JP2010230369A - Electrode structure, manufacturing method of the same, and electrochemical sensor - Google Patents

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Yoshiji Aoi
芳史 青井
Fumiaki Mizuno
史章 水野
Toshifumi Hosoya
俊史 細谷
Soichiro Okubo
総一郎 大久保
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode structure having a wide potential window even on an inexpensive plastic substrate which has low resistance to heat by a simple method. <P>SOLUTION: An electrically conductive paste and electrically conductive ink are applied onto the substrate 11 made of plastic or the like and dried to form an electrically conductive layer 21 having a prescribed shape. A region except a partial region of the electrically conductive layer 21 is masked, and the electrically conductive layer 21 is coated with a carbon film 13 made of any of a graphite film; a diamond-like carbon (DLC) film; or a diamond film by a pulse laser deposition (PLD) method. The mask is then removed to constitute a pair of detection electrodes 10 having a structure in which the electrically conductive layer 21 is coated with the carbon film 13. A reagent layer 15 which reacts with a substance to be detected is formed across the pair of detection electrodes 10, 10 to produce an electrochemical sensor 1. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は電極構造、具体的には電気化学センサに適した電極の構造に関する。   The present invention relates to an electrode structure, and more particularly to an electrode structure suitable for an electrochemical sensor.

酵素反応を利用したバイオセンサなど、水溶液中の電子移動に伴う電流値の測定を利用した種々の電気化学センサが提供されている。このような電気化学センサの電極には、広い電位窓と他の電極材料と比較してバックグランド電流が低いといった電気化学的特性が求められる。   Various electrochemical sensors using measurement of current values accompanying electron transfer in an aqueous solution, such as biosensors using enzyme reactions, have been provided. Electrodes of such electrochemical sensors are required to have electrochemical characteristics such as a wide potential window and a low background current compared to other electrode materials.

例えば、特開2000−314714号(特許文献1)には、炭素や銅などからなる導電性膜上に多数のナノホールを有するアルミナ層が形成されると共に、当該ナノホールの表面にCVD法(Chemical Vapor Deposition法)により形成されたカーボン膜と前記導電性膜とが電気的に接続された電極が開示されている。   For example, in JP 2000-314714 (Patent Document 1), an alumina layer having a large number of nanoholes is formed on a conductive film made of carbon, copper, or the like, and a CVD method (Chemical Vapor) is formed on the surface of the nanoholes. An electrode in which a carbon film formed by Deposition method) and the conductive film are electrically connected is disclosed.

この電極では、ナノホールの表面に形成されたカーボン膜が電極として利用されるために、見かけ上の電極面積よりも広い電極面積を有することになる。この結果、測定可能な電位範囲、いわゆる電位窓が広がっている。   In this electrode, since the carbon film formed on the surface of the nanohole is used as an electrode, the electrode area is larger than the apparent electrode area. As a result, a measurable potential range, a so-called potential window, is expanded.

また、特開2006−70287号公報(特許文献2)には、シリコン基板上に導電性ダイヤモンド膜からなる櫛のような形状をした電極膜を形成し、櫛の歯をかみ合わせるようにして対を構成した電極構造が開示されている。この電極構造では、導電性ダイヤモンド膜を用いているために、広い電位窓が得られるだけでなく、電極対となる電極間の距離を小さくできるので、センサに用いた場合には応答速度が向上するだけでなく、感度の向上も期待される。   In JP-A-2006-70287 (Patent Document 2), an electrode film having a comb-like shape made of a conductive diamond film is formed on a silicon substrate, and the teeth of the comb are engaged with each other. The electrode structure which comprised is disclosed. Since this electrode structure uses a conductive diamond film, not only a wide potential window can be obtained, but also the distance between the electrodes that make up the electrode pair can be reduced, so the response speed improves when used in sensors. In addition to this, an improvement in sensitivity is also expected.

特開2000−314714号公報JP 2000-314714 A 特開2006−70287号公報JP 2006-70287 A

しかしながら、特許文献1の電極では、カーボン膜の形成のためにCVD法が用いられ、例えば特許文献1に開示された方法では、1000℃程度の高温に基板が保持される。従って、基板には1000℃を越える耐熱性が要求され、安価に製造できるプラスチック基板を用いることができない。   However, in the electrode of Patent Document 1, a CVD method is used for forming a carbon film. For example, in the method disclosed in Patent Document 1, the substrate is held at a high temperature of about 1000 ° C. Therefore, the substrate is required to have heat resistance exceeding 1000 ° C., and a plastic substrate that can be manufactured at low cost cannot be used.

また、特許文献2の電極構造においては、ダイヤモンド膜に導電性を付与するために、BやPなどの不純物をドープする必要があり、このためにCVD法に頼らざるを得ない。従って、特許文献1の場合と同様に、低い耐熱性しか有しないプラスチック基板を用いることができない。   Moreover, in the electrode structure of Patent Document 2, it is necessary to dope impurities such as B and P in order to impart conductivity to the diamond film, and for this reason, it is necessary to rely on the CVD method. Therefore, as in the case of Patent Document 1, a plastic substrate having only low heat resistance cannot be used.

このように、特許文献1記載の電極や特許文献2記載の電極構造では、安価なプラスチック基板を用いることができず、製造原価が高価になる傾向があった。また、特許文献1に記載の方法では基板上にナノーホールを有するアルミナ膜を形成するという工程が必要となったり、ナノーホール内へのカーボン膜の形成が困難であるという問題があった。特許文献2記載の方法では不純物のドープ量の制御が困難であるなど、いずれの電極構造にもそれぞれ欠点があった。   Thus, in the electrode structure described in Patent Document 1 and the electrode structure described in Patent Document 2, an inexpensive plastic substrate cannot be used, and the manufacturing cost tends to be expensive. In addition, the method described in Patent Document 1 has a problem that a process of forming an alumina film having nano-holes on a substrate is required, and that it is difficult to form a carbon film in the nano-holes. Each of the electrode structures has drawbacks such as the control of the doping amount of impurities is difficult with the method described in Patent Document 2.

本発明はこのような背景技術に鑑みてなされたものであって、本発明はより簡便な方法で、かつ耐熱性の低い安価なプラスチック基板上にでも広い電位窓を有する電極を形成することを目的とする。   The present invention has been made in view of such background art, and the present invention is intended to form an electrode having a wide potential window even on an inexpensive plastic substrate with low heat resistance by a simpler method. Objective.

そこで、本願発明者は鋭意努力したところ、導電性ペーストや導電性インキから形成させた導電層上にグラファイト膜やダイヤモンドライクカーボン膜、ダイヤモンド膜の何れかからなるカーボンコーティングを施すことにより、上記目的が達成されることを見いだし、本願発明を完成するに至った。   Therefore, the inventors of the present application have made extensive efforts to apply the carbon coating made of any one of a graphite film, a diamond-like carbon film, and a diamond film on a conductive layer formed from a conductive paste or conductive ink. Has been achieved, and the present invention has been completed.

本発明によると、比較的簡便な方法により、プラスチック基板上に広い電位窓を有する電極を形成できる。   According to the present invention, an electrode having a wide potential window can be formed on a plastic substrate by a relatively simple method.

本発明の電極構造を用いた電気化学センサの一例を示す図であって、(a)はその平面図、(b)はその断面図である。It is a figure which shows an example of the electrochemical sensor using the electrode structure of this invention, Comprising: (a) is the top view, (b) is the sectional drawing. (a)〜(e)は図1の電気化学センサの製造方法を示す説明図である。(A)-(e) is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the electrochemical sensor of FIG. 本発明の電極構造を用いた電気化学センサの他例を示す平面図である。It is a top view which shows the other example of the electrochemical sensor using the electrode structure of this invention.

図1は本発明の電極構造を用いた電気化学センサの一例を示す図、図2は当該電気化学センサの製造方法を示す説明図である。以下、各図を用いながら本発明について詳細に説明する。   FIG. 1 is a view showing an example of an electrochemical sensor using the electrode structure of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory view showing a method for manufacturing the electrochemical sensor. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1の電気化学センサ(以下「センサ」と称することがある。)1は、絶縁性を有する基板11の片端部に一対の検出電極10と、他方片端部に一対の取り出し電極14を有している。検出電極10の一方と取り出し電極14の一方は導電層21からなる導通路12によって電気的に接続されている。また、当該導通路12と電気的に絶縁された別の導通路12によって残る一方の検出電極10と残る一方の取り出し電極14が電気的に接続されている。図示するセンサ1においては、導通路12に対してほぼ直角となるように検出電極10が形成されており、1対の検出電極10,10の間には、測定対象となる検体中の測定対象成分と反応し、電子の移動を生じさせる試薬層15が設けられている。   1 has a pair of detection electrodes 10 at one end portion of an insulating substrate 11 and a pair of extraction electrodes 14 at the other end portion. ing. One of the detection electrodes 10 and one of the extraction electrodes 14 are electrically connected by a conduction path 12 composed of a conductive layer 21. Further, the remaining one detection electrode 10 and the remaining one extraction electrode 14 are electrically connected by another conductive path 12 that is electrically insulated from the conductive path 12. In the illustrated sensor 1, a detection electrode 10 is formed so as to be substantially perpendicular to the conduction path 12, and a measurement target in a sample to be measured is between a pair of detection electrodes 10, 10. A reagent layer 15 is provided that reacts with the components and causes electron transfer.

上記検出電極10は本発明による電極構造を有している。つまり、当該検出電極10は、基板11上に形成された導電層21がカーボン膜13でコーティングされた構造を有する。一方、取り出し電極14は導電層21から構成され、カーボン膜13でコーティングされていない。   The detection electrode 10 has an electrode structure according to the present invention. That is, the detection electrode 10 has a structure in which the conductive layer 21 formed on the substrate 11 is coated with the carbon film 13. On the other hand, the extraction electrode 14 is composed of a conductive layer 21 and is not coated with the carbon film 13.

導通路12や取り出し電極14、検出電極10を構成する導電層21は導電性ペーストや導電性インクの塗布、乾燥によって一体として形成されている。すなわち、基板11上に形成された導電層21の片端部が取り出し電極14として利用され、導電層21の他方片端部が検出電極10の下地層として利用され、導電層21の残る部分が導通路12として利用されている。   The conductive layer 21 constituting the conduction path 12, the extraction electrode 14, and the detection electrode 10 is integrally formed by applying and drying a conductive paste or conductive ink. That is, one end portion of the conductive layer 21 formed on the substrate 11 is used as the extraction electrode 14, the other end portion of the conductive layer 21 is used as the base layer of the detection electrode 10, and the remaining portion of the conductive layer 21 is the conduction path. 12 is used.

本発明において用いられる基板11は、絶縁性基板であればよく、本発明の電極構造の使用態様や目的によって適宜選択される。基板11の材質は、導電性ペーストや導電性インキの塗布により導電層21が形成できるものであれば、特に制約されるものではない。例えばアルミナなどのセラミック、シリコン、ポリエチレンテレフタレート(PET)やポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などの各種プラスチックなどが例示される。これらのうち、各図に示したように同一の基板11上に2以上の電極構造を形成する場合には、各電極構造間の絶縁を図る必要から、ポリエチレンテレフタレートやポリプロピレンなどのプラスチック材料やアルミナなどのセラミック材料が好ましく用いられる。また、軽量化や加工のしやすさなどの観点からはプラスチック材料がより好ましく用いられる。なお、本発明においては、カーボン膜13形成時に高温処理されることがあるため、この処理における温度に耐えうる材質の選択が必要である。また、一枚の基板全体を一つの電極として用いる場合には、導電性基板、絶縁性基板のいずれでもよい。そして、特許文献2に記載されているように水処理に用いる電極として用いる場合などには、多孔性の基板を用いることもできる。   The board | substrate 11 used in this invention should just be an insulating board | substrate, and is suitably selected by the usage aspect and the objective of the electrode structure of this invention. The material of the substrate 11 is not particularly limited as long as the conductive layer 21 can be formed by application of a conductive paste or conductive ink. Examples thereof include ceramics such as alumina, silicon, various plastics such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), and polypropylene (PP). Of these, when two or more electrode structures are formed on the same substrate 11 as shown in each figure, it is necessary to provide insulation between the electrode structures, and therefore plastic materials such as polyethylene terephthalate and polypropylene, and alumina. A ceramic material such as is preferably used. Also, a plastic material is more preferably used from the viewpoint of weight reduction and ease of processing. In the present invention, since a high temperature treatment may be performed when the carbon film 13 is formed, it is necessary to select a material that can withstand the temperature in this treatment. In the case where the entire substrate is used as one electrode, either a conductive substrate or an insulating substrate may be used. And when using as an electrode used for water treatment as described in Patent Document 2, a porous substrate can also be used.

導電層21を形成する導電性ペーストや導電性インキも特に制約を受けるものではなく、公知である種々の導電性ペーストや導電性インキが用いられる。導電性ペーストや導電性インキは、樹脂などの分散媒にカーボンその他、金や銀などの導電性物質を1種若しくは2種以上を混合したペーストないしインキであって、必要に応じて溶媒が混合される。導電性物質も適宜選択される。また、導電層21として、銅や銀、金などの導電性金属からなる金属膜も用いられる。   The conductive paste and conductive ink forming the conductive layer 21 are not particularly limited, and various known conductive pastes and conductive inks are used. A conductive paste or conductive ink is a paste or ink in which a dispersion medium such as resin is mixed with one or more conductive materials such as carbon or other materials such as gold and silver, and a solvent is mixed as necessary. Is done. A conductive substance is also appropriately selected. The conductive layer 21 is also a metal film made of a conductive metal such as copper, silver, or gold.

導電性ペーストや導電性インキは、スクリーン印刷やディスペンサーによる塗布などにより、基板11表面に所望する形状に塗布される。塗布された導電性ペースト等はその後乾燥により溶媒が除去される。また、必要に応じて、例えばバッチ処理炉により加熱処理が施され、導電層21とされる。加熱処理に際しては基板11の耐熱性を考慮して温度設定がなされる。金属を含むペーストを用いる場合には、導電層21の酸化を防止する観点から、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気下にて行うのが好ましい。金属膜は、スパッタリングやメッキ処理、金属箔の貼付など公知である種々の方法により形成されうる。   The conductive paste or conductive ink is applied to the surface of the substrate 11 in a desired shape by screen printing or application by a dispenser. The applied conductive paste or the like is then dried to remove the solvent. Further, as necessary, the conductive layer 21 is formed by heat treatment, for example, in a batch processing furnace. In the heat treatment, the temperature is set in consideration of the heat resistance of the substrate 11. In the case of using a paste containing a metal, it is preferably performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon from the viewpoint of preventing oxidation of the conductive layer 21. The metal film can be formed by various known methods such as sputtering, plating, and metal foil sticking.

本発明の電極構造は、こうして形成された導電層21表面の少なくとも一部領域、好ましくは電極として利用される領域全体が、カーボン膜13によりコーティングされたものである。このカーボン膜13は、グラファイト膜やダイヤモンドライクカーボン膜(DLC)膜、ダイヤモンド膜の何れかからなる。グラファイト膜は、炭素原子がsp結合した平面的な結晶構造(六方晶)を有する膜である。また、ダイヤモンド膜は、炭素原子がsp結合した立体的な結晶構造(立方晶)を有する膜である。また、ダイヤモンドライクカーボン膜は、グラファイト構造(sp結合)とダイヤモンド構造(sp結合)とが混在した膜であり、アモルファス(非晶質)の構造をした膜である。アモルファスカーボン膜とも呼ばれることがある。本発明においては、この3種の膜のうちいずれかの膜が用いられるが、導電性がありかつ広い電位窓とするためには、sp構造とsp構造が混在したダイヤモンドライクカーボン膜が好ましい。膜に関しては、ラマン分光で測定した光学的バンドギャップ測定により評価した場合、Gバンドポジション(1515〜1600cm−1)で、DバンドとGバンドの強度比I(D)/I(G)が0.2〜2.0の範囲であることが好ましい。これは炭素−炭素結合の80%以上がsp結合であることを意味する。なお、Dバンドはdisorderedバンドに、Gバンドはgraphiticバンドに対応する。 In the electrode structure of the present invention, at least a part of the surface of the conductive layer 21 thus formed, preferably the entire region used as an electrode, is coated with the carbon film 13. The carbon film 13 is made of any one of a graphite film, a diamond-like carbon film (DLC) film, and a diamond film. The graphite film is a film having a planar crystal structure (hexagonal crystal) in which carbon atoms are sp 2 bonded. The diamond film is a film having a three-dimensional crystal structure (cubic crystal) in which carbon atoms are sp 3 bonded. The diamond-like carbon film is a film in which a graphite structure (sp 2 bond) and a diamond structure (sp 3 bond) are mixed, and has an amorphous structure. Sometimes called an amorphous carbon film. In the present invention, any one of these three types of films is used. In order to obtain a conductive and wide potential window, a diamond-like carbon film in which sp 2 structure and sp 3 structure are mixed is used. preferable. Regarding the film, when evaluated by optical band gap measurement measured by Raman spectroscopy, the intensity ratio I (D) / I (G) between the D band and the G band is 0 at the G band position (1515-1600 cm −1 ). It is preferably in the range of 2 to 2.0. This means that 80% or more of the carbon-carbon bonds are sp 2 bonds. The D band corresponds to the disordered band, and the G band corresponds to the graphitic band.

カーボン膜13は、グラファイト膜、DLC膜、ダイヤモンド膜のいずれの場合も、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法や物理気相成長(PVD:Physical Vapor Deposition)法により形成することができる。CVD法には熱CVD法やプラズマCVD法などの各種方法が、また、PVD法には抵抗加熱蒸着法や電子ビーム蒸着法、パルスレーザデポジション(PLD)法などがある。この中でもプラズマCVD法やPLD法が望ましく用いられる。PLD法は、真空チャンバー内に設置した原料ターゲットに、チャンバー外部からレーザー光をターゲットに照射することで、ターゲットから原子(分子)を引き剥がしターゲットに対向する対象体に薄膜を形成する方法である。このPLD法によると、常温下での膜形成が可能であり、基板上昇温度が数十度以内に抑制される。この結果、より基板11の選択範囲が広がり、耐熱性の低いPE基板やPP基板への適用が可能になる。また、PLD法以外の方法では、基板の温度が高くなる場合があるので、耐熱温度の低いプラスチック基板への適用は、基板を加熱しないでPVD法を用いたり、成膜条件をプラスチック基板用に最適化したCVD法を用いる。   The carbon film 13 can be formed by a chemical vapor deposition (CVD) method or a physical vapor deposition (PVD) method in any case of a graphite film, a DLC film, and a diamond film. . The CVD method includes various methods such as a thermal CVD method and a plasma CVD method, and the PVD method includes a resistance heating vapor deposition method, an electron beam vapor deposition method, and a pulse laser deposition (PLD) method. Of these, the plasma CVD method and the PLD method are preferably used. The PLD method is a method of forming a thin film on a target object facing a target by detaching atoms (molecules) from the target by irradiating the target with a laser beam from the outside of the chamber onto a raw material target installed in a vacuum chamber. . According to this PLD method, a film can be formed at room temperature, and the substrate rising temperature is suppressed within several tens of degrees. As a result, the selection range of the substrate 11 is further expanded, and application to a PE substrate or PP substrate having low heat resistance becomes possible. In addition, since the temperature of the substrate may be high in methods other than the PLD method, the PVD method may be used without heating the substrate, or the film formation conditions may be set for the plastic substrate without applying heat to the substrate. An optimized CVD method is used.

PLD法、CVD法などにおける成膜条件も特に制約されるものではなく、目的とするカーボン膜13、例えば膜のsp/sp混成比や膜厚、基板の材質などに応じて適宜条件設定が行われる。PLD法における照射レーザー光源として、例えば、KrFエキシマレーザーやArFエキシマレーザーなどが例示される。また、成膜に用いられる原料ターゲットとして、グラファイト、グラッシーカーボンなど常温で固体である炭素材料が例示される。 The film formation conditions in the PLD method, the CVD method, etc. are not particularly limited, and the conditions are appropriately set according to the target carbon film 13, for example, the sp 2 / sp 3 hybrid ratio or film thickness of the film, the material of the substrate, etc. Is done. Examples of the irradiation laser light source in the PLD method include a KrF excimer laser and an ArF excimer laser. Moreover, as a raw material target used for film formation, a carbon material that is solid at room temperature, such as graphite and glassy carbon, is exemplified.

カーボン膜13は導電層21の一部領域のみに形成することもできるが、電極の機能を果たす領域においては、導電層21の側面を含めてカーボン膜13でコーティングする必要がある。導電層21の側面が露出した状態であれば、導電層21の側面も電極として機能するため、電位窓が狭い電極と混成した特性になる虞が強くなる。この電極の機能を果たす領域とは、例えば検体が接触する領域など実質的に電極として使用される領域である。図1に示すセンサ1では、図示しないが、検出電極10が構成された基板11上にカバーが載置される場合があり、この場合にはカバーと基板11との間に検体が導入される反応空間が構成される。このようなセンサ1では、少なくともこの反応空間に露出される領域がカーボン膜13でコーティングされる。   The carbon film 13 can be formed only in a partial region of the conductive layer 21, but it is necessary to coat the carbon film 13 including the side surface of the conductive layer 21 in a region that functions as an electrode. If the side surface of the conductive layer 21 is exposed, the side surface of the conductive layer 21 also functions as an electrode, so that there is a strong possibility that a characteristic mixed with an electrode having a narrow potential window may be obtained. The region that functions as an electrode is a region that is substantially used as an electrode, such as a region in contact with a specimen. In the sensor 1 shown in FIG. 1, although not shown, a cover may be placed on the substrate 11 on which the detection electrode 10 is configured. In this case, the specimen is introduced between the cover and the substrate 11. A reaction space is constructed. In such a sensor 1, at least a region exposed to the reaction space is coated with the carbon film 13.

導電層21全体を電極とする場合には導電層21を形成した基板11をチャンバー内に設置すればよいが、導電層21の一部領域にのみを電極として用いる場合には、当該領域を除く領域をマスキングした後にチャンバー内に設置する。   When the entire conductive layer 21 is used as an electrode, the substrate 11 on which the conductive layer 21 is formed may be placed in the chamber. However, when only a partial region of the conductive layer 21 is used as an electrode, the region is excluded. Place in the chamber after masking the area.

また、本発明においては各図に示すように一つの基板11に2以上の電極構造を構成することもできる。この場合には、カーボン膜13による短絡を防ぐ必要から、導電層21間の基板領域をマスキングするか、あるいは基板11に直接形成されたカーボン膜13の不要領域を削除する。なお、マスキングする場合には、前記理由から電極とする導電層21の側面も露出するようにマスキングを施す必要がある。また、カーボン膜13を削除する場合には導電層21の側面にもカーボン膜13を残して不要なカーボン膜13を除去する。ただし、カーボン膜13を除去する方法では、一対の検出電極10,10間の距離が相対的に変動する虞があるので、センサ1の電気化学特性にばらつきが生じないように、相対位置を固定する処置を行うのがよい。   In the present invention, two or more electrode structures can be formed on one substrate 11 as shown in the drawings. In this case, since it is necessary to prevent a short circuit due to the carbon film 13, the substrate region between the conductive layers 21 is masked, or an unnecessary region of the carbon film 13 directly formed on the substrate 11 is deleted. In addition, when masking, it is necessary to mask so that the side surface of the conductive layer 21 used as an electrode may also be exposed for the reason described above. When the carbon film 13 is deleted, the unnecessary carbon film 13 is removed leaving the carbon film 13 also on the side surface of the conductive layer 21. However, in the method of removing the carbon film 13, since the distance between the pair of detection electrodes 10 and 10 may be relatively changed, the relative position is fixed so that the electrochemical characteristics of the sensor 1 do not vary. It is better to take action.

このように、導電性ペーストや導電性インクからなる導電層21をDLCなどのカーボン膜13によってコーティングすることによって、広い電位窓を有する電極を構成できる。特に電気化学センサ1の用途に用いられる電極においては、測定対象成分以外の成分によって生じた電流により、測定対象成分の定量精度が低下する。血液や尿、唾液等の体液や分泌液は水溶液であり、このような検体では、水の分解によって電位窓範囲が影響を受ける。グラファイト膜、DLC膜、ダイヤモンド膜などのカーボン膜13は、水中の水分子、プロトン、オキソニウムイオン、水酸基との反応性が低く、電位窓の拡大には好適であり、これらのカーボン膜13でコーティングすることにより電位窓が広がる。   Thus, an electrode having a wide potential window can be formed by coating the conductive layer 21 made of a conductive paste or conductive ink with the carbon film 13 such as DLC. In particular, in the electrode used for the application of the electrochemical sensor 1, the measurement accuracy of the measurement target component is reduced due to the current generated by the component other than the measurement target component. Body fluids and secretions such as blood, urine, and saliva are aqueous solutions. In such specimens, the potential window range is affected by the decomposition of water. The carbon film 13 such as a graphite film, a DLC film, and a diamond film has low reactivity with water molecules in water, protons, oxonium ions, and hydroxyl groups, and is suitable for expanding the potential window. Coating increases the potential window.

また、上記のような導電層21をカーボン膜13でコーティングするという構成を採用することにより、充電電流が減少する。充電電流とは、センサ1の検出電極10,10間(作用極対極間)に電圧がかかった瞬間に流れる電気二重層容量等に起因する電流であり、その量は電極表面材料物性と電極比表面積に依存する。PLD法やCVD法により形成されたカーボン膜13はその表面が平滑かつ連続的であり、カーボン膜電極の容量が減少うする。この結果、本発明の電極構造は充電電流が減少するという利点も有する。   Further, by adopting a configuration in which the conductive layer 21 is coated with the carbon film 13 as described above, the charging current is reduced. The charging current is a current caused by the electric double layer capacitance that flows at the moment when a voltage is applied between the detection electrodes 10 and 10 (between the working electrode and the electrode) of the sensor 1, and the amount is based on the electrode surface material properties and the electrode ratio. Depends on surface area. The carbon film 13 formed by the PLD method or the CVD method has a smooth and continuous surface, and the capacity of the carbon film electrode decreases. As a result, the electrode structure of the present invention also has the advantage that the charging current is reduced.

そして、導電性ペースト等の塗布、乾燥、それにPLD法などによるコーティング膜の形成という比較的簡便な方法により本発明の電極構造が構成される。しかも、PLD法によると基板温度の上昇が少なく、かつ低温によるコーティングが可能であるので、耐熱温度が低く、また安価である各種プラスチック製の基板を用いることができる。これによりセンサの軽量化、製造コストの低廉化も容易に図ることができる。   And the electrode structure of this invention is comprised by the comparatively simple method of application | coating of a conductive paste etc., drying, and formation of the coating film by PLD method etc. Moreover, according to the PLD method, since the temperature of the substrate is small and coating at a low temperature is possible, various plastic substrates having a low heat-resistant temperature and low cost can be used. As a result, it is possible to easily reduce the weight of the sensor and the manufacturing cost.

次に図2に基づき、本発明の電気化学センサ1の製造方法について説明する、まず、図2(a)に示すように、絶縁性を有する基板11上の所定領域に、導電性ペーストや導電性インキを塗布し、加熱乾燥して導電層21を形成する。次に、図2(b)に示すようにマスキングを施す。この際、マスク22の開口23を導電層21の表面コーティング領域よりも広く形成する。電極となる導電層21の側面にもカーボン膜13を形成するためである。そして、この開口23内にPLD法などによってカーボン膜13を形成し、導電層21をカーボン膜13でコーティングする(図2(c))。そして、マスク22を除去して、基板11上に検出電極10、導通路12、取り出し電極14が形成された電極プレートを得る(図2(d))。この電極プレートの検出電極10,10の間に試薬層15を形成して、電気化学センサ1を得る。   Next, a method for manufacturing the electrochemical sensor 1 of the present invention will be described with reference to FIG. 2. First, as shown in FIG. 2A, a conductive paste or conductive material is formed in a predetermined region on the insulating substrate 11. A conductive ink is applied and dried by heating to form the conductive layer 21. Next, masking is performed as shown in FIG. At this time, the opening 23 of the mask 22 is formed wider than the surface coating region of the conductive layer 21. This is because the carbon film 13 is also formed on the side surface of the conductive layer 21 to be an electrode. Then, a carbon film 13 is formed in the opening 23 by a PLD method or the like, and the conductive layer 21 is coated with the carbon film 13 (FIG. 2C). Then, the mask 22 is removed to obtain an electrode plate in which the detection electrode 10, the conduction path 12, and the extraction electrode 14 are formed on the substrate 11 (FIG. 2D). The reagent layer 15 is formed between the detection electrodes 10 and 10 of this electrode plate, and the electrochemical sensor 1 is obtained.

図3は本発明の別な実施形態である電気化学センサ1を示す平面図である。この電気化学センサ1も、図1に示すセンサ1とほぼ同様な構造をしているが、このセンサ1では参照電極16が設けられている点で異なっている。電気化学センサ1は、計測装置によってその出力が読み取られる。この際、計測装置への装着を検出したり、その他ノイズ補正を行うために、センサ1に第3の電極として参照電極16が設けられる場合がある。図3に示すセンサ1の参照電極16は、一対の検出電極10,10に形成されている。この参照電極16は、導電層21を介して基板11の端部に設けられた取り出し電極14(導電層21)と導通している。   FIG. 3 is a plan view showing an electrochemical sensor 1 according to another embodiment of the present invention. This electrochemical sensor 1 also has a structure substantially similar to that of the sensor 1 shown in FIG. 1, but the sensor 1 is different in that a reference electrode 16 is provided. The output of the electrochemical sensor 1 is read by a measuring device. At this time, the sensor 1 may be provided with a reference electrode 16 as a third electrode in order to detect attachment to the measuring device or perform other noise correction. The reference electrode 16 of the sensor 1 shown in FIG. 3 is formed on the pair of detection electrodes 10 and 10. The reference electrode 16 is electrically connected to the extraction electrode 14 (conductive layer 21) provided at the end of the substrate 11 through the conductive layer 21.

本発明の電極構造は、電位窓を広げることを目的として設けられるものであるが、必ずしもセンサ1の検出電極10(試薬層15が近傍に形成される検出電極10)としての用途に限定されるものではない。上記センサ1における取り出し電極14や導通路12にも同様の電極構造を構成することもできる。   The electrode structure of the present invention is provided for the purpose of widening the potential window, but is not necessarily limited to the use as the detection electrode 10 of the sensor 1 (the detection electrode 10 in which the reagent layer 15 is formed in the vicinity). It is not a thing. A similar electrode structure can be formed on the extraction electrode 14 and the conduction path 12 in the sensor 1.

上記センサ1の例においては、本発明の電極構造は電気化学センサの電極構造として用いられているが、センサ用の電極に用いるだけでなく、例えば、図2(d)に示された電極プレートを、例えば電気分解用の電極として用いることもできる。また、上記例においては、一枚の基板11上に2以上の電極を構成する場合について説明したが、一枚の基板11に一つの電極を構成しても差し支えない。さらに、基板11上に形成された導電層21の一部に本発明の電極構造を形成するだけでなく、基板11全面に導電層21を形成し、この導電層21の全体を覆うようにカーボン膜13を形成した電極とすることも可能である。この場合には、予めリード線を導電層21と接続しておき、このリード線から電位を取り出せるようにしておくと好都合である。   In the example of the sensor 1, the electrode structure of the present invention is used as an electrode structure of an electrochemical sensor. However, the electrode structure is not only used as an electrode for a sensor, but also, for example, an electrode plate shown in FIG. Can also be used as an electrode for electrolysis, for example. In the above example, a case where two or more electrodes are formed on one substrate 11 has been described. However, one electrode may be formed on one substrate 11. Further, not only the electrode structure of the present invention is formed on a part of the conductive layer 21 formed on the substrate 11, but also the conductive layer 21 is formed on the entire surface of the substrate 11, and the carbon is formed so as to cover the entire conductive layer 21. An electrode on which the film 13 is formed is also possible. In this case, it is convenient to connect a lead wire to the conductive layer 21 in advance so that a potential can be extracted from the lead wire.

次に下記の具体的実施例に基づき、本発明についてさらに詳細に説明する。PETフィルム(帝人社製、膜厚18μm)にカーボンインキ(日本アチソン製カーボンインキ)をスクリーン印刷し、110℃30分間乾燥して、図1に示すような形状の導電層を形成した。次いで、対極及び作用極を構成する領域を除く基板全体をPEフィルムでマスクし、下記条件によるPLD法で膜厚100nmのアモルファスカーボンからなるカーボン膜を導電層上に成膜して対極及び作用極を形成した。この後、マスクを除去し、対極作用極間にGOD(グルコースオキシダーゼ:天野エンザイム(株)社製GO2)とフェリシアン化カリウムの混合水溶液を0.1μlを滴下し、1時間室温乾燥させて、グルコースセンサを作製した。また、比較用対照センサとして、アモルファスカーボンのカーボン膜を成膜しないグルコースセンサも同様にして作製した。   Next, the present invention will be described in more detail based on the following specific examples. Carbon ink (Nihon Atchison carbon ink) was screen printed on a PET film (manufactured by Teijin Ltd., 18 μm thick) and dried at 110 ° C. for 30 minutes to form a conductive layer having a shape as shown in FIG. Next, the entire substrate excluding the region constituting the counter electrode and the working electrode is masked with a PE film, and a carbon film made of amorphous carbon having a thickness of 100 nm is formed on the conductive layer by the PLD method under the following conditions to form the counter electrode and the working electrode. Formed. Thereafter, the mask is removed, 0.1 μl of a mixed aqueous solution of GOD (glucose oxidase: GO2 manufactured by Amano Enzyme Co., Ltd.) and potassium ferricyanide is dropped between the counter electrode working electrodes, and dried at room temperature for 1 hour. Was made. Further, as a comparative sensor for comparison, a glucose sensor without forming an amorphous carbon film was also produced in the same manner.

両センサに、それぞれ100mg/dlの馬標準血清(検査医学標準物質機構)を液温25℃で滴下し、生じた電流値を測定した。各10サンプルでの電流CV値を算出したところ、実施例のセンサではCV値1.3%であるのに対し、比較例では3.6%であり、実施例のセンサでのばらつきが少なくなった。   To both sensors, 100 mg / dl of equine standard serum (Laboratory Medicine Standard Substance Mechanism) was dropped at a liquid temperature of 25 ° C., and the resulting current value was measured. When the current CV value was calculated for each of the 10 samples, the CV value of the sensor of the example was 1.3%, whereas the CV value of the comparative example was 3.6%, and variations in the sensor of the example were reduced. It was.

なお、上記に示された実施形態や実施例は例示であって、本発明は上記の実施形態や実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲及びこれと均等に含まれるすべての変更が本発明に含まれることが意図される。   The embodiments and examples shown above are exemplifications, and the present invention is not limited to the embodiments and examples described above, and is included in the scope of the claims and all equivalents thereto. Are intended to be included in the present invention.

1 電気化学センサ
10 検出電極
11 基板
12 導通路
13 カーボン膜
14 取り出し電極
15 試薬層
16 参照電極
21 導電層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrochemical sensor 10 Detection electrode 11 Substrate 12 Conduction path 13 Carbon film 14 Extraction electrode 15 Reagent layer 16 Reference electrode 21 Conductive layer

Claims (6)

基板上に形成された導電性ペースト又は導電性インキ又は金属膜からなる導電層と、
グラファイト膜、ダイヤモンドライクカーボン膜、ダイヤモンド膜の何れかからなるカーボン膜を有し、
前記導電層表面の少なくとも一部領域が前記カーボン膜によってコーティングされたことを特徴とする電極構造。
A conductive layer made of conductive paste or conductive ink or metal film formed on a substrate; and
It has a carbon film consisting of any of graphite film, diamond-like carbon film, diamond film,
An electrode structure, wherein at least a partial region of the surface of the conductive layer is coated with the carbon film.
前記基板がプラスチック基板である請求項1に記載の電極構造。   The electrode structure according to claim 1, wherein the substrate is a plastic substrate. 前記カーボン膜がPVD法により形成された請求項1又は2に記載の電極構造。   The electrode structure according to claim 1 or 2, wherein the carbon film is formed by a PVD method. 前記導電性ペースト又は導電性インキの導電性物質がカーボンである請求項1〜3の何れか1項に記載の電極構造。   The electrode structure according to claim 1, wherein a conductive substance of the conductive paste or conductive ink is carbon. 請求項1〜4の電極構造を有する複数の電極と、測定対象成分との反応により電子の移動を生じさせる試薬層を同一基板上に有する電気化学センサ。   An electrochemical sensor having a plurality of electrodes having the electrode structure of claims 1 to 4 and a reagent layer that causes movement of electrons by a reaction with a measurement target component on the same substrate. 基板上に導電性ペースト又は導電性インキを塗布、乾燥して導電層を形成する工程と、
形成された導電層の少なくとも一部を露出させた状態で、PVD法により、前記導電層の露出表面にカーボン膜を形成する工程を有する電極構造の製造方法。
Applying a conductive paste or conductive ink on a substrate and drying to form a conductive layer; and
The manufacturing method of an electrode structure which has the process of forming a carbon film on the exposed surface of the said conductive layer by PVD method in the state which exposed at least one part of the formed conductive layer.
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