JP2014041107A - センサ用電極基板及びそれを用いたセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 算術平均粗さＲａが２０ｎｍ以下の表面を有する電極層が形成されたセンサ用電極基板を提供する。
【解決手段】 樹脂又はガラスからなる基板１０と、基板１０の上面に形成された金又は白金からなる電極層２０とを備えるセンサ用電極基板であって、金粒子又は白金粒子と有機バインダと水とアルコールとを含有する第一めっき浴を用いて一次めっき基板を作製した後、金化合物又は白金化合物と還元剤と水とを含有する第二めっき浴を用いて、算術平均粗さＲａが２０ｎｍ以下の表面を有する電極層２０を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ用電極基板及びそれを用いたセンサに関する。

血清等の試料溶液中のコレステロール濃度は、一般に酵素反応を用いた比色法によって測定されている。しかし、比色法は試料溶液の濁度の影響による誤差を生じ易い。そのため、比色法の代わりに電気的にコレステロール濃度を定量する方法が提案されている。

そこで、カーボンペースト電極を備えるコレステロールセンサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。このようなコレステロールセンサは、基板と、カーボンペースト電極と、親水性高分子層と、酵素類を含む層とを備える。カーボンペースト電極は、基板上に銀ペースト及びカーボンペーストがスクリーン印刷されて形成されている。このカーボンペースト電極上に親水性高分子層が形成され、親水性高分子層上に酵素類を含む層が形成されている。酵素類を含む層には、コレステロールオキシダーゼ及びコレステロールエステラーゼ等の酵素類と界面活性剤と電子伝達メディエイタとが含有されている。

このようなコレステロールセンサによれば、酵素類を含む層上にコレステロールを含有する試料溶液を滴下すると、コレステロールがコレステロールオキシダーゼの存在下でコレステノンに酸化される。その反応で、電子伝達メディエイタが還元される。還元型電子伝達メディエイタは、カーボンペースト電極で再酸化され、このときに生じる酸化電流をカーボンペースト電極で測定することによりコレステロール濃度を定量している。

しかし、酵素法を利用したコレステロールセンサでは、被験者から採血という侵襲的なステップが必須となるため、被験者の精神的な負担が大きくなる。
そこで、簡易で非侵襲的な計測を行うことができるコレステロールセンサが開示されている（例えば、特許文献２参照）。このようなコレステロールセンサは、ガラス基板と、ガラス基板の上面に形成された金（Ａｕ）電極と、Ａｕ電極の上面上に形成された分子鋳型膜とを備える。分子鋳型膜は、コレステロール分子に相補的なキャビティを有する自己組織化単分子膜（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｌｙ Ｉｍｐｒｉｎｔｅｄ Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ；ＭＩＳＡＭ）であり、例えば、デカンチオール（ｄｅｃａｎｅｔｈｉｏｌ）、デシルメルカプタン（ｄｅｃｙｌｍｅｒｃａｐｔａｎｅ）、メルカプトプロピオン酸（ｍｅｒｃａｐｔｏｐｒｏｐｉｏｎｉｃ ａｃｉｄ）、チオフェノール（ｔｈｉｏｐｈｅｎｏｌ）、メルカプトナフタレン（ｍｅｒｃａｐｔｏｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ）、ステアリルメルカプタン（ｓｔｅａｒｙｌ ｍｅｒｃａｐｔａｎｅ）等で作製されている。

このようなコレステロールセンサによれば、まず、プラスチック製カップに１ｍｌのエタノールを入れ、手のひらの中心部でプラスチック製カップにしっかりと蓋をした状態で、手のひらをひっくり返して上方に向け、その状態を１分間保持する。１分後に手のひらをひっくり返して下方に向けた後、カップ中の溶液を分取する。そして、分取された溶液中にメディエイタを添加してコレステロールセンサを３０秒間漬ける。キャビティの内部に、電気化学的に不活性なコレステロールが侵入すると、Ａｕ電極表面に拡散するメディエイタ濃度が減少し、それに伴いメディエイタの酸化電流が減少する。よって、コレステロール認識前とコレステロール認識後との酸化電流の変化（差分電流値ΔＩ）をサイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）によりＡｕ電極で測定することによりコレステロール濃度を定量している。

特開平１０−２３２２１９号公報 特開２００４−２８８８７号公報

ところで、上述したようなコレステロールセンサで差分電流値ΔＩを正確に測定するためには、Ａｕ電極の上面に、コレステロール分子に相補的なキャビティを有する自己組織化単分子膜（ＭＩＳＡＭ）を形成することになるが、精密なＭＩＳＡＭを作製する際には、Ａｕ電極の表面が平滑でなければならない。図４は、算術平均粗さＲａと差分電流値ΔＩとの関係を示すグラフである。また、図５（ａ）は、平滑な表面を有するＡｕ電極に形成されたＭＩＳＡＭのイメージを示す断面図であり、図５（ｂ）は、平滑な表面でないＡｕ電極に形成されたＭＩＳＡＭのイメージを示す断面図である。平滑な表面には、コレステロール分子に相補的なキャビティが正確に形成されるが、平滑でない表面には、コレステロール分子に相補的なキャビティの変形が誘発され、正確に形成されない。つまり、分子の選択性の低下が起こる。

よって、算術平均粗さＲａが２０ｎｍ以下の表面を有するＡｕ電極を形成する必要があり、そのため、平滑処理をしたガラス基板の上面に、チタンをスパッタリングした後、金をスパッタリングすることで作製していた。しかし、平滑処理をしたガラス基板は非常に高価で、スパッタリングにも手間がかかっていた。

そこで、本発明者らは、安価な基板上に算術平均粗さＲａが２０ｎｍ以下の表面を有するＡｕ電極を簡単に形成する他の方法について検討した。本発明者らは、プラスチックと化学結合等により結合し得る部位と、金属微粒子と吸着等により結合し得る部位とを有する有機バインダと、金属コロイドとを含有する溶液をめっき浴とし、そのめっき浴でプラスチックを無電解めっきする方法を以前に発明し、開示した（特許第３８７９９８２号）。
具体的には、金粒子とクエン酸と水とを含有するめっき浴中にプラスチック微粒子を浸漬した後、有機バインダを添加して室温で攪拌又は静置することで、厚さ１００ｎｍ程度の金めっき層をプラスチック微粒子表面に形成した。さらに、このようして作製された金めっきプラスチック微粒子を再めっきすることにより、導電性の優れた導電性微粒子を実現した。

しかし、このような金属めっき方法では、算術平均粗さＲａが２０ｎｍ以下の表面を有するＡｕ電極を形成することができなかった。そこで、様々な金属めっき方法を検討した結果、金粒子又は白金粒子と有機バインダと水とアルコールとを含有する第一めっき浴を用いて一次めっき基板を作製した後、金化合物又は白金化合物と還元剤と水とを含有する第二めっき浴を用いて、算術平均粗さＲａが２０ｎｍ以下の表面を有する電極を形成することができることを見出した。

すなわち、本発明のセンサ用電極基板は、樹脂又はガラスからなる基板と、前記基板の上面に形成された金又は白金からなる電極層とを備えるセンサ用電極基板であって、前記電極層の上面の算術平均粗さＲａが２０ｎｍ以下であるようにしている。

本発明のセンサ用電極基板によれば、電極層の上面の算術平均粗さＲａが２０ｎｍ以下であるので、自己組織化単分子膜を備えるコレステロールセンサの電極として用いられることができる。

（他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記の発明において、金粒子又は白金粒子と有機バインダと水とアルコールとを含有する第一めっき浴中に前記基板を浸漬することにより、基板表面にめっきを施すことで、一次めっき基板を作製する一次めっき工程と、金化合物又は白金化合物と還元剤と水とを含有する第二めっき浴中に前記一次めっき基板を浸漬することにより、一次めっき基板表面に再めっきを施す二次めっき工程とを含む金属めっき方法を用いて作製するようにしてもよい。

ここで、「一次めっき」とは、めっきされていない基板に無電解法等により金属をめっきすることをいう。一方、「二次めっき」とは、既に金属めっきされた一次めっき物に対し、無電解法等によりさらに金属をめっきすることをいう。なお、「無電解法」とは、電源を用いず化学的な還元方法により金属を析出させる方法を指す。また、クロム酸、シアン化合物、強アルカリ等の有害物質を用いずに行われることが好ましい。
本発明のセンサ用電極基板によれば、容易に作製することができる。特に、攪拌又は放置（静置）するという極めて簡易な工程で作製することができる。

また、上記の発明において、前記第二めっき浴は、０．０７重量％以下の金化合物又は白金化合物を含有し、前記第二めっき浴中に前記一次めっき基板を複数回、浸漬することにより、厚さ１００ｎｍ以上の電極層を形成するようにしてもよい。
本発明のセンサ用電極基板によれば、厚さ１００ｎｍ以上の電極層を形成することができる。

また、上記の発明において、前記有機バインダは、前記基板と結合し得る部位と、チオール基又はジスルフィド基とを有するようにしてもよい。
そして、上記の発明において、前記アルコールは、エタノールであるようにしてもよい。
さらに、本発明のセンサにおいて、前記電極層の上面には、コレステロール分子、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）又は細菌に相補的なキャビティを有する自己組織化膜が形成されているようにしてもよい。

本発明の一実施形態であるコレステロールセンサのイメージを示す斜視図。 定量方法の一例を説明するための図。 サイクリックボルタンメトリの一例を示すグラフ。 算術平均粗さＲａと差分電流値ΔＩとの関係を示すグラフ。 ＭＩＳＡＭのイメージを示す断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

図１は、本発明の一実施形態であるコレステロールセンサのイメージを示す斜視図である。コレステロールセンサ１は、基板１０と、基板１０の上面に形成された電極層２０と、電極層２０の上面に形成された自己組織化単分子膜３０とを備える。

基板１０は、平板形状をしている。そして、上記基板の材質としては、例えば、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリペプチドメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリペンタエリスリトールテトラアクリレート、ポリトリメチロールプロパントリアクリレート、ナイロン、ポリオレフィン及びこれらの共重合体及び架橋処理物、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリカーボネート、セルロース樹脂、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリエステル、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタレート、ＰＴＦＥ、マイカ、ガラス等が挙げられる。

電極層２０の材質は、金又は白金からなる。そして、上記電極層の上面の算術平均粗さＲａは２０ｎｍ以下となっており、電極層の厚さは２００ｎｍ以下となっている。

自己組織化単分子膜３０は、コレステロール分子に相補的なキャビティを有する自己組織化単分子膜（ＭＩＳＡＭ）であり、例えば、デカンチオール、デシルメルカプタン、メルカプトプロピオン酸、チオフェノール、メルカプトナフタレン、ステアリルメルカプタン等で作製されている。

次に、コレステロールセンサ１を作製する作製方法について説明する。コレステロールセンサ１の作製方法は、一次めっき基板を作製する一次めっき工程（Ａ）と、センサ用電極基板を作製する二次めっき工程（Ｂ）と、自己組織化単分子膜形成工程（Ｃ）とを含む。

（Ａ）一次めっき工程
第一めっき浴中に基板１０を浸漬することにより、無電解法により基板１０表面にめっきを施すことで、一次めっき基板を作製する。
第一めっき浴は、金ナノ粒子又は白金ナノ粒子と有機バインダと水とアルコールとを含有する。

上記有機バインダは、基板１０と結合し得る部位と、チオール基又はジスルフィド基とを有する。ここで、基板１０と結合し得る部位としては、基板１０表面と静電的引力により結合できるアミノ基、イミノ基、カルボキシル基、カルボニル基、スルホニル基、及び、ホスホリル基からなる群から選択される少なくとも１種のものであることが好ましい。或いは、アルキル基、芳香環若しくは複素環又はそれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも１種のものであることが好ましい。上記アルキル基は、直鎖状又は分枝鎖状で飽和又は不飽和であってよく、炭素数は特に限定されず、１個以上１０個以下であることが好ましく、２個以上８個以下であることがより好ましい。このような有機バインダとしては、例えば、チオクト酸、メルカプトペンチルジスルフィド、４−アミノチオフェノール、アミノフェニルジスルフィド、アミルメルカプタン、デカンチオール、ナフタレンチオール、２−メルカプトベンズイミダゾール、６−メルカプトプリン、４，４’−ジチオジピリジン等が挙げられ、２種類以上のものが用いられることが好ましい。
そして、第一めっき浴中に存在する有機バインダ量は、１０μＭ以上１００μＭ以下であることが好ましい。

上記アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、グリセリン等が挙げられるが、エタノールを用いることが好ましい。そして、第一めっき浴中に存在するアルコール量は、水の０．２倍以上１倍以下であることが好ましい。
また、第一めっき浴中に存在する金属量は、０．００５重量％以上０．０５重量％以下であることが好ましい。

このような第一めっき浴中に基板１０を投入した後、室温で攪拌又は静置することにより、５ｎｍ〜１００ｎｍ程度のめっき層が形成された一次めっき基板を作製する。なお、攪拌又は静置する時間は、例えば１時間以上４８時間以下であることが好ましい。

（Ｂ）二次めっき工程
一次めっき基板を第二めっき浴中に浸漬することにより、無電解法により一次めっき基板表面に再めっきを施すことで、センサ用電極基板を作製する。
上記第二めっき浴は、テトラクロロ金酸等の金属化合物を含有する水溶液に、還元剤を添加することで得られたものであることが好ましい。また、上記還元剤としては、上記金属を還元することができる物質であれば特に限定されず、水素化ホウ素ナトリウム、過酸化水素等であることが好ましい。

そして、第二めっき浴中に存在する金属量は、０．０１重量％以上０．０７重量％以下であることが好ましい。０．０１重量％未満であったり、０．０７重量％を超えたりすると、上記電極層の上面の算術平均粗さＲａが２０ｎｍを超えてしまう恐れがある。よって、電極層の厚さを厚くするためには、第二めっき浴中に一次めっき基板を複数回、浸漬することを繰り返すことが好ましい。

このような第二めっき浴中に、例えば、一次めっき基板を投入した後、室温で攪拌又は静置することを、複数回、繰り返すことにより、厚さ１００ｎｍ以上の金属層が形成されたセンサ用電極基板を作製する。なお、１回の投入における攪拌又は静置する時間は、例えば５分以上２時間以下であることが好ましい。

（Ｃ）自己組織化単分子膜形成工程
コレステロールとステアリルメルカプタンとエタノールとを含有する溶液中にセンサ用電極基板を浸漬することにより、センサ用電極基板表面に自己組織化単分子膜（ＭＩＳＡＭ）を形成する。次に、エタノール中で洗浄し、ＭＩＳＡＭに結合しているコレステロールを抽出、除去することで、コレステロール分子に相補的なキャビティを有する自己組織化単分子膜（ＭＩＳＡＭ）を形成する。これにより、コレステロールセンサ１が得られる。

以上のように、本発明によれば、コレステロールセンサ１を容易に作製することができる。特に、攪拌又は放置するという極めて簡易な工程で作製することができる。
なお、キャビティの形状とするコレステロールに他の物質を選択することで、様々な物質に対する測定が原理的には可能である。例えば、ＭＩＳＡＭの代わりに過酸化ポリピロール、コレステロールに変えてアデノシン三リン酸（ＡＴＰ）を用いれば、ＡＴＰを測定するＡＴＰセンサを構成することができ、コレステロールに変えて細菌を用いれば、細菌を測定する細菌センサを構成することができる。

次に、コレステロールセンサ１を用いてコレステロール濃度を定量する定量方法の一例について説明する。まず、プラスチック製カップに１ｍｌのエタノールを入れ、手のひらの中心部でプラスチック製カップにしっかりと蓋をした状態で、手のひらをひっくり返して上方に向け、その状態を１分間保持する。１分後に手のひらをひっくり返して下方に向けた後、カップ中の溶液を分取する。

ここで、図２は、定量方法の一例を説明するための図である。攪拌子４０が入れられた恒温ガラスセル４２がスターラマシン４４上に載置されている。恒温ガラスセル４２には、コレステロールセンサ（ＷＥ）１０と対極（ＣＥ）４８と参照極（ＲＥ）５０とが電極固定部５２により固定されている。コレステロールセンサ１の電極層２０と対極４８と参照極５０とは、それぞれ定電位設定装置５４を介して測定された電流等を記録する記録装置５６に接続されている。恒温ガラスセル４２には、分取された溶液を満たし、メディエイタを添加して、室温で攪拌子４０により２００ｒｐｍで攪拌する。

電極層２０には、参照極５０に対して０ｍＶの電位を印加する。このとき、キャビティの内部に、コレステロールが侵入すると、電極層２０表面に拡散するメディエイタ濃度が減少し、それに伴いメディエイタの酸化電流が減少する。よって、コレステロール認識前とコレステロール認識後との酸化電流の変化（差分電流値ΔＩ）をサイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）により電極層２０で測定することによりコレステロール濃度を定量する。図３は、サイクリックボルタンメトリの一例を示すグラフである。

上記メディエイタとしては、例えば、フェロシアニド（ｆｅｒｒｏｃｙａｎｉｄｅ；［Ｆｅ（ＣＮ）_６］^４−）、アントラキノン（ａｎｔｈｒａｑｕｉｎｏｎｅ）、フェロセン（ｆｅｒｒｏｃｅｎｅ）、ベンゾキノン（ｂｅｎｚｏｑｕｉｎｏｎｅ）等が挙げられる。

以下に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
（Ａ）一次めっき工程
２００ｍｌの超純水に、１．４ｍｌのテトラクロロ金（ＩＩＩ）酸四水和物（和光純薬工業社製）１重量％水溶液を添加した。次いで、この水溶液をマグネチックスターラで攪拌（５００ｒｐｍ）しながら、２．０ｍｌの水素化ホウ素ナトリウム（和光純薬社製）２重量％水溶液を加え、室温で１２時間マグネチックスターラにより攪拌（５００ｒｐｍ）して金ナノ粒子水溶液を得た。
そして、２０ｍｌの金ナノ粒子水溶液に４μｍｏｌのアミノチオフェノールと、１０ｍｌのエタノールとを添加し、５ｃｍ×２ｃｍ×０．０５ｃｍのポリエチレンナフタレート製の基板を室温で３時間浸漬した。その後、基板を回収して充分水洗いした後、真空乾燥を行った。

（Ｂ）二次めっき工程
４０ｍｌの水に、１１３μｌの３０重量％過酸化水素水（和光純薬工業社製）と、２ｍｌのテトラクロロ金酸四水和物１重量％水溶液とを加え、１次めっき基板を室温で１時間浸漬した。その後、めっき基板を回収して充分水洗いした後、真空乾燥を行った。この工程を３回、繰り返すことで、実施例１に係るセンサ用電極基板を得た。

＜実施例２〜３＞
実施例１における（Ｂ）二次めっき工程において水の添加量を減らし、めっき液濃度を高くしたこと以外は実施例１と同様にして、実施例２〜３に係るセンサ用電極基板を得た。

＜比較例１＞
実施例１における（Ａ）一次めっき工程においてエタノールを添加しなかったこと以外は実施例１と同様にして、比較例１に係るセンサ用電極基板を得た。
＜比較例２〜３＞
実施例１における（Ｂ）二次めっき工程において水の添加量を減らし、めっき液濃度を高くしたこと以外は実施例１と同様にして、比較例２〜３に係るセンサ用電極基板を得た。

＜評価＞
実施例１〜３に係るセンサ用電極基板及び比較例１〜３に係るセンサ用電極基板を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて観察した。その観察結果を表１に示す。なお、表１における化合物欄は、「○：使用、−：未使用」とした。また、「水（ｍｌ）」の欄には、水の添加量を示した。

以上のように、実施例１〜実施例３に係る金属めっき法によれば、センサ用電極基板の電極層の上面の算術平均粗さＲａは、２０ｎｍ以下の平滑な電極基板を得ることができた。
また、実施例１に係るセンサ用電極基板の電極層の上面の算術平均粗さＲａは、（Ａ）一次めっき工程でエタノールを使用し、金ナノ粒子がダマになるのを抑えたため、９．０ｎｍであったが、比較例１に係るセンサ用電極基板の電極層の上面の算術平均粗さＲａは、２２．８ｎｍであった。

本発明は、コレステロールセンサ、ＡＴＰセンサ、細菌センサ等に利用することができる。

Claims (6)

1. 樹脂又はガラスからなる基板と、
   前記基板の上面に形成された金又は白金からなる電極層とを備えるセンサ用電極基板であって、
   前記電極層の上面の算術平均粗さＲａが２０ｎｍ以下であることを特徴とするセンサ用電極基板。
2. 金粒子又は白金粒子と有機バインダと水とアルコールとを含有する第一めっき浴中に前記基板を浸漬することにより、基板表面にめっきを施すことで、一次めっき基板を作製する一次めっき工程と、
   金化合物又は白金化合物と還元剤と水とを含有する第二めっき浴中に前記一次めっき基板を浸漬することにより、一次めっき基板表面に再めっきを施す二次めっき工程とを含む金属めっき方法を用いて作製されたことを特徴とする請求項１に記載のセンサ用電極基板。
3. 前記第二めっき浴は、０．０７重量％以下の金化合物又は白金化合物を含有し、
   前記第二めっき浴中に前記一次めっき基板を複数回、浸漬することにより、厚さ３０ｎｍ以上の電極層を形成することを特徴とする請求項２に記載のセンサ用電極基板。
4. 前記有機バインダは、前記基板と結合し得る部位と、チオール基又はジスルフィド基とを有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のセンサ用電極基板。
5. 前記アルコールは、エタノールであることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載のセンサ用電極基板。
6. 前記電極層の上面には、コレステロール分子、アデノシン三リン酸又は細菌に相補的なキャビティを有する自己組織化膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のセンサ。