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KR101856841B1 - Enzyme immobilized glucose biosensor and the manufacturing method thereof - Google Patents

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KR101856841B1
KR101856841B1 KR1020160058281A KR20160058281A KR101856841B1 KR 101856841 B1 KR101856841 B1 KR 101856841B1 KR 1020160058281 A KR1020160058281 A KR 1020160058281A KR 20160058281 A KR20160058281 A KR 20160058281A KR 101856841 B1 KR101856841 B1 KR 101856841B1
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김규오
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단국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, 복수의 전극들을 포함하는 기판 및 상기 기판의 상에 배치되는 다공성 매트릭스 층을 포함하고, 상기 다공성 매트릭스 층은 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유를 포함하는 것인, 글루코스 측정을 위한 바이오센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 바이오센서를 이용하여, 헤마토크릿 레벨에 영향 없이 혈액 내 글루코스 농도를 신속하고 정확하게 측정할 수 있다.The present invention relates to a bioassay for glucose measurement, comprising a substrate comprising a plurality of electrodes and a porous matrix layer disposed on the substrate, wherein the porous matrix layer comprises nanofibers coated with glucose oxidase The present invention relates to a sensor and a method of manufacturing the same, and it is possible to quickly and accurately measure the glucose concentration in the blood without affecting the hematocrit level using the biosensor of the present invention.

Description

효소 고정화된 글루코스 바이오센서 및 이의 제조방법 {Enzyme immobilized glucose biosensor and the manufacturing method thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an enzyme-immobilized glucose biosensor and a manufacturing method thereof,

본 발명은 글루코스 옥시다제가 고정화된 글루코스 측정을 위한 바이오센서및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biosensor for measuring glucose immobilized glucose oxidase and a method for producing the same.

현장 진단 (Point-of-care: POC) 혈액 글루코스 바이오센서는 당뇨병 신생아와 위중한 환자의 질병을 관리하기 위하여 주요한 도구로 널리 사용되어 왔다. 혈액 글루코스 미터는 안정적인 어른에게 사용할 때, 일반적으로 민감하고 정확한 결과가 요구된다. 간단하게 사용되고 비교적 저렴하지만, POC 글루코스미터에서 사용된 혈액의 양과 같은 양을 사용한 경우 샘플링 오류, 말초 순환이 좋지 않은 환자에서 헤마토크릿 레벨의 영향, 산소 강도의 변화와 같은 다양한 임상적인 상황에서 부정확한 보고가 나왔다 [Weiner et al., 1991; Louie et al., 2000; Tang et al., 2000; Tang et al., 2001]. 특히, 많은 연구들은 헤마토크릿 변동이 POC 글루코스 측정의 정확도에 중대하게 영향을 미칠 수 있다고 결론짓고 있다. 이는 혈액 중의 혈구 세포가 전극 표면에 접촉되어 전자-전극 반응이 인식되기 때문이다. 글루코스 바이오센서 능력을 개선하기 위하여, 혈구 세포의 부착을 방지하여 어쎄이 민감도가 증가될 수 있도록 효소-베이스 나노 섬유 층이 바이오센서에 사용되었다. 효소 전달체로서의 나노 섬유 멤브레인은 다른 나노 구조체 물질에 비하여, 높은 공극도, 높은 표면적 비, 상호 연결성, 편이한 전기 방사 기술을 통한 쉬운 제조와 같은 많은 이점을 갖기 때문에, 전기 방사된 나노 섬유성 멤브레인은 민감하고 빠른 분석을 요구하는 바이오센서 제조에 널리 사용되어 왔다. Point-of-care (POC) blood glucose biosensors have been widely used as a primary tool to manage disease in diabetic neonates and caregivers. Blood glucose meters generally require sensitive and accurate results when used in stable adults. It is relatively simple to use and relatively inexpensive, but it has been reported inaccurate in a variety of clinical situations, such as sampling errors, hematocrit level effects in patients with poor peripheral circulation, and changes in oxygen intensity when using the same amount of blood used in the POC glucose meter [Weiner et al., 1991; Louie et al., 2000; Tang et al., 2000; Tang et al., 2001]. In particular, many studies conclude that hematocrit fluctuations can significantly affect the accuracy of POC glucose measurements. This is because the blood cell in the blood contacts the electrode surface and the electro-electrode reaction is recognized. In order to improve the glucose biosensor capability, an enzyme-based nanofiber layer was used in the biosensor to prevent adhesion of the hemocyte and increase the sensitivity of the assay. Nanofiber membranes as enzyme carriers have many advantages over other nanostructured materials, such as high pore size, high surface area ratio, interconnectivity, and ease of fabrication through easy electrospinning techniques, so electrospun nanofiber membranes Has been widely used in the manufacture of biosensors that require sensitive and rapid analysis.

반 결정성 중합체 (semicrystalline polymer)인 폴리비닐알콜 (poly(vinyl alcohol): PVA)은 높은 친수성, 화학적 안정성, 낮은 독성과 좋은 생체적합성 특성으로 인하여, 혈액 투석 막, 인공 피부, 혈액 보철장치와 같은 생체 의학적으로 적용되는 하이드로겔 카테고리에서 중요한 역할을 수행하여 왔다. Because of its high hydrophilicity, chemical stability, low toxicity and good biocompatibility, poly (vinyl alcohol) (PVA), which is a semicrystalline polymer, can be used as a blood dialysis membrane, artificial skin, And has played an important role in the hydrogel category, which is applied biomedically.

글루코스 전극에 대한 헤마토크릿의 영향을 감소시키기 위해 많은 전략들이 연구되어 왔다. Forrow et al.는 활성화 시약이 함침된 다공성 탄소 전극을 사용하여 적혈구를 제외하고자 하였으나, 분석 시간이 길었으며, 특히 높은 글루코스 농도에서는 혈액 세포 내 글루코스가 산화된다는 단점이 있었다.Many strategies have been explored to reduce the effect of hematocrit on glucose electrodes. Forrow et al. Attempted to exclude erythrocytes using a porous carbon electrode impregnated with an activating reagent, but the analysis time was long, and there was a disadvantage that glucose in the blood cells was oxidized especially at high glucose concentrations.

효소 글루코스 옥시다제 (glucose oxidase (GOD, EC 1.1.3.4)는 글루코스를 글루코노락톤으로 변환하여, 과산화수소로의 디옥시젠 동시 환원과 함께 자발적으로 글루코닉산으로 가수분해된다. 이러한 산화반응은 보조인자 플라빈아데닌 디뉴클레오티드 (flavinadenine dinucleotide: FAD)의 환원에 동반된다. FAD는 효소의 환원성을 담당하며, 효소의 폴리펩티드 단백질에 단단히 결합되지만 공유결합 되지는 않는다.Glucose oxidase (GOD, EC 1.1.3.4) converts glucose to gluconolactone and spontaneously hydrolyzes to gluconic acid with the simultaneous reduction of dioxygen with hydrogen peroxide. It is accompanied by the reduction of flavinadenine dinucleotide (FAD). FAD is responsible for enzyme reductivity and is tightly bound to the polypeptide protein of the enzyme but not covalently.

본 발명의 목적은, 복수의 전극들을 포함하는 기판 및 상기 기판의 상에 배치되는 다공성 매트릭스 층을 포함하고, 상기 다공성 매트릭스 층은 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유를 포함하는 것인, 글루코스 측정을 위한 바이오센서 및 이의 제조방법을 제공하여, 혈액 내 헤마토크릿 레벨에 영향 없이 글루코스 농도를 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 바이오센서를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for measuring glucose, comprising a substrate comprising a plurality of electrodes and a porous matrix layer disposed on the substrate, wherein the porous matrix layer comprises nanofibers coated with glucose oxidase. The present invention provides a biosensor capable of quickly and accurately measuring the glucose concentration without affecting the hematocrit level in the blood.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 제1 측면은, 복수의 전극들을 포함하는 기판 및 다공성 매트릭스 층을 포함하고, 상기 다공성 매트릭스 층은 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유를 포함하는 것인 글루코스 측정을 위한 바이오센서를 제공한다.A first aspect of the present invention provides a biosensor for measuring glucose comprising a substrate comprising a plurality of electrodes and a porous matrix layer, wherein the porous matrix layer comprises nanofibers coated with glucose oxidase .

일 실시예에 있어서, 상기 나노 섬유는 PVA/PAA로 이루어진 것이고, 상기 PVA 및 PAA의 몰 비는 2:3 내지 3:2인 것일 수 있다.In one embodiment, the nanofibers comprise PVA / PAA, and the molar ratio of PVA to PAA may be from 2: 3 to 3: 2.

일 실시예에 있어서, 상기 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유의 직경은 400 내지 600 nm인 것일 수 있다.In one embodiment, the diameter of the nanofiber coated with glucose oxidase may be 400 to 600 nm.

일 실시예에 있어서, 상기 다공성 매트릭스 층은, 시료를 투입되기 전과 시료를 투입한 후의 공극 직경이 2.5 내지 5.0 ㎛ 로 유지되는 것일 수 있다.In one embodiment, the porous matrix layer may be such that the pore diameter before the introduction of the sample and after the introduction of the sample is maintained at 2.5 to 5.0 mu m.

일 실시예에 있어서, 상기 다공성 매트릭스 층의 두께는 10 내지 30 ㎛인 것일 수 있다.In one embodiment, the thickness of the porous matrix layer may be 10 to 30 [mu] m.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서는 35% 내지 60%의 헤마토크릿의 레벨의 환경에서 측정한 글루코스 농도가 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정될 수 있다.In one embodiment, the biosensor is capable of constantly measuring the glucose concentration measured in an environment of a hematocrit level of 35% to 60% within an error range of 5% or less.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서에서 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정되는 글루코스 농도는 37.1 mg/dL 내지 544.7 mg/dL 에 포함되는 것일 수 있다.In one embodiment, the glucose concentration, which is constantly measured within an error range of 5% in the biosensor, may be in the range of 37.1 mg / dL to 544.7 mg / dL.

일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서는 상기 다공성 매트릭스에 시료가 투입된 시점으로부터 1 내지 3초 내에 글루코스 농도가 측정될 수 있다.In one embodiment, the biosensor may measure the glucose concentration within 1 to 3 seconds after the sample is introduced into the porous matrix.

본 발명의 제2 측면은, 복수의 전극들을 포함하는 기판을 준비하는 단계; 친수성 고분자 용액을 준비하는 단계; 상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하여, 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 제조하는 단계; 상기 다공성 매트릭스를 열처리 (가교결합공정) 하는 단계; 및 상기 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계;를 포함하는, 글루코스 측정을 위한 바이오센서 제조방법을 제공한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a substrate including a plurality of electrodes; Preparing a hydrophilic polymer solution; Electrospinning the hydrophilic polymer solution on the substrate to produce a porous matrix of nanofibers; Heat treating (crosslinking) the porous matrix; And coating the porous matrix with glucose oxidase. The present invention also provides a method for manufacturing a biosensor for glucose measurement.

일 실시예에 있어서, 상기 친수성 고분자는 PVA 및 PAA이고, 상기 PVA 및 PAA의 몰 비는 2:3 내지 3:2인 것일 수 있다.In one embodiment, the hydrophilic polymer is PVA and PAA, and the molar ratio of PVA and PAA is from 2: 3 to 3: 2.

일 실시예에 있어서, 상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하는 단계는, 상기 친수성 고분자 용액의 농도가, 8 내지 20 wt% 이고, 상기 전기 방사의 전압이 10 내지 80kV이고, 방사속도는 5 내지 30 ml/hr이고, 및 방사 거리가 10 내지 30 cm 일 수 있다.In one embodiment, the step of electrospinning the hydrophilic polymer solution on the substrate may comprise: providing a solution having a concentration of the hydrophilic polymer solution of 8 to 20 wt%, a voltage of the electrospinning of 10 to 80 kV, 5 to 30 ml / hr, and the spinning distance may be 10 to 30 cm.

일 실시예에 있어서, 상기 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계는, 스크린포충법, 거품함침법, 스프레이법, 또는 디스펜싱법을 사용하여 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment, the step of coating the porous matrix of nanofibers with glucose oxidase may be performed using a screen-impregnation method, a foam impregnation method, a spray method, or a dispensing method.

일 실시예에 있어서, 상기 다공성 매트릭스 층은, 시료를 투입되기 전과 시료를 투입한 후의 공극 직경이 2.5 내지 5.0 ㎛ 로 유지되는 것일 수 있다.In one embodiment, the porous matrix layer may be such that the pore diameter before the introduction of the sample and after the introduction of the sample is maintained at 2.5 to 5.0 mu m.

본 발명의 바이오센서는, 효소 고정화된 나노섬유를 포함하는 다공성 매크릭스 층을 포함함으로써, 헤마토크릿 레벨에 영향 없이 혈액 내 글루코스 농도를 신속하고 정확하게 측정할 수 있다.The biosensor of the present invention can quickly and accurately measure the glucose concentration in the blood without affecting the hematocrit level by including the porous matrix layer containing the enzyme-immobilized nanofibers.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오센서의 모식도이다.
도 2는, 서로 다른 가수분해도를 갖는 PVA로 전기방사하여 제조된 나노 섬유의 SEM 사진이다.
도 3은, 가수분해도에 따른 PVA의 직경을 나타낸 그래프이다.
도 4는, PVA/PAA의 함량에 따른 복합 나노 섬유의 SEM 사진이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 나노섬유의 가교결합을 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오센서의 산화 및 환원 반응을 나타낸 것이다.
도 7은, 종래의 바이오센서에서 수행되는 글루코스 옥시다제 코팅법을 나타낸 것이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오센서를 나타낸 것이다.
도 9는, 종래의 바이오센서 및 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 표면을 각각 나타낸 사진이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 혈액 내 글루코스 농도에 대한 전류 그래프를 나타낸 것이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 혈액 내 글루코스 농도에 대한 전류 그래프를 나타낸 것이다.
도 12는, 종래의 바이오센서로 측정되는, 헤마토크릿 레벨에 따라 측정되는 글루코스 농도 그래프를 나타낸 것이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 헤마토크릿 레벨에 따라 측정되는 글루코스 농도 그래프를 나타낸 것이다.
도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서 제조방법의 순서도이다.
도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 전극 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 17은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 매트릭스를 절단하여 부착하는 단계에 관한 사진이다.
1 is a schematic diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
2 is an SEM photograph of nanofibers prepared by electrospinning with PVA having different degrees of hydrolysis.
3 is a graph showing the diameter of the PVA according to the degree of hydrolysis.
4 is a SEM photograph of the composite nanofiber according to the content of PVA / PAA.
Figure 5 illustrates cross-linking of nanofibers, according to one embodiment of the present invention.
6 illustrates oxidation and reduction reactions of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows a glucose oxidase coating method performed in a conventional biosensor.
8 shows a biosensor according to an embodiment of the present invention.
9 is a photograph showing the surface of a conventional biosensor and a biosensor according to an embodiment of the present invention, respectively.
FIG. 10 is a graph of current versus glucose concentration in blood, as measured by a biosensor according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing a current versus glucose concentration in blood, as measured by a biosensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing the glucose concentration measured according to the hematocrit level, which is measured with a conventional biosensor.
13 is a graph showing a glucose concentration measured according to a hematocrit level, which is measured with a biosensor according to an embodiment of the present invention.
14 is a flowchart of a method of manufacturing a biosensor according to an embodiment of the present invention.
15 is a schematic view showing a method of manufacturing an electrode of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
16 is a schematic diagram showing the structure of a biosensor according to an embodiment of the present invention.
17 is a photograph of a step of cutting and attaching a matrix of a biosensor according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.In the following, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Various modifications may be made to the embodiments described below. It is to be understood that the embodiments described below are not intended to limit the embodiments, but include all modifications, equivalents, and alternatives to them.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used only to illustrate specific embodiments and are not intended to limit the embodiments. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. In the following description of the embodiments, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the embodiments may be unnecessarily blurred.

혈액은 세포성분인 혈구와 액체성분인 혈장으로 분류되며, 혈구는 산소를 운반하는 적혈구, 식균작용을 하는 백혈구, 및 혈액응고에 관여하는 혈소판으로 이루어지고, 혈장은 물 90~92%, 혈장단백질 7~8%, 염류 1%로 구성되며, 그밖에 지질ㅇ당류ㅇ무기염류와 비단백질성 질소화합물로서 요소, 아미노산, 요산 등이 함유되어 있다. 글루코스를 측정하는 바이오센서는 혈액 내의 혈장에 포함된 글루코스의 농도를 측정한다. 하지만, 혈액 내 글루코스 외 다른 물질들의 방해로 인하여, 종래의 바이오센서는 글루코스의 농도 측정에 걸리는 시간이 오래 걸리거나, 측정 값이 정확하지 않을 수 있다는 문제점이 있었다.Blood is classified into blood cells, which are cellular components, and plasma, which is a liquid component. Blood cells consist of red blood cells carrying oxygen, white blood cells acting as phagocytosis, and platelets involved in blood coagulation. Plasma is composed of 90-92% 7 ~ 8% and 1% of salt. In addition, lipids, saccharides, inorganic salts and nonproteinous nitrogen compounds contain urea, amino acid, and uric acid. A biosensor for measuring glucose measures the concentration of glucose contained in blood plasma. However, due to the interference of substances other than glucose in the blood, the conventional biosensor has a problem that it takes a long time to measure the concentration of glucose or the measured value may not be accurate.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오센서의 모식도이다. 1 is a schematic diagram of a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바이오센서는, 복수의 전극들을 포함하는 기판(100) 및 다공성 매트릭스 층(200)을 포함하고, 상기 다공성 매트릭스 층(200)은 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유를 포함한다.Referring to FIG. 1, the biosensor of the present invention includes a substrate 100 including a plurality of electrodes and a porous matrix layer 200, wherein the porous matrix layer 200 is formed of nanofibers coated with glucose oxidase .

상기 전극들은 전기화학적 반응을 측정하기 위한 것으로서, 전원을 인가하는 기준 전극과 작동 전극으로 구성되며, 필요에 따라서는, 분석에 필요한 시료의 양을 확인하는 한 쌍의 인식 전극을 추가로 포함할 수 있다. 즉, 한 쌍의 상기 인식 전극에 시료가 확인되면, 상기 기준 전극과 상기 작용 전극에 전원을 인가하여 전기화학적 반응을 측정한다. 상기 전극의 개수와 구조는 필요에 따라 변경될 수 있다.The electrodes are for measuring an electrochemical reaction. The electrodes include a reference electrode for applying power and a working electrode. If necessary, a pair of recognition electrodes for checking the amount of a sample required for analysis may be additionally included have. That is, when a sample is confirmed on a pair of the recognition electrodes, power is applied to the reference electrode and the working electrode to measure the electrochemical reaction. The number and structure of the electrodes can be changed as needed.

상기 다공성 매트릭스 층은, 상기 전극들을 덮을 수 있도록 전극들의 상면에 부착되어, 혈액이 바로 전극에 접촉되는 것이 아니라, 다공성 매트릭스 층을 통과한 후에 전극에 접촉될 수 있도록 한다. 혈액이 다공성 매트릭스 층을 통과하면서 글루코스 측정에 방해가 되는 헤마토크릿을 필터할 수 있다.The porous matrix layer is attached to the upper surface of the electrodes so as to cover the electrodes so that the blood does not come into contact with the electrodes but can contact the electrodes after passing through the porous matrix layer. The hematocrit, which interferes with the glucose measurement, can be filtered as blood passes through the porous matrix layer.

본 발명의 일 실시예에 따른, 상기 다공성 매트릭스 층은, 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유를 포함한다. 전기방사를 통하여 제조되는 나노 섬유로 이루어진 상기 다공성 매트릭스는 전기방사 조건에 따라 공극 크기가 조절될 수 있으므로, 이를 이용하여 혈액 내 글루코스를 선택적으로 투과시킬 수 있다. 또한, 상기 다공성 매트릭스를 구성하는 나노 섬유는 글루코스 옥시다제로 코팅된 것으로서, 상기 글루코스 옥시다제는 혈액 내 글루코스와 접촉하여 산화 환원 반응을 일으키고, 본 발명의 바이오센서 전극은 이로 인한 전자의 이동과 전류를 감지하여 글루코스 농도를 측정할 수 있다. 혈액과의 접촉 면적을 크게 하기 위하여, 글루코스 옥시다제는 매트릭스를 구성하는 나노 섬유 표면에 코팅되는 형태가 바람직하다. 상기 나노 섬유 표면의 코팅층에는 글루코스 옥시다제 외에도 전자전달체 또는 계면활성제가 포함될 수 있으며, 상기 전자전달체는 루테늄(Ruthenium) 또는 페록시아나이드(ferrocyanide)일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the porous matrix layer includes nanofibers coated with glucose oxidase. The pore size of the porous matrix made of nanofibers prepared through electrospinning can be controlled according to the electrospinning condition, and thus glucose can be selectively transmitted through the blood. The nanofibers constituting the porous matrix are coated with glucose oxidase. The glucose oxidase is brought into contact with glucose in the blood to cause a redox reaction, and the biosensor electrode of the present invention is capable of transferring electrons and current The glucose concentration can be measured. In order to increase the contact area with blood, glucose oxidase is preferably coated on the surface of the nanofiber constituting the matrix. In addition to glucose oxidase, the coating layer on the surface of the nanofibers may include an electron transporting agent or a surfactant, and the electron transporting material may be ruthenium or ferrocyanide.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 나노 섬유는 PVA/PAA로 이루어진 것이고, 상기 PVA 및 PAA의 몰 비는 2:3 내지 3:2 인 것일 수 있다. PVA/PAA는 친수성 고분자들로 이루어진 것으로, 종래에 주로 사용되는 고분자와는 달리 가교제 사용 없이 단순히 열만을 이용하더라도 가교결합이 가능하여 친수성 하이드로겔 특성 부여가 가능하다. 특히, 적절한 몰비에서 제조된 PVA/PAA는 최대 수분 흡수량에도 다기공성을 유지하여 수분을 머금은 상태에서도 컷 오프 기능 및 나노 스케일 특성을 유지할 수 있다는 우수성이 있어, 본 발명의 바이오센서는 PVA/PAA 로 이루어진 나노 섬유를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the nanofibers are made of PVA / PAA, and the molar ratio of the PVA and the PAA is 2: 3 to 3: 2. The PVA / PAA is made of hydrophilic polymers. Unlike the conventional polymers, crosslinking is possible even if only heat is used without the use of a crosslinking agent, so that hydrophilic hydrogel properties can be imparted. Particularly, the PVA / PAA produced at an appropriate molar ratio has superiority of maintaining the cut-off function and nanoscale characteristics even in the state of retaining the multi-pore property at the maximum moisture absorption amount, and thus the biosensor of the present invention is made of PVA / PAA ≪ / RTI >

한편, PVA는 폴리비닐아세테이트 (poly(vinyl acetate: PVAc)의 가수분해로부터 유도되기 때문에, PVA의 특성은 가수분해도 (degrees of hydrolysis: DH)에 영향을 받는다. 특히, 85 내지 90% 사이의 가수분해도를 갖는 PVA는, 98 내지 99.9% 사이의 가수분해도를 갖는 PVA보다 낮은 기계적 특성과 내수성을 갖지만 물에 쉽게 용해되며 전기방사능이 뛰어나다. (실시예 2 참고). 따라서, 본 발명의 바이오센서 매트릭스 층을 구성하는 나노 섬유의 직경을 작게 하여 공극을 보다 작고 촘촘하게 형성하기 위해서는, 가수분해도가 85 내지 90인 PVA를 사용하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 가수분해도 88의 PVA가 사용될 수 있다. On the other hand, since PVA is derived from the hydrolysis of poly (vinyl acetate: PVAc), the properties of PVA are influenced by degrees of hydrolysis (DH) PVA having a degree of decomposition has lower mechanical properties and water resistance than PVA having a degree of hydrolysis of between 98 and 99.9%, but is easily dissolved in water and excellent in electric radiation (refer to Example 2). Thus, the biosensor matrix PVA having a degree of hydrolysis of 85 to 90 is preferably used, and PVA having a degree of hydrolysis of 88 is most preferably used in order to reduce the diameter of the nanofibers constituting the layer and to form the pores smaller and more closely.

다만, PVA/PAA는 PVA의 -OH기와 PAA의 -COOH기 사이의 에스테르 형성을 통하여 결합되는 것이므로, 수분과 접촉하여 가수분해될 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 PVA/PAA는 PVA : PAA 몰비를 2:3 내지 3:2으로 하여 전기방사 하였고, 전기방사 이후에 간단한 열처리 공정을 통해 가교 결합하여 내수성을 증가시켰다 (실시예 2 및 도 4 참고). PVA에 대한 PAA의 몰 비율이 0.25 미만이거나 0.75 초과인 경우에는, 섬유의 모폴로지가 망가지면서 다공성을 유지하기 어려우며 나노 섬유로의 기능을 제대로 수행하지 못한다는 문제점이 발생할 수 있다(실시예 2 및 도 4 참고)However, since PVA / PAA is bonded through formation of an ester between -OH group of PVA and -COOH group of PAA, there is a problem that it can be hydrolyzed in contact with moisture. In order to solve this problem, the PVA / PAA of the present invention was electrospun at a PVA: PAA molar ratio of 2: 3 to 3: 2 and crosslinked through a simple heat treatment process after electrospinning to increase the water resistance Example 2 and FIG. 4). When the molar ratio of PAA to PVA is less than 0.25 or more than 0.75, the morphology of the fiber is destroyed and it is difficult to maintain the porosity and the function as the nanofiber can not be performed properly. (Examples 2 and 3 4)

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유의 직경은 400 내지 600 nm인 것일 수 있다. 글루코스 옥시다제가 코팅되기 전의 PVA/PAA 섬유 직경은 평균적으로 대략 300 내지 400 nm 였으나, 글루코스 옥시다제가 결정체 형태로 나노 섬유 표면에 비교적 촘촘하고 균일하게 코팅되어, 전체 직경을 대략 100 내지 200 nm 증가시킨다. 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유의 직경이 400 nm 미만인 경우에는 표면적은 높아지나 생산성이 떨어지는 문제점이 있으며, 나노 섬유의 직경이 600 nm 초과인 경우에는, 비표면적이 낮아지는 문제점이 있을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diameter of the nanofiber coated with glucose oxidase may be 400 to 600 nm. The average diameter of the PVA / PAA fibers before coating with glucose oxidase was approximately 300 to 400 nm, but glucose oxidase was relatively closely and uniformly coated on the surface of the nanofibers in the form of crystals to increase the total diameter by approximately 100 to 200 nm . When the diameter of the nanofibers coated with glucose oxidase is less than 400 nm, the surface area is high but the productivity is low. When the diameter of the nanofibers is more than 600 nm, the specific surface area may be lowered.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다공성 매트릭스 층의 공극 직경은, 2.5 내지 5.0 ㎛ 인 것일 수 있다. 혈액 내의 글루코스 농도 측정에 방해가 되는 헤마토크릿을 배제하기 위하여, 상기 다공성 매트릭스의 공극은 5.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한 공극의 크기가 2.5 ㎛ 미만인 경우에는, 혈액의 투과가 원활하게 일어나지 않아 측정 시간을 지연시킬 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 다공성 매트릭스 층의 공극 직경은, 2.5 내지 3.0 ㎛ 인 것일 수 있으며, 혈액 내의 글루코스 농도 측정에 방해가 되는 헤마토크릿을 보다 완벽하게 배제하기 위하여, 상기 다공성 매트릭스의 공극은 3.0 ㎛ 이하인 것이 더 바람직할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the pore diameter of the porous matrix layer may be 2.5 to 5.0 m. In order to eliminate the hematocrit which interferes with the measurement of the glucose concentration in the blood, the pore of the porous matrix is preferably 5.0 m or less. Further, when the size of the pores is less than 2.5 占 퐉, permeation of blood does not occur smoothly, and measurement time can be delayed. More preferably, the pore diameter of the porous matrix layer may be between 2.5 and 3.0 m, and in order to more completely eliminate the hematocrit which interferes with the measurement of glucose concentration in the blood, the pore of the porous matrix may be 3.0 m or less May be more preferable.

또한, 상기 다공성 매트릭스 층은, 시료를 투입되기 전과 시료를 투입한 후의 공극 직경이 2.5 내지 5.0 ㎛ 로 유지되는 것일 수 있다. 즉, 혈액과 같은 시료가 상기 다공성 매트릭스 층에 투입되더라도, 본 발명의 다공성 매트릭스 층을 구성하는 나노 섬유는 내수성이 높아 가수분해되지 않으므로 섬유의 모폴로지를 거의 완벽하게 유지할 수 있다(실시예 2 및 도 4참조). 따라서 본 발명의 바이오센서는 시료가 투입된 후에도 균일한 공극의 크기를 유지하는 상기 다공성 매트릭스로 인하여, 일정하고 정확하게 글루코스 농도를 측정할 수 있다. In addition, the porous matrix layer may be such that the pore diameters thereof before and after the introduction of the sample are maintained at 2.5 to 5.0 mu m. That is, even if a sample such as blood is put into the porous matrix layer, the nanofiber constituting the porous matrix layer of the present invention has high water resistance and is not hydrolyzed, so that the morphology of the fiber can be maintained almost completely (Examples 2 and 3 4). Therefore, the biosensor of the present invention can constantly and accurately measure the glucose concentration due to the porous matrix which maintains a uniform pore size even after the sample is introduced.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다공성 매트릭스 층의 두께는 10 내지 30 ㎛인 것일 수 있다. 다공성 매트릭스 층이 30 ㎛ 초과인 경우, 다공성 매트릭스 층 내에 포집되거나 헤마토크릿과 함께 필터되는 글루코스가 발생할 수 있으므로 다공성 매트릭스 층의 두께는 30 ㎛ 이하인 것이 바람직하며, 다공성 매트릭스 층이 10 ㎛ 미만인 경우, 공극을 빠져나오는 헤마토크릿이 발생할 확률이 증가하여 헤마토크릿을 배제하는 효과가 감소될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the thickness of the porous matrix layer may be 10 to 30 탆. If the porous matrix layer is larger than 30 탆, the thickness of the porous matrix layer is preferably 30 탆 or less, because the porous matrix layer may be trapped or filtered with the hematocrit, and if the porous matrix layer is less than 10 탆, The probability of the emergence of hematocrit increases and the effect of eliminating the hematocrit may be reduced.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서는 35% 내지 60%의 헤마토크릿의 레벨의 환경에서 측정한 글루코스 농도가 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정될 수 있다. 동일한 글루코스 농도를 갖는 샘플들에 헤마토크릿 농도를 다르게 한 후, 본 발명의 바이오센서로 글루코스를 측정한 결과, 헤마토크릿의 농도가 35% 내지 60%로 변화하더라도 측정되는 글루코스의 값은 일정하였다. (실시예 9 및 도 13참고)In one embodiment of the present invention, the biosensor can measure the glucose concentration measured in an environment of a hematocrit level of 35% to 60% within a tolerance range of 5% or less. After the hematocrit concentration was varied in the samples having the same glucose concentration, glucose was measured by the biosensor of the present invention, and the measured glucose value was constant even when the hematocrit concentration changed from 35% to 60%. (See Example 9 and Fig. 13)

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서에서 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정되는 글루코스 농도는 37.1 mg/dL 내지 544.7 mg/dL인 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the concentration of glucose measured constantly within an error range of 5% in the biosensor may be 37.1 mg / dL to 544.7 mg / dL.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오센서는 상기 다공성 매트릭스에 시료가 투입된 시점으로부터 1 내지 3초 내에 글루코스 농도가 측정될 수 있다. 종래의 글루코스 바이오센서들은 측정되는 글루코스 농도에 헤마토크릿으로 인한 영향을 보정하는 과정을 거치기 때문에 평균 5초 이상의 측정 시간을 요하였다. 하지만, 본 발명의 바이오센서는 보정 과정 없이 다공성 매트릭스로 헤마토크릿을 배제한 후에 글루코스 농도를 측정하므로 농도 측정에 1 내지 3초만 소요된다. In one embodiment of the present invention, the biosensor may measure the glucose concentration within 1 to 3 seconds after the sample is introduced into the porous matrix. Conventional glucose biosensors require a measurement time of 5 seconds or more on average because they are subjected to a process of correcting the effect of hematocrit on the measured glucose concentration. However, since the biosensor of the present invention excludes the hematocrit from the porous matrix without the calibration process and measures the glucose concentration, it takes only 1 to 3 seconds to measure the concentration.

도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서 제조방법의 순서도이다.14 is a flowchart of a method of manufacturing a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참고하면, 본 발명의 글루코스 측정을 위한 바이오센서 제조방법은, 복수의 전극들을 포함하는 기판을 준비하는 단계(110); 친수성 고분자 용액을 준비하는 단계(120); 상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하여, 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 제조하는 단계(130); 상기 다공성 매트릭스를 열처리하는 단계(140); 및 상기 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계(150);를 포함한다.Referring to FIG. 14, a method of manufacturing a biosensor for glucose measurement according to the present invention includes: preparing a substrate including a plurality of electrodes (110); Preparing (120) a hydrophilic polymer solution; (130) electrospinning the hydrophilic polymer solution on the substrate to produce a porous matrix of nanofibers; Heat treating the porous matrix (140); And coating (150) the porous matrix with glucose oxidase.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 친수성 고분자는 PVA 및 PAA이고, 상기 PVA 및 PAA의 몰 비는 2:3 내지 3:2인 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the hydrophilic polymer is PVA and PAA, and the molar ratio of PVA and PAA is 2: 3 to 3: 2.

상기 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계 이전에, 글루코스 옥시다제를 함유한 효소 혼합물을 준비하는 단계가 더 포함될 수 있다. 상기 효소 혼합물에는 글루코스 옥시다제 외에도 전자전달체 또는 계면활성제가 포함될 수 있다. 상기 전자전달체는 루테늄(Ruthenium) 또는 페록시아나이드(ferrocyanide)일 수 있다.The step of preparing the enzyme mixture containing glucose oxidase may be further included before the step of coating the porous matrix of nanofibers with glucose oxidase. The enzyme mixture may contain, in addition to glucose oxidase, an electron donor or a surfactant. The electron transporting material may be ruthenium or ferrocyanide.

상기 다공성 매트릭스를 열처리하는 단계(140)는, 60 내지 200 ℃의 온도에서 10 분 내지 120 분 동안 수행되는 것일 수 있다. 상기 열처리 공정이 60 ℃ 미만에서 수행되는 경우에는 가교결합이 제대로 형성되지 않을 수 있으며, 200 ℃ 이상의 온도에서 수행되는 되는 경우에는 나노 섬유내 고분자들이 녹거나 분해될 수 있다. 또한 상기 열처리 공정이 10 분 미만 동안 수행되는 경우에는 충분한 반응이 일어나지 않아 부분적으로 가교결합이 생기지 않을 수 있으며, 120 분 이상 수행되는 경우에는 반응이 이미 충분하게 일어났기에 열처리 공정을 더 이상 수행할 필요가 없다.The step 140 of heat treating the porous matrix may be performed at a temperature of 60 to 200 DEG C for 10 to 120 minutes. When the heat treatment is carried out at a temperature lower than 60 ° C, cross-linking may not be properly formed. When the heat treatment is performed at a temperature of 200 ° C or higher, the polymer in the nanofiber may melt or decompose. Further, when the heat treatment process is performed for less than 10 minutes, sufficient reaction does not occur and partial crosslinking may not occur. If the heat treatment process is performed for 120 minutes or more, the reaction has already been sufficiently performed, There is no.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하는 단계는, 상기 친수성 고분자 용액의 농도가, 8 내지 20 wt% 이고, 상기 전기 방사의 전압이 1 내지 80kV이고, 방사속도는 5 내지 30 ml/hr이고, 방사 거리가 10 내지 30 cm 일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of electrospinning the hydrophilic polymer solution on the substrate may include the steps of: providing a solution having a concentration of the hydrophilic polymer solution of 8 to 20 wt%, a voltage of the electrospinning of 1 to 80 kV, The spinning speed may be 5 to 30 ml / hr, and the spinning distance may be 10 to 30 cm.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계는, 스크린포충법, 거품함침법, 스프레이법, 또는 디스펜싱법을 사용하여 수행되는 것일 수 있으며, 매트릭스 코팅법으로 해당 분야에 알려진 방법이라면 제한없이 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of coating the porous matrix made of nanofibers with glucose oxidase may be carried out using a screen filling method, a foam impregnation method, a spray method, or a dispensing method, Any method known in the art as a matrix coating method can be used without limitation.

도 15는, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 전극 제조방법을 나타낸 모식도이다. 예를 들면, PET 기판을 준비한 후, 기판 상에 구리 필름은 라미네이트 열처리로 부착하고, 그 위에 자외선 (UV) 광 민감성 건조 필름을 라미네이팅으로 부착할 수 있다. 이어서, 구리 전극 패턴을 형성하기 위하여 리버스포토마스트 (reverse photo mask)로 UV 노출과 습식 에칭을 사용할 수 있다. 상기 구리 전극 패턴 위에는 무전해 도금으로 니켈 층을 형성할 수 있다.15 is a schematic view showing a method of manufacturing an electrode of a biosensor according to an embodiment of the present invention. For example, after preparing a PET substrate, the copper film may be adhered to the substrate by a laminating heat treatment, and an ultraviolet (UV) light sensitive dry film may be laminated thereon. UV exposure and wet etching can then be used with a reverse photo mask to form the copper electrode pattern. A nickel layer may be formed on the copper electrode pattern by electroless plating.

도 16은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 구조를 나타낸 모식도이다. 도 16은 일실시예에 따른 것으로서, 본 발명의 바이오센서 전극 위에 중간 기판(middle plate), 상부 기판 (upper plate) 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 상부 기판에는 시료가 투입되는 투입구가 형성될 수 있다. 중간 기판은 효소를 포함하는 다공성 매트릭스 층이 형성된 부분으로 시료가 집중적으로 투입되도록 가이드하는 채널을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 바이오센서는 중간 기판, 상부 기판, 또는 이들 모두를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.. 16 is a schematic diagram showing the structure of a biosensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 16 illustrates an embodiment of the present invention, which may include an intermediate plate, an upper plate, or both on the biosensor electrode of the present invention. An inlet port through which the sample is injected may be formed in the upper substrate. The intermediate substrate may have a channel for guiding the sample to be intensively introduced into the porous matrix layer including the enzyme. In one embodiment of the present invention, the biosensor may include, but is not limited to, an intermediate substrate, an upper substrate, or both.

본 발명의 바이오센서 제조방법은, 상기 다공성 매트릭스를 절단하여 전극 상에 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing a biosensor of the present invention may further include cutting the porous matrix and attaching the porous matrix to the electrode.

도 17은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 매트릭스를 절단하여 부착하는 단계에 관한 사진이다. 도 17을 참고하면, 전기방사를 이용하여 제조되고 글루코스 옥시다제로 코팅된 다공성 매트릭스 막을 붉은 선을 따라 절단한 후에, 전극 패턴이 형성된 기판 상에 부착할 수 있다. 17 is a photograph of a step of cutting and attaching a matrix of a biosensor according to an embodiment of the present invention. Referring to Fig. 17, a porous matrix membrane prepared using electrospinning and coated with glucose oxidase may be cut along a red line, and then adhered onto a substrate on which an electrode pattern is formed.

<실시예 1: 재료 준비>&Lt; Example 1: Material preparation >

센서 칩과 반응물에 대한 모든 구조적인 물질들은 상업적으로 이용 가능하다. 1,700의 중합도 (degree of polymerization: DP) 및 88%, 96%, 99.9%의 가수분해도 (degree of hydrolysis: DH)를 갖는 폴리비닐알콜 (PVA)은 Kuraray Co. Ltd., Japan로부터 제공받았다. 분자량 250kDa을 갖는 폴리아크릴산 (Poly(acrylic acid; PAA)은 Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Japan로부터 제공받았다. 글루코스 옥시다제 (GOD, EC 1.1.3.4,15,000-25,000 units g-1 Type II from Aspergillusniger ), 99%의 순도를 갖는 분석용 시약 염화 루테늄 (ruthenium (Ⅲ) chloride), Triton X-100 wetting agent 및 β-d-(+)-glucose는 Sigma-Aldrich로부터 구입되었다. 초순수 (DI)는 샘플, 버퍼, 및 효소 용액 제조에 사용되었고, 0.1M phosphate buffer solution (PBS)는 KH2PO4 및 K2HPO4의 혼합 용액으로 준비되었다. 준비된 용액의 pH는 7.03였다. 효소 용액은 위에서 언급한 버퍼 용액 내 용해하여 준비하였다.All structural materials for sensor chips and reactants are commercially available. Polyvinyl alcohol (PVA) having a degree of polymerization (DP) of 1,700 and a degree of hydrolysis (DH) of 88%, 96%, and 99.9% was obtained from Kuraray Co. Ltd., Japan. Polyacrylic acid (PAA) having a molecular weight of 250 kDa was obtained from Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Japan. Glucose oxidase (GOD, EC 1.1.3.4, 15,000-25,000 units g- 1 Type II from Aspergillus niger ), 99% purity ruthenium (Ⅲ) chloride, Triton X-100 wetting agent and β-d - (+) - glucose were purchased from Sigma-Aldrich. Samples, buffers, and enzyme solutions were prepared and a 0.1 M phosphate buffer solution (PBS) was prepared as a mixed solution of KH 2 PO 4 and K 2 HPO 4. The pH of the prepared solution was 7.03. And dissolved in a buffer solution.

<실시예 2: PVA 가수분해도 및 PVA/PAA 함량 비율>&Lt; Example 2: PVA hydrolysis degree and PVA / PAA content ratio >

가수분해도를 각각 88%, 92%, 96%, 99.9% 갖는 PVA를 준비한 후에, 이들을 각각 동일한 조건에서 전기 방사하여 직경을 측정하였다.PVA having hydrolysis degrees of 88%, 92%, 96% and 99.9%, respectively, were prepared, and then their diameters were measured by electrospinning them under the same conditions.

도 2는, 서로 다른 가수분해도를 갖는 PVA로 전기방사하여 제조된 나노 섬유의 SEM 사진이다. 도 2a는 가수분해도가 88%인 PVA 나노 섬유, 도 2b는 가수분해도가 92%인 PVA 나노 섬유, 도 2c는 가수분해도가 96%인 PVA 나노 섬유, 도 2d는 가수분해도가 99.9%인 PVA 나노 섬유의 SEM 사진이다. 가수분해도가 88% 인 것이 가장 가느다란 섬유를 형성하는 것을 확인할 수 있다.2 is an SEM photograph of nanofibers prepared by electrospinning with PVA having different degrees of hydrolysis. Fig. 2 (a) shows a PVA nanofiber having a degree of hydrolysis of 88%, Fig. 2 (b) shows a PVA nanofiber with a degree of hydrolysis of 92%, Fig. 2 (c) shows a PVA nanofiber with a degree of hydrolysis of 96% SEM photograph of the fiber. It can be confirmed that the hydrolysis degree of 88% forms the thinnest fiber.

도 3은, 가수분해도에 따른 PVA의 직경을 나타낸 그래프이다. 가수분해도가 88%인 PVA 나노 섬유의 평균 직경은 190nm, 가수분해도가 92%인 PVA 나노 섬유의 평균 직경은 200nm, 가수분해도가 96%인 PVA 나노 섬유의 평균 직경은 220nm, 가수분해도가 99.9%인 PVA 나노 섬유의 평균 직경은 470nm 였다.3 is a graph showing the diameter of the PVA according to the degree of hydrolysis. PVA nanofibers having an average diameter of 190 nm and an average degree of hydrolysis of 92% were found to have an average diameter of 200 nm and a degree of hydrolysis of 96%. The PVA nanofibers having an average diameter of 220 nm and a degree of hydrolysis of 99.9% The average diameter of the PVA nanofibers was 470 nm.

PVA/PAA의 함량 비율에 따른 PVA/PAA 복합 나노 섬유의 가수분해 정도를 확인하였다. PVA에 대한 PAA의 몰 비율 (φPAA)이 0.25, 0.5 및 0.75 일 때 전기방사로 복합 나노 섬유를 제조한 후, 각각의 나노 섬유의 내수성 및 가수분해 정도 등을 관찰하였다.The degree of hydrolysis of PVA / PAA composite nanofibers according to the content ratio of PVA / PAA was confirmed. When the molar ratios (PAA) of PAA to PVA were 0.25, 0.5, and 0.75, composite nanofibers were prepared by electrospinning, and the water resistance and degree of hydrolysis of each nanofiber were observed.

도 4는, PVA/PAA의 함량에 따른 복합 나노 섬유의 SEM 사진이다. 도 4의 첫 번째 행(윗줄)의 (a)는 φPAA=0.25 인 경우의 나노 섬유이고, (b)는 φPAA=0.5 인 경우의 나노 섬유이며, (c)는 φPAA=0.75 인 경우의 나노 섬유이다. 도 4의 두 번째 행(아랫줄)의 사진은, 각각의 나노 섬유를 1시간 동안 물에 담근 후 찍은 SEM 사진이다. (a)는 φPAA=0.25 인 경우의 나노 섬유이고, (b)는 φPAA=0.5 인 경우의 나노 섬유이며, (c)는 φPAA=0.75 인 경우의 나노 섬유이다. φPAA=0.5인 경우에 가장 섬유 모폴로지가 완전하게 보존되었으며, 내수성이 좋은 것으로 확인 되었다. 4 is a SEM photograph of the composite nanofiber according to the content of PVA / PAA. (A) in the first row (upper line) of FIG. 4 is a nanofiber in the case of φPAA = 0.25, (b) is a nanofiber in the case of φPAA = 0.5, and (c) to be. A photograph of the second row (bottom line) in Fig. 4 is an SEM photograph taken after immersing each nanofiber in water for 1 hour. (a) is a nanofiber when φPAA = 0.25, (b) is a nanofiber with φPAA = 0.5, and (c) is a nanofiber with φPAA = 0.75. When φPAA = 0.5, the most fiber morphology was completely preserved and the water resistance was confirmed to be good.

<실시예 3: PVA/PAA 교차-결합 나노 섬유의 제조>&Lt; Example 3: Preparation of PVA / PAA cross-linked nanofiber >

PVA/PAA 교차-결합된 나노 섬유를 제조하기 위하여, 우선 PVA를 물에 용해하여 대략 10 중량% 농도의 전기 방사를 위한 용액을 제조한다. PVA 중합체의 용해도를 개선하기 위하여 PVA 용액은 대량 80 ℃로 가열하여 PVA 중합체에 존재할 수 있는 강한 내부 결합을 와해시킨다. 전기방사를 위한 PVA/PAA 용액은 PVA 용액에 PAA 용액을 혼합하여 제조하며, 몰비는 φPAA=0.50 이고, PVA/PAA 용액의 농도는 대략 10 wt%로 조절하였다. PVA/PAA 혼합 용액은 동일한 조건 하에서 회전하는 금속 콜렉터 상에 전기방사된다. PVA/PAA 혼합된 나노 섬유는 160 ℃ 에서 30분 열처리하여, PVA의 -OH기와 PAA의 -COOH기 사이에 에스테르가 형성되어 화학적으로 가교-결합된다.PVA / PAA To prepare cross-linked nanofibers, PVA is first dissolved in water to prepare a solution for electrospinning at a concentration of approximately 10% by weight. In order to improve the solubility of the PVA polymer, the PVA solution is heated to a high temperature of 80 ° C to dissolve the strong internal bonds that may be present in the PVA polymer. The PVA / PAA solution for electrospinning was prepared by mixing PAA solution with PVA solution. The molar ratio of PVA / PAA solution was 0.50 and the concentration of PVA / PAA solution was adjusted to approximately 10 wt%. The PVA / PAA mixed solution is electrospinned on a rotating metal collector under the same conditions. PVA / PAA Mixed nanofibers are thermally treated at 160 ° C for 30 minutes to form an ester between the -OH group of the PVA and the -COOH group of the PAA to chemically cross-link.

도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 나노섬유의 가교결합을 나타낸 것이다.Figure 5 illustrates cross-linking of nanofibers, according to one embodiment of the present invention.

<실시예 4: 글루코스 센서의 제조>&Lt; Example 4: Preparation of glucose sensor >

효소 용액은 PBS의 20mL에 GOD 의 1.4g 와 전기 전달체 염화 루테늄 (ruthenium (Ⅲ) chloride) 600mg이 혼합되어 준비되었다. 효소는 물리적인 흡수 방법을 사용하여 PVA/PAA 상에 고정된다. 제조된 센서는 상온에서 24 시간 동안 건조되었으며, 측정 전 효소 안정화와 숙성을 위하여 대략 1주일 동안 보관되었다. The enzyme solution was prepared by mixing 1.4 g of GOD and 600 mg of ruthenium (Ⅲ) chloride as an electric carrier in 20 mL of PBS. The enzyme is immobilized on the PVA / PAA using a physical absorption method. The sensor was dried at room temperature for 24 hours and stored for about one week for enzyme stabilization and maturation before measurement.

전기화학적 측정은 2개의 전극 시스템으로 구성된 센서 칩으로 평가되었으며, 전기화학적 분석기를 사용하여 수행되었다. 도입된 장치는 사이클릭 볼타미터(cyclic voltammeter), 암페로미터 (amperometer (WonATech Co., Ltd)), 및 WPCIPG software version 1.0가 포함되었다. Jaein Circuit Co., Ltd, Korea 에서 제조된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET)기판 상에 Ni/Cu 전극이 설치되었다. 모든 전기화학적 장치는 상온에서 기준 전극으로 Cu/Ni 및 Cu/Ni/Pt, AgCl, 카본전극를 사용하는 0.1 M 포스파이트 버퍼 용액 (PBS, pH 7.03) 0.25L 함유 셀(cell)에서 수행되었다.The electrochemical measurement was evaluated as a sensor chip composed of two electrode systems and was performed using an electrochemical analyzer. The introduced device included a cyclic voltammeter, amperometer (WonATech Co., Ltd), and WPCIPG software version 1.0. A Ni / Cu electrode was mounted on a polyethylene terephthalate (PET) substrate manufactured by Jaein Circuit Co., Ltd, Korea. All electrochemical devices were performed at 0.25 L in a 0.1 M phosphate buffer solution (PBS, pH 7.03) using Cu / Ni and Cu / Ni / Pt, AgCl and carbon electrodes as reference electrodes at room temperature.

<실시예 5: Cu/Ni 전극>&Lt; Example 5: Cu / Ni electrode >

Cu/Ni 전극은 100㎛ 두께의 PET 기판 상에 20 ㎛ 두께의 구리 필름을 라미네이트하는 열처리를 사용하여 제조되었다. 그런 다음, 자외선 (UV) 광민감성 건조 필름이 라미네이팅 방법으로 부착되었다. 리버스포토마스트 (reverse photo mask)가 UV 노출과 습식 에칭에 의하여 구리 전극 패턴을 형성하는데 사용되었다. 구리 전극은 금속성이고 물로 처리되지 않지만, 공기 중의 산소가 구리 금속 상에 구리 산화물 층을 형성하도록 상온에서 천천히 반응할 것이다. 구리 전극은 이어지는 순차적으로 니켈의 무전해 도금이 이어진다. The Cu / Ni electrode was prepared using a heat treatment to laminate a 20 탆 thick copper film on a 100 탆 thick PET substrate. An ultraviolet (UV) light sensitive dry film was then attached by the laminating method. A reverse photo mask was used to form the copper electrode pattern by UV exposure and wet etching. The copper electrode is metallic and not treated with water, but oxygen in the air will slowly react at room temperature to form a copper oxide layer on the copper metal. The copper electrode is subsequently electroless plated of nickel sequentially.

<실시예 6: 측정 방법>&Lt; Example 6: Measurement method >

SEM 이미지는 5 kV의 가속 전압에서 Hitachi S4800 스캐닝 전자 현미경으로 측정되었다. 샘플들은 Pt로 코팅하였다. 섬유 직경은 이미지 J 소프트웨어를 사용하여 측정되었다. 각각의 샘플에 대하여, 섬유 직경은 50 배로 측정하여 평균을 구하였다. 전기 화학적 실험들은 IM6ex electrochemical workstation (Zahner, Germany) 상에서 3개-전극 시스템으로 수행되었다. 사이크릭 볼타메트릭 측정 (cyclic voltammetric measurements)이 교반되지 않은 전기화학적 셀 내에서 수행되었다. SEM images were measured with a Hitachi S4800 scanning electron microscope at an accelerating voltage of 5 kV. The samples were coated with Pt. Fiber diameters were measured using Image J software. For each sample, the fiber diameter was measured at 50-fold and averaged. Electrochemical experiments were performed on a three-electrode system on an IM6ex electrochemical workstation (Zahner, Germany). Cyclic voltammetric measurements were performed in an unstirred electrochemical cell.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 바이오센서의 산화 및 환원 반응을 나타낸 것이다.6 illustrates oxidation and reduction reactions of a biosensor according to an embodiment of the present invention.

전기화학적 바이오센서를 사용한 전혈 내 글루코스 정량 측정은 혈액의 한 방울이 테스트 스트립의 상면과 측면에 도입될 때 시작한다. 반응에 의하여 생성되는 전자는 전류를 생성한다. 전류는 글루코스 산화가 일어나는 동안에 생성되는 전자에 의하여 발생된다. 전류는 전체-혈액 샘플 내 글루코스 농도를 측정하기 위하여 계량된다. 전체-혈액 내 글루코스 농도를 YSI 2300 (Yellow Springs Instrument Inc., Yellow Springs, OH) 표준혈당측정기를 통하여 확인하였다. YSI 표준혈당분석기는 글루코스 옥시다제를 사용하여 2개의 글루코스 채널로 중복으로(in duplicate) 글루코스 농도를 측정하는데 사용된다. 선형성은 0 내지 1000 mg/dL이다. YSI 분석기는 매 15분 마다 간격으로 또는 5번 측정 이후에 자가-계량한다. 각각의 혈액 샘플의 헤마토크릿 레벨은 마이크로-모세관 원심분리기 (micro-capillary centrifuge (Model MB, International Equipment Company, Needham Heights, MA))로 5분 동안 10,000 rpm으로 샘플을 원심분리하여 측정되었다.Measurement of glucose in whole blood using an electrochemical biosensor begins when a drop of blood is introduced into the top and sides of the test strip. The electrons generated by the reaction generate an electric current. The current is generated by the electrons generated during the course of glucose oxidation. The current is measured to determine the glucose concentration in the whole-blood sample. Whole-blood glucose concentrations were determined on a YSI 2300 (Yellow Springs Instrument Inc., Yellow Springs, OH) standard blood glucose meter. The YSI standard blood glucose analyzer is used to measure the glucose concentration in duplicate with two glucose channels using glucose oxidase. The linearity is 0 to 1000 mg / dL. The YSI analyzer self-meters every 15 minutes or after 5 measurements. The hematocrit level of each blood sample was determined by centrifuging the sample at 10,000 rpm for 5 minutes with a micro-capillary centrifuge (Model MB, International Equipment Company, Needham Heights, Mass.).

<실시예 7: GOD를 포함하는 PVA/PAA 교차-결합된 나노 섬유의 모폴로지>Example 7: Morphology of PVA / PAA cross-linked nanofibers containing GOD.

용해를 방지하기 위하여, PVA/PAA 복합 나노 섬유는 열처리 방법을 사용하여 성공적으로 제조되었다. PVA의 수산화 기와 PAA의 카르복실기 사이의 에스테르 결합 형성을 통한 화학적으로 가교 결합된 네트워크의 형성은 고체 상태에서의 13C-NMR 스펙트럼과 FT-IR의 분석을 통하여 명확하게 증명되었다.In order to prevent dissolution, PVA / PAA composite nanofibers have been successfully prepared using heat treatment methods. The formation of a chemically crosslinked network through the formation of ester bonds between the hydroxyl groups of PVA and the carboxyl groups of PAA has been clearly demonstrated through the analysis of 13 C-NMR spectra in solid state and FT-IR.

두 종류의 샘플 (Cu/Ni 전극 상에 직접적으로 GOD 용액을 디스펜싱한 샘플, 및 전기 방사된 PVA/PAA 나노 섬유 막을 GOD 용액으로 코팅한 샘플)을 제조하여, PVA/PAA 나노 섬유 막의 헤마토크릿 영향을 평가하였다. Two kinds of samples (samples in which the GOD solution was directly dispensed on the Cu / Ni electrode and a sample in which the electrospun PVA / PAA nanofiber film was coated with the GOD solution) were prepared and the hematocrit effect of the PVA / PAA nanofiber membrane .

도 7은 종래의 바이오센서에서 수행되는 글루코스 옥시다제 코팅법을 나타낸 것이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서를 나타낸 것이다. FIG. 7 illustrates a glucose oxidase coating method performed in a conventional biosensor, and FIG. 8 illustrates a biosensor according to an embodiment of the present invention.

도 9는, 종래의 바이오센서 및 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서의 표면을 각각 나타낸 사진이다. 9 is a photograph showing the surface of a conventional biosensor and a biosensor according to an embodiment of the present invention, respectively.

도 9의 (a) 및 (b)는, 종래의 방법에 따라, 글루코스 옥시다제 복합체를 PET 필름에 플라즈마 처리한 경우의 SEM 이미지 사진으로서, GOD가 PET 필름 상에 크고 비-균일한 클러스터로 응집되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 도 9의 (c) 및 (d)는, PVA/PAA 가교-결합된 복합체 나노 섬유를 글루코스 옥시다제 용액에 담그어 코팅한 후, 진공에서 건조된 이후의 SEM 이미지를 나타낸다. 9 (a) and 9 (b) are SEM image photographs of a glucose oxidase complex subjected to plasma treatment on a PET film according to a conventional method, wherein GOD is aggregated into a large, non-uniform cluster on the PET film . 9 (c) and 9 (d), on the other hand, show SEM images after vacuum-drying the PVA / PAA crosslinked-bonded composite nanofibers by coating them in a glucose oxidase solution.

도 9의 (c)를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따라, PVA/PAA 나노 섬유 막을 GOD 균등용액에 담그어 코팅한 경우에는, GOD 가 PVA/PAA 나노 섬유 상에 비교적 균일하게 증착되는 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 섬유 직경은 GOD 용액으로 처리한 이후에 대략 350 ± 40 nm 에서 510 ± 50 nm 로 증가되었으며, GOD는 PVA/PAA 나노 섬유 상에 균일하게 형성되어 있는 것이 관찰되었다. 보다 더 고해상도의 SEM 사진(도 9 (d))에서, PVA/PAA 나노 섬유 상에 형성된 GOD 입자는 구조체 내에서 나노 결정체로서 나노 섬유 표면 상에 비교적 고르게 상당히 증착되어 있는 것을 확인하였다. GOD 입자들은 PVA/PAA 나노 섬유 상에 증착되어, 전체 직경을 대략 100-150 ± 20 nm 증가시켰으며, 응집되지 않고 고르게 PVA/PAA 나노 섬유 상에 성공적으로 고정화 되었다.Referring to FIG. 9C, when the PVA / PAA nanofiber film is immersed in the GOD equivalent solution, the GOD is relatively uniformly deposited on the PVA / PAA nanofibers according to an embodiment of the present invention . In addition, the fiber diameter was increased from approximately 350 ± 40 nm to 510 ± 50 nm after treatment with GOD solution, and GOD was uniformly formed on PVA / PAA nanofibers. 9 (d)), it was confirmed that the GOD particles formed on the PVA / PAA nanofibers were relatively uniformly deposited on the surface of the nanofiber as nanocrystals in the structure. GOD particles were deposited on the PVA / PAA nanofibers, increasing the overall diameter by approximately 100-150 ± 20 nm, and successfully immobilized on the PVA / PAA nanofibers without agglomeration.

<실시예 8: PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유의 전기화학적 능력>&Lt; Example 8: Electrochemical ability of PVA / PAA-GOD coated nanofiber >

PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 구조체의 Cu/Ni에 대한 전기화학적 반응은 사이클릭 볼타메트리 (cyclic voltammetry)를 사용하여 확인하였다. Electrochemical reactions of Cu / Ni of PVA / PAA-GOD coated nanostructures were confirmed by using cyclic voltammetry.

도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 혈액 내 글루코스 농도에 대한 전류 그래프를 나타낸 것이다. 도 10은, Cu/Ni/PET 필름 상의 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 구조체 층의 사이클릭 볼탐 반응이 낮은 전기적 저항도 (0.01 Ω 이하)이며, 이는 균일한 전기적 저항을 갖는 바이오센서 전극을 대량 생산하는 것이 가능하다는 것을 시사한다. 센서의 낮은 전기적 저항도는, 높은 저항도 전극보다 환원 피크가 더 빠르게 발생하기 때문에 이점이 있다. FIG. 10 is a graph of current versus glucose concentration in blood, as measured by a biosensor according to an embodiment of the present invention. Fig. 10 shows that the cyclic bolt reaction of a PVA / PAA-GOD coated nanostructure layer on a Cu / Ni / PET film has a low electrical resistance (0.01 Ω or less), which allows a biosensor electrode having a uniform electrical resistance to be mass- It is possible to produce it. The low electrical resistance of the sensor is advantageous because the reduction peak occurs faster than the high resistance electrode.

PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유 글루코스 바이오센서의 재현도(reproducibility)가 평가되었다. 바이오센서는 암페로미터 방법 (amperometric method)을 사용하여 테스트되었다. The reproducibility of PVA / PAA-GOD coated nanofiber glucose biosensors was evaluated. The biosensor was tested using the amperometric method.

도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 혈액 내 글루코스 농도에 대한 전류 그래프를 나타낸 것으로, 각각의 전혈 글루코스 농도에서 반응 전류의 변화를 보여준다. 도 11을 참고하면, Cu/Ni 전극 상의 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유는, 0.9924의 선형 상관 계수 (R 2)를 갖고 3 이하의 일정한 전류를 나타내었다. 도 11에서 관찰되는 값은, Cu/Ni 전극 글루코스 바이오센서 상에서 1회용 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유를 10번 반복하여 측정되었고, 결과적으로 일회용 Cu/Ni 전극 글루코스 바이오센서는 선형성과 상당한 재현성을 나타내었다. PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유 Cu/Ni 전극에 있어서, 전체 비 선형 오류는 2.15% 였다(coefficient of variation (CV, %) = standard deviation/arithmetic average ㅧ 100). ISO 15197 [ISO 15197 First edition, 2003]에 따르면, 임상적인 적용을 위하여 혈액 글루코스 센서에 허용되는 생산 기준은 비 선형 오류 비율이 7% 이내 이다.FIG. 11 is a graph showing current versus glucose concentration in blood, measured by a biosensor according to an embodiment of the present invention, showing the change in reaction current at each whole blood glucose concentration. Referring to FIG. 11, the PVA / PAA-GOD coated nanofibers on the Cu / Ni electrode had a linear correlation coefficient ( R 2 ) of 0.9924 and a constant current of 3 or less. The values observed in Figure 11 were measured 10 times on disposable PVA / PAA-GOD coated nanofibers on a Cu / Ni electrode glucose biosensor, resulting in a disposable Cu / Ni electrode glucose biosensor with linearity and considerable reproducibility Respectively. For the PVA / PAA-GOD coated nanofiber Cu / Ni electrode, the overall nonlinear error was 2.15% (coefficient of variation (CV,%) = standard deviation / arithmetic average ㅧ 100). According to ISO 15197 [ISO 15197 First edition, 2003], the production standard allowed for blood glucose sensors for clinical applications is within 7% of the nonlinear error rate.

325와 450 mg/dL 글루코스 농도를 갖는 전혈 샘플이 0.1 Vs-1의 스캔 속도로 본 발명의 바이오센서를 사용하여 측정되었다. 볼탐 프로필은 Cu/Ni 산화 및 환원 피크 (라벨된)에 따른 특징적인 수소 흡수/탈착 곡선을 보이며, 이는 Cu/Ni 전극 상에 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유가 존재하는 것을 확인시켜준다. 글루코스는 염화 루테늄의 전기 화학적 변형에 의하여 산화되었다. 염화 루테늄은 산화 조건 하에서 지속적으로 전극에 의하여 재생성되었다. 반응 전류의 크기는 글루코스 농도에 의존한다. 반응 전류는 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유에 혈액 샘플이 주입된 이후에 전체-혈액 글루코스 농도에서 실행되는 CV 결과 (대략 +0.065 V)로부터 얻어졌다. Cu/Ni/PET 필름 상의 PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유는 매우 낮은 전기 저항도를 갖는 바이오센서 전극을 형성하였다. 탄소 전극은 Cu/Ni 전극 (대략 0.01Ω)보다 더 높은 전기 저항도 (대략 80Ω~1kΩ ± 5~10%) 를 갖고, 높은 적용 전압 (대략 0.2 ~ 0.7 V)을 요구하기 때문에, 탄소 전극 상의 효소 반응은 안정 상태 (steady state) 에 도달하기까지 더 긴 반응 시간을 요구한다. 이에 비하여, PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유 Cu/Ni 전극은 3초 이내에 안정 상태에 도달한다. A whole blood sample having a glucose concentration of 325 and 450 mg / dL was measured using the biosensor of the present invention at a scan rate of 0.1 Vs -1 . The bolt profile shows characteristic hydrogen uptake / desorption curves according to the Cu / Ni oxidation and reduction peaks (labeled), confirming the presence of PVA / PAA-GOD coated nanofibers on the Cu / Ni electrode. Glucose was oxidized by electrochemical deformation of ruthenium chloride. The ruthenium chloride was continuously regenerated by the electrodes under oxidizing conditions. The magnitude of the reaction current depends on the glucose concentration. Reaction currents were obtained from a CV result (approximately +0.065 V) performed at total-blood glucose concentration after the blood sample was injected into the PVA / PAA-GOD coated nanofibers. PVA / PAA-GOD coated nanofibers on Cu / Ni / PET films formed biosensor electrodes with very low electrical resistivity. Since the carbon electrode has a higher electrical resistance (approximately 80 Ω to 1 kΩ ± 5 to 10%) than the Cu / Ni electrode (approximately 0.01 Ω) and requires a high applied voltage (approximately 0.2 to 0.7 V) The enzyme reaction requires a longer reaction time to reach a steady state. In contrast, the PVA / PAA-GOD coated nanofiber Cu / Ni electrode reached a steady state within 3 seconds.

<실시예 9: PVA/PAA-GOD 코팅된 나노 섬유의 헤마토크릿 영향>Example 9 Influence of Hematocrit on PVA / PAA-GOD Coated Nanofibers [

매우 민감한 글루코스 바이오센서에 있어서, 사이즈-배제 원리에 기초한 혈장-함유 글루코스의 분리가 효율적이다. 인간 혈액 내에서 적혈구는 6 내지 9 μm 의 직경과 1.8 내지 2.8 μm의 두께를 가지며, 백혈구는 6 내지 10 μm 이상의 직경을 갖는다. 따라서, 약 5 μm의 컷-오프 사이즈를 갖는 구조는 대부분의 백혈구와 적혈구를 막아내는 대신, 혈장 내의 글루코스는 허용할 수 있다. 본 발명의 나노 섬유는 전기 방사의 조건을 제어하여 공극의 크기를 조절할 수 있으므로, 혈구에 영향을 받지 않고 글루코스에 높은 민감도를 갖는다. In highly sensitive glucose biosensors, separation of plasma-containing glucose based on size-exclusion principle is efficient. In human blood, erythrocytes have a diameter of 6 to 9 μm and a thickness of 1.8 to 2.8 μm, and leukocytes have a diameter of 6 to 10 μm or more. Thus, a structure with a cut-off size of about 5 μm can tolerate glucose in plasma, instead of blocking most leukocytes and red blood cells. The nanofibers of the present invention can control the size of voids by controlling the condition of electrospinning, so that they are not affected by blood cells and have high sensitivity to glucose.

헤마토크릿 효과에 대하여, 본 발명의 바이오센서는 헤마토크릿 농도 (35, 42, 50, 60%)에 따른 글루코스 농도 변화 (140, 230 및 309 mg/dL)를 측정하였다. Regarding the hematocrit effect, the biosensor of the present invention measured changes in glucose concentration (140, 230 and 309 mg / dL) according to the hematocrit concentration (35, 42, 50, 60%).

도 12는, 종래의 바이오센서로 측정되는, 헤마토크릿 레벨에 따라 측정되는 글루코스 농도 그래프를 나타낸 것이고, 도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오센서로 측정되는, 헤마토크릿 레벨에 따라 측정되는 글루코스 농도 그래프를 나타낸 것이다. 도 12 및 도 13은, 헤마토크릿의 레벨 35 % 내지 60 %에서, 37.1 mg/dL (2.06 mmol/L) 내지 544.7 mg/dL (30.24 mmol/L) 범위의 글루코스 농도를 측정한 결과 그래프이다.FIG. 12 is a graph showing a glucose concentration measured according to a hematocrit level measured with a conventional biosensor, and FIG. 13 is a graph showing a glucose concentration measured with a biosensor according to an embodiment of the present invention. Fig. 12 and 13 are graphs showing the results of measurement of the glucose concentration in the range of 37.1 mg / dL (2.06 mmol / L) to 544.7 mg / dL (30.24 mmol / L) at the level of hematocrit of 35% to 60%.

도 12를 참고하면, 헤마토크릿 비율이 증가함에 따라, 적혈구와 백혈구가 전극 표면에 부착되기 때문에, 글루코스 바이오센서의 전류는 감소되었다. Cottrell 방적식에 따라, Referring to FIG. 12, as the hematocrit ratio is increased, the current of the glucose biosensor is reduced because erythrocytes and leukocytes are attached to the electrode surface. According to the Cottrell curling ceremony,

I = (nFAD1/2C) / (πt)1/2 I = (nFAD 1/2 C) / (tt) 1/2

(여기에서, I = 전류, n = 반응에서 이동하는 전자의 수 (for Ruthenium chloride, n=1), F = 패러데이 상수 (전자 1몰의 전하량= 96,485 Coulombs/mol), A = 전극 면적(cm2), D = 확산 계수, C = 반응 농도(mol/cm3), t = 시간(seconds)), 효율적인 전극 표면의 환원은 낮은 전류 값을 유도한다. F = Faraday constant (charge of one mole of electrons = 96,485 Coulombs / mol), A = area of electrode (cm) 2 ), D = diffusion coefficient, C = reaction concentration (mol / cm 3 ), t = time (seconds)).

하지만, 도 13을 참고하면, 같은 조건에서 실험된 본 발명의 바이오센서 전류는 헤마토크릿 레벨에 영향을 받지 않기 때문에 글루코스 농도가 오차 범위 5% 이내에서 변화하였다. 섬유에 의하여 적혈구 및 백혈구가 완전하게 차단되었기 때문에 전류가 안정하게 유지되었기 때문이다.However, referring to FIG. 13, since the biosensor current of the present invention tested under the same conditions was not influenced by the hematocrit level, the glucose concentration changed within an error range of 5%. This is because current is stably maintained because red and white blood cells are completely blocked by the fiber.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, if the techniques described are performed in a different order than the described methods, and / or if the described components are combined or combined in other ways than the described methods, or are replaced or substituted by other components or equivalents Appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (13)

복수의 전극들을 포함하는 기판; 및
글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유로 이루어진 헤마토크릿 필터링용 다공성 매트릭스 층;을 포함하고,
상기 다공성 매트릭스 층의 공극 직경은 2.5 내지 5.0 ㎛이고, 두께는 10 내지 30 ㎛인, 글루코스 측정을 위한 바이오센서.
A substrate comprising a plurality of electrodes; And
And a porous matrix layer for hematocrit filtration consisting of nanofibers coated with glucose oxidase,
Wherein the porous matrix layer has a pore diameter of 2.5 to 5.0 占 퐉 and a thickness of 10 to 30 占 퐉.
제1항에 있어서,
상기 나노 섬유는 PVA(polyvinylalcohol)/PAA(polyacrylamide)로 이루어진 것이고,
상기 PVA(polyvinylalcohol) 및 PAA(polyacrylamide)의 몰 비는 2:3 내지 3:2인 것인, 바이오센서.
The method according to claim 1,
The nanofiber is made of PVA (polyvinylalcohol) / PAA (polyacrylamide)
Wherein the molar ratio of the polyvinyl alcohol (PVA) to the polyacrylamide (PAA) is from 2: 3 to 3: 2.
제1항에 있어서,
상기 글루코스 옥시다제가 코팅된 나노 섬유의 직경은 400 내지 600 nm인, 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the diameter of the nanofiber coated with glucose oxidase is 400 to 600 nm.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 바이오센서는, 35% 내지 60%의 헤마토크릿의 레벨의 환경에서 측정한 글루코스 농도가 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정되는 것인, 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the biosensor is such that the glucose concentration measured in an environment of a hematocrit level of 35% to 60% is constantly measured within an error range of 5%.
제6항에 있어서,
상기 바이오센서에서 오차범위 5% 이내에서 일정하게 측정되는 글루코스 농도는, 37.1 mg/dL 내지 544.7 mg/dL인, 바이오센서.
The method according to claim 6,
Wherein a glucose concentration measured constantly within an error range of 5% in the biosensor is 37.1 mg / dL to 544.7 mg / dL.
제1항에 있어서,
상기 바이오센서는, 상기 다공성 매트릭스에 시료가 투입된 시점으로부터 1 내지 3초에 글루코스 농도가 측정되는 것인, 바이오센서.
The method according to claim 1,
Wherein the biosensor is configured such that the glucose concentration is measured in 1 to 3 seconds after the sample is introduced into the porous matrix.
복수의 전극들을 포함하는 기판을 준비하는 단계;
친수성 고분자 용액을 준비하는 단계;
상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하여, 나노 섬유로 이루어진 헤마토크릿 필터링용 다공성 매트릭스를 제조하는 단계;
상기 다공성 매트릭스를 60 내지 200℃의 온도에서, 10 내지 120분 동안 열처리하는 단계; 및
상기 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 다공성 매트릭스 층의 공극 직경은 2.5 내지 5.0㎛이고, 두께는 10 내지 30㎛인, 글루코스 측정을 위한 바이오센서 제조방법.
Preparing a substrate comprising a plurality of electrodes;
Preparing a hydrophilic polymer solution;
Preparing a porous matrix for filtering hematocrit comprising nanofibers by electrospinning the hydrophilic polymer solution on the substrate;
Heat treating the porous matrix at a temperature of 60 to 200 DEG C for 10 to 120 minutes; And
And coating the porous matrix with glucose oxidase,
Wherein the porous matrix layer has a pore diameter of 2.5 to 5.0 占 퐉 and a thickness of 10 to 30 占 퐉.
제9항에 있어서,
상기 친수성 고분자는, PVA(polyvinylalcohol) 및 PAA(polyacrylamide)이고,
상기 PVA(polyvinylalcohol) 및 PAA(polyacrylamide)의 몰 비는 2:3 내지 3:2인 것인, 바이오센서 제조방법.
10. The method of claim 9,
The hydrophilic polymer is PVA (polyvinylalcohol) and PAA (polyacrylamide)
Wherein the molar ratio of PVA (polyvinylalcohol) to PAA (polyacrylamide) is 2: 3 to 3: 2.
제9항에 있어서,
상기 친수성 고분자 용액을 상기 기판 상에 전기 방사하는 단계는,
상기 친수성 고분자 용액의 농도가, 8 내지 20 wt% 이고,
상기 전기 방사의 전압이 1 내지 80kV이고,
방사속도는 5 내지 30 ml/hr 이고, 및
방사 거리가 10 내지 30 cm 인, 바이오센서 제조방법.
10. The method of claim 9,
The step of electrospinning the hydrophilic polymer solution on the substrate comprises:
Wherein the concentration of the hydrophilic polymer solution is 8 to 20 wt%
Wherein the voltage of the electrospinning is 1 to 80 kV,
The spinning speed is 5 to 30 ml / hr, and
And a radiation distance is 10 to 30 cm.
제9항에 있어서,
상기 나노 섬유로 이루어진 다공성 매트릭스를 글루코스 옥시다제로 코팅하는 단계는,
스크린포충법, 거품함침법, 스프레이법, 또는 디스펜싱법을 사용하여 수행되는 것인, 바이오센서 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein coating the porous matrix of nanofibers with glucose oxidase comprises:
Screen inserting method, foam impregnation method, spray method, or dispensing method.
삭제delete
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