류 측정부의 측정값을 샘플링하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 판단부는,
    상기 전류 측정부에 의해 주기적으로 측정되는 측정값들을 모니터링하여 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출하는 산출 모듈; 및
    상기 산출된 이상 상태 지속 시간을 미리 결정된 기준 지속 시간과 비교하여 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생했는지를 판단하는 에러 판단 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산출 모듈은,
    이상 전류의 발생으로 인해 상기 출력 전류에 피크가 발생하기 직전 측정된 상기 출력 전류의 측정값을 기초로 상기 출력 전류의 정상 전류값을 산출하는 제1 산출 모듈; 및
    이상 전류의 발생으로 인해 상기 출력 전류에 피크가 발생한 제1 시점과, 상기 출력 전류에 대한 측정값이 상기 산출된 정상 전류값과 일정 범위 내로 근접한 제2 시점을 기준으로, 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출하는 제2 산출 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 에러 판단 모듈은, 이상 전류의 발생으로 인해 상기 출력 전류에 피크가 발생한 시점 및 해당 시점에서 측정된 상기 출력 전류의 측정값에 대응하여 미리 결정된 기준 지속 시간과, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간을 비교하여, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간이 상기 기준 지속 시간보다 짧은 경우, 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생하지 않은 것으로 판단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 장치.
  8. 바이오 물질과 반응 물질 간의 전기화학 반응에 따라 전류를 출력하는 전기화학 바이오센서를 이용하여 상기 바이오 물질의 특성을 정량적으로 측정하는 컴퓨터 시스템에 적용되는 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법으로서,
    상기 컴퓨터 시스템이 상기 전기화학 바이오센서에서 출력되는 출력 전류의 크기를 측정하는 (a) 단계;
    상기 컴퓨터 시스템이 상기 (a) 단계를 통해 측정되는 측정값을 특정 시점마다 샘플링하고, 각각의 시점에 샘플링된 측정값을 해당 시점의 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값과 비교하여 상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생했는지를 판단하는 (b) 단계; 및
    상기 전기화학 바이오센서에서 이상 전류가 발생한 것으로 판단된 경우, 상기 컴퓨터 시스템이 상기 출력 전류의 이상 상태를 일정 시간 모니터링하여 상기 이상 상태의 지속 시간을 기준으로 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생했는지를 판단하는 (c) 단계를 포함하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 상기 (b) 단계의 샘플링 시점들 간의 시간 간격보다 짧은 시간 간격을 측정 주기로 하여 상기 출력 전류의 크기를 주기적으로 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 어느 한 시점에 샘플링된 측정값이 직전 시점에 샘플링된 선행 측정값에 따라 결정되는 기준값보다 작지 않은 경우, 이상 전류가 발생한 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 상기 전기화학 바이오센서의 출력 개시 후 시간이 경과함에 따라 단위 시간당 샘플링 횟수를 점진적으로 증가시키며 상기 (a) 단계를 통해 측정되는 측정값을 샘플링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 (a) 단계를 통해 주기적으로 측정되는 측정값들을 모니터링하여 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출하는 산출 단계; 및
    상기 산출된 이상 상태 지속 시간을 미리 결정된 기준 지속 시간과 비교하여 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생했는지를 판단하는 에러 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 산출 단계는,
    상기 이상 전류의 발생 직전 측정된 측정값을 기초로 상기 출력 전류의 정상 전류값을 산출하는 제1 산출 단계; 및
    상기 이상 전류의 발생으로 인해 상기 출력 전류에 피크가 발생하는 제1 시점과, 상기 출력 전류에 대한 측정값이 상기 산출된 정상 전류값과 일정 범위 내로 근접하는 제2 시점을 기준으로, 상기 출력 전류의 이상 상태 지속 시간을 산출하는 제2 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 에러 판단 단계는, 이상 전류의 발생으로 인해 상기 출력 전류에 피크가 발생한 시점 및 해당 시점에서 측정된 상기 출력 전류의 측정값에 대응하여 미리 결정된 기준 지속 시간과, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간을 비교하여, 상기 산출된 이상 상태 지속 시간이 상기 기준 지속 시간보다 짧은 경우, 상기 전기화학 바이오센서에서 에러가 발생하지 않은 것으로 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오센서 에러 판별 방법.
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