KR102044840B1 - Electrode system and bio sensor including thereof - Google Patents
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Abstract
Translated fromKoreanDescription
Translated fromKorean전기화학적 검출을 위한 전극 시스템 및 이를 포함하는 바이오센서에 관한 것이다.An electrode system for electrochemical detection and a biosensor comprising the same.
과학기술의 발달과 더불어 삶의 질에 대한 관심이 증대되면서 인간의 생활에 있어서 질병 진단 및 예방, 식품과 환경의 중요성은 날로 확대되고 있다. 그 결과, 인간의 질병을 진단하거나 식품화학과 공업화학 분야에서 특정 공정을 위하여 또는 환경 분야에서 오염물질을 분석하기 위하여 시료 중의 유기물 또는 무기물 농도 측정에 대한 필요성이 증대되고 있으며 이를 위한 많은 노력이 이루어지고 있다. 그 중 임상실험, 식품의 신선도 및 오염도 측정, 생물공정 제어, 환경 모니터링 등 여러 분야에서 기존의 전통적인 시험 방법의 대안의 하나로서 여러 성분에 대해 연속적이며 신속한 시험을 가능케 하는 바이오센서의 개발에 상당한 관심이 집중되고 있다.As interest in the quality of life increases with the development of science and technology, the importance of disease diagnosis and prevention, food and the environment in human life is expanding day by day. As a result, there is an increasing need for measuring organic or inorganic concentrations in samples for diagnosing human diseases, for specific processes in food and industrial chemistry, or for analyzing contaminants in the environmental field. have. Significant interest is in developing biosensors that enable continuous and rapid testing of multiple components as one of the alternatives to traditional test methods in clinical trials, food freshness and contamination measurement, bioprocess control, and environmental monitoring. This is concentrated.
그러나 종래 바이오센서에 응용되는 전극 시스템은 시료에 포함된 하나 이상의 성분을 검출하기 위해서는 하나 이상의 기준전극이 필요한 문제점이 있었다. 예를 들어, 종래 기술은 여러 종류의 항원을 검출하기 위해서는 각 검출부마다 측정을 위한 기준전극을 구비할 필요가 있었고, 여러 개의 기준전극을 사용할 경우 전극 시스템 또는 이를 포함하는 바이오센서에 대한 워싱 및 보관이 어렵고, 측정 편차가 커지는 문제점이 있었다(특허문헌 1).However, the electrode system applied to the conventional biosensor has a problem that one or more reference electrodes are required to detect one or more components included in a sample. For example, in the prior art, in order to detect several kinds of antigens, it was necessary to provide a reference electrode for measurement in each detection unit, and when using multiple reference electrodes, washing and storage of an electrode system or a biosensor including the same This was difficult and there existed a problem that a measurement deviation became large (patent document 1).
일 양상은 하나의 기준전극으로도 복수의 검출성분의 측정할 수 있는 전극 시스템을 제공하는 것이다.One aspect is to provide an electrode system capable of measuring a plurality of detection components even with one reference electrode.
다른 양상은 상기 전극 시스템을 포함하는 신속하고 정확하며 간편한 측정이 가능한 바이오센서를 제공하는 것이다.Another aspect is to provide a biosensor capable of fast, accurate and simple measurement including the electrode system.
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본 발명의 실시 예에 따른 전기화학적 검출을 위한 전극 시스템은 절연기판; 상기 절연기판 위에 위치하고 서로 절연되어 있는 복수의 작업전극(working electrode); 상기 절연기판 위에 위치하고 복수의 작업전극 모두와 이격되어 있는 단수의 기준전극(reference electrode); 상기 복수의 작업전극과 단수의 기준전극 사이를 연결하는 이온투과성구조물; 및 상기 작업전극과 상기 이온투과성구조물과 연결시키는 제1 연결부; 상기 기준전극과 상기 이온성투과성구조물과 연결시키는 제2연결부;를 포함하며,상기 이온투과성구조물은 길이 방향으로 연장되는 바(bar) 형상으로 이루어지며, 복수의 상기 작업전극은 상기 제1 연결부를 통해 상기 이온투과성구조물에 각각 연결되며, 상기 복수의 작업전극은 상기 절연기판에 수직하는 작업구(working hole)의 내부에 수용되며, 상기 단수의 기준전극은 상기 절연기판에 수직하는 기준구(reference hole)의 내부에 수용되는 것을 특징으로 하는 것이다.
검출 대상물질을 포함하는 용액 내에서 전극 전위를 측정하려면 두 개의 전극을 사용하여 두 점 사이의 전위차를 측정하여야 한다. 전위차를 측정함에 있어서 측정하고자 하는 전극을 작업전극(working electrode)이라 하며, 여기에 다른 또 하나의 전극을 연결하여 전위차를 측정하게 된다. 예를 들어 대상물질을 검출하기 위한 전극 시스템은 작업전극 및 기준전극(reference electrode)을 포함하는 2 전극 시스템 또는 추가적으로 상대전극을 더 포함하는 3 전극 시스템일 수 있다. 전해질의 저항이 높거나, 흐르는 전류가 큰 경우에는 저항에 의한 오차를 최소화하기 위하여 3 전극 시스템이 도입될 수 있다.An electrode system for electrochemical detection according to an embodiment of the present invention is an insulating substrate; A plurality of working electrodes on the insulating substrate and insulated from each other; A single reference electrode positioned on the insulating substrate and spaced apart from all of the plurality of working electrodes; An ion permeable structure connecting the plurality of working electrodes and the single reference electrode; And a first connection part connecting the working electrode and the ion permeable structure. And a second connection part connecting the reference electrode and the ionic permeable structure, wherein the ion permeable structure is formed in a bar shape extending in a longitudinal direction, and the plurality of working electrodes comprises the first connection part. Respectively connected to the ion permeable structure, the plurality of working electrodes are accommodated in a working hole perpendicular to the insulating substrate, and the single reference electrode is a reference hole perpendicular to the insulating substrate. It is characterized in that it is accommodated inside the hole).
In order to measure the electrode potential in the solution containing the substance to be detected, the potential difference between two points should be measured using two electrodes. In measuring the potential difference, an electrode to be measured is called a working electrode, and another potential electrode is connected thereto to measure the potential difference. For example, the electrode system for detecting a target material may be a two-electrode system including a working electrode and a reference electrode or a three-electrode system further including a counter electrode. When the resistance of the electrolyte is high or the current flowing is large, a three-electrode system may be introduced to minimize the error caused by the resistance.
본 명세서에서 상기 용어 "작업전극(working electrode)"은 전기화학 실험 계에서 관심 있는 반응이 일어나는 전극을 말하며, 전극에서 일어나는 반응이 산화반응인지 또는 환원반응인지에 따라 음극 또는 양극으로도 지칭될 수 있고, "작동전극"으로도 치환되어 사용될 수 있다.As used herein, the term "working electrode" refers to an electrode where a reaction of interest occurs in an electrochemical experiment system, and may also be referred to as a cathode or an anode depending on whether the reaction occurring at the electrode is an oxidation reaction or a reduction reaction. It may be used by replacing the "operating electrode".
본 명세서에서 상기 용어 "기준전극(reference electrode)"은 기준 전위를 제공하는 전극을 말하며, 예를 들어 전위차 즉 전압은 기준전극과 작업전극 사이에서 확립될 수 있다.As used herein, the term "reference electrode" refers to an electrode providing a reference potential, for example, a potential difference, that is, a voltage, may be established between the reference electrode and the working electrode.
본 명세서에서 상기 용어 "상대전극(counter electrode)"은 전기화학적 회로를 완성하기 위해 전류원 또는 싱크로서 작용하는 전기화학적 회로에서의 전극을 말하며, "대전극"으로도 치환되어 사용될 수 있다.As used herein, the term “counter electrode” refers to an electrode in an electrochemical circuit that acts as a current source or sink to complete an electrochemical circuit, and may also be substituted with “counter electrode”.
일 구현예에 따른 상기 전극 시스템은 복수의 작업전극과; 상기 복수의 작업전극 모두와 이격되어 있는 단수의 기준전극을 포함할 수 있다. 상기 복수의 작업전극은 2개 이상의 작업전극, 예를 들어 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 또는 10개 이상의 작업전극을 의미할 수 있다. 상기 단수의 기준전극은 1개의 기준전극을 의미할 수 있다. 일 구현예에 따른 상기 전극 시스템은 1개의 기준전극과 2개의 작업전극을 포함할 수 있다.The electrode system according to an embodiment includes a plurality of working electrodes; It may include a single reference electrode spaced apart from all of the plurality of working electrodes. The plurality of working electrodes may mean two or more working electrodes, for example, two, three, four, five, six, seven, eight, nine, or ten or more working electrodes. . The single reference electrode may mean one reference electrode. According to an embodiment, the electrode system may include one reference electrode and two working electrodes.
일 구현예에 따른 상기 전극 시스템에서 상기 작업전극 또는 기준전극은 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금, 산화주석(Tin Oxide), 또는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide: ITO) 중 하나로 형성될 수 있다.In the electrode system according to an embodiment, the working electrode or the reference electrode may be formed of one of gold, silver, aluminum, copper, platinum, tin oxide, or indium tin oxide (ITO). .
일 구현예에 따른 전극 시스템은 복수의 작업전극과 단수의 기준전극 사이를 연결하는 이온투과성구조물을 포함할 수 있으며, 예를 들어 작업전극과 기준전극만을 포함하는 2 전극 시스템일 수 있다. 예를 들어, 복수의 작업전극과 단수의 기준전극 사이에 존재하는 이온들은 상기 이온투과성구조물을 통하여 자유롭게 이동할 수 있다.An electrode system according to an embodiment may include an ion-permeable structure that connects a plurality of working electrodes and a single reference electrode, and may be, for example, a two-electrode system including only the working electrode and the reference electrode. For example, ions existing between a plurality of working electrodes and a single reference electrode may freely move through the ion permeable structure.
일 구현예에 따른 전극 시스템은 상기 이온투과성구조물을 도입함으로써 작업전극과 기준전극 사이에 발생할 수 있는 이온 불균형을 제거하고 상기 양 전극이 담겨있는 용액의 하전이 중성상태를 유지하게 된다.In the electrode system according to the exemplary embodiment, the ion permeation structure is introduced to eliminate ion imbalance that may occur between the working electrode and the reference electrode, and the charge of the solution containing both electrodes is maintained in a neutral state.
본 명세서에서 상기 용어 “투과성”은 구조물 피막이 다공성이거나, 물 또는 용액이 유입되고 이온이 빠져나갈 수 있는 채널, 세공 또는 개공부를 보유하고 있음을 말한다.As used herein, the term “permeable” refers to a porous structure or having channels, pores or openings through which water or solution can flow and ions can escape.
본 명세서에서 상기 용어 “이온”은 양이온 및 음이온을 포함하며, 예를 들어 Na+, Ka+, Li+, Ag+와 같은 1가 양이온, Mg2+, Zn2+와 같은 2가 양이온, Cl-, OH-, Br-와 같은 1가 음이온, SO42-와 같은 2가 음이온을 포함한다.As used herein, the term “ion” includes cations and anions, for example monovalent cations such as Na+ , Ka+ , Li+ , Ag+ , divalent cations such as Mg2+ , Zn2+ , Cl-, OH-, Br- and includes a divalent anion, such as monovalent anions, SO42- same.
본 명세서에서 상기 용어 "이온투과성구조물"은 이온 불균형을 해소하기 위해 도입된 3차원 또는 2차원의 구조물을말하며, 예를 들어 염다리 또는 이온투과성막을 포함한다. 예를 들어 상기 이온투과성구조물은 이온전도성 고분자와 같은 고분자의 전해질 겔 염다리(polyelectrolytic gel salt bridge; PGSB)를 지칭할 수 있다.As used herein, the term "ion permeable structure" refers to a three-dimensional or two-dimensional structure introduced to solve ion imbalance, and includes, for example, salt bridges or ion permeable membranes. For example, the ion permeable structure may refer to a polyelectrolytic gel salt bridge (PGSB) of a polymer such as an ion conductive polymer.
일 구현예에 따른 전극 시스템에서 상기 이온투과성구조물은 유사기준전극으로 작용할 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 작업전극과 1개의 기준전극이 담겨있는 용액의 이온 불균형을 해소하도록 하여 1개의 기준전극으로도 복수의 작업전극에 대한 전압 측정이 가능할 수 있다.In the electrode system according to the embodiment, the ion permeable structure may serve as a pseudo reference electrode. For example, a voltage measurement of a plurality of working electrodes may be possible even with one reference electrode by eliminating ion imbalance of a solution containing two or more working electrodes and one reference electrode.
일 구현예에 따른 전극 시스템에서 상기 작업전극은 제 1 연결부에 의해 등위구조물에 연결되고, 상기 기준전극은 제 2 연결부에 의해 등위구조물에 연결될 수 있다. 상기 제 1 연결부 및 제 2 연결부의 지름은 예를 들어 50 내지 400 ㎛, 또는 100 내지 350 ㎛, 150 내지 300 ㎛, 또는 170 내지 250 ㎛, 또는 200 ㎛일 수 있다.In the electrode system according to the exemplary embodiment, the working electrode may be connected to the conformal structure by the first connection part, and the reference electrode may be connected to the conformal structure by the second connection part. The diameter of the first connecting portion and the second connecting portion may be, for example, 50 to 400 μm, or 100 to 350 μm, 150 to 300 μm, or 170 to 250 μm, or 200 μm.
일 구현예에 따른 전극 시스템에서 복수의 작업전극은 절연기판에 수직하는 작업구(working hole)의 내부에 수용될 수 있다. 예를 들어 상기 작업구는 2개일 수 있으며, 작업구마다 각각 1개의 작업전극을 수용할 수 있고, 예를 들어 바이오 센서에서 항원-항체 반응을 확인하는 센싱부 또는 센싱 챔버(sensing chamber)의 역할을 할 수 있다. 예를 들어 상기 작업구(104)의 지름은 1 내지 10 mm, 3 내지 7 mm, 4 내지 6 mm, 또는 5 mm일 수 있다.In the electrode system according to the exemplary embodiment, the plurality of working electrodes may be accommodated in a working hole perpendicular to the insulating substrate. For example, the work tool may be two, each work tool may accommodate one work electrode, and serve as a sensing unit or a sensing chamber for confirming an antigen-antibody reaction in a biosensor, for example. can do. For example, the diameter of the
일 구현예에 따른 전극 시스템에서 단수의 기준전극은 절연기판에 수직하는 기준구(reference hole)의 내부에 수용될 수 있다. 예를 들어 상기 기준구의(105)의 지름은 예를 들어 0.5 내지 10mm, 1 내지 7 mm, 2 내지 5 mm, 또는 3 mm일 수 있다.In the electrode system according to the exemplary embodiment, a single reference electrode may be accommodated in a reference hole perpendicular to the insulating substrate. For example, the diameter of the
일 구현예에 따른 전극 시스템은 분석 용액의 이동 통로를 제공하는 마이크로채널을 포함하는 마이크로칩의 형태로 구현될 수 있으며, 상기 마이크로칩은 하나 이상의 마이크로채널을 포함할 수 있고, 예를 들어 하나 이상의 분석 용액의 이동통로를 제공하는 하나 이상의 마이크로채널을 포함하는 마이크로칩 형태로 구형될 수 있으며, 예를 들어 복수의 작업전극을 수용하는 작업구가 마이크로채널의 진행경로 중간에 위치할 수 있다.An electrode system according to one embodiment may be implemented in the form of a microchip comprising a microchannel that provides a passage for the passage of the assay solution, the microchip may comprise one or more microchannels, for example one or more It may be spherical in the form of a microchip including one or more microchannels to provide a passage for the analysis solution, for example, a tool housing a plurality of working electrodes may be located in the middle of the path of the microchannel.
일 구현예에 따른 전극 시스템에서 이온투과성구조물을 포함함에 따라 작업전극과 기준전극 사이에 존재하는 공간은 이온의 자유로운 이동이 가능한 전해질 용액으로 채워질 수 있으며, 예를 들어 염화칼륨(KCl) 수용액을 사용할 수 있다.In the electrode system according to the exemplary embodiment, the space between the working electrode and the reference electrode may be filled with an electrolyte solution capable of freely moving ions, such as an aqueous potassium chloride (KCl) solution. have.
일 구현예에 따른 전극 시스템은 이온투과성구조물로써 이온전도성 고분자와 같은 고분자의 전해질 겔 염다리(polyelectrolytic gel salt bridge; PGSB)를 포함할 수 있고, 상기 고분자 전해질 겔 염다리는 고분자 단량체(monomer) 또는 이량체(dimer) 내지 십량체(decamer) 조성물에 빛을 조사하여 경화시킴으로 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 고분자 단량체 조성물은 염화 디알릴디메틸암모늄 클로라이드(diallyldimethylammonium chloride: DADMAC), 2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판술폰산(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid: AMPSA), 아크릴아마이드(acrylamide), 아크릴산(Acrylic acid), 또는 에틸렌글라이콜 (ethylene glycol)을 단위체로 포함할 수 있다. 상기 고분자 단량체에 의해 형성되는 이온성 고분자는 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(Poly(diallyldimethylammonium chloride): pDADMAC), 폴리(2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판술폰산)(poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid): AMPSA), 폴리아크릴아마이드, 폴리아크릴산, 또는 폴리에틸렌글리콜일 수 있다.An electrode system according to an embodiment may include a polyelectrolytic gel salt bridge (PGSB) of a polymer such as an ion conductive polymer as an ion permeable structure, and the polymer electrolyte gel salt is a polymer monomer or a dimer. It may be formed by curing the dimer to the decanter composition by irradiation with light. For example, the polymer monomer composition may include diallyldimethylammonium chloride (DADMAC), 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid: AMPSA ), Acrylamide, acrylic acid, or ethylene glycol may be included as a unit. The ionic polymer formed by the polymer monomer is poly (diallyldimethylammonium chloride) (pDADMAC), poly (2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (poly (2 -acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid): AMPSA), polyacrylamide, polyacrylic acid, or polyethylene glycol.
또한, 상기 고분자 고분자 전해질 겔 염다리는 상기 고분자 단량체가 중합된 이량체 내지 십량체 조성물을 이용하여 제작될 수 있으며, 예를 들어 상기 염다리는 하기 화학식 1과 같은 반응에 의해 4가 암모늄 수용성 화합물인 상기 디알릴디메틸암모늄 클로라이드(DADMAC)를 중합하여 만든 선형 수용성 고분자인 폴리-디알릴디메틸암모늄 클로라이드(pDADMAC)로 충진될 수 있다.In addition, the polymer polymer electrolyte gel salt bridge may be prepared using a dimer to depolymer composition in which the polymer monomer is polymerized. For example, the salt bridge may be a tetravalent ammonium water-soluble compound by a reaction as shown in
[화학식 1][Formula 1]
상기 pDADMAC는 폴리전해질 하이드로겔이고, 높은 전하밀도에 의해 물을 고분자 사슬을 따라 강하게 흡수할 수 있다. 나아가, pDADMAC 층은 전도성이 있으며, 거시적 전기화학 시스템에 통상 사용되는, KCl로 포화된 아가층처럼 행동할 수 있다. 예를 들어, pDADMAC 충진체는, 광고분자화 기법에 의해, 마이크로칩 상의 특정 부위에 형성될 수 있다.The pDADMAC is a polyelectrolyte hydrogel and can strongly absorb water along the polymer chain by high charge density. Furthermore, the pDADMAC layer is conductive and can act like a KCl-saturated agar layer commonly used in macroscopic electrochemical systems. For example, pDADMAC fillers may be formed at specific sites on the microchip by ad molecularization techniques.
또한, DADMAC 및 pDADMAC는 폐수 처리, 제지산업, 광산업 및 생물학에 사용될 수 있으며, 예를 들어 단백질 및 펩타이드를 위한 미세- 및 나노-입자 의약 전달 시스템, 그리고 DNA, RNA를 세포 또는 조직으로 운반하기 위한 비-바이러스 벡터 시스템 등의 생의학적 분야에 사용될 수 있다.In addition, DADMAC and pDADMAC can be used in wastewater treatment, paper industry, mining industry and biology, for example micro- and nano-particle drug delivery systems for proteins and peptides, and for transporting DNA, RNA to cells or tissues. Biomedical applications such as non-viral vector systems.
일 구현예에 따른 상기 고분자 단량체 조성물은 광개시제가 결합된 것이거나 추가적으로 별도의 광개시제를 포함하는 것일 수 있다. 광개시제의 농도는 예를 들어 0.5 내지 4%, 예를 들어 1 내지 3%, 예를 들어 2%일 수 있고, 광개시제의 종류로는 예를 들어 2-히드록시-4'-(2-히드록시메틸)-2-메틸프로피오페논(2-hydroxy-4'-(2-hydroxymeth yl)-2-methylpropiophenone)을 사용할 수 있다.The polymer monomer composition according to one embodiment may be a photoinitiator is combined or additionally include a separate photoinitiator. The concentration of the photoinitiator may be, for example, 0.5 to 4%, for example 1 to 3%, for example 2%, and the kind of photoinitiator is for example 2-hydroxy-4 '-(2-hydroxy Methyl) -2-methylpropiophenone (2-hydroxy-4 '-(2-hydroxymethyl) -2-methylpropiophenone) may be used.
일 구현예에 따른 상기 고분자 단량체 조성물은 추가로 가교제를 포함할 수 있으며, 예를 들어 가교제로 N, N'-메틸렌비사 크릴아미드(N, N’-methylenebisa crylamide)를 사용할 수 있다.The polymer monomer composition according to one embodiment may further include a crosslinking agent, for example, N, N'-methylenebisa crylamide (N, N'-methylenebisa crylamide) may be used as the crosslinking agent.
다른 양상은 상기 전극 시스템을 포함하는 시료 내의 분석물을 검출하기 위한 전기화학적 센싱부; 및Another aspect includes an electrochemical sensing unit for detecting an analyte in a sample including the electrode system; And
상기 센싱부와 전기적으로 연결되고, 상기 센싱부로부터 발생된 전기화학적 신호를 증폭하기 위한 이온 감지 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 신호 처리부;를 포함하는 바이오 센서를 제공한다.And a signal processor electrically connected to the sensing unit and including an ion sensing field effect transistor for amplifying an electrochemical signal generated from the sensing unit.
본 명세서에서 용어 "바이오 센서(biosensor)"는 생물체의 특정한 기능을 가지는 표적물질 예를 들어, 효소, 항체, DNA 등에 대한 인식기능을 갖는 생물화학적 수용물질(리셉터)이 신호 변환장치와 결합되어 생물학적 상호작용 및 인식반응을 전기적 신호로 변환함으로써 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지할 수 있는 전기 화학적 센서(소자)를 말한다.As used herein, the term "biosensor" refers to a biochemical receptor (receptor) having a recognition function for a target material having a specific function of an organism, for example, an enzyme, an antibody, DNA, etc. It refers to an electrochemical sensor (element) that can selectively detect a substance to be analyzed by converting interactions and recognition reactions into electrical signals.
일 구현예에 따른 상기 전기화학적 신호는 전류, 전도도 또는 전위차일 수 있다.According to an embodiment, the electrochemical signal may be a current, conductivity or potential difference.
상기 바이오 센서는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET) 기반 바이오 센서일 수 있다. 상기 바이오 센서는 예를 들어 대상 물질이 수용 물질(리셉터)에 물리화학적인 방법으로 결합함에 따라 채널의 표면 전하 밀도가 변화하면 이로 인해 발생 되는 반도체 반전층 또는 쇼트키 장벽의 변화에 의한 채널 전류의 변화량을 측정하는 원리에 의해 구동될 수 있다.The biosensor may be a field effect transistor (FET) based biosensor. The biosensor is a method of changing the channel current due to the change of the semiconductor inversion layer or the Schottky barrier caused by the change in the surface charge density of the channel, for example, as the target material binds to the receiving material (receptor) in a physicochemical manner. It can be driven by the principle of measuring the amount of change.
상기 바이오 센서는 다양한 생리활성 물질의 농도를 신속하게 정량화할 수 있으며 대상 물질의 종류에 따라 바이오, 화학, 환경 등의 활용 용도로 사용될 수 있다.The biosensor can quickly quantify the concentration of various physiologically active substances and can be used for applications such as bio, chemistry, environment, etc. according to the type of the target substance.
본 발명의 일 양상에 따른 전극 시스템은 하나의 일체형 기준전극으로도 다수의 여러 종류의 성분을 검출할 수 있으므로 간편한 측정이 가능하며, 이를 포함하는 신속하고 정확한 측정이 가능한 바이오센서를 제공할 수 있다. 또한, 바이오센서의 워싱 및 보관이 용이하고 제조 공정이 간단하고, 저가의 대량 생산이 가능하므로 경제적이고 현장진단이 가능한 일회용 바이오센서의 개발에 응용될 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The electrode system according to an aspect of the present invention can detect a plurality of components even with one integrated reference electrode, thereby making it possible to easily measure and provide a biosensor capable of quick and accurate measurement including the same. . In addition, since the washing and storage of the biosensor is easy, and the manufacturing process is simple, and low-cost mass production is possible, it can be applied to the development of economical and on-site diagnostic disposable biosensor. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 일 구현예에 따른 작업전극; 기준전극; 전극 시스템; 및 이온투과성구조물을 포함하는 전극 시스템을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 전극 시스템을 개략적으로 보여주는 (a) 평면도 및 (b)세로 방향 단면도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 전극 시스템을 개략적으로 보여주는 가로 방향 단면도이다.
도 4은 일 구현예에 따른 실제 실험에 사용된 전극 시스템을 개략적으로 보여주는 (a) 측면도 및 (b) 평면도이다.
도 5는 일 구현예에 따른 전극 시스템을 구현하는 소자의 제작 과정을 나타낸다.
도 6(a)은 상업용 Ag/AgCl 기준전극(3 M KCl)과 비교한 일 구현예에 따른 전극 시스템을 이용한 개방 회로 전압(open-circuit potential: OCP)의 측정 결과를 나타낸다.
도 6(b)는 일 구현예에 따른 전극 시스템을 이용한 3M KCl 용액을 함유한 하나의 칩의 2개의 채널에서 고분자 전해질(polyelectrolyte) 기준전극의 전위 변화를 나타낸다.
도 7은 일 구현예에 따른 전극 시스템을 이용한 3M KCl 용액에서 고분자 전해질 기준전극의 전위 변화를 나타낸다. 개방 회로 전압(OCP)가 0.05, 0.1, 0.25, 0.5, 1 및 2 M KCl (a-f)에서 상업용 Ag/AgCl 기준전극에 대한 고분자 전해질 기준전극에서 측정되었다. 확장된 뷰가 삽입되어 도시되었다.
도 8는 일 구현예에 따른 전극 시스템을 이용한 pH 테스트 결과를 나타낸다.
도 9는 각각 일 구현예에 따른 전극 시스템을 이용한 3개의 일체형 칩((a)~(b), (c)~(d), 및 (e)~(f))으로 각각 측정한 H5N2 바이러스 검출 테스트 결과를 나타낸다.1 is a working electrode according to an embodiment; Reference electrode; Electrode system; And a perspective view schematically showing an electrode system including an ion permeable structure.
2 is a (a) plan view and (b) portrait cross-sectional view schematically showing an electrode system according to one embodiment.
3 is a horizontal cross-sectional view schematically showing an electrode system according to an embodiment.
4 is a (a) side view and (b) a plan view schematically showing an electrode system used in an actual experiment according to one embodiment.
5 illustrates a manufacturing process of a device for implementing an electrode system according to an exemplary embodiment.
FIG. 6 (a) shows measurement results of an open-circuit potential (OCP) using an electrode system according to one embodiment compared to a commercial Ag / AgCl reference electrode (3 M KCl).
6 (b) shows the potential change of a polyelectrolyte reference electrode in two channels of one chip containing 3M KCl solution using an electrode system according to one embodiment.
Figure 7 shows the potential change of the polymer electrolyte reference electrode in the 3M KCl solution using the electrode system according to an embodiment. Open circuit voltage (OCP) was measured at the polymer electrolyte reference electrode for a commercial Ag / AgCl reference electrode at 0.05, 0.1, 0.25, 0.5, 1 and 2 M KCl (af). The expanded view is shown inserted.
8 shows pH test results using an electrode system according to an embodiment.
9 shows detection of H5N2 viruses measured by three integrated chips ((a) to (b), (c) to (d), and (e) to (f)), respectively, using an electrode system according to one embodiment. The test results are shown.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. Effects and features of the present invention, and methods of achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below but may be implemented in various forms.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or corresponding components will be denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. .
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.In the following embodiments, the terms first, second, etc. are used for the purpose of distinguishing one component from other components rather than a restrictive meaning. Also, the singular forms “a”, “an” and “the” include plural forms unless the context clearly indicates otherwise.
한편, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 또한, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 "바로 위에" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.On the other hand, the terms including or have, etc. means that there is a feature or component described in the specification, and does not exclude in advance the possibility that one or more other features or components will be added. In addition, when a part of a film, an area, a component, or the like is said to be "on" or "on" another part, as well as being "on" or "on" another part, other films in the middle, It also includes the case where an area | region, a component, etc. are interposed.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In the drawings, components may be exaggerated or reduced in size for convenience of description. For example, the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, and thus the present invention is not necessarily limited to the illustrated.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.In the case where an embodiment may be implemented differently, a specific process order may be performed differently from the described order. For example, two processes described in succession may be performed substantially simultaneously or in the reverse order of the described order.
도 1은 일 구현예에 따른 작업전극; 기준전극; 전극 시스템; 및 이온투과성구조물을 포함하는 전극 시스템을 개략적으로 보여주는 사시도이다.1 is a working electrode according to an embodiment; Reference electrode; Electrode system; And a perspective view schematically showing an electrode system including an ion permeable structure.
도 1을 참조하면, 상기 전극 시스템은1, the electrode system is
절연기판(106);Insulating
상기 절연기판 위에 위치하고 서로 절연되어 있는 복수의 작업전극(working electrode)(101);A plurality of working
상기 절연기판 위에 위치하고 복수의 작업전극 모두와 이격되어 있는 단수의 기준전극(reference electrode)(102);A
상기 복수의 작업전극과 단수의 기준전극 사이를 연결하는 이온투과성구조물(103);을 포함하는 전기화학적 검출을 위한 전극 시스템의 형태일 수 있다.It may be in the form of an electrode system for electrochemical detection including; ion-
상기 복수의 작업전극은 상기 절연기판에 수직하는 마이크로채널(미도시)의 진행경로 중간에 위치하는 작업구의 내부에 수용되는 전극 시스템의 형태일 수 있다.The plurality of working electrodes may be in the form of an electrode system accommodated in a work tool located in the middle of a traveling path of a microchannel (not shown) perpendicular to the insulating substrate.
상기 단수의 기준전극(102)은 상기 절연기판에 수직하는 기준구(105)의 내부에 수용될 수 있고, 상기 복수의 작업전극(101)은 상기 절연기판에 수직하는 작업구(104)의 내부에 수용될 수 있다.The
일 구현예에서 상기 전극 시스템은 상기 작업구(104) 및 기준구(105) 위에는 제2의 절연기판(100)을 포함한다.In one embodiment, the electrode system includes a second insulating
일 구현예에서 상기 복수의 작업전극(101)과 단수의 기준전극(102) 사이는 등위구조물(103)로 연결될 수 있다.In one embodiment, the plurality of working
도 2는 일 구현예에 따른 전극 시스템의 구현예를 개략적으로 보여주는 (a) 평면도 및 (b)세로 방향 단면도이다.2 is a (a) plan view and (b) portrait cross-sectional view schematically showing an embodiment of an electrode system according to one embodiment.
도 2(a)을 참조하면, 일 구현예에서 상기 전극 시스템은 절연기판(106) 위에 1개의 기준전극(102)을 수용하는 1개의 기준구(미도시) 및 2개의 작업전극(101)을 수용하는 작업구(미도시)를 포함할 수 있고, 2개의 작업전극(101)과 1개의 기준전극(102) 사이는 이온투과성구조물(103)로 연결될 수 있다.Referring to FIG. 2A, in one embodiment, the electrode system includes one reference sphere (not shown) and two working
일 구현예에서 상기 기준전극(102)을 수용하는 기준구의 지름은 0.5 내지 10mm, 또는 1 내지 7 mm, 2 내지 5 mm, 또는 3 mm일수 있다. 일 구현예에서 상기 작업전극(101)을 수용하는 작업구의 지름은 3 내지 7 mm, 4 내지 6 mm, 또는 5 mm일 수 있다.In one embodiment, the diameter of the reference sphere accommodating the
도 3은 일 구현예에 따른 전극 시스템의 구현예를 개략적으로 보여주는 가로 방향 단면도이다.3 is a horizontal cross-sectional view schematically showing an embodiment of an electrode system according to an embodiment.
도 3을 참조하면, 일 구현예에서 상기 전극 시스템은 2개의 작업전극(101)과 1개의 기준전극(102) 사이가 이온투과성구조물(103)로 연결된 일체형 전극 형태일 수 있다. 일 구현예에서 상기 작업전극(101)은 제1 연결부(107)에 의해 등위구조물(103)에 연결될 수 있고, 상기 기준전극(102)은 제2 연결부(108)에 의해 등위구조물(103)에 연결될 수 있다.Referring to FIG. 3, in one embodiment, the electrode system may be in the form of an integrated electrode connected between two working
상기 제1 연결부(107) 및 제2 연결부(108)의 지름은 예를 들어 50 내지 400 ㎛, 또는 100 내지 350 ㎛, 150 내지 300 ㎛, 또는 170 내지 250 ㎛, 또는 200㎛일 수 있다.The diameter of the
도 4은 일 구현예에 따른 실제 실험에 사용된 전극 시스템을 개략적으로 보여주는 (a) 측면도 및 (b) 평면도이다.4 is a (a) side view and (b) a plan view schematically showing an electrode system used in an actual experiment according to one embodiment.
실시예Example 1: One:염다리를Salt bridge 포함하는 센서(소자)의 제작 Fabrication of sensors (elements) to include
도 5는 일 구현예에 따른 전극 시스템을 구현하는 소자의 제작 과정을 나타낸다. 이하에서는 상기 전극 시스템을 구현하는 소자의 제작 과정을 상세하게 설명한다.5 illustrates a manufacturing process of a device for implementing an electrode system according to an exemplary embodiment. Hereinafter, a manufacturing process of a device for implementing the electrode system will be described in detail.
도 5에 나타난 바와 같이, 유리(glass) 위에 ITO 300 nm가 증착되고, 유리와 ITO 사이에 Tin oxide/ITO 80 nm가 스퍼터링(sputtering) 시켰다.As shown in FIG. 5, 300 nm of ITO was deposited on glass, and Tin oxide / ITO 80 nm was sputtered between glass and ITO.
또한, 디알릴디메틸암모늄 클로라이드(DADMAC)를 함유한 모노머 수용액으로 광중합 기술을 사용하여 염다리를 제조하였다.In addition, salt bridges were prepared using photopolymerization techniques with an aqueous monomer solution containing diallyldimethylammonium chloride (DADMAC).
폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane: PDMS) 몰드(채널)가 감광제로 SU-8 2005 (MicroChem, Newton, MA)를 사용하여 포토리소그래피(photolithography)에 의해 제작된 실리콘 마스터 상의 복제물로부터 100μm 높이로 제작되었다. PDMS(실리콘 엘라스토머 염기, SYLGARD 184) : 실리콘 엘라스토머 경화제의 비율을 9:1로 하여 사용하였다.Polydimethylsiloxane (PDMS) molds (channels) were fabricated 100 μm high from replicas on silicon master fabricated by photolithography using SU-8 2005 (MicroChem, Newton, Mass.) As photosensitizers. PDMS (Silicone Elastomer Base, SYLGARD 184) was used with a 9: 1 ratio of silicone elastomer curing agent.
상기 몰드에 디알릴디메틸암모늄 클로라이드(DADMAC)와 가교제, 광개시제, 및 KCl 용액을 넣고 광중합(photo polymerization)시켜서 염다리를 제작하였다. 상기 염다리는 65% 모노머(DADMAC), 2% 광개시제(2-히드록시-4'-(2-히드록시메틸)-2-메틸프로피오페논), 2% 가교제(N, N'-메틸렌비사 크릴아미드), 및 500 mM KCl로 구성될 수 있다. 상기 염다리를 UV 챔버를 사용하여 8초 동안 17mw/초로 노출시켰다.In the mold, diallyldimethylammonium chloride (DADMAC), a crosslinking agent, a photoinitiator, and a KCl solution were added and photopolymerized to prepare a salt bridge. The salt bridge is 65% monomer (DADMAC), 2% photoinitiator (2-hydroxy-4 '-(2-hydroxymethyl) -2-methylpropiophenone), 2% crosslinker (N, N'-methylenebisacryl) Amide), and 500 mM KCl. The salt bridge was exposed at 17 mw / sec for 8 seconds using a UV chamber.
상기 ITO 및 Tin oxide/ITO 전극이 증착되어 있는 유리와 몰드를 통해 패턴화된 PDMS를 플라즈마 처리를 통해 본딩하였다. 플라즈마 본딩은 산소 플라즈마 처리기를 100 W, 40초로 사용하였다.The PDMS patterned through the glass and the mold on which the ITO and Tin oxide / ITO electrodes are deposited was bonded by plasma treatment. Plasma bonding was performed using an oxygen plasma processor at 100 W and 40 seconds.
실시예Example 2: 전도도 측정 2: conductivity measurement
실시예 1에서 제작한 소자에 대해 전자전기화학분석기(CHI 750B, CH Instruments, USA)를 사용하여 상기 염다리의 이온 전도도를 기록하였다.For the device fabricated in Example 1, the ionic conductivity of the salt bridge was recorded using an electroelectrochemical analyzer (CHI 750B, CH Instruments, USA).
도 6(a)은 상업용 Ag/AgCl 기준전극(3 M KCl)과 비교한 일 구현예에 따른 전극 시스템을 이용한 개방 회로 전압(open-circuit potential: OCP)의 측정 결과를 나타낸다.FIG. 6 (a) shows measurement results of an open-circuit potential (OCP) using an electrode system according to one embodiment compared to a commercial Ag / AgCl reference electrode (3 M KCl).
도 6(a)에 나타난 바와 같이, 3개 각각의 칩에 걸리는 전압(potential) 변이를 10분간 측정한 결과 5mv 정도의 차이가 나는 안정적인 결과를 얻을 수 있었다.As shown in FIG. 6 (a), the result was a 10 minute measurement of the potential variation across each of the three chips, resulting in a stable result with a difference of about 5 mv.
도 6(b)는 일 구현예에 따른 전극 시스템을 이용한 3M KCl 용액을 함유한 하나의 칩에 2개의 채널에서 고분자 전해질(polyelectrolyte) 기준전극의 전압 변화를 나타낸다.6 (b) shows the voltage change of a polyelectrolyte reference electrode in two channels in one chip containing 3M KCl solution using the electrode system according to one embodiment.
도 6(b)에 나타난 바와 같이, 1개의 칩에 2개의 채널 즉 2개의 작업구(working hole)이 존재하는 전극 시스템을 이용하여 우측(위에 그림), 좌측(아래 그림)의 채널에 걸리는 전압 변이를 15분간 측정한 결과 수 mV 정도만의 미세한 차이만을 보이는 안정적인 결과를 얻을 수 있었다.As shown in Fig. 6 (b), the voltage applied to the channels on the right (pictured above) and the left (pictured below) using an electrode system in which two channels, that is, two working holes, exist on one chip. As a result of measuring the variation for 15 minutes, a stable result showing only a slight difference of only a few mV was obtained.
도 7은 일 구현예에 따른 전극 시스템을 이용한 3M KCl 용액에서 고분자 전해질 기준전극의 전압 변화를 나타낸다. 개방 회로 전압(OCP)가 0.05, 0.1, 0.25, 0.5, 1 및 2 M KCl (a-f)에서 상업용 Ag/AgCl 기준전극에 대한 고분자 전해질 기준전극에서 측정되었다. 확장된 뷰가 삽입되어 도시되었다.Figure 7 shows the voltage change of the polymer electrolyte reference electrode in the 3M KCl solution using the electrode system according to an embodiment. Open circuit voltage (OCP) was measured at the polymer electrolyte reference electrode for a commercial Ag / AgCl reference electrode at 0.05, 0.1, 0.25, 0.5, 1 and 2 M KCl (a-f). The expanded view is shown inserted.
도 8은 일 구현예에 따른 염다리가 존재하는 전극 시스템을 이용한 3개의 일체형 칩으로 측정한 pH 테스트 결과를 나타낸다. 3개의 일체형 칩으로 측정한 시료의 민감도는 하기 표 1과 같다.FIG. 8 illustrates pH test results measured by three integrated chips using an electrode system having salt bridges according to an exemplary embodiment. The sensitivity of the sample measured by three integrated chips is shown in Table 1 below.
도 8에 나타난 바와 같이 3개의 일체형 칩으로 각각 pH 4, pH 7 및 pH 10에서 측정한 결과 오차 범위는 7% 이내였다.As shown in FIG. 8, the measurement result was measured at
도 9는 각각 일 구현예에 따른 전극 시스템을 이용한 3개의 일체형 칩((a)~(b), (c)~(d), 및 (e)~(f))으로 각각 측정한 H5N2 바이러스 검출 테스트 결과를 나타낸다. 3개의 일체형 칩으로 각각 측정한 시료의 민감도는 하기 표 2와 같다.9 shows detection of H5N2 viruses measured by three integrated chips ((a) to (b), (c) to (d), and (e) to (f)), respectively, using an electrode system according to one embodiment. The test results are shown. The sensitivity of each sample measured by three integrated chips is shown in Table 2 below.
도 9에 나타난 바와 같이 3개의 일체형 칩 중 2개만 반응하였으나, 반응한 2개의 칩의 결과인 (a)~(b) 및 (e)~(f)가 각각 거의 동일함을 알 수 있다.As shown in FIG. 9, only two of the three integrated chips were reacted, but it can be seen that (a) to (b) and (e) to (f), which are the results of the two chips, were almost identical.
100: (제2) 절연기판
101: 작업전극
102: 기준전극
103: 이온투과성구조물
104: 작업구
105: 기준구
106: (제1) 절연기판
107: 제1 연결부
108: 제2 연결부100: (second) insulation substrate
101: working electrode
102: reference electrode
103: ion permeable structure
104: work tool
105: reference sphere
106: (First) Insulation Board
107: first connecting portion
108: second connecting portion
Claims (14)
Translated fromKorean상기 절연기판 위에 위치하고 서로 절연되어 있는 복수의 작업전극(working electrode);
상기 절연기판 위에 위치하고 복수의 작업전극 모두와 이격되어 있는 단수의 기준전극(reference electrode);
상기 복수의 작업전극과 단수의 기준전극 사이를 연결하는 이온투과성구조물;
상기 작업전극과 상기 이온투과성구조물과 연결시키는 제1 연결부; 및
상기 기준전극과 상기 이온성투과성구조물과 연결시키는 제2연결부;를 포함하며,
상기 이온투과성구조물은 길이 방향으로 연장되는 바(bar) 형상으로 이루어지며, 복수의 상기 작업전극은 상기 제1 연결부를 통해 상기 이온투과성구조물에 각각 연결되며,
상기 복수의 작업전극은 상기 절연기판에 수직하는 작업구(working hole)의 내부에 수용되며,
상기 단수의 기준전극은 상기 절연기판에 수직하는 기준구(reference hole)의 내부에 수용되는 것을 특징으로 하는 전기화학적 검출을 위한 전극 시스템.Insulating substrate;
A plurality of working electrodes on the insulating substrate and insulated from each other;
A single reference electrode positioned on the insulating substrate and spaced apart from all of the plurality of working electrodes;
An ion permeable structure connecting the plurality of working electrodes and the single reference electrode;
A first connection part connecting the working electrode and the ion permeable structure; And
And a second connector connecting the reference electrode and the ionic permeable structure.
The ion permeable structure is formed in a bar shape extending in the longitudinal direction, the plurality of working electrodes are connected to the ion permeable structure through the first connection, respectively,
The plurality of working electrodes is accommodated in a working hole perpendicular to the insulating substrate,
And the single reference electrode is accommodated in a reference hole perpendicular to the insulating substrate.
상기 센싱부와 전기적으로 연결되고, 상기 센싱부로부터 발생된 전기화학적 신호를 증폭하기 위한 이온 감지 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 신호 처리부;를 포함하는 바이오 센서.An electrochemical sensing unit for detecting an analyte in a sample including the electrode system of claim 1; And
And a signal processor electrically connected to the sensing unit and including an ion sensing field effect transistor for amplifying an electrochemical signal generated from the sensing unit.
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