JP2009244188A

JP2009244188A - 電気化学センサ及び電気化学センサシステム

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Publication number: JP2009244188A
Application number: JP2008092983A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sakamoto; 健坂本; Atsuhiro Tsuyoshi; 淳弘津吉; Yasuhiro Matsuba; 康浩松場; Shinya Uchida; 信也内田; Akira Shibue; 明渋江; Michio Arai; 三千男荒井; Masato Usuda; 真人薄田; Yoshimi Kitahara; 善見北原
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP4968144B2

Abstract

【課題】電気化学センサの感度の更なる改善を図ること。
【解決手段】０．００２原子％以上１原子％以下の塩素を含む導電性のダイヤモンド膜又はＤＬＣ膜を有する作用極２を備える、化学物質の濃度を測定する電気化学センサ１。
【効果】前記電気化学センサの感度が改善され、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、前記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、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３

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）。さらには、ポリマーマトリックス中に分散された白金を含む電極を用いたサンプリングシステムも検討されている（特許文献３）。
特許第２７６７１２４号公報特開昭６１−５００５４号公報特許第３１５５５２３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。ポリマーマトリックスに白金を分散させる上記特許文献３のような方法によればある程度改善されるものの、更に改善の余地がある。

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、０．００２原子％以上１原子％以下の塩素を含む導電性のダイヤモンド膜又は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ダイヤモンド膜又は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。

上記ダイヤモンド膜及び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原子％以上３０原子％以下の元素を更に含むｎ型半導体膜であってもよい。

上記ダイヤモンド膜及び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原子％以上３０原子％以下の元素を更に含むｐ型半導体膜であってもよい。

上記ＤＬＣ膜は、１０原子％以上４０原子％以下の水素と３０原子％以上８５原子％の炭素とを含んでもよい。これにより感度向上の効果がより一層顕著に奏される。

作用極は、ダイヤモンド膜又はＤＬＣ膜上に形成された、測定対象の化学物質の電気化学反応を選択的に生じさせる機能膜を更に有していてもよい。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。

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。

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ダイヤモンド膜又はＤＬＣ膜である。ダイヤモンド膜は、ｓｐ^３結合した炭素の４面体構造（ダイヤモンド構造）の結晶から構成された膜である。ダイヤモンド膜を特定の結晶方位に配向するように成膜すると、電極表面において均一な電気化学反応を行える。

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原子％以上４０原子％以下の水素と、３０原子％以上８５原子％以下の炭素とを含むことが好ましい。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より改善される。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。

ダイヤモンド膜及び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原子％以上３０原子％以下含まれることにより、ダイヤモンド膜及びＤＬＣ膜がｎ型半導体膜となる。あるいは、ダイヤモンド膜及び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原子％以上３０原子％以下含まれることにより、ダイヤモンド膜及びＤＬＣ膜がｐ型半導体膜となる。

ダイヤモンド膜及びＤＬＣ膜は、０．００２原子％以上１原子％以下の塩素を含む。塩素の割合がこの範囲内にない場合、感度向上の効果が十分に得られなくなる傾向がある。また、塩素の割合が０．００２原子％未満であると、絶縁化がおこりやすくなる傾向があり、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、ダイヤモンド膜及び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。

ダイヤモンド膜及びＤＬＣ膜の膜厚は、０．０１〜２０μｍが望ましい。ダイヤモンド膜及びＤＬＣ膜の膜厚が０．０１μｍより薄いとダイヤモンド膜及び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、ダイヤモンド膜及び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、ダイヤモンド膜及び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、ダイヤモンド膜及び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、ダイヤモンド膜及び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。

導電性のダイヤモンド膜及びＤＬＣ膜は、例えば、第１の基板２１を加熱しながら、炭化水素ガス及び塩素化合物（塩化メチレン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン等）の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の温度を常温〜９００℃に加熱しながら成膜することにより、０．００２原子％以上１原子％以下の塩素を含む導電性のダイヤモンド膜やＤＬＣ膜が形成される場合が多い。より好ましくは、例えば、導電性ダイヤモンドの場合は基板温度７００〜９００℃、プラズマ周波数２．６５ＧＨｚ、２００〜５００Ｗの条件で、導電性ＤＬＣの場合は、プラズマ周波数１３．５６ＭＨｚ、出力２００〜５００Ｗの条件で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ダイヤモンド膜又は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又は２．４５GＨｚなど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、導電性のダイヤモンド膜又はＤＬＣ膜を形成することができる。

作用極２は、上記ダイヤモンド膜又は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機能を有する。係る機能を発揮するために、機能膜は好ましくは酵素、抗体、又はアプタマーを含む。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。また、機能膜がクロマトグラフィーとしての分離機能を有していてもよい。

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。これらの中でも、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種の酵素を機能膜が含むことが好ましい。

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ダイヤモンド膜又はＤＬＣ膜によって選択的且つ高感度に検知できる。

抗体に電気化学的に酸化還元を行う標識を固定することで、特定の化学物質と抗体が選択的に結合し、標識の電気化学反応で化学物質の量を検出することができる。測定対称の化学物質は特に限定されないが、例えば８−ＯＨｄＧに特異なＮ４５．１がある。抗体は、ＩｇＧ、ＩｇＭ、ＩｇＡ、ＩｇＤ、及びＩｇＥのいずれであってもよい。抗体は無数にあるが、８−OHｄG抗体、イソプラスタン抗体、過酸化脂質抗体、コルチゾール抗体、ヘモグロビンＡ１ｃ抗体、及びＬＤＬコレステロール抗体などが挙げられる。

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ダイヤモンド膜又は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、ｌｉｐｉｄＰｅｒｏｘｉｄｅ（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４００℃に加熱しながら、原料ガスとしてエチレン、塩化メチレン及び窒素を５：０．０１：５ｓｃｃｍ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０．２Ωｃｍであった。その組成分析を、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により、一次イオン種Ｃｓ^＋、一次加速電圧１４．５ｋＶ、検出領域３０μｍΦにて行ったところ、水素１０原子％、窒素５原子％、塩素０．００２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０．１μＭ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０．０９７μＭと計算された。測定誤差は３％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、０．２μＡ／ｃｍ^２以下であった。

実施例２〜７
実施例１と同様の方法で、エチレン、塩化メチレンと窒素ガスの導入比率を、それぞれ１〜１０ｓｃｃｍ、０．００１〜０．１ｓｃｃｍ、０．１〜１ｓｃｃｍの間で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０．２μＡ／ｃｍ^２以下であった。４０ｔｏｒｒ、２．４５GＨｚの周波数で５００Ｗの電力にて真空装置内をプラズマ化させ、８００℃に加熱したシリコンウエハ上に導電性のダイヤモンド膜を形成させた。形成したダイヤモンド膜について、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０．２μＡ／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、０．２０μＭ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、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
原料ガスとしてエチレン、塩化メチレン及び窒素を５：０．０２：５ｓｃｃｍで導入した以外は、実施例１と同様の方法で、導電性のＤＬＣ膜をｎ型シリコン基板上に形成させ、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。抵抗率は３．２Ωｃｍであり、８−ＯＨｄＧの濃度は０．１３μＭと計算された。測定誤差は３０％であった。

比較例５
原料ガスとしてエチレン、塩化メチレン及び窒素を５：０．０５：１ｓｃｃｍで導入した以外は、実施例１と同様の方法で、導電性のＤＬＣ膜をｎ型シリコン基板上に形成させ、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。抵抗率は５．０Ωｃｍであり、抵抗が大きいため８−ＯＨｄＧの濃度を測定することが出来なかった。

比較例６
成膜の際に、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。形成したダイヤモンド膜について、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。ダイヤモンド膜の抵抗率が１．０×１０^−１Ωｃｍであり、８−ＯＨｄＧは０．１３μMと検出され、その誤差は３０％であった。

実施例１１〜２０
実施例１〜１０と同様の方法で、ｎ型単結晶シリコン基板上にダイヤモンド膜又はＤＬＣ膜を形成したチップを得た。実施例１１〜１７ではＤＬＣ膜、実施例１８〜２０ではダイヤモンド膜を形成させた。成膜条件は、ＤＬＣ膜は実施例１〜７、ダイヤモンド膜は実施例８〜１０と同様である。形成されたダイヤモンド膜およびＤＬＣ膜の抵抗率、組成を表３に示す。

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、ダイヤモンド膜および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。

比較例７〜１２
比較例１〜６で作成した電極上に、実施例１１〜２０で行ったのと同様に機能膜を形成した。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４に示す。

以上の実験結果から、０．００２原子％以上１原子％以下の塩素を含む導電性のダイヤモンド膜又はＤＬＣ膜を有する作用極を用いた電気化学センサによれば、残余電流が小さいことから、高いＳ／Ｎ比でグルコース等の特定の化学物質の濃度を高精度に測定できることが確認された。

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

０．００２原子％以上１原子％以下の塩素を含む導電性のダイヤモンド膜又は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。
前記ダイヤモンド膜及び前記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０．０１原子％以上３０原子％以下の元素を含むｎ型半導体膜である、請求項１記載の電気化学センサ。
前記ダイヤモンド膜及び前記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０．０１原子％以上３０原子％以下の元素を含むｐ型半導体膜である、請求項１記載の電気化学センサ。
前記ＤＬＣ膜が１０原子％以上４０原子％以下の水素と３０原子％以上８５原子％以下の炭素とを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
前記作用極が、前記ダイヤモンド膜又は前記ＤＬＣ膜上に形成された、前記化学物質の電気化学反応を選択的に生じさせる機能膜を更に有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
請求項１〜５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。