JP2006090875A

JP2006090875A - 電気化学測定用炭素電極及びその製造方法

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Publication number: JP2006090875A
Application number: JP2004277406A
Authority: JP
Inventors: Osamu Niwa; 修丹羽; Midori Sato; 緑佐藤; Kenichi Maruyama; 健一丸山; Koji Suzuki; 鈴木　　孝治; Shigeru Hirono; 滋廣野
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Keio University; NTT Afty Corp
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Keio University; MES Afty Corp
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: JP4513093B2

Abstract

【課題】作製時に汎用性があり、多くの基板に適用可能で、かつ電位窓が広く、電極反応生成物が吸着しにくく、ノイズの要因になる充電電流等が低く、極微小電極に加工する際に十分な平坦性を有する高感度電気化学検出のための炭素薄膜電極を提供すること。
【解決手段】測定対象溶液中で測定対象分子を酸化又は還元反応により検出する電気化学測定用の炭素電極は、ｓｐ^２結合とｓｐ^３結合からなる微結晶ドメインから構成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体、環境、医療、食品などの分析や化学センサを用いた分析に用いて好適な電気化学測定用電極及びその製造方法に関し、フローインジェクション分析装置、高速液体クロマトグラフィー分析装置、キャピラリー電気泳動分析装置等の各種電気化学分析装置の液体フローセルに組み込むか或いは、マイクロ分析チップや化学センサの検出器として使用することにより、高い感度と長時間の安定性を可能にした電気化学測定用電極及びその製造方法に関するものである。

溶液中での電気化学反応を利用した電気化学測定法は、溶液中の微量重金属の同定や濃度計測、生体中の微量成分の検出に利用されている。この電気化学測定法は、電極を測定対象となる溶液に接触させ、この溶液に電位を印加して該溶液に含まれる測定対象分子に酸化、或いは、還元反応を生じさせ、その結果生じる電流変化を検出する方法であり、使用される電極は、広い電位範囲で電流変化を検出できることや、検出の際にノイズ成分となる充電電流や電気化学的に活性な電極表面に存在する置換基の電気化学反応によって生じる電流の影響を抑えて測定できることが重要である。この検出可能な電位範囲（電位窓）は、電極の材質、溶媒、支持電解質などによってことなる。一方、電極のノイズ成分は、電極の材質と構造や表面積などにより変化する。電気化学測定に用いる電極材料としては、金、白金、銀等の貴金属材料、水銀、ニッケルなどの金属材料の他、二酸化スズ、酸化インジウムなどの半導体材料、結晶性カーボン、カーボンファイバー、グラッシーカーボンなどの各種炭素材料が使用される。中でも炭素材料は、耐食性が高く、酸化還元側ともに比較的広い電位窓を有するために幅広い電位での物質検出が可能等の特徴を有することから、高速液体クロマトグラフィーの様に多くの分析対象分子を同時に分離検出する装置の検出用電極として最も広く利用されている。

一方、近年、極微量の生体試料の測定等を目的として微小電極が多く用いられている。例えば、微小電極は細胞から放出される分子の計測などの微小領域計測のほか、ナノ〜ピコリットルの試料量で分析を行うキャピラリー電気泳動法の分析では、検出用のセル自体を極微量化する必要があるため、微小電極が用いられている。更に、最近では高速液体クロマトグラフィーやキャピラリー電気泳動をガラスやプラスチックで形成したマイクロ流路を利用して行うマイクロ分析チップの研究開発が盛んに行われており、そのような分析チップの検出用の電極として、微小電極が使用されている。

微小炭素電極を作製する方法として従来、カーボンファイバを樹脂に埋め込んで作製するなどの方法が使用されていた。しかしながら、この方法では、任意のサイズや形状の微小電極を得ることができないことに加え、再現性良く同一のサイズや特性の電極を得るのが極めて困難である。

そこで、近年、リソグラフィー技術を応用して微小な炭素薄膜電極を作製する方法が提案されている。この方法では、カーボン薄膜を基板上に形成した後、感光性高分子であるレジストを塗布し、電極パターンを有する画像マスクを重ね、露光、及び現像し、残ったレジストをマスクにして、露出した炭素薄膜をエッチングすることにより微小電極パターンを得ている（非特許文献１）。この微小な炭素薄膜電極を作製するには、均一で基板への密着性が良く、しかも電気化学反応を行わせるために通電可能な導電性を有する炭素薄膜が必要になる。

電気化学測定用の炭素薄膜としては、芳香族化合物の熱CVD（Chemical Vapor Deposition）法により作製した炭素薄膜（非特許文献２）や、プラズマCVD法で作製したホウ素（B）をドープしたダイヤモンド薄膜（非特許文献３）が報告されている。また、高分子材料をスピンコートや電気化学的な方法で形成した後、過熱分解して炭素薄膜を得る方法も報告されている（非特許文献４）。

これまでに報告された炭素膜の中で、プラズマCVD法で作製したホウ素ドープダイヤモンド膜は、通常のグラファイト構造の炭素膜に比べ、より広い電位窓を有することが報告されている。ホウ素はダイヤモンド膜に導電性を持たせるためドープしている。このダイヤモンド膜の構造は、結晶性で1332ｃｍ^−１をピークとする鋭いラマンスペクトルを示している。また、L-アスコルビン酸のように電極との電子移動速度が遅い分子と、ドーパミンのように比較的電子移動速度が速い分子を電位により識別できることが知られている（非特許文献５）。すなわち、通常の炭素電極では、L-アスコルビン酸や尿酸とドーパミンなどのカテコールアミン類を同時に測定すると、両者の酸化ピークが重なって観測され、両者を分離することができない。一方、ホウ素ドープダイヤモンド薄膜電極を用いると、電子移動の遅い、L-アスコルビン酸や尿酸のピークが高い電位にシフトする為に、両者を分離することができる。

Niwa et al., Anal. Chem., Vol.66, 285-289 (1994). A. Rojo, et al., Anal. Chem., 58, 2988-91 (1986) J. Xu et al., Anal. Chem., Vol.69, 591A-597A (1997) Niwa et al., J. Electroanal. Chem., 367, 265-69 (1994) E. Popa et al., Anal. Chem., 72, 1724-27 (2000)

ところで、従来の炭素薄膜電極では、例えば、熱CVD法で作製したカーボン膜の場合、通常のグラッシーカーボン電極と同等の電位窓を示し、ノイズ成分に寄与するバックグラウンド電流も金や白金薄膜のような金属薄膜電極に比較すると低いという特徴を有するが、その反面、アルキルフェノールの様に疎水性が大きく、酸化電位が高く、更に電気化学的に非可逆（酸化した後、化学反応により別の化合物に変化し、還元して元の状態に１００％戻らない）な測定対象分子では、測定を継続すると、電極表面に酸化反応の生成物が堆積し、応答電流が低下するという問題点があった。また、後述するホウ素ドープダイヤモンド電極に比較すると電位窓は狭く、バックグラウンド電流も大きい問題点があった。

一方、ホウ素ドープダイヤモンド電極では、通常のダイヤモンド薄膜が絶縁性のため、電気化学測定用の薄膜として用いる為にはホウ素をドープして導電性を付与する必要がある。また、作製時には、通常７００℃程度の高温で、比較的長時間膜形成行う必要があり、高分子などの耐熱性に劣る素材上には膜を形成することはできない。また、作製した薄膜は、多結晶体からなり、表面が平坦でないため微小薄膜電極化する際に、光露光とドライエッチングなどのプロセスで、極微小な電極を加工するのは工夫が必要である。

また、高分子薄膜を加熱分解して炭素薄膜を得る方法では、材料によっては高い導電性を得るには、高い熱処理温度が必要なことや、膜の密着性に劣るなどの問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、作製時に汎用性があり、多くの基板に適用可能で、かつ電位窓が広く、電極反応生成物が吸着しにくく、ノイズの要因になる充電電流等が低く、極微小電極に加工する際に十分な平坦性を有する高感度電気化学検出のための炭素薄膜電極とその製造方法を提供することを目的とする。

本願発明者らは、鋭意研究の結果、炭素電極を、ｓｐ^２結合とｓｐ^３結合からなる微結晶ドメインから成る炭素で構成することにより、上記目的を達成することができ、また、このような炭素電極は、電子サイクロトロン共鳴スパッタに代表されるスパッタ法により炭素を基板上に堆積させることにより形成することができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、測定対象溶液中で測定対象分子を酸化又は還元反応により検出する電気化学測定用の炭素電極において、該炭素電極がｓｐ^２結合とｓｐ^３結合からなる微結晶ドメインから構成されていることを特徴とする電気化学測定用炭素電極を提供する。また、本発明は、電子サイクロトロン共鳴スパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法又はイオンビームスパッタにより炭素を基板上に堆積することを含む上記本発明の炭素電極の製造方法を提供する。

本発明の炭素電極によれば、基板上にｓｐ^２結合とｓｐ^３結合からなる微結晶ドメインからなる炭素薄膜を形成したことにより、従来、測定に用いられてきたグラッシーカーボン電極等に比較して電気化学反応に伴う分析対象物質の表面への強い吸着による電極面積の低下を抑制できる。また、導電性があるため、ダイヤモンド膜電極のようにホウ素のような別の元素を膜作製時にドープすることなく電気化学測定を行うことができる。また、その結果作製プロセスも容易である。

したがって、本発明の炭素薄膜は、ボルタンメトリやアンペリメトリなどの一般的な電気化学測定用電極、高速液体クロマトグラフィやフローインジェクション分析、キャピラリー電気泳動などの流れの系での電気化学測定、または、バイオセンサーや集積化マイクロチップなどの検出器に用いる電極用薄膜として極めて利用価値が大きい。

本発明の炭素電極は、ｓｐ^２結合（グラファイト型構造）とｓｐ^３結合（ダイヤモンド型構造）からなる微結晶ドメインから構成されている。すなわち、ｓｐ^２結合から成る微結晶性のドメイン（グラファイト型構造）を、ｓｐ^３結合で連結した微結晶性のドメインから構成されている。各微結晶性ドメインのサイズ（長径）は、通常、0.5nm〜100nm程度であり、これは、後述する照射イオンの加速電圧を調整することにより制御可能である。この炭素電極は、高い導電性を有し、電気化学的に非可逆な測定対象物質を電極反応後、電極上に実質的に吸着被覆しないことを特徴とする。この電気化学測定用電極では、ダイヤモンド電極の様にｓｐ^３結合を多数含む微結晶を含むことにより、従来のグラッシーカーボンやグラファイト電極に比較し、安定で広い電位窓を有する。また、ｓｐ^２結合を含むことにより、グラファイトに比較すると導電性は低いものの電気化学測定を行うのに十分な導電性を有しており、ダイヤモンド薄膜のようにドーピングを行う必要がない。

ｓｐ^３結合とｓｐ^２結合の結合比[sp³/sp²]は、特に限定されないが、0.05〜1.2の範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは0.6〜0.9の範囲にある。該結合比がこの範囲内にあると、電位窓がグラッシーカーボン電極に比べて大幅に広く、酸化電位の高い測定対象もより明瞭な電流信号として検出できる。この場合、電位窓を、従来のグラッシーカーボン電極に比べて正方向ならびに負方向にそれぞれ±２００ｍV以上広くすることができる。

本発明の炭素電極は、中心線平均粗さ（Ra）は、特に限定されないが、±1nm以下の平坦面を有することが好ましい。原子レベルで平滑なため、例えば、ヒスタミンやフェノール類、ＮＡＤＨなど電気化学的に可逆でなく、酸化電位の高い測定対象の吸着を抑制できる。また、極微小電極をリソグラフィ法により加工作製する際には、ホウ素ドープダイヤモンド膜のように多数の微結晶からなる膜に比べて表面がはるかに平滑なためより微細な電極を得ることができる。また、表面の充電電流を、従来のグラッシーカーボン電極に比べ１桁低くする(1/10程度にする）ことができる。

本発明の電極の膜厚は、特に限定されないが、30nm〜200nm程度が、十分な導電性を確保し極微小な電極を作製するという観点から好ましい。

本発明の炭素電極は、電子サイクロトロン共鳴(ECR)スパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法、又はイオンビームスパッタ法により炭素を基板上に被着することにより形成することができる。

ECRスパッタ法自体は周知であり、そのための装置も市販されているので、市販のECRスパッタ装置を用いて本発明の炭素電極を製造することができる。この場合、基板としては、種々のものが利用でき、好ましい基板材料の例として、シリコン、ガリウム砒素、インジウムリン、ステンレス、ニッケル、ポリイミド等を挙げることができる。また、ターゲットとなる炭素源は、炭素であれば特に限定されないが、好ましい炭素源の例として、焼結カーボン、を挙げることができる。

ＲＦスパッタ法自体も周知であり、そのための装置も市販されているので、市販のＲＦスパッタ装置を用いて本発明の炭素電極を製造することができる。この場合、基板としては、上記したECRスパッタ法について記載した種々の基板を用いることができる。また、ターゲットとなる炭素源は、炭素であれば特に限定されないが、好ましい炭素源の例として、焼結カーボンを挙げることができる。

ＤＣスパッタ法自体も周知であり、そのための装置も市販されているので、市販のＲＦスパッタ装置を用いて本発明の炭素電極を製造することができる。この場合、基板としては、上記したECRスパッタ法について記載した種々の基板を用いることができる。また、ターゲットとなる炭素源は、炭素であれば特に限定されないが、好ましい炭素源の例として、焼結カーボンを挙げることができる。

イオンビームスパッタ法自体も周知であり、そのための装置も市販されているので、市販のＲＦスパッタ装置を用いて本発明の炭素電極を製造することができる。この場合、基板としては、上記したECRスパッタ法について記載した種々の基板を用いることができる。また、ターゲットとなる炭素源は、炭素であれば特に限定されないが、好ましい炭素源の例として、焼結カーボンを挙げることができる。

上記した各スパッタ法において、ｓｐ^３結合とｓｐ^２結合の結合比は、照射イオンの加速電圧を調節することにより制御できる。イオン加速電圧は、基板にＲＦ又はＤＣバイアスを印加し、バイアス電圧を調節することにより制御することが可能である。下記実施例では、ECRスパッタ法において、イオン加速電圧を２０Ｖから１６０Ｖまで変化させた場合、８５Ｖにおいてｓｐ^３結合の割合が最も高かった。従って、下記実施例に記載するように、ルーチンな実験により、用いるECRスパッタ装置及び製造条件において、イオン加速電圧を変化させてｓｐ^３結合とｓｐ^２結合の結合比を調べることにより、所望の結合比を達成するイオン加速電圧を容易に知ることができる。

また、上記各スパッタ法を用いることにより、炭素電極の表面の中心線平均粗さ（Ra）を±1nm以下にすることができ、下記の実施例では、ECRスパッタ法により±0.1nm程度の中心線平均粗さ（Ra）を達成しており、RFスパッタ法により±0.1nm程度の中心線平均粗さ（Ra）を達成している。なお、中心線平均粗さ(Ra)は、表面を原子間力顕微鏡（AFM：atomic force microscope）で観察することにより測定することができる。

なお、ｓｐ^３結合とｓｐ^２結合の比率は、Ｘ線光電子分光分析(XPS)により測定することができる。すなわち、XPSにより結合エネルギー(eV)と強度(CPS)を測定し、結合エネルギー(eV)を横軸に、強度(CPS)を縦軸にプロットする。ｓｐ^３結合を表す曲線は、２８５．３eVに、ｓｐ^２結合を表す曲線は、284.3eVにピークを持つ。これらのピーク高さの比をとることによりｓｐ^３結合／ｓｐ^２結合を算出することができ、これから上記の結合比[sp³/(sp³+sp²)]を算出することができる。

以下、本発明を実施例に基づきより具体的に説明する。もっとも、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

１． ECRスパッタ法による炭素電極の製造
ECRスパッタ法に用いたECRスパッタ装置の構成の模式図を図１に示す。図１において、符号１は、メインチャンバー、２はロードロック室であり、メインチャンバー１は、プラズマ室と成膜室により構成されている。また、５は、Y分岐型のマイクロ波導波路、６は、マイクロ波導入窓、７はマイクロ波分岐点、８は環状の第１のコイル、９は第１のコイル８に平行に配置された環状の第２のコイル、１０は基板ホルダー、１１はストッパー、１２はゲートバルブ、１３は高周波（RF）バイアス印加のためのリード線である。基板ホルダー１０には、本発明の電気化学測定用炭素薄膜を形成するためのシリコン基板１４が固定され、成膜室４には、スパッタ用の円筒状のターゲット１５が設けられ、メインチャンバー１の中央部がプラズマが発生する領域とされている。

このECRスパッタ装置では、マイクロ波と磁場の作用によりメインチャンバー１内の電子の平均自由工程と運動エネルギーが増大し、その結果、電子衝撃による中性ガスの電離効率が高まり、０．０１Pa程度の低ガス条件でも１０^１２ｃｍ^−３レベルの高密度のECRプラズマｐを発生することができる。このECRプラズマｐは、プラズマを引き出すために外部から電場を印加する必要がなく、自動的にイオンが引き出される。

次に、このECRスパッタ装置を用いて、シリコン基板１４に炭素薄膜を形成する方法について説明する。まず、２インチのシリコン基板（酸化膜なし）１４をECRスパッタ装置の基板ホルダー１０にセットした。このECRスパッタ装置では、プラズマｐ流の途中に円筒型のターゲット１５を設けているので、このターゲットに電圧を印加すると。ターゲット１５の内周面にイオンが衝突し、スパッタリングが生じる。このため、このプラズマｐ流に直角に置いたシリコン基盤４上に薄膜が形成される。

ここでは、スパッタガスとしてアルゴン（Ar）を、ターゲット１５として焼結カーボン（C）を用い、アルゴン（Ar）のガス圧は、６×１０^−３〜１×１０^−１Paとした。基板温度は、２００℃とした。このECRスパッタ装置では、ガス圧とマイクロ波パワーを調節することにより所望のパワーを得ることができる。ここでは、イオン電流密度を０．８、３．６、７．９mＡ/ｃｍ^２の２通りとした。また、このイオン電流密度に対し、RFパワーバイアスを制御することにより、イオン加速電圧を２０〜１６０Ｖまで変化させた。ターゲットには、５００VのDC電圧を印加した。

バイアス８５Ｖで得られた炭素薄膜の膜厚は、４０nmであった。この方法では、スパッタ時に基板に与える損傷が小さい。比較的低温で、良質な成膜が可能であること、基板上でスパッタ原子の拡散を促進するなど、従来にない成膜特性を得ることができる。

２．電極の特性
炭素薄膜作製後、この薄膜の表面を原子間力顕微鏡（AFM：atomic force microscope）で観察したところ、±０．１nm程度の凹凸で、ほぼ原子オーダーで平滑であることが分かった。この電極をXPSにより測定すると、ｓｐ^２結合によるピークの近傍にｓｐ^３結合に基づく、ショルダー状のピークが観測され（図２）、このピークは、イオン加速電圧が８５Ｖの時にｓｐ^３結合のピークが最大になることが分かった（図３）。イオン加速電圧が８５Ｖの時は、図３に示すようにｓｐ^３結合とｓｐ^２結合との比率(ｓｐ^３／ｓｐ^２）が0.85であった。一方、市販のグラッシーカーボン膜や熱CVD法で作製したグラファイト状炭素薄膜（非特許文献１記載の方法により作製）では、ｓｐ^２結合によるピークのみが観測された。また、形成された炭素薄膜を電子顕微鏡で観察すると、ｓｐ^２結合から成る微結晶性のドメイン（グラファイト型構造）と、ｓｐ^３結合から成る微結晶性のドメイン（ダイヤモンド型構造）とが混在していることが確認された。イオン加速電圧８５Ｖで作製した炭素薄膜電極中の各微結晶ドメインのサイズは、0.5nm〜5nm程度であった。

なお、XPSは、市販のXPS装置であるKratos AXIS Ultraを用い、Ｘ線源は Al Kα :1846.6eVであった。結合エネルギー(eV)と強度(CPS)を測定し、結合エネルギー(eV)を横軸に、強度(CPS)を縦軸にプロットした（図２）。

３．電極の性能
次に上記１で作製した本発明の炭素薄膜電極を作用電極とし、銀塩化銀参照電極、及び対抗電極として使用する白金線と共に、リン酸緩衝溶液（ｐH7）に浸漬し、それぞれの電極をポテンシオスタット（CHI802）に接続して、電位を参照電極に対して７００mＶ印加した。電位印加後、図４の様に電流値は減少する。１０分後の電流値を測定すると、約３nAであった。一方、同一電極面積のグラッシーカーボン電極を用いて同じ測定を行うと約５０ｎAの電流が観測された。実験系には電極上で酸化する活性種を含まないため、この結果は、実際の電極表面積の差、或いは電極表面の反応性の差を示しており、本発明の薄膜電極のバックグラウンド電流が低く高感度計測に適していることが確認できた。また、硫酸０．１Ｍ溶液中、脱酸素後サイクリックボルタモグラム測定を行うと、本発明の炭素電極はグラッシーカーボン電極に比較し、酸化側で約４００ｍＶ電位が広いことが分かった。次に、ｐＨ７リン酸緩衝溶液に１００μMのヒスタミンを加えて測定を行ったところ、本発明の炭素薄膜電極では、グラッシーカーボン電極に比較し、より明瞭なピークが観測され、電位窓が明らかに広いことが確認された。

また、上記１で作製した本発明の炭素薄膜電極又は比較のためのグラッシーカーボン(GC)電極を用いてサイクリックボルタンメトリーを行い、充電電流を測定した。測定条件は、掃引速度100mV/秒、掃引範囲０〜２Ｖ（初期電位０Ｖ）、リン酸バッファー(pH7.0)中、電極面積0.071cm²（直径3mm)、脱気なし、撹拌なしであった。結果を図５に示す。図５に示す通り、本発明の炭素電極では、充電電流が従来のGC電極に比べて１桁小さくなっている。

１． RFスパッタ法による炭素電極の製造
RFスパッタ法によりカーボン膜を成膜した。基板はシリコン基板、ターゲットは焼結ターゲットを用いた。アルゴンガス圧は１Pa, RFパワーを５００Wとした。基板にRFバイアスを印加し、セルフバイアス電圧を印加RFパワーにより制御した。

２．電極の特性
セルフバイアス電圧により、ｓｐ^２とｓｐ^３の成分はECRスパッタの場合と同様に制御可能であった。セルフバイアスがー１００Vの時、ｓｐ^３が最大になり、このときの結合比[sp³/sp²]は０．４であった。また、電極の平坦性（中心線平均粗さ）は１nｍであった。なお、結合比[sp³/sp²]及び電極の平坦性は、実施例１と同様にして測定した。

フローインジェクション分析装置
図６は、本発明の炭素電極を含むフローインジェクション分析装置（電気化学検出）の１例を示す構成図であり、本発明の炭素薄膜電極をフローインジェクション分析用の液体フローセルに検出器として組み込んだ例である。図６において、符号２１は、炭素薄膜電極、２２は、薄層型フローセル（フローインジェクション分析用のフ液体フローセル）、２３はポンプ、２４は液だめ、２５はサンプルを注入するインジェクター、２６はポテンシオスタット（BAS社製、LC4C）、２７はレコーダー、２８は銀/塩化銀参照電極、２９は対向電極となるステンレス管である。

次に、このフローインジェクション分析装置を用いてフローインジェクション分析を行う方法について説明する。まず、第１の実施例と同様な方法により、炭素薄膜電極２１をECRスパッタ法により作製した。比較のため、市販のグラッシーカーボン電極（直径６ｍｍ）を用いた。次に、本発明の炭素薄膜電極２１を、テフロン（登録商標）テープにより６ｍｍの直径のディスク電極の部分以外を覆った後、薄層型フローセル２２へセットし、フローインジェクション分析装置を組み立てた。また、グラッシーカーボン電極についても同様に、薄層型フローセルへ順にセットし、フローインジェクション分析装置を組み立てた。

次いで、リン酸緩衝溶液（ｐH7）をポンプにより流量２００μｌ/分で送液した。電位は銀/塩化銀参照電極に対して９００mＶを印加し、インジェクターから１００μMのノニルフェノールを含む、リン酸緩衝溶液を注入した。その結果を図７に示す。本発明の炭素薄膜電極では、数回試料を注入しても、酸化電流の大きさが全く変化しないが、グラッシーカーボン電極を用いた場合は明確に電流ピークの減少が見られた。この結果は、本発明の炭素薄膜電極では、市販のグラッシーカーボン電極と異なり、フェノールが酸化後電極上を被覆しないことを示している。

微小炭素薄膜アレイ電極
図８は、本発明の炭素電極を利用した、微小炭素薄膜アレイ電極を示した概略図であり、３１は、微小ディスク電極、３２は光反応性高分子（レジスト）膜を用いた絶縁膜、３３は電極とポテンシオスタットを接続するためのパッド部分である。

まず、この微小炭素薄膜アレイ電極の製造方法について説明する。まず、実施例１と同様な方法により、炭素薄膜電極をECRスパッタ法により作製した。次いでスピンコート法により、この炭素薄膜上にポジ型フォトレジスト（PMMA）を約０．３μｍの厚みに塗布した。その後、電子線露光装置により、直径２００nｍの円形パターンを感覚２０μｍで面積２ｍｍ角の範囲を露光後、現像して露光部のレジストを溶解させて、２００nｍのディスク電極が多数配列した微小ディスクアレイ電極を作製した。比較のために熱CVD法で作製した炭素薄膜とホウ素ドープダイヤモンド薄膜を利用して同様のパターン形成を行ったところ、グラファイト薄膜電極では、同一サイズの形状が形成できたものの、ダイヤモンド薄膜では、４００nｍ以上のパターンしか精度良く形成できず、これは本発明の炭素薄膜電極の平坦性がダイヤモンド薄膜に比較し優れていることを示している。

パターン形成後、微小炭素薄膜アレイ電極は、実施例３の形態と同一のフローセルにセットした。また比較のために熱CVD法で作製した炭素薄膜を同様な方法により微小炭素薄膜アレイ電極化したものも使用した。本実施例では、図６で使用したポンプに変えて、２本のシリンジポンプを使用し、一方にリン酸緩衝溶液（ｐH7）を含む溶液を、もう一方に１００μMのヒスタミンを含むリン酸緩衝溶液を入れ、シリンジポンプで交互に送液することにより、特性を評価した。送液速度は、２０μｌ/分とし電極には、銀/塩化銀参照電極に対して、１．２Vの固定電位を印加した。本発明の炭素薄膜電極から作製した微小炭素薄膜アレイ電極では、リン酸緩衝溶液をヒスタミンを含むリン酸緩衝溶液に変えるとヒスタミンの酸化に伴う電流上昇が観測された後の電流値の低下は少ない。一方、熱CVD法で作製した炭素薄膜から作製した微小炭素薄膜アレイ電極ではヒスタミンを連続的に導入し、一旦酸化電流が増大した後、電流値は急速に低下した。この結果は、本発明の炭素薄膜電極では、酸化電位が高い測定対象の検出に使用しても、酸化反応生成物が電極表面を被覆しないことを示している。

酸化反応の測定
図９には実施例１で作製した本発明の炭素薄膜電極によるサイクリックAMP（サイクリックアデノシンモノフォスフェイト。以下、cＡＭＰ）他の酸化反応を示している。cＡＭＰは高電位に酸化電位を有し、生物学的に非常に重要な核酸誘導体（細胞内セカンドメッセンジャー）であることが知られている。実験は炭素薄膜電極を作用電極とし、銀塩化銀参照電極、及び対向電極として使用する白金線と共に、リン酸緩衝溶液（ｐH7.4）に浸漬し、それぞれの電極をポテンシオスタット（CHI 660A）に接続して、サイクリックボルタンメトリー法により電位を参照電極に対して0 mV〜２３００ｍVまで、掃引し観察を行った。その結果、銀塩化銀参照電極に対して１７３１mVにcAMPの酸化電位が観察された。また、他の核酸誘導体（cＧＭＰ；サイクリックグアノシンモノフォスフェイト, cＣＭＰ；サイクリックシチジンモノフォスフェイト、cＴＭＰ；サイクリックチミジンモノフォスフェイト）に対してもそれぞれ、１．２８４mV，１．８７１ｍV、１．８４６mＶに明瞭な酸化ピーク電流が観察できた。これは、バックグラウンド電流の高いグラッシーカーボン電極では観察不可能であることから、本発明による炭素薄膜電極の高電位酸化の有用性が明らかに認められた。

図１０は、実施例１−３に記載したヒスタミン測定と同様に行なった、本発明の炭素薄膜電極とグラッシーカーボン電極でのNADH（ニコチンアデニンジヌクレオチド）測定の結果を示している。測定回数が増すにつれグラッシーカーボン電極はその酸化ピーク電流値○３（マル３）は減少しかつ酸化電位○４（マル４）の高電位へのシフトが見られた。これは電極表面上で生成したプロダクトが電気化学非活性状態で吸着し、後続の反応を阻害していることを示している。対照的に、炭素薄膜電極は酸化ピーク電流○１（マル１）ならびに酸化電位○２（マル２）ともに測定回数による変動がほとんど観察されなかった。これは生成したプロダクトの吸着がグラッシーカーボン電極と比較して効果的に抑制されていることを示している。

本発明の実施例において、炭素薄膜電極を作製する際に用いたECRスパッタ装置を示す構成図である。本発明の実施例において、ECRスパッタ法により、イオン加速電圧を２０Ｖ又は８５Ｖとして作製した炭素薄膜電極の、XPS C1sスペクトルを示す。本発明の実施例においてECRスパッタ法により作製した炭素薄膜電極のsp³/sp²比の加速電圧依存性を示す図である。本発明の実施例においてECRスパッタ法により作製した炭素薄膜電極の酸化電位印加時の電流の時間変化を市販のグラッシーカーボン電極と比較した測定結果を示す図である。本発明の炭素薄膜電極又は比較のためのグラッシーカーボン(GC)電極を用いてサイクリックボルタンメトリーを行い、充電電流を測定した結果を示す図である。本発明の炭素電極を用いたフローインジェクション分析装置の１例を示す構成図である。本発明の実施例で作製した、本発明の炭素電極を用いるフローインジェクション分析装置を用いて測定したパラノニルフェノールの測定結果を示す図である。本発明の炭素電極を用いる微小炭素薄膜アレイ電極の構造を示した概略図である。本発明の実施例において、ECRスパッタ法により作製した炭素薄膜電極を用いて測定したサイクリックAMP類の測定結果である。本発明の実施例において、ECRスパッタ法により作製した炭素薄膜電極又はグラッシーカーボン電極を用いて測定したＮＡＤＨのサイクリクボルタモグラムのピーク値と電位の経時変化を示す図である。

符号の説明

１メインチャンバー
２ロードロック室
３プラズマ室
４成膜室
５ Y分岐型のマイクロ導波路
６マイクロ波導入窓
７マイクロ波分岐点
８第１のコイル
９第２のコイル
１０基板ホルダー
１１ストッパー
１２ゲートバルブ
１３リード線
１４シリコン基板（酸化膜なし）
１５ターゲット
２１本発明の炭素薄膜を形成したシリコン基板
２２薄層型フローセル（フローインジェクション分析用のフ液体フローセル）
２３ポンプ
２４液だめ
２５サンプルを注入するインジェクター
２６ポテンシオスタット（BAS社製、LC4C）
２７レコーダー
２８銀/塩化銀参照電極
２９対向電極となるステンレス管
３１微小ディスク電極
３２光反応性高分子（レジスト）膜を用いた絶縁膜
３３電極とポテンシオスタットを接続するためのパッド部分

Claims

測定対象溶液中で測定対象分子を酸化又は還元反応により検出する電気化学測定用の炭素電極において、該炭素電極がｓｐ^２結合とｓｐ^３結合からなる微結晶ドメインから構成されていることを特徴とする電気化学測定用炭素電極。
前記ｓｐ^３結合とｓｐ^２結合の結合比[sp³/sp²]が0.05〜1.2の範囲にある請求項１記載の電極。
中心線平均粗さ（Ra）が、±1nm以下の平坦面を有する請求項１又は２記載の電極。
電子サイクロトロン共鳴スパッタ法、ＲＦスパッタ法、ＤＣスパッタ法又は、イオンビームスパッタ法により基板上に炭素膜を形成することを含む請求項１記載の炭素電極の製造方法。
基板に照射するイオンの加速電圧を調節することにより、ｓｐ^３結合とｓｐ^２結合の結合比[sp³/sp²]を調節することを含む請求項４記載の方法。