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Electrode Design for Biochemical Reagent Concentration Measurement…
Electrode Design for Biochemical Reagent Concentration Measurement
Abstract
임피던스 측정을 통해 biochemical 용액의 농도를 추정하는 시스템을 제안한다.
임피던스를 정확하게 측정할 수 있는 전극의 구조에 중점을 두고 연구 했다.
대량 생산 설비에 적용 가능한 PCB 와 테이프, 플라스틱 필름 및 구리 테이프를 사용하여 전극을 제조하고 성능을 조사했다.
PCB 상에 한 쌍의 전극을 위치시키고, 테이프 또는 플라스틱 필름으로 시약을 넣을 웰을 만드는데 사용했다.
단 구리 테이프를 사용하여 제작할 때는 한 쪽에 구멍을 뚫어 우물 처럼 적용했다.
정해진 농도들의 식염수에 대한 임피던스를 반복 측정하여 측정시 변동계수를 얻음으로 전극 구조의 성능을 비교했다.
결과 구리 전극을 사용하였을 때가 용액의 임피던스를 안정적으로 측정할 수 있음을 보여준다.
Introduction
핵산, 단백질 및 세포와 같은 생체 분자를 검출 할 수 있는 대부분의 바이오 센서는 생체 분자의 민감하고 특이적인 검출을 위해 형광 라벨링 기술을 사용
label free 기술은 기존의 형광 labeling 기술보다 분석 절차가 단순다고, 샘플의 재사용 성 면에서 좋다.
기존 label free 기술로 임피던스 측정을 통해 시약의 농도를 측정하는 예가 있었으며, CMOS, 유리, 플라스틱 필름 위에 다양한 재질의 전극을 만들었다.
그러나 위의 전극은 안정된 양산 설비가 없으므로 양산 설비의 개발 및 안정화가 실용화에 필수적이다
임피던스 측정에는 Lock-in amplifier, 주파수 또는 네트워크 분석기, LCR 미터와 같은 범용 임피던스 측정 장치가 사용되고 있지만 공간이 많이 필요하고, 제어하기 어렵다.
최근 시약의 임피던스 측정에 적합한 함수발생기가 내장 된 다양한 고성능 USB 오실로스코프가 개발 되었다. 대부분이 컴퓨터 플랫 폼 용 소프트웨어 개발 키트를 제공하기 때문에 단일 보드 컴퓨터(SBC) 와 결합하면 공간과 비용을 크게 줄일 수 있다.
최근 출시된 SBC는 네트워크 기능이 유연하여 IoT 형식으로 시스템을 구현하기 수월하다.
시약의 농도를 측정하는 장치가 IoT형태로 구현되는 경우 IoT의 기본 장점 이외에 다양한 이점을 얻을 수 있다.
웹 기반 UI 를 사용하여 모니터 또는 키보드/마우스와 같은 표준 입력 장치 없이도 시스템 제어 및 모니터링을 수행할 수 있기에 공간을 줄일 수 있다.
또한 개인 컴퓨터 또는 스마트 장치와 같은 인터넷 연결 되는 장치를 사용하여 언제 어디서나 동료와 함께 모니터링하고 실험 상황에 대한 토론이 가능하다.
본 논문에서는 IoT 형태의 시약 임피던스 측정 시스템을 제안하고 제안된 시스템에 연결된 전극의 구조의 조사 및 안정적인 측정을 제공한다.
시스템 제조는 대량 생산설비에 용이한 PCB, 구리테이프, 플라스틱 테이프 및 필름으로 제조했다.
여러 전극을 비교하기 위해 다양한 농도의 식염수를 사용하여 반복적으로 임피던스를 측정한 후 CV를 구했다.
실험 결과 구리페이프 전극에서 안정적으로 측정이 가능했다.
Material & Method
실험 세트의 구성
10khz, 1V 피크의 사인파가 100k 저항을 통해 전극에 적용된다.
전극의 variation을 측정하기 위해 PCB위에 동일한 전극을 5개 배치한다.
본 실험에서 오실로스코프는 함수발생기와 +-5V의 전압 공급에 사용된다.
finger가 1~4개 로 되어 있는 PCB전극과 구리테이프 로 구성된 한쌍의 전극 총 5종류가 있다.
시약의 양을 최소화하고 실험 시 전극 간의 variation을 감소시키기 위해 finger가 적은 것이 유리하기 때문에 1개의 finger를 갖는 전극만 선택하여 실험했다.
소량의 시약을 정확하게 측정하기 위해선 전극의 구조 보다 시약이 담기는 챔버의 모양이 더욱 중요하다.
총 4 종류의 전극 구성에 대해 실험하였다. 그 중 3가지는 PCB상에 다양한 챔버를 구성하였고 4번째는 구리테이프 전극 쌍이다.
실험 방법
10, 5, 2.5, 1.25, 0.625mg/ml 총 5가지 농도의 식염수 용액을 준비
우물이 없는 PCB 각각의 전극에 1ul의 시약을 첨가하여 PCB의 각 전극 쌍을 균일 하게 덮었다. 현미경을 통해 시약이 전극 쌍을 균일하게 덮은 것을 확인 후 임피던스 측정
이 과정을 5가지 농도의 식염수에서 총 10회 반복하였다.
이 실험의 경우 전극에 도포 되는 시약이 불균일 하게 분포되어 부정확한 임피던스 측정을 초래할 수 있다.
PCB 상에 전극 을 덮을 수 있는 크기인 2mm 직경의 구멍을 뚫은 양면테이프를 부착하고 500um 두꼐의 PC필름에 동일한 구멍을 뚫어 챔버를 제작하고 부착하였다. 챔버가 PCB에 균일하게 달라붙게 하기 위해 라미네이터를 사용하여 라미네이팅하였다.
그 후 1과 동일한 방법으로 실험을 진행하였다.
결과 시약의 양과 전극에 접촉되는 시약의 면적이 동일하여 균일한 측정이 가능했다.
그러나 시약을 떨어 뜨릴 때 생성되는 기포는 시약의 접촉을 방해하기 때문에 큰 오차를 야기했다. 그리고 실험을 반복하면서 시약이 누출되고 임피던스가 높아지는 문제가 있는 것을 확인했다.
이를 방지하기 위해 라미네이션 횟 수를 늘렸지만 도움이 되지 않았다.
챔버를 PC가 아닌 65um의 OPP 테이프로 변경하고 2과 동일하게 제작하였다. 이 경우 챔버의 높이가 시약의 양에 비해 낮기 때문에 기포 발생을 최소화 할 수 있었다. 다만 마찬가지로 실험이 반복 될 수록 시약의 누출이 많이 발생됬다.
전극 전체가 금속으로 제조되면 금속의 친수성에 의해 전극이 시약을 끌어 당긴다. 때문에 시약이 전극에 고르게 도포 될 수 있다.
이 특성을 사용하기 위해 구리 테이프를 사용하여 전극을 제작하였다.
Result
Conclusion