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KR100340174B1 - 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립, 그 제조방법 및 전기화학적 바이오센서 - Google Patents

전기화학적 바이오센서 테스트 스트립, 그 제조방법 및 전기화학적 바이오센서 Download PDF

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KR100340174B1
KR100340174B1 KR1019990047573A KR19990047573A KR100340174B1 KR 100340174 B1 KR100340174 B1 KR 100340174B1 KR 1019990047573 A KR1019990047573 A KR 1019990047573A KR 19990047573 A KR19990047573 A KR 19990047573A KR 100340174 B1 KR100340174 B1 KR 100340174B1
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South Korea
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electrode
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biosensor test
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이진우
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이동준
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Abstract

본 발명은 생체시료 중의 특정 물질을 정량 분석하기 위한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립, 그 제조방법 및 바이오센서에 관한 것이다.
본 발명에 의한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립은 제1 절연체 기판에 넓이방향으로 홈을 형성하는 단계와, 제1 절연체 기판 위에 길이방향으로 나란한 두 개의 전극을 스퍼터링에 의해 형성하는 단계와, 분석하고자 하는 물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 전류를 흐르게 하는 시약을 제1 절연체 기판의 홈에서 두 개의 전극에 걸쳐 고정시키는 단계와, 제1 절연체 기판 위에 제2 절연체 기판을 접합시키는 단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 제1 절연체 기판의 홈은 제2 절연체 기판과 함께 시약이 고정된 부분에 모세관을 형성한다.
본 발명의 테스트 스트립은 스페이서를 별도로 사용하지 않고 2장의 필름만으로 형성되므로 제조경비가 적고, 화학적으로 안정한 금을 재료로 하여 표면이 균일한 임의 모양의 전극을 형성할 수 있으므로 검출효율이 향상된다.

Description

전기화학적 바이오센서 테스트 스트립, 그 제조방법 및 전기화학적 바이오센서{Electrochemical Biosensor Test Strip, Fabrication Method Thereof and Electrochemical Biosensor}
본 발명은 생체 시료에 있는 특정 물질, 예컨대, 혈액 중의 클루코스를 정량 분석하기 위한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립, 그 제조방법 및 전기화학적 바이오센서에 관한 것이다.
최근 의약 분야에서 혈액을 포함한 생체 시료를 분석하기 위하여 전기화학적 바이오센서를 많이 사용하고 있다. 그 중 효소를 이용한 전기화학적 바이오센서는 적용이 간편하고, 측정 감도가 우수하며, 신속하게 결과를 얻을 수 있어 병원 및 임상 실험실에서 가장 널리 사용된다. 전기화학적 바이오센서에 적용되는 효소분석법은 크게 분광학적 방법인 발색법과 전기화학적인 전극법으로 구분할 수 있다. 발색법은 일반적으로 전극법에 비해 측정시간이 길며, 생체시료의 혼탁도에 기인한 측정오차 등으로 인해 중요한 생체물질을 분석하는데 어려움이 수반된다. 따라서 최근에는 스크린프린팅 방법 등을 이용하여 전극계를 형성한 뒤, 분석 시약을 전극 상에 고정시키고, 시료가 도입된 후 일정 전위를 적용하여 시료 중 특정 물질을 정량적으로 측정하는 전극법이 전기화학적 바이오센서에 많이 응용되고 있다.
한편, 인쇄회로기판(Printed Circuit Board : 이하, PCB)은 전기 소자의 상호연결 수단으로 전기 산업에서 널리 사용되고 있다. 그러나, PCB 산업에서 통용되는 금속 패터닝 기술을 혈액 등의 생체시료 중 특정 물질을 정량하기 위한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립에 적용하는 것은 적합하지 않았다. 왜냐하면, 구리 기판 상에 금속을 적층하는 것은 불규칙적이고 덩어리진 표면을 발생시켜서 구리의 하부층으로 시료가 유입되어 측정값을 교란시키는 전기적 신호를 발생시키기 때문이다. 게다가, 구리 및 니켈은 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립에서 통상적으로 사용되는 전압에서 전기활성적이어서 즉, 불안정하여 전기화학적 바이오센서 테스트스트립의 전극물질로서 적합하지 않다.
미국특허 제5,437,999호 'Electrochemical Sensor'에서는, 이러한 PCB 산업에서 통상적으로 사용되는 기술을 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립에 적합하도록 새롭게 응용하여, 정밀하게 정의된 전극 영역을 가지는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립에 관하여 기술하고 있다. 이 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립은 매우 적은 시료 양으로 매우 정확한 전기화학적 측정을 수행할 수 있다.
도 1은 상기한 미국특허의 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립 중에서 대향전극형(opposing electrode type)의 분해 사시도를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 대향전극형 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립이 결합된 상태를 나타낸 것이다. 여기에서, 2 전극계로 구성되는 센서 테스트 스트립에서 반응이 일어나는 전극을 작동전극이라 부르고 다른 전극을 기준전극 또는 보조전극이라 부른다. 한편, 3 전극계 센서의 경우에는 작동전극, 기준전극 및 보조전극으로 구성된다.
작동전극과 기준전극이 배치되는 방법에는 두 가지가 있다. 하나는 대향전극형으로 작동전극이 형성된 기판과 기준전극이 형성된 기판이 스페이서에 의해 분리되어 있는 것이다. 다른 하나는 인접전극형으로, 동일 기판 상에 작동전극과 기준전극이 형성되는 있는 것이다. 상기 미국특허에서는 인접전극형에서도 스페이서가 사용되는데, 이 스페이서는 전극이 형성되어 있는 절연체 기판과 덮개 역할을 하는 다른절연체 기판을 분리시켜 그 사이에 모세관 공간을 형성하는 역할을 한다.
도 1과 도 2를 참고하여 구체적으로 설명하면, 기준전극(reference electrode)이 형성된 절연체 기판 즉, 기준전극요소(10)는 스페이서(16)에 의하여 작동전극(working electrode)이 형성된 절연체 기판 즉, 작동전극요소(20)로부터 공간적으로 분리되어 있다. 스페이서(16)는 보통 제조공정 동안에 기준전극요소(10)에 부착되어 있으나, 도 1에서는 기준전극요소(10)로부터 분리하여 도시하였다. 스페이서(16)에 있는 제1 절단부위(13)는 기준전극요소(10)와 작동전극요소(20) 사이에 위치할 때 모세관 공간(capillary space)(17)을 형성한다. 작동전극요소(20)에 있는 제1 절단부위(22)는 작동전극 영역을 노출시키고, 이 작동전극 영역(21)은 모세관 공간(17)에 노출된다. 스페이서(16)에 있는 제1 절단부위(13)는 기준전극요소(10)에 부착될 때, 도 1에서 점선으로 나타낸 기준전극 영역(14)을 정의하며, 또한 이 기준전극 영역(14)은 모세관 공간(17)에 노출된다. 제2 절단부위(12, 23)는 각각 기준전극 영역(11) 및 작동전극 영역(21)을 노출시키고, 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립(30)을 미터 및 전력원에 연결시키는 접촉패드로서 작용한다.
도 2의 결합된 상태에서, 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립(30)은 한쪽 측면에 제1 개구(32)를 가진다. 또한 작동전극요소(20)에 있는 구멍(24) 및 기준전극요소(10)에 있는 구멍(15)이 일치되어 제2 개구(31)를 형성한다. 사용시에분석대상을 함유하는 시료는 개구(31 또는 32)를 통하여 모세관 공간(17)에 도입될 수 있다. 이 경우 시료는 모세관 작용에 의하여 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립으로 자발적으로 도입된다. 그 결과, 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립은 사용자의 개입없이 측정하고자 하는 시료의 부피를 자동적으로 제어하게 된다.
또한 상기 미국특허에서는 인접전극형 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조에 대해서도 기술하고 있다.
상기 미국특허에서 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립이 대향전극형인 경우 매우 정확한 전기화학적 측정을 수행할 수 있고, 시료의 양이 적게 요구되는 이점 이외에도, 두 전극의 제조 공정을 분리하므로 작동전극 및 기준전극에 관련되는 화합물의 적용 등을 분리할 수 있다는 이점이 있다.
그러나 상기 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립은 작동전극요소, 기준전극요소 및 스페이서로 구성되어 많은 구성요소를 필요로 하고, 또한 기판에 전극을 형성하기 위한 공정, 그 위에 절연체를 형성하는 공정, 모세관 공간을 형성하기 위하여 구멍을 뚫는 공정, 스페이서에 모세관 공간을 형성하는 공정 등 많은 공정을 필요로 한다. 특히, 기판 상에 전극을 형성하는 공정으로 포토레지스트 공정을 사용할 때 인접전극형 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립을 제조하는 경우에는 하나의 포토레지스트 공정이 필요한 데 반하여, 대향전극형 전기화학적 바이오센서 테스트스트립을 제조하는 경우에는 두 개의 포토레지스트 공정이 필요하므로 상대적으로 공정이 매우 복잡하게 된다. 따라서 구성요소의 과다, 구성요소간 조합의 복잡화 및 공정의 복잡화로 인하여 제조시간 및 제조비용의 증가를 피할 수 없다.
상기 미국특허에서 인접전극형 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조공정은 상기 대향전극형 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조공정과 유사하지만, 추가적인 금속 에칭 공정을 필요로 한다고 기술하고 있다. 그러나 모세관 공간을 형성하기 위한 공정에 대해서는 특별한 언급이 없다.
한편, 종래에는 플라스틱 필름 등의 기판에 전극 스트립을 만들기 위하여 구리 위에 팔라듐이 증착된 후막와이어를 열 등으로 접착하는 방법이나, 전극 재료를 액상으로 하여 스크린 프린팅하는 방법을 사용하였다.
시약과 시료의 반응에 의해 발생하는 전하는 전극에 가깝게 있을수록 전극에 포획되어 검출될 가능성이 크다. 후막와이어를 플라스틱 필름 등의 기판에 접착시키는 방법은 그 공정의 특성상 전극 스트립이 아주 가늘고 좁은 모양을 가지기 어려우므로, 그 검출효율에 한계가 있다. 또한 전극재료로 사용하는 팔라듐은 매우 비쌀 뿐만 아니라, 간섭물질과의 반응을 잘 일으켜서 원치 않는 전류 성분이 매우 크다는 문제가 있다. 또한 후막와이어는 플라스틱 필름과의 접착력이 약하여 전극이 플라스틱 필름으로부터 쉽게 이탈되는 문제도 있었다.
전극 재료를 액상으로 하여 스크린 프린팅하는 방법은 액체상의 도금액을 필요로 하는데, 검출효과가 우수하고 내화학성이 우수한 금, 팔라듐, 백금 등으로 전극을 형성하기 위해서는 매우 고가인 액체상의 도금액을 필요로 한다. 따라서 사용할 수 있는 재료가 한정되어 카본(carbon)을 주로 이용하였다. 그러나 카본을 스크린 프린팅하므로 형성된 전극 스트립은 그 표면이 매우 불균일하여 검출 특성이 불량하다는 문제가 있다.
그 밖에 웨이퍼 위에 전극을 스퍼터링하는 방법이 있는데, 이러한 방법은 웨이퍼가 고가이므로 일회용 센서 테스트 스트립을 만드는데 적합하지 않다.
한편, 금은 전기화학반응에서 간섭물질과의 반응이 가장 적고 내화학성이 가장 우수하다고 알려져 있다. 그러나 지금까지의 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립에서는 금을 사용하여 전극을 형성하지 않았다. 그 이유는 전술한 바와 같이 지금까지 상품화된 센서의 전극 스트립은 전극을 가느다란 판으로 만들어 붙이거나, 액상 전극재료를 스크린 프린팅을 이용하여 접착했으므로 매우 두꺼워야 했다. 금을 이와 같은 방법으로 접착한다면 엄청나게 제조가격이 상승한다. 따라서 전극 재료로서의 금의 우수성을 알면서도 상용화에 실패했던 것이다.
따라서, 본 발명은 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립을 제조할 때 구성요소를 적게 사용하고 제조공정을 단순화시키므로 제조시간 및 제조비용을 낮추는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립을 제조할 때 표면이 균일한 임의 모양의 전극을 형성하므로 검출특성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립을 제조할 때 얇은 두께로 전극을 형성하므로 제조비용을 낮추는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래 기술의 대향전극형 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 분해 사시도.
도 2는 도 1의 테스트 스트립의 결합된 상태를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 의해 테스트 스트립을 제조하는 제1의 실시예를 나타낸 도면.
도 4는 점착식 쉐도우마스크를 이용한 스퍼터링의 단계를 설명하는 도면.
도 5는 본 발명에 의해 테스트 스트립을 제조하는 제2의 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의한 테스트 스트립의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도.
도 7은 본 발명에서 검출효율을 극대화하기 위하여 시약이 고정된 부분에서 작동전극과 기준전극이 빗형으로 서로 맞물려 있는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 구조를 나타낸 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 기준전극요소 13 : 제1 절단부위
14 : 기준전극 영역 15, 24 : 구멍
16 : 스페이서 17 : 모세관 공간
20 : 작동전극요소 21 : 작동전극 영역
22 : 제1 절단부위 30 : 테스트 스트립
31, 32 : 개구 50 : 절연체 기판
52, 54 : 전극 56 : 시약
58 : 절연판 60 : 접촉영역
62 : 돌출영역 64 : 모세관 공간
70, 74, 80, 86 : 플라스틱 필름
72 : 점착제 78 : 증착된 금 전극
82 : 홈 84, 85 : 전극
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립은 제1 절연체 기판에 넓이방향으로 홈을 형성하는 단계와, 제1 절연체 기판 위에 길이방향으로 나란한 두 개의 전극을 스퍼터링에 의해 형성하는 단계와, 분석하고자 하는 물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 전류를 흐르게 하는 시약을 제1 절연체 기판의 홈에서 두 개의 전극에 걸쳐 고정시키는 단계와, 제1 절연체 기판 위에 제2 절연체 기판을 접합시키는 단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 제1 절연체 기판의 홈은 제2 절연체 기판과 함께 시약이 고정된 부분에 모세관을 형성하도록 배치된다.
또한, 본 발명에 의한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립은 제1 절연체 기판 위에 길이방향으로 나란한 두 개의 전극을 스퍼터링에 의해 형성하는 단계와, 분석하고자 하는 물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 전류를 흐르게 하는 시약을, 제1 절연체 기판 위에서 두 개의 전극에 걸쳐 고정시키는 단계와, 제1 절연체 기판 위에, 전극들을 가로지르는 방향으로 홈을 가지는 제2 절연체 기판을 접합시키는 단계에 의해 제조되는 것을 다른 특징으로 한다. 여기서도, 제2 절연체 기판의 홈은 제1 절연체 기판과 함께 시약이 고정된 부분에 모세관을 형성하도록 배치된다.
이하에서는, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 하기에서 설명하는 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 하기의 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명에 의해 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립을 제조하는 제1의 실시예를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 3A를 참조하면, 절연체 기판(50) 상에 두 개의 금속전극 스트립(52, 54)을 나란하게 형성한다. 이 전극들 중 하나는 산화반응의 장소를 제공하는 작동전극(52)이고, 다른 전극은 이에 대응하는 기준전극(54)이다.
본 발명에서 사용하는 절연체 기판(50)의 재료로는 어떠한 절연체라도 사용할 수 있지만, 본 발명의 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립을 동시에 대량으로 제조하기 위해서는 롤 방법(roll processing)에 적합한 유연성과 지지체로서의 강성을 지니는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 폴리에스테르(poly ester), 폴리카보네이트(poly carbonate), 폴리스틸렌(poly stylene), 폴리이미드(poly imide), 폴리비닐클로라이드(poly vinyl chloride), 폴리에틸렌(poly ethylene) 등의 고분자화합물이 사용될 수 있고, 특히 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly ethylene telephthalate)가 사용될 수 있다.
절연체 기판(50) 상의 전극 스트립(52, 54)은 쉐도우마스크를 사용하는 스퍼터링에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 전극 스트립 모양이 패터닝되어 있는 쉐도우마스크를 절연체 기판(50) 상에 놓고 통상의 전기 스퍼터링을 수행한 다음에 쉐도우마스크를 제거하면 절연체 기판(50) 상에 전극 스트립(52, 54)이 양호하게 형성된다. 이 때, 쉐도우마스크로는 얇은 스테인레스 금속판을 사용하는 것이 좋다. 쉐도우마스크의 두께는 0.2㎜ 정도가 적합하다.
다른 방법으로는 절연체 기판(50) 상에 금속을 통상의 스퍼터링 방법에 의하여 적층한 후, 통상의 포토리소그래피 방법을 이용하여 전극 스트립(52, 54)을 형성할 수 있다. 또한, 스크린프린팅, 무전해도금법, 전해질도금법 등을 사용하여 전극 스트립을 형성할 수도 있다.
그러나, 쉐도우마스크를 이용한 스퍼터링에 의해 전극 스트립을 형성하면 0.1㎜ 정도의 매우 미세한 전극을 별도의 추가공정없이 용이하게 형성할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명에서 사용하는 전극의 재료로는 팔라듐, 백금, 금, 은 등의 희귀금속(noble metal)을 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 희귀금속은 전극 표면 영역에 있어 안정성 및 재현성(再現性)이 우수하고 산화되기 어려운 성질 등, 전기화학적 성질이 우수하기 때문이다. 특히, 금을 전극의 재료로 사용하는 것이 바람직하다. 금은 희귀금속 중에서 상대적으로 가격이 싸고, 그 처리가 간편하며, 플라스틱과의 접착성이 양호할 뿐만 아니라, 도전율이 높다. 따라서 스퍼터링에 의해 대략 100㎚의 두께로 금 전극을 얇게 형성하더라도 그 전극은 전기적으로 낮은 저항을 가지며, 플라스틱 필름 등의 절연체 기판과 기계적으로 견고하게 접착되므로 1회용 전극으로 사용하는데 적합하다. 한편, 위에 열거한 희귀금속만으로 전극을 형성하는 것보다는, 플라스틱 등의 절연체와 접착력이 크고, 값이 싼 금속재료를 이용하여 1차적으로 전극을 형성한 후, 그 위에 금 등의 희귀금속막을 얇게 형성시키는 방법은 제조원가를 낮추는데 더욱 바람직하다.
다음으로 도 3B를 참조하면, 절연체 기판(50) 상에 두 개의 전극(52, 54)을 가로질러 적당한 폭으로 분석 시료와 반응하는 시약(56)을 고정시킨다.
본 발명에서 사용될 수 있는 분석물은 다양하다. 전혈, 혈청, 뇨, 신경전달물질 등과 같은 체액뿐만 아니라, 발효물 또는 자연물도 분석의 대상이 될 수 있다.
시약(56)은 자동화 디스펜서, 스크린 프린팅, 롤 코팅, 스핀 코팅 등의 방법에 의하여 절연체 기판(50) 상의 전극 영역에 코팅될 수 있다. 시약은, 시료가 제공되고 적당한 전압이 두 전극에 걸려지게 되면, 일정 반응시간 내에 시료와 반응하여 전류를 발생시킨다. 효소 반응에 의해 발생된 전류는 시료 중의 분석물의 농도와 관련이 되므로 전류의 측정에 의하여 분석물의 농도를 알 수 있게 된다.
시약(56)에는 효소와 산화환원매개체(redox mediator), 친수성 고분자화합물, 계면활성제가 포함될 수 있다. 사용되는 효소는 검출 또는 분석하고자 하는 물질에 따라 다양하며, 예를 들어 글루코스를 검출 또는 분석하고자 하는 경우 글루코스 산화효소(glucose oxidase)를 사용할 수 있다. 사용되는 산화환원매개체는 칼륨 페리시아나이드(potassium ferricyanide), 미국특허 제5,437,999호에 개시된 이미다졸 오스뮴 매개물(imidazole osmium mediator) 등을 포함한다. 시약(56)에는 효소와 산화환원 매개물 이외에도 완충용액(buffer), 필름 형성제, 계면활성제가 더 포함될 수 있다. 완충용액은 시약(56)과 분석하고자 하는 시료가 반응하는 동안 pH 등의 조건을 일정하게 유지시키는 역할을 하는 것이며, 친수성 고분자화합물은 전극 상에 시약을 용이하게 고정시키기 위해 필요한 것이며, 계면활성제는 나중에 설명하게 될 모세관 공간에 분석하고자 하는 시료를 모세관 작용에 의해 도입할 때 그것을 더욱 용이하게 하기 위한 것이다. 예를 들어, 글루코스를 검출 또는 분석하기 위한 시약은 칼륨 페리시아네이트, 칼륨 포스페이트 완충용액, 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오소, 트리톤 X-100 계면활성제, 나트륨 숙시네이트 및 글루코스 산화효소를 혼합하여 형성할 수 있으며, 그것의 구체적인 제조방법 및 사용될 수 있는 효소 및 산화환원 매개물의 예는 미국특허 제5,762,770호를 참조하라.
다음으로 도 3C를 참조하면, 전극들(52, 54) 및 절연체 기판(50) 상에 절연판(58)을 열압착, 양면테이프, 본드 등을 이용하여 접착한다. 도 3D는 도 3C에 의한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 측면을 나타내는 도면이다. 절연판(58)은 전극들(52, 54) 및 절연체 기판(50)에 접촉하는 영역(60)과, 시약(56)이 고정된 영역에 대응하여 돌출된 영역(62)을 가진다.
사용되는 절연판(58)의 재료로는 절연체 기판(50)과 동일한 것을 사용할 수 있다. 절연판(58)은 하부 절연체 기판(50)에 접촉시켜 열압착 등의 방법에 의하여 고정시킬 수 있다. 또한 절연판(58)에 양면 테이프 또는 스크린 프린팅에 의하여 도입되는 접착제를 적용하여 절연체 기판(50)에 접촉 고정시킬 수도 있다.
절연판(58)은 절연체 기판(50)의 상부의 일부에는 덮여지지 않는다. 절연판(58)에 의하여 덮여지지 않으므로, 절연체 기판(50) 상에서 노출되어 있는 전극들(52, 54)은 미터 및 전력원에 전기적으로 연결하기 위한 패드 역할을 한다.
도 3D에 도시된 바와 같이, 절연판(58)의 돌출 영역(62)은 절연체 기판(50)과 함께 전극들(52, 54)을 가로지르는 방향으로 모세관 공간(64)을 형성한다. 모세관 공간의 폭은 시약(56)의 폭과 완전히 일치할 필요는 없으며, 그 보다 더 넓거나 좁아도 무방하다. 또한 모세관 공간의 길이는 하부 절연체 기판(50)의 폭과 일치할 필요는 없으며, 그 보다 작아도 무방하다. 다만 모세관 공간에 시료를 도입할 때 발생하는 오차를 줄이기 위해서는 모세관 공간의 길이를 하부 절연체 기판(50)의 폭과 일치시키는 것이 바람직하다.
형성된 모세관 공간(64)은 혈액 등의 시료가 도입되는 장소이며, 모세관 작용에 의하여 모세관 공간(64)에 시료가 용이하게 도입된다. 따라서 적은 양의 시료로도 정확한 측정이 가능하다.
한편, 본 발명의 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립을 사용하여 시료중 검출 및 분석하고자 하는 대상물의 농도를 측정하는 원리는 다음과 같다. 혈액 시료에서 글루코스를 검출 분석하고자 하고, 효소로서 글루코스 산화효소를 사용하며, 산화환원 매개물로서 칼륨 페리시아나이드를 사용하는 경우를 예로 들면, 글루코스는 산화되고 페리시아나이드는 페로시아나이드로 환원된다. 이 때, 글루코스 산화효소가 이 반응의 촉매로 작용한다. 일정 반응 시간 후에, 전력원에 의하여 전압을 두 전극에 걸어주면, 페로시아나이드의 재산화에 기인한 전자 전이에 의하여 전류가 발생한다. 이 때, 전력원에 의하여 두 전극에 적용하는 전압은 300㎷ 이하가 적절하며, 이 중 매개체의 특성을 고려하여 100㎷ 정도를 사용한다.
상기와 같은 방법으로 측정된 전류는 전류측정미터에 저장된 알고리즘을 적용함으로써 시료에서의 분석물의 농도와 관련시킬 수 있다. 또한 다른 방법으로서, 측정 시간에 대하여 측정된 전류의 관계 곡선에서 전류를 일정 시간의 측정 시간에 대하여 적분함으로써, 그 시간 동안의 전체 전하량(이 전하량은 분석물의 농도에 직접 비례함)을 구할 수 있다. 간단히 요약하면, 시료 내에 존재하는 분석물의 농도는 효소 반응에 기인한 산화환원 매개체의 전기 산화에 의하여 발생하는 확산 전류를 측정함으로써 알 수 있다.
도 4는 점착식 쉐도우마스크를 이용한 스퍼터링에 의해 전극을 형성하는 과정을 설명하는 도면이다. 도 4A에서, 70은 전극이 형성될 플라스틱 필름이고, 72는 플라스틱 필름(74)에 붙어있는 점착제이며, 74는 쉐도우마스크의 역할을 하는 플라스틱 필름이다. 점착제(72)와 플라스틱 필름(70)은 가접착상태로서, 쉽게 뜯어질 수 있다.
먼저, 도 4B에서와 같이 형성하려는 전극의 모양으로 플라스틱 필름(74)과 점착제(72)를 커팅 플로터(cutting plotter)나 인그레이버(engraver) 등을 이용하여 커팅한다. 다음에는 도 4C에서와 같이 커팅된 부분을 떼어낸 후에, 스퍼터에서 플라스틱 필름(74)을 쉐도우마스크로 하여 금(78)을 전면에 증착시킨다. 다음에는 도 4D에서와 같이 남아있던 플라스틱 필름(74)과 점착제(72)를 떼어낸다.
전술한 바와 같이, 전극을 형성하기 위하여 점착식 쉐도우마스크를 이용하면 일반적인 커팅 플로터의 가공한계까지 패턴을 형성할 수 있다. 또한 일반적인 철재 쉐도우마스크와는 달리 플레시블(flexible)하고 전극이 형성되는 필름과 접착되어 있으므로 스퍼터링할 때 측면분산(lateral diffusion) 현상이 없어서, 정확한 패턴을 형성할 수 있다는 이점이 있다.
도 5는 본 발명에 의해 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립을 제조하는 제2의 실시예를 나타내는 도면이다. 도 5A에서 80은 전극 스트립이 형성되는 플라스틱 기판이다. 먼저 도 5B에 도시된 바와 같이 플라스틱 기판(80)의 넓이방향으로 홈(82)을 형성한다. 여기서 홈(82)의 측면(83)은 뒤에 형성될 금 전극이 모서리 부근에서 끊기지 않도록 약간 비스듬하게 경사진 것이 바람직하다. 홈(82)을 형성하는 방법으로는 플라스틱 기판(80)의 표면을 프레스, 진공성형법 등을 이용하여 엠보싱(embossing)시키는 방법이나, 인그레이버(engraver) 등을 이용하여 새기는 방법 등이 있다. 도 5B에 도시되어 있는 것은 후자의 방법으로 홈을 만든 것이다. 플라스틱 필름(80)이 통상 롤(roll) 형태로 감겨져 있으므로, 대량 생산을 위해서는 인그레이버를 이용하여 홈을 새기는 방법이 더욱 바람직하다. 위와 같은 방법에의하여 전술한 미국특허 제5,437,999호에서와 같은 스페이서를 별도로 사용하지 않고, 단 2장의 플라스틱 필름만으로 모세관이 형성된 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립을 만들 수 있다.
다음에는 도 5C에 도시된 바와 같이, 플라스틱 기판(80) 위에 금을 재료로 하여 전극 스트립(84, 85)을, 전술한 바와 같이 쉐도우마스크를 이용한 스퍼터링에 의해 형성하고, 도 5D에 도시된 바와 같이 홈(82) 내에 작동전극과 기준전극을 가로질러 시약(88)을 도포하고 건조시킨다.
도 3B에서는 편평한 플라스틱 기판(50) 위에 전극 스트립(52, 54)을 형성하고, 그 위에 액체상의 시약(56)을 도포하므로 시약이 흐를 염려가 있다. 그러나, 도 5D에서는 편평한 플라스틱 기판(80)에 먼저 홈(82)을 형성한 다음에, 전극(84, 85)을 가로질러 홈(82)내에 시약(88)을 도포하므로 시약(88)이 흐를 염려가 없어 시약을 고정시키기가 용이하다.
다음으로는 도 5E에 도시된 바와 같이 절연판(86)을 플라스틱 기판(80) 위에 덮어서 접착시킨다. 이로써 플라스틱 기판(80)에 형성되었던 홈(82)은 절연판(86)과 함께 모세관을 형성하게 된다. 이 모세관을 통해 혈액 등의 시료가 도입되게 된다. 도 5F는 도 5E에 의한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 측면을 도시하는 도면으로, 모세관 공간(89)이 과장되어 표시되어 있다.
도 6은 도 5와 관련하여 설명한, 본 발명의 제2실시예에 의한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 6A는 프레스, 진공성형법 등을 이용하여 엠보싱(embossing)시킴으로 홈을 만든 테스트 스트립이며, 도 6B는 인그레이버(engraver) 등을 이용하여 홈을 새긴 테스트 스트립을 나타내고 있다.
도 7은 본 발명에서 검출효율을 극대화하기 위하여, 시약이 고정되는 부분(94)에서 작동전극(91)과 기준전극(92)이 빗형으로 서로 맞물려 있는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 구조를 설명하는 도면이다. 전술한 바와 같이 쉐도우마스크를 이용한 스퍼터링에 의해 전극 스트립을 형성하면 임의 모양의 미세한 전극 패턴을 형성할 수 있다. 검출효율을 극대화시키기 위해서는 시약과 시료의 반응에 의하여 발생하는 전하가 작동전극에 가까울수록 유리하므로, 도 7에 도시된 바와 같이 시약이 고정된 부분에서 작동전극과 기준전극이 빗형으로 물려서 인접하도록 전극 스트립을 형성하는 것이 바람직하다. 이는 시약에 의해 발생된 전하가 전극에 포획되는 영역이 넓어지는 것을 의미하므로, 검출효율이 향상되는 결과를 가져온다.
전술한 바와 같은 본 발명의 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립에서는 쉐도우마스크를 이용한 스퍼터링에 의해 전극 스트립을 플라스틱 필름 위에 접착시키므로전극 스트립을 얇게 형성할 수 있고, 스페이서를 별도로 사용하지 않고 2장의 필름만으로 테스트 스트립을 형성하므로 제조경비가 적게 들고 제조공정이 단순하다. 또한, 쉐도우마스크를 이용한 스퍼터링에 의해 플라스틱 기판 위에 화학적으로 안정한 금 등을 재료로 하여 표면이 균일한 임의 모양의 전극 스트립을 형성할 수 있으므로 검출 효율이 극대화된다.

Claims (14)

  1. 제1 절연체 기판에 넓이방향으로 홈을 형성하는 단계와,
    상기 제1 절연체 기판 위에 길이방향으로 나란한 두 개의 전극을 스퍼터링에 의해 형성하는 단계와,
    분석하고자 하는 물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 전류를 흐르게 하는 시약을 상기 제1 절연체 기판의 홈에서 상기 두 개의 전극에 걸쳐 고정시키는 단계와,
    상기 제1 절연체 기판 위에 제2 절연체 기판을 접합시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 제1 절연체 기판의 홈은 상기 제2 절연체 기판과 함께 상기 시약이 고정된 부분에 모세관을 형성하는
    전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조방법.
  2. 제1 절연체 기판 위에 길이방향으로 나란한 두 개의 전극을 스퍼터링에 의해 형성하는 단계와,
    분석하고자 하는 물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 전류를 흐르게 하는 시약을, 상기 제1 절연체 기판 위에서 상기 두 개의 전극에 걸쳐 고정시키는 단계와,
    상기 제1 절연체 기판 위에, 상기 전극들을 가로지르는 방향으로 홈을 가지는 제2 절연체 기판을 접합시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 제2 절연체 기판의 홈은 상기 제1 절연체 기판과 함께 상기 시약이 고정된 부분에 모세관을 형성하는
    전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극은 금, 은, 백금, 팔라듐으로 구성된 그룹에서 선택된 하나에 의해 형성되는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극은 금속에 의해 하부층을 형성하고, 상기 하부층 위에 금, 은, 백금, 팔라듐으로 구성된 그룹에서 선택된 하나에 의해 상부층을 형성함으로써 이루어지는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전극은 쉐도우 마스크를 이용한 스퍼터링에 의해 형성되는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 쉐도우 마스크를 이용한 스퍼터링은
    전극이 형성될 상기 제1 절연체 기판에 점착제를 개재(介在)하여 마스크 필름을 점착시키는 단계와,
    상기 마스크 필름과 상기 점착제를 원하는 모양으로 커팅하는 단계와,
    상기 커팅된 마스크 필름과 점착제를 떼어낸 후에 전면을 스퍼터링하는 단계와,
    상기 떼어내고 남은 마스크 필름과 점착제를 떼어내는 단계
    를 포함하는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극은 상기 시약이 고정된 부분에서 빗형으로 서로 맞물려있는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 절연체 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly ethylene telephthalate), 폴리에스테르(poly ester), 폴리카보네이트(poly carbonate), 폴리스틸렌(poly stylene), 폴리이미드(poly imide), 폴리비닐클로라이드(poly vinyl chloride), 폴리에틸렌(poly ethylene)로 구성된 그룹에서 선택된 하나에 의해 형성되는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조방법.
  9. 넓이방향으로 홈을 가지는 제1 절연체 기판과,
    상기 제1 절연체 기판 위에 스퍼터링에 의해 길이방향으로 나란하게 형성된 두 개의 전극과,
    상기 제1 절연체 기판의 홈에서 상기 두 개의 전극에 걸쳐 고정화되며, 분석하고자 하는 물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 전류를 흐르게 하는 시약과,
    상기 제1 절연체 기판 위에 접합되는 제2 절연체 기판
    을 포함하며,
    상기 제1 절연체 기판의 홈은 상기 제2 절연체 기판과 함께 상기 시약이 고정된 부분에 모세관을 형성하는
    전기화학적 바이오센서 테스트 스트립.
  10. 제1 절연체 기판과,
    상기 제1 절연체 기판 위에 스퍼터링에 의해 길이방향으로 나란하게 형성된 두 개의 전극과,
    상기 제1 절연체 기판 위에서 상기 두 개의 전극에 걸쳐 고정화되며, 분석하고자 하는 물질과 반응하여 그 물질의 농도에 상응하는 전류를 흐르게 하는 시약과,
    상기 제1 절연체 기판 위에 접합되며, 상기 전극들을 가로지르는 방향으로 홈을 가지는 제2 절연체 기판
    을 포함하며,
    상기 제2 절연체 기판의 홈은 상기 제1 절연체 기판과 함께 상기 시약이 고정된 부분에 모세관을 형성하는
    전기화학적 바이오센서 테스트 스트립.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 전극은 금, 은, 백금, 팔라듐으로 구성된 그룹에서 선택된 하나에 의해 형성되는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 전극은 금속에 의해 하부층을 형성하고, 상기 하부층 위에 금, 은, 백금, 팔라듐으로 구성된 그룹에서 선택된 하나에 의해 상부층을 형성함으로써 이루어지는전기화학적 바이오센서 테스트 스트립의 제조방법.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 제1 절연체 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly ethylene telephthalate), 폴리에스테르(poly ester), 폴리카보네이트(poly carbonate), 폴리스틸렌(poly stylene), 폴리이미드(poly imide), 폴리비닐클로라이드(poly vinyl chloride), 폴리에틸렌(poly ethylene)로 구성된 그룹에서 선택된 하나에 의해 형성되는 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립.
  14. 제9항 또는 제10항에 의한 전기화학적 바이오센서 테스트 스트립과,
    상기 테스트 스트립의 작동전극 및 기준전극과 전기적으로 연결되어, 상기 작동전극 및 기준전극에 일정 전압을 인가하며, 시약과 시료의 반응에 의하여 발생하는 전류를 측정하여, 시료중의 측정하고자 하는 물질의 농도를 표시하는 측정기를
    포함하는 바이오센서 시스템
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