JP2008215887A - 電気化学センサ及び電気化学センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】安価な材料を用いながら、グルコース、尿酸等の生体関連物質などの濃度を高い精度で測定することが可能なセンサを提供すること。
【解決手段】支持体２１と、支持体２１上に形成された導電性のＤＬＣ膜からなる作用電極２と、対極３とを備える電気化学センサ１。また、電気化学センサ１と、電気化学センサ１を検体の酸化還元電流が検出されるように制御する制御部とを備える電気化学センサシステム。
【選択図】図２

Description

本発明は電気化学センサ及び電気化学センサシステムに関する。

従来、グルコース、尿酸などの生体関連物質は、酵素を用いたセンサを用いる方法により検出されるのが一般的である。酵素を用いない方法としては、ホウ素等の混入により導電性が付与されたダイヤモンド電極を用いて電気化学的にグルコース濃度を測定する方法が提案されている。
特開２００２−３１０９７７号公報

酵素やダイヤモンド電極を用いた従来のセンサは高価であり、より安価な材料を用いたセンサが望まれる。しかも、本発明者らの検討によれば、酵素やダイヤモンド電極を用いて血液のグルコース濃度を測定した場合、血液に含まれる血小板が酸素やダイヤモンド電極上で凝固してしまうため、センサを洗浄して再利用することが極めて困難である。材料が高価であることから、再利用が困難であり、改善の余地がある。

そこで、本発明は、安価な材料を用いながら、グルコース、尿酸等の生体関連物質等の濃度を高い精度で測定することが可能なセンサを提供することを目的とする。

一つの側面において、本発明は電気化学センサに関する。本発明に係る電気化学センサは、支持体と、該支持体上に形成された導電性のＤＬＣ膜からなる作用電極と、対極と、を備える。

上記本発明に係る電気化学センサによれば、安価な材料を用いながら、グルコース、尿酸等の生体関連物質の濃度を高い精度で測定することが可能である。検体としての生体関連物質を含む試料に電気化学センサの作用電極及び対極を接触させながら、作用電極と対極との間の所定の電位における電流値が測定される。このとき、作用電極の電位を検体の酸化還元電流が適切に観測される電位に設定することにより、検体の酸化還元電流値が測定される。一般に検体の濃度は酸化還元電流値と相関するため、これらの相関関係を表す検量線を予め作成しておけば、測定された酸化還元電流値から、この検量線に基づいて検体の濃度を算出することができる。

上記ＤＬＣ膜は、遷移金属元素を含有することが好ましい。また、本発明に係る電気化学センサは、ＤＬＣ膜の表面に固定された生体関連物質を更に備えることが好ましい。これにより、検体の検出感度がより高められる。

本発明に係る電気化学センサは、ＤＬＣ膜の表面に固定された、検体を捕捉する化合物であって捕捉された検体の量に応じて酸化還元物質の酸化還元電流を定量的に変化させる化合物を更に備えていてもよい。これにより、電気化学反応に直接寄与しない検体であっても、その濃度を別の酸化還元物質の酸化還元電流に基づいて検出することが可能になる。

上記支持体はプラスチック基板であることが好ましい。安価で軽量なプラスチック基板を用いることにより、センサを使い捨てで大量に使用することがより容易になる。また、プラスチック基板は検体が比較的吸着し難く、測定後の洗浄が容易であるという利点もある。導電性のダイヤモンド薄膜を成膜するためには高温に加熱する必要があり、プラスチック基板上にダイヤモンド薄膜を形成することは極めて困難であったのに対して、ＤＬＣ膜であれば比較的低温での成膜が可能であり、支持体としてプラスチック基板を採用することができる。

電気化学センサは、作用電極及び対極を覆うゲル電解質膜を更に備えていてもよい。これにより、アンモニア、アセトン等のガスを検体としてその酸化還元電流や濃度を測定することが可能になる。

別の側面において、本発明は電気化学センサシステムに関する。本発明に係る電気化学センサは、上記本発明に係る電気化学センサと、該電気化学センサにおいて生じる酸化還元電流を検出する制御部と、を備える。このシステムによれば、安価な材料を用いながら、グルコース、尿酸等の生体関連物質の濃度を高い精度で測定することが可能である。

本発明に係る電気化学センサによれば、安価な材料を用いながら、グルコース、尿酸等の生体関連物質の濃度を高い精度で測定することが可能である。

また、ＤＬＣ膜は表面にグルコース等が付着しにくく、測定後に容易に洗浄することができる。したがって、センサを容易に繰り返して使用することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、電気化学センサシステムの一実施形態の概略を示すブロック図である。図１に示す電気化学センサシステム１００は、作用電極２、対極３及び参照電極５を有する電気化学センサ１と、電気化学センサ１を検体の酸化還元電流が検出されるように制御する制御部１０と、を備える。作用電極２、対極３及び参照電極５はそれぞれ制御部１０と電気的に接続されている。作用電極２は参照電極５を基準として所定の電位に維持されるように制御部１０によって制御される。そして、作用電極２と対極３との間の電流が制御部１０によって検出される。

本発明に係る電気化学センサシステムは、例えば図２に示す実施形態のように、参照電極を備えていなくてもよい。この場合、作用電極２の電位は対極３を基準として制御される。

図３は、電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。図３に示す電気化学センサ１は、第１の基板２１と、第１の基板２１の一方面において一方の端部近傍に設けられた作用電極２、対極３及び参照電極５と、作用電極２、対極３及び参照電極５にそれぞれ接続されるとともに第１の基板２１の他方の端部まで延在するように第１の基板２１上に形成されたリード線２ａ，３ａ及び５ａと、第１の基板２１に接着された、作用電極２、対極３及び参照電極５が露出するような窓２５が形成されている第２の基板２２とから構成される。第２の基板２２は、リード線２ａ，３ａ及び５ａのうち第１の基板２１の他方の端部近傍以外の部分を覆っている。

作用電極２は、導電性のＤＬＣ膜である。ＤＬＣ膜は、一般にダイヤモンド状炭素膜、ダイヤモンド様炭素膜、ダイヤモンドライクカーボン膜、又はｉ−カーボン膜とも呼ばれる。ＤＬＣ膜は主として炭素及び水素から構成され、ｓｐ^３結合及びｓｐ^２結合が混在する非晶質炭素膜である。ＤＬＣ膜の組成をＣＨ_ｎで表すとき、０．０５≦ｎ≦０．７である。なお、ダイヤモンド膜はダイヤモンド構造を有する結晶を含んだ膜であり、ＤＬＣ膜とはその構造が異なる。ＤＬＣ膜とダイヤモンド膜はラマン分光分析によって明確に区別できることが知られている。ラマンスペクトルにおいて、ダイヤモンド膜の場合１３３３ｃｍ^−１に明確なピークが観測されるのに対して、ＤＬＣ膜の場合１３５０ｃｍ^−１付近のＤｉｓｏｒｄｅｒｅｄバンドおよび１５５０ｃｍ^−１付近のＧｒａｐｈｉｔｉｃバンドにブロードなピークが観測される。

本発明者らの知見によれば、ＤＬＣ膜を作用電極として用いた場合、アスコルビン酸のような尿中の成分の酸化電位が高電位側にシフトする。この電位シフトの結果、グルコースや尿素の酸化電流が、所定の電圧においてアスコルビン酸等の酸化電流と分離して観測される。その結果、アスコルビン酸等の混在成分が存在する血液におけるグルコースや尿素の濃度を高精度で測定することが可能になる。

また、ＤＬＣ膜の表面はダイヤモンド膜等と比較して平滑であり、検体を含む試料液に浸して測定した後に、試料液が表面に残留し難く、洗浄が容易であるという利点も有する。例えば、ダイヤモンド膜の場合、血清のグルコース濃度測定に用いられたとき、膜表面に残留した血清を充分に洗浄するのは困難である。血液の検査に用いられたときは、ダイヤモンド膜上で血しょうが凝固してしまうため、作用電極としての再使用は事実上不可能である。一方、ＤＬＣ膜の場合は、試料液の残留や血しょうの凝固による固着も明らかに少なく、作用電極として容易に再使用できる。

例えばＳｉウエハ上に形成されたＤＬＣ膜のＪＩＳ B０６０１に定められた方法で測定される表面粗さＲａは、０．１μｍ以下である。一方、ダイヤモンド膜の表面粗さＲａは、通常０．５〜３μｍ程度である。

作用電極２としてのＤＬＣ膜は、電極として機能する程度の導電性を有する。具体的には、ＤＬＣ膜の抵抗率は好ましく１０^８Ωｃｍ以下であり、より好ましくは１０^６Ωｃｍ以下であり、更に好ましくは１０^２Ωｃｍ以下である。抵抗率の下限は特に制限はないが、通常１０^−４Ωｃｍ程度である。

ＤＬＣ膜は、その導電性を高めるために、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、ビスマス、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム及びタリウムからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素によってドープされる場合が多い。

導電性のＤＬＣ膜は、当業者には理解されるように、イオン化蒸着法、高周波プラズマＣＶＤ法等、ＤＬＣ膜の成膜方法として通常採用されている方法によって形成することができる。成膜の際、炭素源としての炭化水素ガスとともに、窒素ガス、アンモニアガス及びピリジン等の含窒素有機物、酸化ホウ素とアルコール類若しくはケト類、又はホウ素アルコキシドのようなガスを併用することにより、窒素、ホウ素等によりドープされたＤＬＣ膜が形成される。例えば、炭化水素ガスと、窒素ガスと、場合により水素、ネオン、ヘリウム、アルゴン及び酸素からなる群より選ばれる少なくとも１種の添加ガスとを含む混合ガスを真空成膜装置内に原料ガスとして導入しながら、原料ガスに１３．５６ＭＨｚの周波数の電圧を印加してプラズマ化させ、プラズマ化した原料ガスから生成した炭化水素を堆積させる方法により、導電性のＤＬＣ膜を形成することができる。

ＤＬＣ膜の膜厚は、０．０１〜２０μｍであることが好ましい。この膜厚が０．０１μｍ未満であるとＤＬＣ膜の抵抗値が大きくなる傾向にあり、２０μｍを超えると支持体としての基板が反ったり基板にクラックが入ったりしやすくなる傾向にある。同様の観点から、ＤＬＣ膜の膜厚は、より好ましくは０．０５〜１０μｍであり、更に好ましくは０．１〜５μｍである。

第１の基板２１とＤＬＣ膜（作用電極２）の間に、密着力を向上するためのケイ素と炭素から構成される非晶質混合層などの中間層を設けてもよい。

ＤＬＣ膜は、遷移金属元素を含有することが好ましい。遷移金属元素は、金属微粒子の状態でＤＬＣ膜に添加されていてもよいし、酸化物、窒化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物、又はフタロシアニン等の有機物との金属錯体としてＤＬＣ膜に添加されていてもよい。遷移金属元素は、具体的には、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、金、ランタン、セリウム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ディスプロシウム、ホルミウム、エウロピウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、アクチニウム、トリウム、プロトアクチニウム、ウラン、ネプツニウム、アメリシウム、キュリウム、バークリウム、カルフォルニウム、アインスタイニウム、フェルミウム、メンデレビウム、ノーベリウム及びローレンシウムからなる群から選ばれる。これら遷移金属元素はｄ空位軌道を有していることから、検体の酸化還元反応を促進する触媒機能を有する。これにより、検体の検出感度が向上する。触媒機能としての機能を発現し易くするため、遷移金属元素はＤＬＣ膜の表面に存在していることが好ましい。

遷移金属元素をＤＬＣ膜に添加する方法としては、例えば、真空蒸着、イオンプレーティング、ＲＦスパッタリング、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、イオン注入、電気化学的電析、メカノケミカル反応、熱拡散又は塗布による方法が挙げられる。ＤＬＣ膜の成膜の際に原料ガスとして同時に導入してもよい。

ＤＬＣ膜の表面に、フッ素、塩素及びヨウ素のようなハロゲンや、酸素を結合させてもよい。これにより、ＤＬＣ膜のぬれ性や血しょうの付着性などを制御できる。また、ＤＬＣ膜の表面に各種の化合物を結合させることにより、化学修飾することもできる。化学修飾により、例えば、水素、水酸基、カルボキシル基及びアミノ基のような官能基が表面に導入される。あるいは、フェロセン、ニッケロセン、ルテニウムカルボニル錯体、ルテニウムプルシアンブルー類似体、オスミウム２，２’−ビピリジン錯体、フタロシアニン系のコバルトポルフィリン錯体、及びそれらの誘導体（例えば４−（４−フェロセンフェニルイミノメチル）フェノール）のような錯体触媒や、シトクロームオキシターゼ、Ｄ−アミノ酸酸化酵素、ヘム酸化酵素、ＮＡＤＨオキシダーゼ、銅アミンオキシダーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ＨＩＦ−１プロリン水酸化酵素、キヌレニン酸化酵素、ユビキノール酸化酵素、リポキシゲナーゼ，カタラーゼ，ペルオキシダーゼ、グルタチオンパーオキシダーゼ、グルコースオキシターゼ、フェノール酸化酵素、カウレン酸酸化酵素、スーパーオキシドディスムターゼ、キサンチンオキシダーゼ、コレステロール酸化酵素、コレステロールエステラーゼ、リパーゼ、アルカリホスファターゼ、ホスホリパーゼＣ、アシルＣｏＡ合成酵素、ウレアーゼ、グルタミン酸脱水水素酵素、ウリカーゼ、クレアチニナーゼ、クレアチナーゼ、ピルビン酸酸化酵素、メチオニンローリアーゼ、乳酸脱水素酵素、Ｌ−アミノ酸酸化酵素、クエン酸リアーゼ、グリコーゲンホスホリラーゼ、コリンエステラーゼ、ペニシリナーゼ、ヒポキサンチン・グアニンホスホリボシルトランスフェラーゼ、コリンエステラーゼ、アミノアシラーゼ、アミノトランスフェラーゼ、グルコースイソメラーゼ、アスパルターゼ、ペニシリンアミラーゼ、フマラーゼ、ラクターゼ、Ｌ−Ａｓｐ ｂ−脱炭酸酵素、ニトリルヒドラターゼ、ａ−グルコシルトランスフェラーゼ、ｂ−フルクトフラノシダーゼ、リパーゼ、マルトオリゴ糖生成酵素、ビール酵母、ナリンジナーゼ、パパイン、脱水素酵素(菌体)、アセテートキナーゼ、ホスホジエステラーゼ、クレアチナーゼ及びザルコシンオキシダーゼ等のような検体の酸化還元反応を促進する生体関連物質をＤＬＣ膜表面に固定してもよい。

静電力、ファンデルワールス力、配位結合、水素結合及びインサーション等により検体を捕捉する化合物であって、捕捉された検体の量に応じて酸化還元物質の酸化還元電流を定量的に変化させる化合物がＤＬＣ膜の表面に固定されていてもよい。この場合、検体を捕捉する化合物により検体が捕捉されたときに、フェロセン等の酸化還元物質の酸化還元反応が促進又は抑制される。酸化還元物質の酸化還元電流値は捕捉される検体の量に応じて定量的に変化する。そして、捕捉される検体の量は試料中の検体濃度に比例する。したがって、電気化学反応に直接的には寄与しない検体であっても、所定の酸化還元物質の酸化還元電流値と検体の濃度との相関関係を表す検量線を予め作成しておけば、所定の酸化還元物質の存在下で試料中の濃度を検出することが可能になる。

ＤＬＣ膜の場合、その表面に検体を捕捉する化合物を有機化学反応によって容易に固定することができる。また、ＤＬＣ膜は、残余電流が少なく、金属電極、ガラス状炭素電極や高配向熱分解炭素電極と比較して検出感度が高いという利点も有している。

検体を捕捉する化合物の具体例としては、クラウンエーテル、チオ尿素、環状ポリアミド、α，α−Ｂｉｓ（Ｎ’−ｂｕｔｙｌｔｈｉｏｕｒｅｙｌｅｎｅ）−ｍ−ｘｙｌｅｎｅ、α，α−Ｂｉｓ（Ｎ’−１−ｎａｐｈｔｈｙｌｔｈｉｏｕｒｅｙｌｅｎｅ）−ｍ−ｘｙｌｅｎｅ、２，７−Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ−９，９−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−４，５ｘａｎｔｈｅｎｅｄｉｙｌｂｉｓｃａｒｂａｍｉｃ ａｃｉｄ ｄｉｂｅｎｚｙｌ ｅｓｔｅｒ、２，７−Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ−９，９−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−４，５−ｂｉｓ（Ｎ’−ｂｕｔｙｌｔｈｉｏｕｒｅｅｙｌｅｎｅ）−ｘａｎｔｈｅｎｅ、２，７−Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ−９，９−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−４，５−ｂｉｓ（Ｎ’−ｐｈｅｎｙｌｔｈｉｏｕｒｅｙｌｅｎｅ）−ｘａｎｔｈｅｎｅ、及び２，７−Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ−９，９−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−４，５−ｂｉｓ（Ｎ’−ｐｈｅｎｙｌｔｈｉｏｕｒｅｙｌｅｎｅ）−ｘａｎｔｈｅｎｅ及びＤＮＡが挙げられる。

第１の基板２１は、作用電極２、対極３及び参照電極５を支持する支持体である。第１の基板２１は、電気化学センサとしての使用に耐え得る物理的強度を有していればよい。具体的には、例えば、金属、プラスチック、セラミックス、及び紙等から形成された基板を第１の基板２１（支持体）として用いることができる。支持体に吸着し易い検体の濃度を測定する場合には、プラスチックから形成されたプラスチック基板を用いることが好ましい。プラスチック基板の中でも、ポリエチレン及びポリプロピレンのようなオレフィン系高分子、ポリカーボネート、並びにポリエチレンテレフタレートから選ばれるプラスチックからなるプラスチック基板が好ましい。プラスチック基板はフィルムであってもよいし、不織布であってもよい。

対極３は、電気化学反応において通常用いられる電極用の導電性材料から構成される。好ましくは、対極３は、白金及び金のような貴金属、銀−塩化銀、又は水銀−塩化水銀から構成される。

参照電極５は、典型的には、銀−塩化銀、又は水銀−塩化水銀から構成される。参照電極５はペーストを用いる方法により形成することができる。

リード線２ａ，３ａ，５ａは、銅等の導電性材料から構成され、メタルマスクを用いた通常の方法により形成することができる。

第２の基板２２は、第１の基板２１と同様の基板が用いられる。第１の基板２１と第２の基板２２は作用電極２等を間に挟んで接着剤により接着される。

図４は、参照電極を備えていない電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。図４に示す電気化学センサ１は、参照電極５及びこれに接続されるリード線５ａが形成されていないことの他は、図３の電気化学センサ１と同様の構成を有する。

本発明に係る電気化学センサは以上説明したような実施形態に限定されるものではない。例えば、作用電極、対極及び参照電極を覆うゲル電解質膜が形成されていてもよい。これにより、アセトン、アンモニア等のガスを検体としてその酸化還元電流や濃度を測定することが可能になる。この場合、ゲル電解質は、検体を溶解すものであればよく、例えば、リン酸水素ニナトリウム−リン酸ニ水素カリウムによるｐＨ７．４の緩衝溶液、又はホウ酸−ホウ砂によるｐＨ８．４の緩衝溶液に寒天又はゼラチンを加えたものが挙げられる。ゲル電解質膜の厚みは、０．１〜２０μｍ程度が好ましい。

電気化学センサシステム１００を構成する制御部１０は、例えば、作用電極２の参照電極５に対する電位を制御するポテンシオスタットと、作用電極２と対極３との間に流れる電流を計測する電流計と、ポテンシオスタット及び電流計を制御するプロセッサとから構成される。プロセッサ（ＣＰＵ＝中央演算装置）は、所定のソフトウエアを実行することにより、ポテンシオスタット及び電流計を制御する。ポテンシオスタットは、作用電極２の電位を検体固有の酸化還元電流が適切に検出されるような所定の電位に維持するように制御される。また、プロセッサは、所定の電位における検体の濃度と酸化電流値との関係に関する検量線を読み込んでこの検量線に基づいて検体の濃度を算出する。

図５は、検体の濃度を測定する方法の一実施形態を示すフロー図である。ステップＳ１では予め作成された検量線データがプロセッサに読み込まれる。ステップＳ２で作用電極を所定の電位Ｅ_ｎに保持し、ステップＳ３で作用電極−対極間の電流値Ｉ_ｎを電圧印加の開始から所定の時間ｔ_ｎ秒後に測定する。ステップＳ４で電流値Ｉ_ｎを読み込み、ステップＳ５で検量線からの内挿に基づいて検体の濃度Ｃが算出される。ステップＳ６で算出結果の妥当性を判断し、妥当であればステップＳ７で結果が表示される。算出結果が妥当でないと判断された場合、ステップＳ２に戻る。

このような電気化学センサシステムによれば、検体固有の酸化還元電位を利用した電位設定により、複数の検体を分離して検出することが可能である。この点で本実施形態に係るシステムは、複数の検体を区別して検出することができない半導体式センサよりも優れる。

本実施形態に係るシステムによって検出される検体は、酸化還元反応を生じる化学物質であれば特に限定されないが、生体試料、環境試料、農工業試料又は食品試料中の多様な有機物又は無機物などを検体とすることができる。検体の具体例としては、グルコース、コレステロール、乳酸、クレアチニン、蛋白質、過酸化水素、アルコール、コレステロール、グルタミン酸、アルコールアミノ酸、アンモニア、トリメチルアミン、アセトン、エタン、ペンタン、水素、酸素、メタン、プロパン、ブタン、イソプレン、メルカプタン類、フェロセン、シトクローム、Ｄ−アミノ酸、ヘム、アミン、ガラクトース、ＨＩＦ−１プロリン、キヌレニン、ユビキノール、リノール酸などの不飽和脂肪酸、グルタチオン、フェノール、カウレン、過酸化水素、コレステロール、コレステロールエステル、中性脂肪、尿素、アンモニア、尿酸、クレアチニン、クレアチン、ビリルビン、メチオニン、乳酸、ピルビン酸、クエン酸、キサンチン、ヒポキサンチン・グアニンホスホリボシルトランスフェラーゼ、コリンエステラーゼ、アセチル−ＤＬ−アミノ酸、フマル酸、ペニシリンG、L-アスパラギン、アクリロニトリル、ショ糖、ＤＬ−アスパラギン酸、液化デンプン、ＡＤＰ及びザルコシンが挙げられる。これらの中でも、本実施形態に係るシステムは血液又は血清中のグルコース等の生体関連物質の濃度を決定するために用いられるときに特に有用である。

検体の他の具体例としては、上記以外の生体関連物質である、カフェイン及びテオフィリンのようなアルカロイド系物質、セロトニン、ヒスタミン、グルタチオン、テオフィリン（喘息治療薬）、ホモシステイン、グルタチオン、２-メルカプトエタンスルホン酸、セファレキシン、ナプロセン、ＮＡＤＨ及びそれらの誘導体が挙げられる。更に、環境ホルモンとされるビスフェノールＡ、ダイオキシン前駆体であるクロロフェノール、めっき液添加剤であるポリエチレングリコール（ＰＥＧ）及びビス３−スルホプロピルジスルフィド（ＳＰＳ）、サッカリン、ブチンジオール等のジオール類が挙げられる。

以下、実施例を挙げて本発明についてより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

１．電気化学センサの作製とこれを用いた検体濃度の測定
実施例１
原料ガスとしてＳｉ_２Ｈ_６及びＣＨ_４を用い、イオン化蒸着装置を使用してケイ素と炭素から構成される非晶質層（厚さ３μｍ）を０．２５ｃｍ^２のアルミニウム板上に形成させた。これを、対向して配置された１対の電極を備える真空成膜装置内に入れ、原料ガスとしてエタン及びピリジンを供給しながら電極間に１３．５６ＭＨｚの周波数を有する電圧を印加し、原料ガスをプラズマ化させた。プラズマ化された原料ガスから生成した炭素が非晶質層上に堆積し、作用電極としての導電性のＤＬＣ膜が形成された。ピリジンは水素ガスをキャリアガスとして用いて導入した。形成された作用電極の抵抗率は０．３Ωｃｍ^−１であった。作用電極と同様の条件で対極としてのＤＬＣ膜も形成させた。また、参照電極としての銀−塩化銀電極も形成させた。以上のようにして電気化学センサを作製した。

上記で作製した電気化学センサを、駆動用ソフトウェアが読み込まれたプロセッサにより制御されるポテンシオスタットに接続し、作用電極−対極間に流れる電流値が計測されるように電気化学センサシステムを構成した。

尿酸及びアスコルビン酸を０．０５Ｍリン酸水素ニナトリウム−リン酸ニ水素カリウムによるｐＨ７．４の緩衝溶液に溶解して、尿酸の濃度が０．５００ｍＭ、アスコルビン酸の濃度が１．０ｍＭである試料溶液を調製した。ポテンシオスタットが接続された電気化学センサの作用電極、参照電極及び対極を試料溶液に浸し、参照電極に対する作用電極の電位を０．８Ｖに設定した。そのときの作用電極−対極間の電流を尿酸の酸化電流とみなしてその電流値を測定した。測定された尿酸の酸化電流値は０．０８０ｍＡ・ｃｍ^−１であった。この酸化電流値から、尿酸濃度と酸化電流値との関係に関する検量線を読み込んだプロセッサにより、試料溶液の尿酸濃度は０．５０１ｍＭと計算された。計算された濃度の実際の濃度に対する誤差は０．２％であった。

比較例１
作用電極として白金板を用いたことの他は実施例１と同様の方法で尿酸の酸化電流値を測定したところ０．１３２２ｍＡ・ｃｍ^−１であり、尿酸濃度は０．８２４８ｍＭと計算された。誤差は６４．８％であった。

比較例１のように作用電極として白金板を用いた場合、尿酸とアスコルビン酸の酸化電位が近接しており、これらの酸化電流に基づく電流ピークが重なって観測される。そのため、観測される酸化電流は尿酸だけでなくアスコルビン酸の酸化電流も含んでおり、これから求められる濃度も大きな誤差を含んでいた。これに対して、ＤＬＣ膜を作用電極として用いた実施例１の場合、アスコルビン酸の酸化電位が高電位側にシフトし、尿酸の酸化電流を単独で観測可能であることから、尿酸濃度が高い精度で定量された。

実施例２
試料溶液にアスコルビン酸を投入しなかったこと以外は実施例１と同様にして測定を行ったところ、尿酸濃度は０．５０１ｍMと計算された。計算された濃度の実際の濃度に対する誤差は０．２％であった。

比較例２
作用電極として白金板を用いたことの他は実施例２と同様にして測定を行ったところ、尿酸濃度は０．４６２ｍMと計算された。計算された濃度の実際の濃度に対する誤差は７．６％であった。白金板の場合、水の吸着による電気化学反応が起こり、これが残余電流として検出されたために誤差が大きくなったと考えられる。これに対して実施例２のようにＤＬＣ膜の場合は、白金板と比較して残余電流が少ないため高い検出精度が達成された。ガラス状炭素電極又は高配向熱分解炭素電極を用いて同様の実験を行った場合も、ＤＬＣ膜と比較して誤差が大きかった。

実施例３
実施例１と同様の条件で、作用電極又は対極としてのＤＬＣ膜をポリカーボネート基板上に形成した。形成されたＤＬＣ膜上に、ＲＦスパッタによりナノメータスケールの粒径を有する銅微粒子を堆積させた。銀及び塩化銀を含むペーストの印刷により参照電極を形成させた。また、リード線としての３本の銅配線パターンを、作用電極、対極又は参照電極にそれぞれ接続されるようにメタルマスクを用いて形成させた。そして、作用電極、対極及び参照電極と銅配線パターンの端部が露出するような窓が形成されたポリカーボネートフィルムを接着して、図３と同様の構成を有する電気化学センサを作製した。これに実施例１と同様にポテンシオスタットを接続して、電気化学センサシステムを構成した。

グルコースを０．０５Ｍリン酸水素ニナトリウム−リン酸ニ水素カリウムによるｐＨ７．４の緩衝溶液に溶解して、グルコース濃度が５ｍＭである試料溶液を調製した。試料溶液に上記で作成した電気化学センサの作用電極、対極及び参照電極を浸し、参照電極に対する作用電極の電位を０．７Ｖに設定した。そのときの作用電極−対極間の電流をグルコースの酸化電流とみなしてその電流値を測定した。測定されたグルコースの酸化電流値は１４．２ｍＡ・ｃｍ^−１であった。この酸化電流値から、グルコース濃度と酸化電流値との関係に関する検量線を読み込んだプロセッサにより、試料溶液のグルコース濃度は４．９８ｍと計算された。計算された濃度の実際の濃度に対する誤差は０．４％であった。

比較例３
作用極に銅板を用いたこと以外は実施例３と同様に試料溶液におけるグルコースの酸化電流を測定したところ３．２ｍＡであった。この酸化電流値からはグルコースの濃度は４．６９ｍＭと計算され、誤差は６．２％であった。

実施例４
ポリカーボネート基板上にプラズマＣＶＤによって導電性のＤＬＣ膜（厚さ０．５μｍ）を成膜し、そこにナノメータスケールの粒径を有する銅微粒子をＲＦスパッタによって付与した。その他は実施例３と同様にしてグルコース濃度が５ｍＭである試料溶液について酸化電流を測定し、グルコース濃度を計算したところ４．９９ｍＭであり、誤差は０．３％であった。

比較例４
メタノール：アセトン＝１：９（体積比）の混合溶媒に酸化ホウ素を溶解させて調製した蒸発原料を水素キャリアガスとともに反応器内に導入し、１３．５６ＭＨｚの周波数で電圧を印加してプラズマ化させ、導電性ホウ素ドープダイヤモンド薄膜をポリカーボネート基板上に成膜することを試みた。しかし、ポリカーボネート基板の温度をポリカーボネートの融点である２３０℃以下では導電性ホウ素ドープダイヤモンド薄膜を成膜することができなかった。

比較例５
ポリカーボネート基板に代えてｐ型（１１１）面Ｓｉウエハを使用したこと以外は比較例４と同様の方法でに導電性ホウ素ドープダイヤモンド薄膜（厚さ０．５μｍ）を成膜し、そこにナノメータスケールの粒径を有する銅微粒子をＲＦスパッタによって付与した。。これ以外は実施例３と同様にしてグルコース濃度が５ｍＭである試料溶液について酸化電流を測定し、グルコース濃度を算出したところ４．９８ｍＭであり、誤差は０．５％であった。

実施例５
銅微粒子に代えて酸化ルテニウム微粒子をＲＦスパッタによりＤＬＣ膜に付与したこと以外は実施例３と同様にして試料溶液のグルコース濃度を算出したところ、４．９９ｍＭであった。

実施例６
参照電極を形成せず、図４と同様の構成を有する電気化学センサを作製し、参照電極に代えて対極に対する電位によって作用電極を制御したこと以外は実施例３と同様の方法で試料溶液のグルコース濃度を測定したところ４．９８ｍＭであり、誤差は０．４％であった。

実施例７
ＤＬＣ膜を酸素プラズマ処理し、更に、アミノプロピルトリエトキシシランを８０℃で反応させて、フタロシアニン修飾コバルトをＤＬＣ膜上に固定したことの他は実施例３と同様の電気化学センサシステムを構成した。これを用いて試料溶液のグルコース濃度を測定したところ、５．０１ｍＭであった。

実施例８
ＤＬＣ膜上にグルコースオキシターゼを固定したことの他は実施例３と同様にして、電気化学センサシステムを構成した。これを用いて試料溶液のグルコース濃度を測定したところ、５．００ｍＭであった。

実施例９
実施例１と同様にして形成させたＤＬＣ膜の表面に、混酸（濃硝酸＋濃硫酸）で処理してニトロ基を導入し、そのニトロ基を塩化錫を触媒としてエタノール中でアミノ基に還元した。次いで、アミノ基に２，７−Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ−９，９−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−４，５−ｂｉｓ）Ｎ’−ｐｈｅｎｙｌｔｈｉｏｕｒｅｙｌｅｎｅ）−ｘａｎｔｈｅｎｅを結合させて、検体を捕捉する機能が付加されたＤＬＣ膜が得られた。その後、０．０５Ｍリン酸水素ニナトリウム−リン酸ニ水素カリウムによるｐＨ７．４の緩衝溶液にゼラチン及びフェロセンを溶解させて溶解液を調製し、加熱された溶解液ＤＬＣ膜の表面に厚さ５０μｍに塗布した。冷却後、酸化還元物質であるフェロセンを含有するゲル電解質膜がＤＬＣ膜上に形成された。

得られたＤＬＣ膜を用いて実施例１と同様の電気化学システムを構成した。ＤＬＣ膜に１０〜１００ｐｐｍの濃度でアセトンガスを含む空気を接触させ、フェロセンの酸化電流を測定したところ、アセトンガスの濃度に比例してフェロセンの酸化還元電流値が低下した。すなわち、アセトンガスの濃度とフェロセンの酸化還元電流値との相関を示す検量線を作成すればアセトンガスの濃度を定量できることが確認された。

２．電気化学センサの洗浄性の検討
実施例４と比較例５でそれぞれ作製した電気化学センサを用い、グルコース濃度の測定と測定後の純水による洗浄を４回繰り返して行った。実施例４の場合、グルコース濃度の測定値は順に４．９９、５．０１、４．９８及び５．０２ｍＭであり、安定していた。これに対して、ダイヤモンド薄膜を用いた比較例５の場合は順に５．０２、５．０３、５．０５及び５．０６ｍＭであり、測定と洗浄を繰り返すのにしたがって測定誤差が明らかに大きくなる傾向が認められた。これは、ダイヤモンド薄膜の表面から洗浄により充分に試料溶液が除去できなかったことに起因すると考えられる。

電気化学センサシステムの一実施形態を示すブロック図である。 電気化学センサシステムの一実施形態を示すブロック図である。 電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。 電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。 検体の濃度を測定する方法の一実施形態を示すフロー図である。

符号の説明

１…電気化学センサ、２…作用電極、３…対極、５…参照電極、１０…制御部、２１…第１の基板（支持体）、２２…第２の基板、１００…電気化学センサシステム。

Claims (7)

1. 支持体と、
   該支持体上に形成された導電性のＤＬＣ膜からなる作用電極と、
   対極と、を備える電気化学センサ。
2. 前記ＤＬＣ膜が遷移金属元素を含有する、請求項１記載の電気化学センサ。
3. 前記ＤＬＣ膜の表面に固定された生体関連物質を更に備える、請求項1記載の電気化学センサ。
4. 前記ＤＬＣ膜の表面に固定された、検体を捕捉する化合物であって捕捉された検体の量に応じて酸化還元物質の酸化還元電流を定量的に変化させる化合物を更に備える、請求項１または２に記載の電気化学センサ。
5. 前記支持体がプラスチック基板である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
6. 前記作用電極及び前記対極を覆うゲル電解質膜を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気化学センサと、該電気化学センサにおいて生じる酸化還元電流を検出する制御部と、を備える電気化学センサシステム。
   
   

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