초록 ▼

1967년 Uqdike와 Hicks등이 전극형 효소센서에 관한 연구를 수행함으로써 생체관련 물질을 센서의 수용체(Receptor) 부분으로 이용한 센서 개발이 시작되었다. 그 후 1970년대 초까지를 바이오센서 제 1세대라고 하면, 여러 가지 생체 기능 물질을 소자화한 1970년대 말을 제 2세대라 할 수 있다. 그리고 전계효과 트렌지스터(Field Effect Transistor)와 포토다이오드(Photodiode)등 새로운 재료나 기기를 이용한 1980년 중반까지를 제 3세대라 한다. 1980년대 중반부터 각종 생체분자의 고정화

1967년 Uqdike와 Hicks등이 전극형 효소센서에 관한 연구를 수행함으로써 생체관련 물질을 센서의 수용체(Receptor) 부분으로 이용한 센서 개발이 시작되었다. 그 후 1970년대 초까지를 바이오센서 제 1세대라고 하면, 여러 가지 생체 기능 물질을 소자화한 1970년대 말을 제 2세대라 할 수 있다. 그리고 전계효과 트렌지스터(Field Effect Transistor)와 포토다이오드(Photodiode)등 새로운 재료나 기기를 이용한 1980년 중반까지를 제 3세대라 한다. 1980년대 중반부터 각종 생체분자의 고정화 기술이 발달하여 분자전기장치에 효소를 고정화하여 감도를 더욱 좋게 개선한다던가, 소형화하기 위한 연구는 제 4세대라 할 만큼 생물센서의 발전 속도는 매우 빠르게 진행되고 있다.
효소전극은 효소의 기질 특이성과 전기화학적 측정법의 간편함으로 지난 30여년 동안 활발한 연구가 이루어져오고 있다. 특히, 제약 산업에 있어서 수천 혹은 수만 가지 화합물들 중에서 생물학적으로 의미 있는 물질을 찾아내는 고속 탐색 기술 분야에서 매우 중요한 기술로 자리매김하고 있고, 생체의 상태를 진단하고 치료하기 위한 분석도구로 활용되고 있다. 이와 같은 효소센서 중 포도당과 젖산센서는 임상의학, 발효공정 및 식품산업 등의 광범위한 분야에서 중요하게 다루어지고 있다. 생체 내의 주요 대사물질인 포도당의 분석은 당뇨병과 같은 질병의 진단 및 치료에 필수적이다. 한편, 무산소성 해당과정의 최종 산물인 젖산은 무산소 운동시 산소부족으로 생기는 피로물질로서 근육, 내장, 적혈구, 뇌 및 피부 등에서 생산되어 신체활동의 피로정도를 모니터링 하는데 중요한 지표가 된다. 이와 같이 대사물질을 빠른 시간 내에 분석하기 위해 전기화학센서, 광학센서 등 각종 센서가 연구되어 사용되고 있다. 기존 전극 생물센서는 전극의 환원으로 인하여 재사용이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 맴브레인에 효소 고정화하는 측면에서 효소의 활성을 유지시키기 어렵다. 또한, 전자기장의 영향을 받을 수 있어 사용이 제한적이다. 그러나 효소, 항체 또는 세포등과 같은 생물학적 인식요소 (biorecognition element)를 광섬유에 고정화하여 물질을 분석하는 광섬유 생물센서는 선택성과 특이성이 높고, 분석물질을 신속하게 실시간으로 분석할 수 있으며, 생체 내 물질을 분석할 수 있는 장점을 가지고 있다. 일반적으로 광섬유 생물센서의 경우에는 형광검출을 주로 이용함으로써 극미량의 시료를 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 감도 또한 매우 높아 생체 시료를 분석하기에 매우 적합하다. 따라서, 최근에는 전기화학식 생물센서를 대체하기 위한 광학 생물센서의 연구 및 제품개발이 매우 활발히 이루어지고 있다.

목차 Contents

• 중소기업기술개발 지원사업 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 2
• 제출문 ... 5
• 요약서(초록) ... 6
• 제 1 장 개발기술의 개요 ... 7
• 제 1 절 대상기술의 개요 ... 7
• 1. 광학 센서 ... 7
• 2. 생물 센서 ... 8
• 가. 전극형 생물센서 ... 9
• 나. 광섬유 생물센서 ... 10
• 다. 졸-겔 법 ... 12
• 3. 혈액 분석 ... 14
• 4. 개발 필요성 ... 14
• 가. 국내현황 및 문제점, 전망 ... 15
• 나. 기술개발의 필요성 ... 16
• 다. 인구의 노령화 ... 16
• 라. 광학기반의 진단용 센서의 발전가능성 ... 17
• 제 2 장 개발목표 및 개발내용 ... 17
• 제 1 절 기술개발 목표 ... 17
• 1. 최종 목표 ... 18
• 2. 주요 기술개발 내용 ... 18
• 3. 세부 기술개발 내용 ... 18
• 가. 질병 진단을 위한 혈액중 포도당, 젓산, 글루탐산, 콜린 및 pH 분석용 광섬유 센서 ... 18
• 나. 광섬유센서를 이용한 혈액 분석원리 ... 19
• 제 2 절 세부 개발내용 및 방법 ... 23
• 1. 재료 및 방법 ... 23
• 가. 시약 및 재료 ... 23
• 나. 산소검출용 형광염료의 합성 ... 23
• 다. 졸-겔의 제조 ... 42
• 라. 광섬유 포도당센서 ... 42
• 마. 광섬유 젖산센서 ... 44
• 바. 광섬유 글루탐산센서 ... 45
• 사. 광섬유 콜린센서 ... 46
• 아. 광섬유 pH센서의 구성 및 제조 ... 47
• 자. 시스템 구상 ... 47
• 2. 혈액 분석용 광섬유센서 ... 48
• 가. 고정화 방법에 따른 산화효소의 특징 ... 48
• 나. 산화효소의 반응속도 상수(enzyme kinetic parameters) ... 48
• 다. 광섬유센서의 안정성 ... 49
• 3. 결과 및 고찰 ... 50
• 가. 효소의 고정화 방법에 따른 특성 ... 50
• 나. 효소의 고정화 조건에 따른 특성 ... 52
• 다. 효소 고정화 막의 표면 조사 ... 57
• 라. 혈액 분석용 광섬유센서의 저장 안정성 ... 59
• 마. 혈액 분석용 광섬유센서의 조작 안정성 ... 62
• 바. 고정화 효소의 pH 영향성 ... 62
• 사. 온도 영향성 ... 65
• 아. 시뮬레이션에 의한 포도당 및 젖산의 모니터링 ... 68
• 자. 광학검출을 위한 전자회로 개발 ... 71
• 차. 생화학분석기를 이용한 비교시험 ... 74
• 카. 광섬유 pH센서 ... 79
• 타. 시험성적서 ... 95
• 제 3 장 성과요약 및 기대효과 ... 102
• 제 1 절 성과요약 ... 102
• 제 2 절 핵심기술 ... 102
• 제 3 절 기대효과 ... 102
• 제 4 절 제품화, 양산-마케팅 전략 및 계획 ... 103
• 1. 제품 양산계획 ... 103
• 2. 판로확보 및 마케팅 계획 ... 103
• 3. 사업화 계획 ... 104
• 부록 제작도면:혈액검사기 A Type ... 105