[논문]용존 산소 측정용 초소형 Clark-type 센서에 대한 연구

박정일; 장종현; 최명기; 이동영; 김영미; 박정호

용존 산소 측정용 초소형 Clark-type 센서에 대한 연구
A Study on the Microfabricated Clark-type Sensor for Measuring Dissolved Oxygen 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.56 no.8, 2007년, pp.1450 - 1454

박정일 (고려대 공대 대학원 전기공학과) , 장종현 (고려대 공대 대학원 전기공학과) , 최명기 (고려대 공대 대학원 전기공학과) , 이동영 (울산대 의대 아산생명과학연구소) , 김영미 (울산대 의대 아산생명과학연구소) , 박정호 (고려대 공대 전기전자전파공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a microfabricated Clark-type sensor which exactly can measure dissolved oxygen in the cell containing solution. We designed, fabricated, and characterized a microfabircated Clark-type oxygen sensor for measuring dissolved oxygen. The microfabricated oxygen sensor consists of 3-electrodes on a glass substrate, a FEP (Fluorinated ethylene propylene) oxygen-permeable membrane, and PDMS (Polydimethylsiloxane) reservoir for storing sample solution. Thin-film Ag/AgCl was employed as a reference electrode and its durability was verified by obtaining a stable open circuit potential for 2 hours against a commercial Ag/AgCl electrode and a stable cyclic voltammetry curve. Selectivity, response time, and linearity of the fabricated oxygen sensor were also verified well by cyclic voltammetry and amperometry depending. The fabricated oxygen sensor showed a 90% response time of 40sec and an excellent linearity with a correlation coefficient of 0.994.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 세포의 산소 호홉량을 측정하기 위한 용존산소 측정용 초소형 Clark-type 센서 설계 및 제작하고 그특성을 분석하였다. 제안한 Clark-type 센서의 전극 기판은반도체 공정과 MEMS 기술을 이용하여 쉽게 제작할 수 있었고, 세포 용액을 담을 수 있는 reservoir는 생체 적합한 PDMS을 이용하여 mold 기법으로 제작하였다.
본 연구에서는 미량의 세포를 포함한 용액 내에서 세포의 호흡에 의한 산소소모량을 측정하여 세포의 활성도를 측정할 수 있는 초소형 Clark-type 센서를 제작하였다. 기준 전극으로 사용될 박막형 Ag/AgCl 전극을 제작하고 그 내구성을 평가하였고, 이를 Clark-type 센서에 집적화하였다.

제안 방법

다음으로 전극선 절연 및 100pm 두께의 내부 전해질 챔버를 구성하기 위해 SU-8 2100 photoresist를 스핀코팅한 후 패터닝하였다. Ag 전극에 Ag/AgCl을 형성하기 하기 위해 potentiostat (PC₄/750, Gamry Instruments)을 이용하였고 0.1M KC₁/ Tris-HCl 용액 내에서 정전류 30nA을 10시간 동안 인가하여 chlorination함으로써 Ag 표면에 AgCl이 형성되도록 하였다 [, 13] 산소를 선택적으로 투과시키는 멤브레인으로 FEP (Fluorinated Ethylene Propylene, Strathkelvin Instruments) 을 사용하였고 이를 작업 전극 위에 형성된 마이크로채널 위에 두어 PDMS reservoir의 측정 용액과 SU-8 chamber의내부 전해질에 접촉되도록 하였다. 생체 적합한 PDMS reservoir 는 base PDMS와 curing agent를 10 : L의 질량비로 혼합한후 Teflon으로 제작한 mold에 부어, 75℃ 오븐에서 25분간굳혀 제작하였다.
있는 초소형 Clark-type 센서를 제작하였다. 기준 전극으로 사용될 박막형 Ag/AgCl 전극을 제작하고 그 내구성을 평가하였고, 이를 Clark-type 센서에 집적화하였다. 제작한 Clark-type 센서를 이용하여 산소 유무에 따른 C~V (Cyclic Voltammetry) 그래프와 센서의 반응 시간, 산소 농도에 따른 전류 값 변화를 측정하고 이를 평가 및 분석하였다.
작업 전극과 상대 전극으로는 Au를, 기준 전극으로는 Ag/AgCl을 사용하였다. 내부 전해질 챔버 구성 및 전극선 절연을 위한 두 번째 층은 SU-8 2100 (MicroChem Corp.) photoresist로 패터닝하였다. 이때 산소를 선택적으로 투과하는 멤브레인과 작업 전극 사이에 블록을 두어 멤브레인이 처지는 것을 방지하고 두 영역으로 구분된 내부 전해질 챔버간 전해질 이동이 가능한마이크로채널이 형성되도록 하였다.
이후 같은 방법으로 기준 전극으로 사용할 Ti/Ag를 500A/2500A 두께로 증착한 후 패터닝하였다. 다음으로 전극선 절연 및 100pm 두께의 내부 전해질 챔버를 구성하기 위해 SU-8 2100 photoresist를 스핀코팅한 후 패터닝하였다. Ag 전극에 Ag/AgCl을 형성하기 하기 위해 potentiostat (PC₄/750, Gamry Instruments)을 이용하였고 0.
8V에서 2시간 동안 Clark-type 센서의 재현성을 측정한 그래프이다. 산소 포화 상태에서 5분 동안 측정 후, 용존 산소가 없는 Na2SO₃ 용액을 첨가하여 전류를 실시간으로 측정하였다. 무 산소 상태에서도 5분 동안 측정 후, 2 ~ 3 초 내로 Na2SO₃ 용액을 제거하여 산소 포화 상태로 바꾸어주었다.
Clark-type 산소센서 전극 기판의 내부 전해질 챔버(두꺼]: 100㎛)는 SU-8 2100^- 이용하여 구성하였다. 안정적인 전위 측정을 위해 Ag/AgCl 기준 전극을 제작하고 Clark-type 센서에 집적화하여 그 특성을 평가하였다. 그 결과, -0.
유리 기판에 작업 전극 및 상대 전극으로 사용하기 위해 e-beam/therma] evaporator로 Ti/Au를 500A/2500A 두께로 증착하고 mask aligner(MJB3, Karl Suss)를 이용하여 패터닝하였다. 이후 같은 방법으로 기준 전극으로 사용할 Ti/Ag를 500A/2500A 두께로 증착한 후 패터닝하였다.
) photoresist로 패터닝하였다. 이때 산소를 선택적으로 투과하는 멤브레인과 작업 전극 사이에 블록을 두어 멤브레인이 처지는 것을 방지하고 두 영역으로 구분된 내부 전해질 챔버간 전해질 이동이 가능한마이크로채널이 형성되도록 하였다. 측정 용액을 담는 reservoir로 이용되는 세 번째 층은 Teflon mold를 이용하여 PDMS (Polydimethylsiloxane, Sylgard 184)로 제작하였다.
유리 기판에 작업 전극 및 상대 전극으로 사용하기 위해 e-beam/therma] evaporator로 Ti/Au를 500A/2500A 두께로 증착하고 mask aligner(MJB3, Karl Suss)를 이용하여 패터닝하였다. 이후 같은 방법으로 기준 전극으로 사용할 Ti/Ag를 500A/2500A 두께로 증착한 후 패터닝하였다. 다음으로 전극선 절연 및 100pm 두께의 내부 전해질 챔버를 구성하기 위해 SU-8 2100 photoresist를 스핀코팅한 후 패터닝하였다.
미친다. 전류의 흐름이 없는 셀에서 상용 Ag/AgCl 전극 (RE-5B, Bioanalytical Systems Inc.)과 제작한 기준 전극(PDMS) 사이에서의 OCP (Open Circuit Potential)를 0.1M KC₁ 용액에서 측정하여 제작한 기준 전극의 내구성을 평가하였다[13,14], 그림 4(a)는 상용 Ag/AgCl 전극과 제작한 기준 전극 사이의 OCP 측정 결과로, 2시간 동안 약 68mV에서 거의 변화 없이 안정된 결과를 보인다. 세포의 산소호흡량을 측정하기 위한 Clark-type 센서의 측정 시간은 1시간 내외인 반면에 2 시간 이상 안정적인 전위를 유지하므로 Ag/AgCl의 내구성이 좋다고 판단할 수 있다.
전류의 흐름이 있는 셀에서 제작한 기준 전극 Ag/AgCl을평가하였다. 평가 방법은 작업 전극으로 Au를, 상대 전극으로 Pt wire를, 기준 전극으로 제작한 Ag/AgCl을 사용하여 10mM K3Fe(CN)6-3M KC₁ 에서 -0.
분석하였다. 제안한 Clark-type 센서의 전극 기판은반도체 공정과 MEMS 기술을 이용하여 쉽게 제작할 수 있었고, 세포 용액을 담을 수 있는 reservoir는 생체 적합한 PDMS을 이용하여 mold 기법으로 제작하였다. Clark-type 산소센서 전극 기판의 내부 전해질 챔버(두꺼]: 100㎛)는 SU-8 2100^- 이용하여 구성하였다.
제작된 Clark-type 센서의 내부 챔버에 0.1M KC₁ 을 채우고 reservoir가 산소 포화 상태 일 때 (full-oxygen state; air-filled reservoir)와 무 산소 상태 일 때 (zero-oxygen state; 0.1M NazSQj)의 C-V를 측정하였다(그림 5). 0 ~ -1.
기준 전극으로 사용될 박막형 Ag/AgCl 전극을 제작하고 그 내구성을 평가하였고, 이를 Clark-type 센서에 집적화하였다. 제작한 Clark-type 센서를 이용하여 산소 유무에 따른 C~V (Cyclic Voltammetry) 그래프와 센서의 반응 시간, 산소 농도에 따른 전류 값 변화를 측정하고 이를 평가 및 분석하였다.
평가 방법은 작업 전극으로 Au를, 상대 전극으로 Pt wire를, 기준 전극으로 제작한 Ag/AgCl을 사용하여 10mM K3Fe(CN)6-3M KC₁ 에서 -0.5 ~ 0.7 V 범위의 전압을 100mV/s의 속도로 10 cycles의 C-V를 측정하였다. 그 결과그림 4(b)와 같이 10 cycles 동안 전류의 흔들림 현상이나 뜀현상 없이 이상적인 가역반응을 얻었다.

대상 데이터

생체 적합한 PDMS reservoir 는 base PDMS와 curing agent를 10 : L의 질량비로 혼합한후 Teflon으로 제작한 mold에 부어, 75℃ 오븐에서 25분간굳혀 제작하였다. 실리콘 접착제 (3145 Silicone adhesive, Dow ComingX 이용하여 이를 전극이 패터닝된 기판과 접합하였다. 그림 3은 제작된 Clark-type 센서를 보여준다.
2cm X 2cm의 크기의 유리 기판 (Pyrex glass 7740)을 기판으로 하고, 그 위에 작업 전극, 상대 전극, 기준 전극이 구성된 형태이다. 작업 전극과 상대 전극으로는 Au를, 기준 전극으로는 Ag/AgCl을 사용하였다. 내부 전해질 챔버 구성 및 전극선 절연을 위한 두 번째 층은 SU-8 2100 (MicroChem Corp.
3개의 층으로 구분된다. 전압 인가 및 측정을 위한 첫번째 층은 1.2cm X 2cm의 크기의 유리 기판 (Pyrex glass 7740)을 기판으로 하고, 그 위에 작업 전극, 상대 전극, 기준 전극이 구성된 형태이다. 작업 전극과 상대 전극으로는 Au를, 기준 전극으로는 Ag/AgCl을 사용하였다.

성능/효과

안정적인 전위 측정을 위해 Ag/AgCl 기준 전극을 제작하고 Clark-type 센서에 집적화하여 그 특성을 평가하였다. 그 결과, -0.8V에서 산소 유무에 따른 환원 전류는 50배에 이르고, 2시간 동안 좋은 재현성을 보였고, 센서의 90% 반응 시간도 40초로 나타났으며 또한선형 상관계수 0.994로 우수한 선형성을 나타내었다. 또한 안정도, lifetime 등 여러가지 특성 분석이 추가된다면 Clark- type 센서는 단일 세포 혹은 아주 적은 양의 세포 배양액에서 세포의 활성도를 측정할 수 있는 바이오센서로 이용될 수있을 것으로 기대된다.
8V에서 최대 환원 전류값을 보여주고 이때 전류값은 124nA이다. 산소가 없을 때, -0.8V에서 전류값 2.5nA로, 산소 유무에 따른 환원전류는 약 50배로 나타나 용존 산소측정 센서로 사용할 수 있음을 확인하였다.
무 산소 상태에서도 5분 동안 측정 후, 2 ~ 3 초 내로 Na2SO₃ 용액을 제거하여 산소 포화 상태로 바꾸어주었다. 포화상태에서 2시간 동안 측정된 환원전류의 평균값과 표준편차는 97.03nA와 L37nA이고, 무 산소 상태에서 측정된 환원전류의 평균값과 표준편차는 3.25nA와 0.26nA로 관찰되었다. 비록 각 상태에서 환원전류는 미비하게 변하지만, 각 상태에서 측정된 전류의 차가 크고 2시간 동안 그 차이를 유지하며 각 상태에서의 표준편차가 작으므로 재현성이 판단할 수 있다.

후속연구

994로 우수한 선형성을 나타내었다. 또한 안정도, lifetime 등 여러가지 특성 분석이 추가된다면 Clark- type 센서는 단일 세포 혹은 아주 적은 양의 세포 배양액에서 세포의 활성도를 측정할 수 있는 바이오센서로 이용될 수있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (17)

L. C. Clark, 'Electrochemical device for chemical analysis,' US patent 2,913,386, 1956
H. K. Lee, Y. M. Cho, Y. Y. Lee, and Y. K. Pak, 'Mitochondria-based model for fetal origin of adult disease and insulin resistance,' Ann. N. Y. Acad. Sci., vol. 1042, pp. 1 - 18, 2005

상세보기
B. B. Lowell and G. I. Schulman, 'Mitochondrial dysfunction and type 2 diabetes,' Science, vol. 307, pp. 384-387, 2005

상세보기
H. Suzuki, A. Sugama, and N. Kojima, 'Micromachined Clark oxygen electrode,' Sensors and Actuators B, vol. 10, pp. 91-98, 1993

상세보기
W. Glasspool and J. Atkinson, 'A screen-printed amperometric dissolved oxygen sensor utilising an immobilised electrolyte gel and membrane,' Sensros and Actuators B, vol. 48, pp. 308-317, 1998

상세보기
H. Suzuki, T. Hirakawa, S. Sasaki, and I. Karube, 'An integrated module for sensing $pO_2$ , $pCO_2$ , and pH,' Analytica Chimica Acta, vol. 405, pp. 57-65, 2000

상세보기
M. Wittkampf, G.-C. Chemnitius, K. Cammann, M. Rospert, and W. Mokwa, 'Silicon thin film sensor for measurement of dissolved oxygen,' Sensors and Actuators B, vol. 43, pp. 40-44, 1997

상세보기
C.-C. Wu, T. Yasukawa, H. Shiku, and T. Matsue, 'Fabrication of miniature Clark oxygen sensor integrated with microstructure,' Sensors and Actuators B, vol. 110, pp. 342-349, 2005

상세보기
W. Wang, H. Suzuki, K. Hayashi, T. Kaneko, and K. Sunagawa, 'Microfabricated needle-type sensors for $pO_2$ , $pCO_2$ , and pH,' IEEE Sensors Journal, vol. 6, pp. 11-18, 2006

상세보기
S. Kojima, M. oughran, and H. Suzuki, 'Microanalysis system for $pO_2$ , $pCO_2$ , and pH constructed with stacked modules,' IEEE Sensors Journal, vol. 5, pp. 1120-1126, 2005

상세보기
G. W. McLaughlin, K. Braden, B. Franc, G. T. A. Kovacs, 'Microfabricated solid-state dissolved oxygen sensor,' Sensors and Actuators B, vol. 83, pp. 138-148, 2002

상세보기
T.-J. Kim, T.-H. Jurng, D.-H. Chung, and S.-I Hong, 'Simultaneous determination of oxygen transport characteristics of six membranes by hexagonal dissolved oxygen sensor systems,' Sensors and Actuators B, vol. 72, pp. 11-20, 2001

상세보기
H. Suzuki, H. Ozawa, S. Sasaki, and I. Karube, 'A novel thin -film Ag/AgCI anode structure for microfabricated Clark-type oxygen electrode,' Sensors and Actuators B, vol. 53, pp. 140-146, 1998

상세보기
H. Suzuki, A. Hiratsuka, S. Sasaki, and I. Karube, 'Problems associated with the thin-film Ag/AgCl reference electrode and a novel structure with improved durability,' Sensors and Actuators B, vol. 46, pp. 104-113, 1998

상세보기
X. Sun and M. Wang, 'Fabrication and characterization of planar reference electrode for on-chip electroanalysis,' Electrochimica Acta, vol. 52, pp. 427-433, 2006

상세보기
J.-H. Lee and T.-J. Kim, 'A study on oxygen permeability of polypropylene membranes and their temperature dependency using medical oxygen sensor,' Korean Journal Biotechnology and Bioengineering, vol. 19, pp. 62-64, 2004
H. Suzuki, T. Hirakawa, I. Watanabe, and Y. Kikuchi, 'Determination of blood $pO_2$ using a micromachined Clark-type oxygen electrode,' Analytica Chimica Acta, vol. 431, pp. 249-259, 2001

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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