JP2009150658A - 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】溶媒や溶質が電極に吸着して生じる酸化還元反応による残余電流を少なくし、電気化学センサの感度の更なる改善を図る。
【解決手段】１０〜４０原子％の水素と３０〜８５原子％の炭素とを含む導電性のＤＬＣ膜を有する作用電極２を備えることで従来の電極と比較して平滑な表面を有しており、その結果電気化学センサ１においては残余電流が小さいことから、電気信号のドリフトが抑制される。そのため、精度を確保するための校正を必ずしも必要とされず、測定の作業性も良好である。
【選択図】図１

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。

電気化学反応を利用した電気化学センサは微量な電流を検出可能であることから、酸化還元反応を生じる微量な化学物質の検出に原理的に適している。従来、気相法により基体上に形成した導電性ダイヤモンド類を電気化学的分析用の電極として用いることが提案されている（特許文献１）。また、白金電極を電気化学的分析用の電極として用いることが提案されている（特許文献２）。
特許第２７６７１２４号公報 特開昭６１−５００５４号公報

しかし、従来の電気化学センサにおいては残余電流が大きいという問題があった。残余電流は、溶媒や溶質が電極に吸着して生じる酸化還元反応を含む内圏反応に起因すると考えられる。この残余電流が大きいと、検出種の酸化還元反応に基づく微小な電流が残余電流内に埋没するため、十分な検出感度を得ることができなくなる。

白金やパラジウムは化学的に安定で触媒活性に優れるものの、金属のもつ自由電子が水分子や電解質などの吸着サイトとなるため、内圏反応に起因する残余電流が大きくなりやすい。また、グラファイト電極、例えばグラシーカーボンやｓｐ^２結合が主体の従来のＤＬＣの場合、π結合が水分子などの吸着サイトとなることから、残余電流が大きくなり易い。

そこで、本発明の目的は、電気化学センサの感度の更なる改善を図ることにある。

本発明は、化学物質の濃度を測定する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、１０〜４０原子％の水素と３０〜８５原子％の炭素とを含む導電性のＤＬＣ膜を有する作用極を備える。

本発明者らの知見によれば、上記特定の組成を有する導電性のＤＬＣ膜を作用極として用いることにより、電気化学センサの感度を飛躍的に高めることが可能である。

上記ＤＬＣ膜は、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びビスマスからなる群から選ばれる５〜３０原子％の元素を更に含むｎ型半導体膜であってもよい。この場合、電気化学センサはＤＬＣ膜を支持するｎ型結晶性シリコン基板を更に備えることが好ましい。これにより、ＤＬＣ膜を薄くしたとしてもその抵抗率が低く維持されて良好な感度が得られる。

上記ＤＬＣ膜は、ホウ素、ガリウム及びインジウムからなる群から選ばれる５〜３０原子％の元素を更に含むｐ型半導体膜であってもよい。この場合、電気化学センサはＤＬＣ膜を支持するｐ型結晶性シリコン基板を更に備えることが好ましい。これにより、ＤＬＣ膜を薄くしたとしてもその抵抗率が低く維持されて良好な感度が得られる。

ＤＬＣ膜は０．０１〜２０原子％の酸素を更に含むことが好ましい。

良好な感度をより確実に確保する観点から、ＤＬＣ膜の抵抗率は１０^−３〜１０^６Ωｃｍであることが好ましい。

作用極が、ＤＬＣ膜上に形成された機能膜を有しており、該機能膜が化学物質の電気化学反応を選択的に生じさせる酵素を含んでいてもよい。これにより特定の化学物質を選択的に高感度で検出することが可能になる。この場合、機能膜はメディエータを更に含むことが好ましい。

上記酵素は、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、キサンチンオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ及びビリルビンオキシダーゼからなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。

本発明に係る電気化学センサシステムは、上記電気化学センサと、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具備する。このシステムによれば、高い感度で化学物質を検出することが可能である。

本発明によれば、電気化学センサの感度が改善される。感度が良好であることから、例えば細胞外液のグルコース濃度を測定するための非侵襲のグルコースセンサとしても用いられ得る。また、本発明の電気化学センサにおいては残余電流が小さいことから、電気信号のドリフトが抑制される。そのため、精度を確保するための校正を必ずしも必要とされず、測定の作業性も良好である。更には、ホウ素ドープダイヤモンド電極等の従来の電極と比較して平滑な表面を有しており、また、安価に製造することが可能である。

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を検体中の分析対象化学物質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、第１の基板２１上に形成された導電性の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。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。

ＤＬＣ膜は、１０〜４０原子％の水素と、３０〜８５原子％の炭素とを含む。ＤＬＣ膜が係る特定範囲の組成を有していることにより、適正な抵抗率を維持しつつ、電気化学センサとしての感度が改善される。また、水素がこの範囲で含まれると、膜中の炭素原子のうち水素終端のダングリングボンドを含むｓｐ^３結合を形成するものの割合が高くなって、膜が非晶質化する。非晶質なＤＬＣ膜は、成膜温度が低く、均一な品質の成膜が容易であり、成膜速度も高いので、工業的な生産に有利である。

また、ｓｐ^３結合の炭素を主体とするＤＬＣ膜は、電気化学反応によって酸化または還元される化学物質が吸着する過程が極めて少ないので、例えば水に起因する水素や水酸化物やそれらのイオンによる電極への吸着を経る内圏酸化還元反応が極めて起こりににくい。その結果、残余電流と言われるノイズ電流が極端に小さくなるので、検出対象である化学物質の電気化学反応を高ＳＮ比で検出することが可能である。

ＤＬＣ膜は、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びビスマスからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含んでいてもよい。これらの元素が５〜３０原子％含まれることにより、ＤＬＣ膜がｎ型半導体膜となる。あるいは、ＤＬＣ膜は、ホウ素、ガリウム及びインジウムからなる群から選ばれる元素を更に含むんでいてもよい。これら元素が５〜３０原子％含まれることにより、ＤＬＣ膜がｐ型半導体膜となる。

ＤＬＣ膜は、０．０１〜２０原子％の酸素を更に含むことが好ましい。また、ＤＬＣ膜は０．００２〜１原子％の塩素を更に含むことが好ましい。塩素の割合が０．００２原子％以下であると、絶縁化が起こりにくくなる傾向があり、１原子％を超えると導電性が低下し易くなる傾向がある。

感度向上効果を特に顕著に得るために、ＤＬＣ膜の抵抗率は、好ましくは１０^−３〜１０^６Ωｃｍ、より好ましくは１０^−３〜１０^３Ωｃｍ、さらに好ましくは１０^−３〜１０^２Ωｃｍである。

ＤＬＣ膜の膜厚は、０．０１〜２０μｍが望ましい。ＤＬＣ膜の膜厚が０．０１μｍより薄いとＤＬＣ膜の抵抗率が大きくなったり、ピンホールが生じやすくなる傾向がある。ピンホールが多く生じるとセンサ用の電極として正常に機能しなくなるおそれがある。また、ＤＬＣ膜の膜厚が２０μｍを超えると、下地としての第１の基板２１が反ったりクラックが入ったりし易くなる傾向がある。さらに、ＤＬＣ膜の膜厚が大きいと第１の基板２１と溶液の間における電流と抵抗との積に比例して生じる電圧降下が大きくなって、感度が低下し易くなる傾向もある。また、ＤＬＣ膜の膜厚はセンサの小型化の観点からも出来るだけ小さいことが望ましい。同様の観点から、ＤＬＣ膜の膜厚は、より望ましくは０．０５〜１０μｍ、更に望ましくは０．１〜５μｍである。

導電性のＤＬＣ膜は、例えば、第１の基板２１を加熱しながら、炭化水素ガスを含む原料ガスを用いた気相法により形成することができる。気相法としては、イオン化蒸着法及び高周波プラズマＣＶＤ法が好適である。原料ガスの組成、成膜の際の第１の基板２１の加熱温度、プラズマ条件を調節することにより、上述の特定組成を有するＤＬＣ膜を形成させることができる。具体的には、例えば、第１の基板２１の温度を１５０〜４５０℃に加熱しながら成膜することにより、１０〜４０原子％の水素と、３０〜８５原子％の炭素とを含むＤＬＣ膜が形成される場合が多い。

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。

作用極２は、上記ＤＬＣ膜上に形成された機能膜を有していてもよい。この機能膜は、検体中の分析対象化学物質の電気化学反応を選択的に生じさせる酵素を含む。酵素の具体例としては、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、キサンチンオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、クレアチンホスホキナーゼ、グリセロールオキシダーゼ、アシル−コエンザイムＡオキシダーゼ、チラミンオキシダーゼ、アミノ酸オキシダーゼ、グリコレートオキシダーゼ、ピリドキサール−４−オキシダーゼ、ソルボースオキシダーゼ、グロノラクトースオキシダーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ピラノースオキシダ−ゼ、ウリカーゼ、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ及びビリルビンオキシダーゼが挙げられる。

グルコースオキシダーゼの作用により、電極に必要な電位が印加されたときに試料液中のグルコースがグルコン酸に酸化され、過酸化水素が発生する。このときフェリシアン化カリウム、フェロセン、１，１’−ジメチルフェロセン、フェロセンカルボン酸及びフェロセンカルボキシアルデヒド等のフェロセン誘導体、ハイドロキノン、クロラニル及びブロマニル等のキノン類、または、フェリシアンイオン、オクタシアノタングステン酸イオン及びオクタシアノモリブデン酸イオン等の金属錯体イオンのようなメディエータを用いると、グルコースの濃度に比例した電流をＤＬＣ膜によって選択的且つ高感度に検知できる。

酵素を含む機能膜は、例えば、酵素及び必要によりメディエータ等の他の成分を含む溶液の膜をＤＬＣ膜上に形成し、これを乾燥する方法により形成することができる。

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。

ＤＬＣ膜がｎ型半導体膜であるとき、第１の基板２１はｎ型結晶性シリコン基板であることが好ましい。これにより第１の基板２１とＤＬＣ膜との間にショットキー障壁などの界面抵抗が生じにくくなる。電気化学センサの検出電流は通常１ｍＡ以下程度の微小電流であることから、ＩＲドロップの発生が十分に防止される。同様の観点から、ＤＬＣ膜がｐ型半導体膜であるとき、第１の基板２１はｐ型結晶性シリコン基板であることが好ましい。

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、または作用極２と同様の導電性のＤＬＣ膜から構成される。

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。

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、ポテンシオスタット及び電流計を制御するためのソフトウエアとから構成される。プロセッサ（ＣＰＵ＝中央演算装置）は、上記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の電位を検体中の分析対象化学物質に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中の分析対象化学物質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中の分析対象化学物質の濃度を算出する。電気化学センサシステム１００は、算出された結果を表示するモニターを備えていることが好ましい。

図５は、検体中の分析対象化学物質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中の分析対象化学物質の濃度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、検体中の分析対象化学物質に固有の酸化還元電位を利用した電位設定により、複数種の化学物質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、複数種の化学物質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。

本実施形態に係る電気化学システムは、血液、唾液、尿、汗、涙、細胞外液及びリンパ液から選ばれる体液に含まれるメタボロームを測定対象とすることができる。メタボロームとは、一般的に代謝物を指す。メタボロームの具体例としては、糖（グルコース等）、アミノ酸及び蛋白質がある。これらの中には、基本的代謝物のほかに、酸化ストレスマーカー、精神的ストレスマーカーとして扱うことが可能な物質も含まれており、これらのメタボロームの濃度を検出することは臨床的意義がある。

酸化ストレスマーカーは、細胞の老化やＤＮＡの損傷、動脈硬化などの指標となる物質である。酸素ストレスマーカーは、例えば、ミトコンドリアから生成されるスーパーオキシドや、一酸化窒素、ペルオキシナイトライド、次亜塩素酸又はそれらのフリーラジカル、金属イオン、リポキシゲナーゼ、及びミエロペルオキニダーゼによって引き起こされる酸化反応により生成する。代表的な酸化ストレスマーカーである８−ヒドロキシ−２’−デオキシシデグアノシン（８−ＯＨｄＧ）、８−ヒドロキシグアニン（８−ＯＨ−Ｇｕａ）、８−オキソ−７，８−ジヒドロ−２’−デオキシグアノシン（８−ｏｘｏｄＧ）、及び８−ニトログアノシンなどのＤＮＡ障害マーカーは、ＤＮＡの酸化ストレス損傷によって生ずる。他の酸化ストレスマーカーとしては、アラキドン酸のフリーラジカル酸化生成物である８−イソプラスタンや、アミノ酸・蛋白質酸化障害マーカーであるヒドロキシロイシン、ヒドロキシバリン、ニトロチロシン、カルボキシメチルリジン、ペントシジン、ニトロチロシン及びチミングリコール、生体内の酸化成分であるα−トコフェノール、バイオピリン、オレイン酸、チレオドキシン、酸化型コエンザイムＱ１０、カルボキシメチルリジン、パーオキシナイトライト、一酸化窒素などの窒素酸化物、ニトロソチオール反応物、ｌｉｐｉｄ Ｐｅｒｏｘｉｄｅ（ＬＰＯ）、マロンジアルデヒド、酸化ＬＤＬ及び酸化ＬＰ（ａ）、クレアトールＭＤＡ−ＬＤＬなどが挙げられる。

精神的ストレスマーカーとしては、例えば、コルチゾール、ノルエピネフリン、クロモグラニンＡ、ＩｇＡ及びβ−エンドルフィンが挙げられる。

その他の検体中分析対象化学物質は、酸化還元反応を生じるメタボロームである化学物質であれば特に限定されないが、例えば、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、グルタミン酸、アルコールアミノ酸、フルクトサミン、グリセロール、アシル−コエンザイムＡ、チラミン、アミノ酸、グリコレート、ピリドキサール−４−、ソルボース、グロノラクトース、ガラクトース、ピラノース、尿酸、ピルビン酸、アスコルビン酸、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、メルカプタン類がある。そのほかの分野では農工業試料または食品試料中の多様な有機物または無機物が挙げられる。

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。

実施例１
ｎ型（１００）面単結晶シリコンウエハを、対向して配置された電極を備える真空成膜装置内に置いた。そして、シリコンウエハを２００℃に加熱しながら、原料ガスとしてエチレン及び窒素を５：５ｓｃｃｍで導入し、１３．５６ＭＨｚの周波数で５００Ｗの電力にて真空装置内をプラズマ化させることにより、シリコンウエハ上に導電性のＤＬＣ膜を形成させた。形成されたＤＬＣ膜の抵抗率は０．３Ωｃｍであり、その組成は水素１０原子％、窒素５原子％、炭素８５原子％であった。ＤＬＣ膜を成膜したシリコンウエハを５ｍｍ角に切り分けて、ｎ型単結晶シリコン基板上にＤＬＣ膜が形成されたチップを得た。

ＤＬＣ膜を作用極として用い、銀／塩化銀ペーストの印刷により参照電極としての銀−塩化銀電極を形成し、対極としてのＤＬＣ膜を上記と同様の方法で形成して、図１に示すような回路を有する電気化学センサを構成した。

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って制御される自作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。駆動用ソフトウェアは検出電位を参照電極に対して１．０Ｖとなるように設定した。

ブランクとして、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ｐＨ７．２の緩衝溶液を電気化学センサで測定したところ、電流値は４μＡ・ｃｍ^−１と観測された。

検出種としての１．０μＭの８−ＯＨｄＧ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ｐＨ７．２の緩衝溶液に溶解した。そこに電気化学センサを浸したところ、電流値は７８ｎＡ・ｃｍ^−１と測定された。この電流値から、予め作成した検量線を読み出こんだプロセッサによって計算すると、８−ＯＨｄＧの濃度は０．９５μＭと計算された。測定誤差は５％であった。

また、上記電気化学センサシステムの残余電流を測定したところ、１μＡ／ｃｍ^２以下であった。

実施例２〜５
実施例１と同様の方法で、エチレンと窒素ガスの導入比率を変化させることにより、組成の異なる導電性のＤＬＣ膜をシリコン基板上に形成させた。それぞれのＤＬＣ膜について、その組成、膜厚及び抵抗率を測定した。さらに、実施例１と同様の手順で電気化学センサシステムを構成し、ブランク及び８−ＯＨｄＧの濃度の測定を行った。結果を表１に示す。また、いずれの電気化学センサシステムの残余電流も１μＡ／ｃｍ^２以下であった。

実施例６
原料ガスとしてエチレン及びトリメトキシボロンを５：５ｓｃｃｍで導入したことの他は実施例１と同様の方法で導電性のＤＬＣ膜をシリコン基板上に形成した。形成したＤＬＣ膜について、その組成、膜厚及び抵抗率を測定した。さらに、実施例１と同様の手順で電気化学センサシステムを構成し、ブランク及び８−ＯＨｄＧの濃度の測定を行った。結果を表１に示す。また、残余電流は１μＡ／ｃｍ^２以下であった。

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と同様の方法で電気化学センサシステムを準備した。得られた電気化学センサシステムを用いて、実施例１と同様の手順でブランク及び８−ＯＨｄＧの濃度の測定を行ったところ、０．２３μＭと計算された。測定誤差は７７％であった。また、残余電流は４８μＡ／ｃｍ^２であった。

比較例２
作用電極としてグラシーカーボンを用いたことの他は実施例１と同様の方法で電気化学センサシステムを準備した。得られた電気化学センサシステムを用いて、実施例１と同様の手順でブランク及び８−ＯＨｄＧの濃度の測定を試みたところ、残余電流が９８μＡ／ｃｍ^２と大きいために、有効に測定を行うことができなかった。

比較例３
作用電極としてスパッタリングによって成膜された導電性のＤＬＣ膜を用いたことの他は実施例１と同様の方法で導電性のＤＬＣ膜をシリコン基板上に形成した。電気化学センサシステムを準備した。このＤＬＣ膜は、グラファイトをターゲットとし用い、プラズマ中でスパッタリングによって成膜されたものであり、ｓｐ２結合が主体のアモルファス状の膜である。得られた電気化学センサシステムを用いて、実施例１と同様の手順でブランク及び８−ＯＨｄＧの濃度の測定を試みたところ、残余電流が９８μＡ／ｃｍ^２と大きいために、有効に測定を行うことができなかった。

比較例４
成膜の際にシリコンウエハを８０℃に加熱したことの他は実施例１と同様の方法で電気化学システムを準備した。形成したＤＬＣ膜について、その組成、膜厚及び抵抗率を測定した。さらに、実施例１と同様の手順で電気化学センサシステムを構成し、ブランク及び８−ＯＨｄＧの濃度の測定を試みたところ、ＤＬＣ膜の抵抗率が１．５×１０^６Ωｃｍと大きかったため、測定に有効な電流を流すことができず、測定を行うことができなかった。

実施例７
実施例１と同様の方法で、ｎ型単結晶シリコン基板上にＤＬＣ膜が形成されたチップを得た。形成されたＤＬＣ膜の抵抗率は０．３Ωｃｍであり、その組成は水素１０原子％、窒素５原子％、炭素８５原子％であった。

次いで、酵素として２Ｕのグルコースデヒドロゲナーゼ、補酵素として０．０２５ｍｇのフラビンアデニンジヌクレオチド、及びメディエータとして０．０２５ｍｇフェリシアン化カリウムを、ｐＨ７．２の０．０５Ｍリン酸緩衝溶液５μＬに溶解させた。得られた溶液を導電性ＤＬＣ膜上に適下し、更に、ｐＨ７．２の０．０５Ｍリン酸緩衝溶液を用いて調製した１ｗｔ％ウシアルブミン溶液１μＬ、２０ｗｔ％グルタルアルデヒド溶液１μＬを順に適下した。その後、３０℃、湿度１０％の環境で３０分乾燥させて、ＤＬＣ膜上に機能膜を形成させた。

上記機能膜及びＤＬＣ膜を作用極として用いたことの他は実施例１と同様にして電気化学センサシステムを構成した。駆動用ソフトウェアは検出電位を参照電極に対して１．２Ｖとなるように設定した。

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ｐＨ７．２の緩衝溶液にグルコースを３ｍＭの濃度で溶解したグルコース溶液を準備し、そこに電気化学センサを浸して電流値を測定した。また、ブランクとしてグルコースを溶解していない緩衝液の電流値も測定した。測定結果から算出されたグルコース濃度を、ＳＮ比とともに表３に示す。

実施例８〜１１
実施例１と同様の方法で、エチレンと窒素ガスの導入比率を変化させることにより、組成の異なる導電性のＤＬＣ膜をシリコン基板上に形成させた。これ以外は実施例７と同様にして、電気化学センサ及び電気化学センサシステムを準備した。得られた電気化学センサを用いて実施例７と同様にグルコース濃度の測定を行った。結果を表３にまとめて示す。

比較例５
作用電極として白金板を用いたことの他は実施例７と同様にして電気化学センサシステムを準備し、グルコース濃度を測定した。グルコース濃度の計算値は２．８ｍＭであり、ＳＮ比は６．７であった。

比較例６
作用電極としてグラシーカーボンを用いたことの他は実施例７と同様にして電気化学センサシステムを準備しを作成し、グルコース濃度を測定した。グルコース濃度の計算値は２．７ｍＭであり、ＳＮ比は７．７であった。

比較例７
作用電極としてスパッタリングによって成膜された導電性のＤＬＣ膜を用いたことの他は実施例７と同様にして電気化学センサシステムを準備した。このＤＬＣ膜は、グラファイトをターゲットとし用い、プラズマ中でスパッタリングによって成膜されたものであり、ｓｐ^２結合が主体のアモルファス状の膜である。得られた電気化学センサシステムを用いて実施例７と同様にグルコース濃度を測定したところ、グルコース濃度の計算値は２．７ｍＭであり、ＳＮ比は７．８であった。

血漿、涙、唾液又は皮膚細胞外液中のグルコース濃度
グルコースを含む体液として、血漿、涙、唾液及び皮膚細胞外液を準備した。これらのグルコース濃度を、上記実施例７及び比較例５の電気化学センサシステムを用いて測定した。比較のため、同じサンプルについて高精度な測定方法であるへキソナーゼ法でグルコース濃度を測定した。

上記表に示されるように、実施例７はヘキソナーゼ法と同等の測定値をよく再現したが、比較例５は誤差が大きかった。

実施例１２
実施例１と同様にして形成した導電性のＤＬＣ膜上に、コレステロールを検出するための機能膜を以下の手順で形成した。これ以外は実施例１と同様にして、電気化学センサシステムを準備した。

酵素として２Ｕのコレステロールデヒドロゲナーゼ、補酵素として０．０２５ｍｇジアホラーゼ、及びメディエータとして０．０２５ｍｇフェリシアン化カリウムを、ｐＨ７．２の０．０５Ｍリン酸緩衝溶液５μＬに溶解させた。得られた溶液をＤＬＣ膜上に適下し、更に、２０％グルタルアルデヒド１μＬを適下した。その後、３０℃、湿度１０％の環境で３０分乾燥させて、機能膜を形成させた。

実施例１３
実施例１と同様にして形成した導電性のＤＬＣ膜上に、アルコールを検出するための機能膜を以下の手順で形成した。これ以外は実施例１と同様にして、電気化学センサシステムを準備した。

酵素として２Ｕのアルコールデヒドロゲナーゼ、及びメディエータとして０．０２５ｍｇフェリシアン化カリウムを、ｐＨ５．５のマッキルペイン緩衝溶液５μＬに溶解させた。得られた溶液をＤＬＣ膜上に適下し、更に、２０％グルタルアルデヒド１μＬを適下した。その後、３０℃、湿度１０％の環境で３０分乾燥させて、機能膜を形成させた。

実施例１４
実施例１と同様にして形成した導電性のＤＬＣ膜上に、キサンチンを検出するための機能膜を以下の手順で形成した。これ以外は実施例１と同様にして、電気化学センサシステムを準備した。

酵素として２Ｕのキサンチンオキシダーゼ、補酵素として０．０２５ｍｇニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、及びメディエータとして０．０２５ｍｇフェリシアン化カリウムを、ｐＨ７．２の０．０５Ｍリン酸緩衝溶液５μＬに溶解させた。得られた溶液をＤＬＣ膜上に適下し、更に、２０％グルタルアルデヒド１μＬを適下した。その後、３０℃、湿度１０％の環境で３０分乾燥させて、機能膜を形成させた。

比較例８〜１０
作用極として白金板を用いたことの他はそれぞれ実施例１２〜１４と同様の方法で比較例８〜１０の電気化学センサシステムを準備した。

ｐＨ７．２の０．０５Ｍリン酸緩衝溶液に、グルコース、コレステロール、エタノール、キサンチンをそれぞれ３ｍＭで溶解させた溶液を準備した。これら溶液に上記実施例７、１２〜１４及び比較例５、８〜１０の電気化学センサを浸漬して、実施例１と同様の方法でそれぞれの検出種の濃度を測定した。

下記表に測定濃度とＳＮ比を示した。表に示されるように、各センサの選択性及び比較例に対する高いＳＮ比を確認できた。

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。 検体中の分析対象化学物質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 (11)

1. １０〜４０原子％の水素と３０〜８５原子％の炭素とを含む導電性のＤＬＣ膜を有する作用極を備える、化学物質の濃度を測定する電気化学センサ。
2. 前記ＤＬＣ膜が、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びビスマスからなる群から選ばれる５〜３０原子％の元素を更に含むｎ型半導体膜である、請求項１記載の電気化学センサ。
3. 前記ＤＬＣ膜を支持するｎ型結晶性シリコン基板を更に備える、請求項２記載の電気化学センサ。
4. 前記ＤＬＣ膜が、ホウ素、ガリウム及びインジウムからなる群から選ばれる５〜３０原子％の元素を更に含むｐ型半導体膜である、請求項１記載の電気化学センサ。
5. 前記ＤＬＣ膜を支持するｐ型結晶性シリコン基板を更に備える、請求項４記載の電気化学センサ。
6. 前記ＤＬＣ膜が０．０１〜２０原子％の酸素を更に含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
7. 前記ＤＬＣ膜の抵抗率が１０^−３〜１０^６Ωｃｍである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
8. 前記作用極が、前記ＤＬＣ膜上に形成された機能膜を有しており、該機能膜が前記化学物質の電気化学反応を選択的に生じさせる酵素を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
9. 前記機能膜がメディエータを更に含む、請求項８記載の電気化学センサ。
10. 前記酵素が、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、キサンチンオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ及びビリルビンオキシダーゼからなる群より選ばれる少なくとも１種である、請求項８又は９記載の電気化学センサ。
11. 請求項１〜１０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、を具備する電気化学センサシステム。
    

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