Development of Portable Electrochemical Sensors

Abstract

As the importance of point of care increases, many studies have been conducted on portable and wearable sensors. This dissertation introduces several strategies for the development of portable sensors. First, RED technology was used to miniaturize the power source that supplies voltage to the sensor. Miniaturized RED was designed for the voltage stability and convenience. Then, it was applied to a BPE sensor to implement a portable sensor. Second, an electrochromic glucose sensor was developed by designing a polyaniline based colorimetric readout system. Consequently, unlike conventional amperometric sensors, the glucose concentration could be measured in color signals without an extra current measurement. Lastly, nanoporous ITO was introduced to the BPE to enhance electrochemiluminescence signals, which are commonly used. As a result, sensitivity was improved according to the thickness of the porous layer. Through these studies, the development of portable sensors could be achieved as power sources and readout elements which are essential elements of electrochemical sensors were miniaturized and the signal intensities were highly improved.

전기화학센서는 민감도, 신속성, 저비용, 현장 측정 적합성 등의 장점 때문에 다양한 산업에 광범위하게 적용되고 있다. 대사물, 핵산, 단백질, 이온 등 다양한 유형의 분석물질이 분석되어왔다. 첫째, 대표적인 전기화학 센서인 전류센서는 일정한 전위 하에서 전극에서 반응물이 산화되거나 환원될 때 나타나는 전류의 크기가 농도에 비례한다는 사실을 이용하여 분석물질 농도를 측정한다. 예를 들어, 과산화수소는 포도당과 젖산과 같은 대사물의 효소 반응으로부터 생성되며, 바이오센서 및 면역센서에 일반적으로 사용된다. 둘째, 또 다른 대표적인 전기화학센서인 전압센서는 이온선택성을 갖는 막에서 발생하는 전압신호로 이온농도를 분석하는 데 주로 사용된다. 이온 농도와 발생 전압은 네른스티안 기울기(59mV/decade)를 따른다. 최근에는 고체 접촉 이온선택성 전극과 소형화 이온 선택성 전극이 광범위한 관심을 받고 있다. 이외에도 전기화학 센서에는 전기화학적 임피던스 센서 및 전도성 센서와 같은 분석 방법도 있다. Point of care(POC)에 대한 개념이 1980년대 초에 처음 도입된 이후, POC에 대한 많은 연구가 수행되었다. 이는 시간과 장소에 상관없이 사람들이 자신의 건강 상태를 빠르게 확인할 수 있도록 하는 것이다. 이 개념을 구현하기 위해서는 휴대성이 뛰어난 센서의 개발이 필수적이다. 또한 사용이 편리해야 하며 신속하게 결과를 얻을 수 있어야 한다. 이에 최근 전기화학 센서 분야에서는 검출 시간이 짧은 휴대용 센서를 개발하는 연구가 많이 보고되고 있다. 휴대용 센서의 재료를 개발하거나, 자체 동력 시스템 개발 및 신호 전송 시스템에 대한 연구가 이루어져왔다. 먼저 종이, 고분자, 섬유 등 휴대용 소재를 이용한 전기화학 센서가 개발되었다. 종이는 가볍고 친환경적이며, 저비용 센서 플랫폼을 위한 재료로 널리 개발되어 왔다. 환경 및 질병의 현장 진단과 관련하여 기존의 전기화학 센서의 대안으로 종이 기반 전극 개발에 대한 연구가 보고되었다. 마이크로 유체 분석 장치(μPAD) 와 같은 적은 양의 샘플로 분석할 수 있는 연구가 보고되었다. 고분자도 웨어러블 기기와의 접목 가능성이 제기돼 관심을 받고 있다. 폴리이미드, 폴리카보네이트, 및 폴리디메틸실록세인 등이 센서의 구조체로 활용되었다. 종이와 고분자 외에도 섬유와 직물과 같은 소재 또한 휴대용 장치를 만드는 데 사용되어 왔으며, 문신, 렌즈, 패치 등의 웨어러블 센서가 보고되었다. 그러나 이러한 시스템에서는 더 가벼운 물질로 소재를 바꾸기는 했지만 대부분 여전히 외부 전원이나 검출기를 연결해서 사용해오고 있다. 둘째, 자체 동력 시스템인 압전 나노 발전기술은 2006년에 처음 제안된 동작 에너지를 전기로 변환하는 기술이다. 산화아연 나노 와이어는 외부 자극에 반응하고 전압을 발생시키기 위해 사용되었다. 또한 서로 다른 두 물질 사이의 기계적 압축으로 전기를 발생시키는 TENG(Triboelectric Nan Generator)이 개발되었다. 최근에는 몸의 움직임을 인식하고 VR 제어가 가능하다는 것이 보고되었다. 한편, 바이오 연료 셀 시스템을 이용하여 생물학적 유체로부터의 에너지 생산 시스템이 연구되고 있다. 웨어러블 땀 센서가 배터리 없이 BFC에 의해 구동되는 시스템으로 소개되었다. 최근에는 센서의 신호를 분석하는 검출기를 센서에서 분리해 휴대성을 높이는 무선 전송에 대한 연구도 진행되고 있다. 이 시스템은 건강 상태를 지속적으로 모니터링해야 하는 질병으로 고통받는 환자에게 특히 유용하다. 5세대 무선 전송과 같은 이동 통신 기술이 POC에 활용되었다. 땀 속 전해질 수준의 농도를 감지하기 위한 소형화 및 저비용 장치를 개발하기 위해 근거리 통신이 사용되었다. 게다가 자체 전력 시스템의 적용을 확대하기 위해 무선 전송 기술을 TENG에 적용했다. TENG에서 생성된 펄스 전압은 무선으로 수신기로 전송되었다. 요약하자면, POC에 적합한 휴대용 센서 개발을 위해 소재나 방식 측면에서 다양한 연구가 진행되어 왔다. 그러나 이러한 연구들은 실제 활용 단계에 도달하려면 아직 개선할 부분이 많이 남아있다. 휴대용 재료를 활용하는 연구는 여전히 기존의 외부 전원이나 검출기를 사용하기 때문에 휴대성이 부족하다. TENG, BFC와 같은 자체 동력 시스템은 바이오 유체, 모션을 활용하여 작동 환경에서 전력을 생산할 수 있다. 다만 바이오 유체의 경우 안정적인 전력생산이 어려워 추가적인 에너지 저장장치를 사용하고 있으며, TENG의 경우 대부분 동작 감지 시스템에만 제한적으로 활용되어왔다. 무선 전송은 인덕터 간 유도자기장의 원리를 활용하여 전송 거리 범위가 제한되고 사용된 안테나의 크기와 형태에 따라 신호에 영향을 받는다. 따라서 이러한 POC 연구에서 주로 사용되던 전략과 달리, 본 학위논문의 연구들은 전력원과 신호 판독 시스템의 소형화에 초점을 맞추어 POC에 적용하고자 하였다. 또한 휴대용 센서에 알맞게 별도의 신호 처리 없이 육안으로도 ECL과 같은 발광신호를 구별할 수 있도록 신호 세기를 증진시킨 연구도 소개한다. 오늘날 전기화학 센서는 실험실 규모로만 개발되기 보다는 실제 현장에서 활용될 수 있는 수준으로 개발되어야 한다. 의료, 환경, 제약, 식품 등 여러 산업분야에서 POC를 위한 다양한 분석 물질에 대해 간단하고 빠른 센서에 대한 필요성이 높아지고 있다. 앞에서 소개한 것처럼 현재까지 다양한 POC 센서 연구가 이루어져 오고 있고, 향후 자체 동력시스템과 신호 무선전송 등의 여러 기술과 결합되면 POC에 적합한 센서가 멀지 않은 미래에 개발될 것으로 전망된다.