JP2014126480A

JP2014126480A - マイクロ電極及びマイクロ電極の製造方法

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Publication number: JP2014126480A
Application number: JP2012284090A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Hirano; 悠平野; Yasuo Komatsu; 康雄小松
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: JP6095105B2

Abstract

【課題】機械的強度に優れ、容易に取り扱うことができ、かつ走査型電気化学顕微鏡の探針として良好な適用性を有するマイクロ電極及びその製造方法を提供する。
【解決手段】マイクロ電極１００は、導電性繊条１２０と、絶縁樹脂１３０と、を備える。導電性繊条１２０は、一端がリード線１１０に接続されている。絶縁樹脂１３０は、導電性繊条１２０とリード線１１０とを被覆する。導電性繊条１２０の他端が絶縁樹脂１３０より露出している先端部を有し、走査型電気化学顕微鏡の探針として用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ電極及びマイクロ電極の製造方法に関する。

微小な先端形状を有するマイクロ電極は、高感度の計測が可能であり、電極近傍の局所的な反応を観察できることから、電気化学の分野において幅広く利用されている。マイクロ電極では、電極先端外径がマイクロオーダーに形成されている。

マイクロ電極は主に、走査型電気化学顕微鏡の探針として、金属材料表面の電気化学反応の解析や細胞状態の評価等のために使われている。

マイクロ電極は通常、電流を検出するための金属細線と、それを絶縁する素材と、により構成されている。

マイクロ電極及びその製造方法について、いくつか報告がなされている。

特許文献１には、フッ素樹脂とガラスを組み合わせて電気的絶縁層を形成し、金属細線を絶縁被覆したマイクロ電極が記載されている。

また、特許文献２には、ガラス、テフロン（登録商標）、ポリイミド類、ポリカーボネート類等から選択される少なくとも１種の中空絶縁体と、中空絶縁体に封入された中空絶縁体より融点が低い金属線と、により構成されたマイクロ電極が記載されている。また、その製造方法として、中空絶縁体（ガラスキャピラリー）の中空部分に溶融状態の金属（低融点はんだ）を吸引しながら充填させ、その後ガラスキャピラリーの一部を加熱して軟化させ（それに伴いガラスキャピラリーに充填された低融点はんだが溶融状態となる）、溶融状態となった低融点はんだとともにガラスキャピラリーを引き伸ばして切断することが記載されている。

また、特許文献３には、金属細線の表面をシロキサン結合（−ＳｉＯ−）による共有結合によって化学吸着された単分子膜またはその積層膜またはそのポリマー膜先端により絶縁被覆したマイクロ電極が記載されている。

また、非特許文献１には、電流を検出する白金線と、これを電気的に絶縁するガラス管と、からなるマイクロ電極が記載されている。また、その製造方法として、直径数μｍの白金線を内径１ｍｍの片方が閉じられているガラス管に入れ、他方のガラス管の口を真空ポンプにつなぎ、管内部を真空にして、ガラス管の回りにヒーター線を巻き、これによってガラス管を溶融して白金線を封入し、その後このガラス管の先端を、白金線が表面にでてくるまで磨き、次に、白金線の周りのガラス壁を磨いて、このガラス管の先端を尖らせることが記載されている。

また、非特許文献２にも、白金線と、これを電気的に絶縁するガラス管と、からなるマイクロ電極が記載されている。また、その製造方法として、白金線の一端をリード線と接続し、先鋭化したガラスキャピラリーに入れ、ガラス管の周りをヒーター線で加熱し、これによってガラス管を溶融して白金線を封入し、その後、このガラス管の先端を、白金が表面に出てくるまで磨くことが記載されている。

また、非特許文献３には、電流を検出するカーボン線と、これを電気的に絶縁するエポキシ樹脂及びガラス管と、からなるマイクロ電極が記載されている。また、その製造方法として、カーボン線の一端をリード線と接続し、先鋭化したガラスキャピラリーに入れ、エポキシ樹脂に先端を浸漬することでカーボン線とガラスの空間に樹脂を充填した後、加熱して硬化させ、その後このガラス管の先端を、カーボンが表面に出てくるまで磨くことが記載されている。

また、非特許文献４には、電流を検出するカーボンと、これを電気的に絶縁するポリエチレンテレフタレート及びポリエチレン／ポリエチレンテレフタレートと、からなるマイクロ電極が記載されている。また、その製造方法として、ポリエチレンテレフタレートフィルムに形成した流路にカーボンインクを充填し、加熱後にポリエチレン／ポリエチレンテレフタレート製のラミネートフィルムを重ねて、カーボンを封入し、その後、フィルムの電極部分を０．５−１ｍｍにカットすることが記載されている。

また、非特許文献５には、電流を検出するカーボン線と、これを電気的に絶縁するｐｏｌｙ（ａｃｒｙｌｉｃ−ｃａｒｂｏｘｙｌｉｃａｃｉｄ）と、からなるマイクロ電極が記載されている。また、その製造方法として、カーボン線の一端をリード線と接続し、電気塗装ペイント液に浸漬し、カーボン線の周囲にらせん状の白金線を配置し、カーボン線と白金線の間に電圧をかけることでペイント液をカーボン線に付着させ、加熱して固化させ、この作業を繰り返すことでカーボン線を封入し、その後、絶縁された先端を切断することが記載されている。

特開２００５−２４１５０６号公報特開２００５−２２７１４５号公報特開平０５−２９６９６７号公報

ＡｌｌｅｎＪ．Ｂａｒｄｅｔａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，６１，１９８９，１３２ＴｏｍｏｋａｚｕＭａｔｓｕｅｅｔａｌ．，ＢＢＲＣ，１９７，１９９３，１２８３ＴｏｍｏｙｕｋｉＹａｓｕｋａｗａｅｔａｌ．，ＢｉｏｐｈｙｓｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌ，７６，１９９９，１１２９ＦｅｒｎａｎｄｏＣｏｒｔｅｓ−Ｓａｌａｚａｒｅｔａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，８１，２００９，６８８９ＡｌｂｅｒｔＳｃｈｕｌｔｅａｎｄＲｏｂｅｒｔＨ．Ｃｈｏｗ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，６８，１９９６，３０５４

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１−３に記載のマイクロ電極では、絶縁材料としてガラスが用いられているため、物理的な接触により、マイクロ電極の先端が破損しやすいという難点を有していた。また、特許文献２に記載のマイクロ電極では、絶縁材料としてガラスを用いる場合、同様に物理的な接触によりマイクロ電極の先端が破損しやすいという難点を有していた。そして、マイクロ電極を走査型電気化学顕微鏡の探針として用いる場合には、対象物に応じて（マイクロ電極に用いられる）金属の種類を選択する必要があるが、特許文献２に記載のマイクロ電極では、使用可能な金属線が中空絶縁体より融点の低い金属に限られるため、対象物に応じて適切な金属を選択することが困難であり、走査型電気化学顕微鏡の探針としての適用性に関しては限界があった。また、非特許文献４に記載のマイクロ電極では、絶縁材料としてガラスではなくポリエチレンテレフタレート等の樹脂を用いているが、このような樹脂では、微小な先端形状を形成させること自体が困難であった。また、絶縁材料としてガラス以外の材料を用いた特許文献３及び非特許文献５に記載のマイクロ電極では、マイクロ電極の先端を先鋭化させることができたものの、マイクロ電極の先端部の強度が十分であるとはいえず、物理的な接触による先端の破損を避けることが困難であったため、取り扱いに熟練を要するという課題を残していた。また、マイクロ電極の先端が破損した場合には、新しい電極に交換しなければならないため、手間とコストがかかっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、機械的強度に優れ、容易に取り扱うことができ、かつ走査型電気化学顕微鏡の探針として良好な適用性を有するマイクロ電極及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るマイクロ電極は、
一端がリード線に接続された導電性繊条と、
前記導電性繊条と前記リード線とを被覆する絶縁樹脂と、
を備え、
前記導電性繊条の他端が前記絶縁樹脂より露出している先端部を有する、走査型電気化学顕微鏡の探針として用いられる。

前記絶縁樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、及びポリアリレートからなる群より少なくとも１つ選択されてもよい。

前記絶縁樹脂は、ポリエーテルエーテルケトンであってもよい。

前記先端部の先端外径は、２００μｍ以下であってもよい。

前記マイクロ電極において、前記先端部に向かってテーパ状に形成されていてもよい。

前記導電性繊条の断面の直径は、５０μｍ以下であってもよい。

前記導電性繊条は、白金、金、ロジウム、イリジウム、銅、銀、タングステン、ステンレス及びカーボンからなる群より少なくとも１つ選択されてもよい。

本発明の第２の観点に係るマイクロ電極の製造方法は、
導電性繊条の一端にリード線を接続する工程と、
キャピラリー状の絶縁樹脂の内部に前記リード線に接続された前記導電性繊条を挿入する工程と、
前記絶縁樹脂を加熱して引き延ばすことにより、前記絶縁樹脂を前記導電性繊条の他端側に向かってテーパ状に形成させ、前記リード線に接続された前記導電性繊条に前記絶縁樹脂を被覆させる工程と、
前記導電性繊条の他端側において前記絶縁樹脂を加熱することで、前記絶縁樹脂に前記導電性繊条を封入する工程と、
前記導電性繊条の他端側において前記絶縁樹脂を研磨することで、前記導電性繊条の他端を前記絶縁樹脂から露出させる工程と、
を含む。

本発明によれば、機械的強度に優れ、容易に取り扱うことができ、かつ走査型電気化学顕微鏡の探針として良好な適用性を有するマイクロ電極及びその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロ電極を示す図である。（ａ）は、マイクロ電極の先端部付近を示す図、（ｂ）は、マイクロ電極の先端部を拡大して示した模式図、（ｃ）は、マイクロ電極の先端を、（ｂ）の矢印Ｘから見た模式図である。本発明の一実施形態に係るマイクロ電極の作製工程を示す模式図である。（ａ）は、導電性繊条の一端にリード線を接続する工程を示す模式図であり、（ｂ）は、キャピラリー状の絶縁樹脂の内部の空洞部分にリード線に接続された導電性繊条を挿入し、絶縁樹脂をＹ方向に引き延ばす工程を示す模式図であり、（ｃ）は、絶縁樹脂をテーパ状に形成させ、リード線に接続された導電性繊条に絶縁樹脂を密着させ、被覆させる工程を示す模式図であり、（ｄ）は、絶縁樹脂の内部に導電性繊条を封入する工程を示す模式図である。本発明の一実施形態に係るマイクロ電極の写真の図である。（ａ）は、マイクロ電極を全体的に示す写真の図、（ｂ）は、マイクロ電極の先端を、（ａ）の矢印Ｚから見た写真の図である。本発明の一実施形態に係るマイクロ電極のサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）を示す図である。本発明の一実施形態に係るマイクロ電極、白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（比較例）、及びＲＧ値＝２の場合の計算値の電流応答アプローチカーブを示す図である。物理的接触前後のマイクロ電極のサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）を示す図である。（ａ）は、マイクロ電極先端への物理的接触を説明する図であり、（ｂ）は、白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（比較例）の物理的接触前後のサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）を示す図であり、（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るマイクロ電極の物理的接触前後のサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）を示す図である。物理的接触後のマイクロ電極の状態を示す写真の図である。（ａ）は、白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（比較例）を示す写真の図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るマイクロ電極を示す写真の図である。ガラスの凹凸の形状イメージを示す図である。（ａ）は、白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（比較例）で測定した形状イメージを示す図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るマイクロ電極で測定した形状イメージを示す図であり、（ｃ）は、（ａ），（ｂ）の白線部分の１ラインスキャンによる電気応答を示す図である。生細胞の形状イメージを示す図である。（ａ）は、白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（比較例）で測定した形状イメージを示す図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るマイクロ電極で測定した形状イメージを示す図である。拍動する細胞の拍動解析及び酸素消費量解析を示す図である。（ａ）は、白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（比較例）で測定した電流応答を示す図であり、（ｂ）は、白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（比較例）で測定した細胞上の酸素濃度分布を示す図あり、（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るマイクロ電極で測定した電流応答を示す図であり、（ｄ）は、本発明の一実施形態に係るマイクロ電極で測定した細胞上の酸素濃度分布を示す図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

（１．マイクロ電極）
本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００の詳細について、以下に説明する。

マイクロ電極１００は、図１（ａ）に示すように、導電性繊条１２０と、絶縁樹脂１３０と、リード線１１０と、を備える。

導電性繊条１２０は、マイクロ電極１００の電気伝導部として、マイクロ電極１００の先端部近傍の局所的な電流を検出する役割を果たしている。図１（ａ）に示すように、導電性繊条１２０の一端は、リード線１１０に接続されており、リード線１１０の導電性繊条１２０が接続された側とは反対側には、検出装置（図示せず）が接続されている。導電性繊条１２０とリード線１１０とは、後述する絶縁樹脂１３０の内部において電気的に接続されている。

導電性繊条１２０の素材は、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、タングステン（Ｗ）、ステンレス及びカーボンからなる群より少なくとも１つ選択され、これらの２つ以上からなる合金であってもよい。走査型電気化学顕微鏡の探針については、対象物に応じて金属の種類が選択されるが（例えば、細胞周辺の酸素濃度を測定する場合には白金を選択する等）、本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００では、多種の金属の中から対象物に応じて適切な金属を選択することができるため、走査型電気化学顕微鏡の探針として良好な適用性を有する。なお、電気伝導性を有し、走査型電気化学顕微鏡の探針として用いられ得る金属であれば、導電性繊条１２０の素材として適宜選択され得る。

絶縁樹脂１３０は、導電性繊条１２０を電気的に絶縁する役割を果たしている。図１（ａ）に示すように、絶縁樹脂１３０は、導電性繊条１２０と、リード線１１０と、を被覆している。

絶縁樹脂１３０の素材としては、電気的絶縁性を有し、固化した状態で機械的強度に優れ、弾力性を有する熱可塑性樹脂が用いられる。具体的は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、及びポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、及びポリアリレートからなる群より少なくとも１つ選択される樹脂であり、これらの２つ以上からなる樹脂であってもよい。このような樹脂は、熱可塑性樹脂であるため、加工性に優れる。また、固化した状態で機械的強度に優れるため、マイクロ電極１００を走査型電気化学顕微鏡の探針として用いて、固体表面に近接させて測定を行う場合に、固体表面への物理的接触によるマイクロ電極１００の先端付近の破損を回避することができる。さらに、固化した状態で弾力性を有するため、固体表面への物理的接触が生じた場合でも、ガラスのような硬質の素材とは異なり柔軟に変形することができるため、破損する可能性が低く、丈夫で、取り扱いが容易である。なお、絶縁樹脂１３０の素材は、電気的絶縁性を有し、固化した状態で機械的強度に優れ、弾力性を有する熱可塑性樹脂であれば、適宜選択され得る。

絶縁樹脂１３０の素材としては、耐薬品性（有機溶媒、酸、アルカリ等）に優れ、温度変化に強く、市場において入手しやすいという観点から、ＰＥＥＫを好適に用いることができる。なお、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン）及びポリカーボネートは、機械的強度の観点から、本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００に用いる絶縁樹脂１３０の素材としては好ましくない。

導電性繊条１２０の他端は、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、マイクロ電極１００の先端部１１０ａにおいて、絶縁樹脂１３０より露出している。導電性繊条１２０が露出していることで、導電性繊条１２０は、対象物（細胞、電池材料等）の表面付近で生じている電気的反応を検出することができる。

マイクロ電極１００の先端部１１０ａの先端外径は、例えば、２００μｍ以下である。マイクロ電極１００の先端外径が１〜２００μｍの場合、走査型電気化学顕微鏡の探針として利用した場合の解像度が高くなる。また、より解像度の高い探針とするために、マイクロ電極１００の先端部１１０ａの先端外径は、好ましくは１〜１００μｍであり、より好ましくは１〜２０μｍである。

マイクロ電極１００の電流応答は、導電性繊条１２０の断面における半径（ａ）と、マイクロ電極１００の先端部の半径（ｒｇ）との比（ＲＧ値＝ｒｇ／ａ）に依存し、ＲＧ値が小さいほど分解能が高くなる。分解能の高いマイクロ電極１００を実現するために、例えば、ＲＧ値は１〜１０であり、好ましくは１〜５であり、より好ましくは１〜２である。例えば、マイクロ電極１００の先端外径が１００μｍであり（すなわち、ｒｇ＝５０）、導電性繊条１２０の断面における直径が５０μｍ（すなわち、ａ＝２５）である場合、ＲＧ値は２となる。ＲＧ値を小さくする観点から、導電性繊条１２０の断面における直径は、例えば、０．２〜５０μｍ、好ましくは０．２〜３０μｍ、より好ましくは０．２〜１０μｍである。

マイクロ電極１００の先端部分の形状は、例えば、図１（ａ）に示すように、先端部１１０ａに向かって細くなるように、テーパ状に形成されている。テーパ状とすることで、先端部１１０ａの機械的強度を維持しつつ、マイクロ電極１００の先端外径を小さくする（すなわち、マイクロ電極１００の解像度を高くする）ことができる。なお、マイクロ電極１００の先端部１１０ａの機械的強度を保つことができ、先端外径を小さくすることのできる先端部分の形状であれば、テーパ状の形状に限らず採用され得る。

本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００は、走査型電気化学顕微鏡の探針として用いられる。本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００は、先端外径がマイクロオーダーの電極であり、従来の先端外径がミリオーダーの電極（溶液の性質の評価等に用いられる）とは異なり、解像度が高く、溶液中の電極近傍の局所的な反応を検出することができる。主に、細胞の機能評価（ウシ胚の酸素消費量の評価等）、細胞の形状イメージ測定、動きを有する細胞（心筋細胞等）の拍動等の解析、電池表面の劣化の評価等に用いられ得る。本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００は、機械的強度に優れるため、探針の位置合わせの際などに、固体の対象物に物理的に接触した場合でも、破損する可能性が低く、熟練者でなくても、容易に取り扱うことができる。また、破損する可能性が低いことから、電極交換の手間とコストを削減することができる。

特に、先端外径が１〜２００μｍであり、導電性繊条１２０の断面の直径が０．２〜５０μｍであり、先端部１１０ａの形状がテーパ状となっているマイクロ電極１００では、解像度が高くなり、かつ、より機械的強度に優れ、容易に取り扱うことができる。

（２．マイクロ電極の製造方法）
本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００の製造方法の詳細について、以下に説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、導電性繊条１２０の一端に、例えばスポット溶接や銀ペーストによりリード線１１０を接続する。用いられる導電性繊条１２０の素材や直径については、前述の通りである。

次に、図２（ｂ）に示すように、キャピラリー状の絶縁樹脂１３０の内部の空洞部分にリード線に接続された導電性繊条１２０を挿入する。キャピラリー状の絶縁樹脂１３０については、例えば、外径０．８〜３．０ｍｍ、内径０．２〜１．５ｍｍであり、内部に空洞を有する筒状の形状をしており、その素材については、後述の通りである。

次に、図２（ｂ）に示すように、導電性繊条１２０を挿入した箇所の絶縁樹脂１３０をヒーター１４０により絶縁樹脂１３０の“ガラス転移温度”以上“融点”未満の温度に加熱し、柔らかくなった絶縁樹脂１３０を、導電性繊条１２０の他端側に向かって、すなわち導電性繊条１２０のリード線１１０が接続された側とは反対方向（図２（ｂ）、矢印Ｙの方向）に引き延ばす。こうすることで、図２（ｃ）に示すように、マイクロ電極１００の先端部分の形状は、先端部１１０ａに向かって細くなるように、テーパ状に形成されるとともに、導電性繊条１２０に絶縁樹脂１３０が密着し、リード線１１０に接続された導電性繊条１２０が絶縁樹脂１３０により被覆される。なお、絶縁樹脂１３０を加熱して引き延ばす際には、プラー（例えば、ナリシゲ社製のキャピラリープラー）を用いて、加熱温度及び（引き延ばす際の）張力を制御しながら絶縁樹脂１３０を引き延ばしてもよい。

次に、図２（ｄ）に示すように、マイクロ電極１００の先端部１１０ａ（導電性繊条１２０の他端側）をヒーター１５０により絶縁樹脂１３０の“ガラス転移温度”以上“融点”未満の温度に加熱し、柔らかくなった絶縁樹脂１３０の内部に導電性繊条１２０を封入する。こうすることで、マイクロ電極１００の先端部分の導電性繊条１２０に絶縁樹脂１３０を高度に密着させることができる。

最後に絶縁樹脂１３０の先端（導電性繊条１２０の他端側）を研磨することで、導電性繊条１２０の他端を絶縁樹脂１３０から露出させて、完成となる。

なお、本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００の製造方法においては、キャピラリー状の絶縁樹脂１３０の素材として、“ガラス転移温度”以上“融点”未満の温度に加熱することで、細長く引き延ばすことのできる熱可塑性樹脂が用いられる。例えば、前述同様、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、及びポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、及びポリアリレートからなる群より少なくとも１つ選択される樹脂又はこれらの２つ以上からなる樹脂であってもよい。なお、絶縁樹脂１３０の素材としては、前述の通り、耐薬品性に優れ、温度変化に強く、市場において入手しやすいという観点から、ＰＥＥＫを好適に用いることができる。一方、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン）は、ガラス転移温度以上に加熱して引き延ばすとちぎれやすいため、好ましくない。また、ポリイミド及びポリカーボネートは、外径０．８〜３．０ｍｍ、内径０．２〜１．５ｍｍキャピラリー状に加工することが困難であるため、好ましくない。

また、本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００の製造方法に用いられるキャピラリー状の絶縁樹脂１３０については、樹脂単独では内径を制御して細長く、直線状に引き延ばすことが困難であるが、本発明の実施形態に係る製造方法によれば、導電性繊条１２０をキャピラリーの内部に挿入してから絶縁樹脂１３０を加熱溶融して引き延ばすため、導電性繊条１２０が芯となって機械的強度を向上させることができ、絶縁樹脂１３０を内径を制御して細長く、直線状に引き延ばすことが可能となる。また、絶縁樹脂１３０は、どのような種類の導電性繊条１２０であっても、良好に密着し得るため、導電性繊条１２０の金属の種類を問わず、優れた電気絶縁性を実現できる。走査型電気化学顕微鏡の探針については、前述の通り、対象物に応じて金属の種類が選択されるが、本発明の実施形態に係る製造方法によれば、さまざまな種類の金属が選択可能であるため、走査型電気化学顕微鏡の探針として良好な適用性を有するマイクロ電極１００を製造できる。

また、本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００の製造方法においては、キャピラリー状の絶縁樹脂１３０の素材として、導電性繊条１２０の融点よりも低い温度のガラス転移温度を有する熱可塑性樹脂が用いられ得る。このような素材の絶縁樹脂１３０を用いることで、絶縁樹脂１３０を加熱して引き延ばす際に、（導電性繊条１２０の融点は絶縁樹脂１３０のガラス転移温度よりも高いため）導電性繊条１２０が溶融して変形等することなく、絶縁樹脂１３０だけを引き延ばすことができる。その結果、マイクロ電極１００の先端部分を効率的にテーパ状に加工することができるとともに、マイクロ電極１００の先端外径を容易に制御することができ、効率的に解像度の高いマイクロ電極１００を製造することができる。また、導電性繊条１２０の断面の直径が変化することなく、マイクロ電極１００の先端外径を制御することができるため、マイクロ電極１００のＲＧ値を効率的に制御することができる。

また、本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００の製造方法において用いられる導電性繊条１２０の金属の種類については、前述の通り、絶縁樹脂１３０のガラス転移温度よりも高い融点を有する金属を選択することができる。絶縁樹脂１３０のガラス転移温度よりも低い融点を有する金属よりも、絶縁樹脂１３０のガラス転移温度よりも高い融点を有する金属のほうが種類が多いため、多種の金属から選択することができる。本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００の製造方法によれば、この観点からも、多種の金属の中から対象物に応じて適切な金属を選択することができるため、走査型電気化学顕微鏡の探針として良好な適用性を有するマイクロ電極１００を製造することができる。

また、本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００の製造方法によれば、導電性繊条１２０をキャピラリー状の絶縁樹脂１３０の内部の空洞部分に挿入した状態で、絶縁樹脂１３０を引き延ばして、マイクロ電極１００の先端部分をテーパ状に加工する。このため、導電性繊条１２０の周囲に絶縁樹脂１３０の膜を形成させるような方法とは異なり、導電性繊条１２０を被覆する絶縁樹脂１３０の厚さを薄くすることができる。その結果、マイクロ電極１００の先端外径を小さくすることができるため、解像度の高いマイクロ電極１００を作製することができる。

また、本発明の実施形態に係るマイクロ電極１００の製造方法によれば、前述のような固化した状態で機械的強度に優れ、弾力性を有する熱可塑性樹脂を用いるため、破損する可能性が低く、丈夫で、取り扱いが容易であるマイクロ電極１００を作製することができる。

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、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〕
（実施態様１：白金線によるマイクロ電極の作製）
まず、白金線（半径５μｍ、ニラコ社）（以下、Ｐｔ細線という）の一端に、スポットウェルダー（ＭＨ−２１ＡＣ、ＭＴ−５１０ＡＣ、ＭＥＡ−１００Ａ、ミヤチテクノス社）を用いて、銅製のリード線をスポット溶接した（図２（ａ））。それを、ＰＥＥＫ製のキャピラリー（ＰＥＥＫマイクロチューブ、外径０．８ｍｍ、内径０．３ｍｍ、アズワン社）（以下、ＰＥＥＫ樹脂という）の空洞部分に挿入し（図２（ｂ））、キャピラリープラー（ＰＭ−３、ナリシゲ社）を用いて、Ｐｔ細線を被覆している辺りのＰＥＥＫ樹脂を１５秒間加熱（２５０〜３００℃）した（図２（ｃ））。その後、キャピラリープラーに表示されるＭＡＧＮＥＴＳＵＢ（始めにキャピラリーを徐々に引っ張る弱い張力を表す数値（マグネットの最大出力を１００とした値））の設定値を１．７から２．５に上げることで、ＰＥＥＫ樹脂を、リード線が接続されている側とは反対方向に（図２（ｂ）、矢印Ｙの方向）、水平方向に３０ｍｍ引き延ばし、テーパ状に形成した（図２（ｃ））。この時、キャピラリープラーに表示されるＭＡＧＮＥＴＭＡＩＮ（キャピラリーを細長く引き延ばすための張力を表す数値（マグネットの最大出力を１００とした値））の設定値は、２．８とした。

次に、マイクロフォージ（ＭＦ−９００、ナリシゲ社）を用いて、マイクロ電極の先端部分のＰｔ線にＰＥＥＫ樹脂を高度に密着させる目的で、マイクロ電極の先端部分を加熱（２５０〜３００℃）し、Ｐｔ細線をＰＥＥＫ樹脂に封入した（図２（ｄ））。最後に、マイクログラインダー（ＥＧ−４００、ナリシゲ社）を用いてマイクロ電極の先端を研磨することで、ＰＥＥＫ樹脂からＰｔ細線を露出させて先端部とし、マイクロ電極を完成させた。

このように作製したマイクロ電極の外観の写真を、図３（ａ）に示す。また、マイクロ電極の先端の、図３（ａ）の矢印Ｚの方向から見た写真を図３（ｂ）（デジタルマイクロスコープ（ＶＨＸ−２００、キーエンス社）を利用して撮影した）に示す。図３（ｂ）より、マイクロ電極の先端の断面においてＰｔ細線がＰＥＥＫ樹脂より露出し、Ｐｔ細線の周りがＰＥＥＫ樹脂により被覆されていることがわかる。また、作製されたマイクロ電極の先端外径は２０μｍであったため、ＲＧ値は２であった。

（実施態様２：白金ロジウム合金線によるマイクロ電極）
前述のＰｔ細線の代わりに、白金ロジウム合金線（半径１０μｍ、ニラコ社）を用いて、前述と同様の方法でマイクロ電極を作製した。

（実施態様３：金線によるマイクロ電極）
前述のＰｔ細線の代わりに、金線（半径１２．５μｍ、ニラコ社）を用いて、前述と同様の方法でマイクロ電極を作製した。

〔実施例２〕
（電流応答の評価）
実施例１で作製した３種類のマイクロ電極（実施態様１〜３）について、電流応答を評価した。

実施例１で作製した３種類のマイクロ電極について、４ｍＭＫ_４［Ｆｅ（ＣＮ）_６］、１００ｍＭＫＣｌ溶液中のサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）（掃引速度：２０ｍＶ／ｓ）を測定した。

電気化学測定には、ポテンショスタット（ＨＡ１０１０Ｍ２Ｂ、北斗電工社）、ＰＩＥＺＯ駆動ポジショニングシステム（ピーアイジャパン社）、ＬａｂＶＩＥＷ（ナショナルインスツルメンツ社）、及びデータ収録ボード（ナショナルインスツルメンツ社）を組み合わせたシステムを利用した（ＹｕＨｉｒａｎｏ，ｅｔ．ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，８０，２００８，９３４９）。

溶存するＫ_４［Ｆｅ（ＣＮ）_６］をマイクロ電極で酸化する場合、基板から十分離れていると、電極表面上に球状の定常拡散層が形成され、電気化学活性種の濃度に比例した定常電流応答が得られる。電子移動速度が十分速い速度で起きている場合、この電流は、下記の式（１）で表される。
ｉ_ｂｕｌｋ＝４ｎＦＤａＣ・・・（１）
式（１）中、ｎは反応電子数、Ｆはファラデー定数、Ｄは拡散係数、ａは電極半径、Ｃは濃度である。

結果を図４に示す。Ｐｔ細線によるマイクロ電極のＣＶを（ａ）に、白金ロジウム合金線によるマイクロ電極のＣＶを（ｂ）に、金線によるマイクロ電極のＣＶを（ｃ）に示す。

Ｐｔ細線（半径５μｍ）によるマイクロ電極のＣＶの定常電流応答は、式（１）において半径５μｍの電極で計算される電流値と一致した（図４（ａ））。このことから、マイクロ電極中のＰｔ細線が、マイクロ電極特有の電流応答をすることが示された。

白金ロジウム合金線（半径１０μｍ）によるマイクロ電極のＣＶの定常電流応答は、式（１）において半径１０μｍの電極で計算される電流値と一致した（図４（ｂ））。このことから、マイクロ電極中の白金ロジウム合金線が、マイクロ電極特有の電流応答をすることが示された。

金線（半径１２．５μｍ）によるマイクロ電極のＣＶの定常電流応答は、式（１）において半径１２．５μｍの電極で計算される電流値と一致した（図４（ｃ））。このことから、マイクロ電極中の金線が、マイクロ電極特有の電流応答をすることが示された。

以上より、実施例１で作製した３種類のマイクロ電極（実施態様１〜３）は、導電性繊条の素材が異なっても、いずれもマイクロ電極特有の電流応答をするため、走査型電気化学顕微鏡の探針として用い得ることが示された。

〔実施例３〕
実施例１で作製したＰｔ細線によるマイクロ電極を、走査型電気化学顕微鏡の探針として用い、固体表面近傍での電流応答を評価した。

実施例１で作製したＰｔ細線によるマイクロ電極（以下、本実施例において“ＰＥＥＫ電極”という）と、比較例である、半径５μｍの白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（ＲＧ＝２）（以下、“ガラス電極”という）と、を用いた。４ｍＭＫ_４［Ｆｅ（ＣＮ）_６］、１００ｍＭＫＣｌ溶液中で、ＰＥＥＫ電極又はガラス電極に０．５Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）を印加し、走査速度一定（２μｍ／ｓ）で絶縁基板表面に近づけ、電流応答を測定した。

マイクロ電極で観察される電気化学活性種の酸化又は還元に伴う電流値は、電極先端と絶縁基板との間の距離に依存し、絶縁基板上では電極を絶縁基板に近づけると電流値は減少する。また、この時の距離の変化に対応した電流応答は、電極形状に応じて変化し、計算で求めることができる（ＹｕａｎｈｕａＳｈａｏａｎｄＭｉｃｈａｅｌＶ．Ｍｉｒｋｉｎ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ，１０２，１９９８，９９１５．）。

結果を図５に示す。ＰＥＥＫ電極による電流応答のグラフは実線、ガラス電極による電流応答のグラフは点線、及びＲＧ値＝２の場合の電流応答の計算値のカーブは破線で表される。ＰＥＥＫ電極（実線）では、ガラス電極（点線）と同様の電流応答が得られ、それはＲＧ値＝２の場合の計算値のカーブ（破線）と一致していた。

以上より、ＰＥＥＫ電極は、走査型電気化学顕微鏡の探針として利用可能であることが示された。

〔実施例４〕
実施例１で作製したＰｔ細線によるマイクロ電極を用いて、電極先端の接触前後の電流応答を評価した。

実施例１で作製したＰｔ細線によるマイクロ電極（以下、本実施例において“ＰＥＥＫ電極”という）と、比較例である、半径５μｍの白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（以下、“ガラス電極”という）と、を用いた。ＰＥＥＫ電極とガラス電極とを、走査型電気化学顕微鏡の探針として用いて、前述のように電位を印加しながら絶縁基板表面に近づけ、電極先端が接触（電流値がほぼ０となった位置）した後、さらに１００μｍ近づけて、初期位置まで戻した（図６（ａ））。接触前後において、前述同様の方法により、ＣＶ測定を行った。

図６（ｂ）に、ガラス電極の先端を物理的に接触した前後のＣＶを示し、図６（ｃ）に、ＰＥＥＫ電極の先端を物理的に接触した前後のＣＶを示す。図６（ｂ），（ｃ）において、実線は接触前のＣＶ、破線は接触後のＣＶを表す。比較例のガラス電極（図６（ｂ））では、接触後（破線）に電流値が数倍になっている。接触後（破線）では、前述の式（１）で表されるマイクロ電極特有の電流応答ではなくなっており、電極が破損していることが示された。一方、ＰＥＥＫ電極（図６（ｃ））では、接触前後で同じ電気化学応答がみられた。このことから、ＰＥＥＫ電極は、物理的な接触があっても破損せず、機械的強度が高いことが示された。

図７（ａ）に、比較例のガラス電極の先端の物理的接触後の写真、図７（ｂ）に、ＰＥＥＫ電極の先端の物理的接触後の写真を示す（図７（ａ），図７（ｂ）とも、デジタルマイクロスコープ（ＶＨＸ−２００、キーエンス社）を利用して撮影した）。ガラス電極（図７（ａ））では、物理的接触後に先端が折れており、電極が破損していることが示された。一方、ＰＥＥＫ電極（図７（ｂ））では、物理的接触後でも先端の形状に変化は見られなかった。これらのことから、ＰＥＥＫ電極は、物理的な接触があっても破損せず、機械的強度が高いことが確認された。

〔実施例５〕
実施例１で作製したＰｔ細線によるマイクロ電極を走査型電気化学顕微鏡の探針として用いて、絶縁基板を対象とした形状イメージ測定を行った。

実施例１で作製したＰｔ細線によるマイクロ電極（以下、本実施例において“ＰＥＥＫ電極”という）と、比較例である、半径５μｍの白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（以下、“ガラス電極”という）と、を用いた。４ｍＭＫ_４［Ｆｅ（ＣＮ）_６］、１００ｍＭＫＣｌ溶液中で、ＰＥＥＫ電極又はガラス電極に０．５Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）を印加した状態で、線状の凹みを有する絶縁基板（ガラス）表面から９μｍの位置に、電極先端を配置した。一定速度（２０μｍ／ｓ）で水平方向に電極を走査して、形状イメージを得た。その際、絶縁基板表面の線状の凹みを横切るように電極を走査した。

図８（ａ）に、比較例のガラス電極による形状イメージ、図８（ｂ）にＰＥＥＫ電極による形状イメージを示す。ガラス電極（図８（ａ））とＰＥＥＫ電極（図８（ｂ））とで、同様の形状イメージが得られた。

また、図８（ａ），（ｂ）の中央部付近の横方向の白線における電気応答（１ラインスキャン）を、前述と同様の方法により測定した。その結果を、図８（ｃ）に示す。図８（ｃ）において、実線はＰＥＥＫ電極、破線はガラス電極の電気応答を表す。ＰＥＥＫ電極（実線）とガラス電極（破線）とで、電気応答が一致していることが示された。

以上より、ＰＥＥＫ電極は、走査型電気化学顕微鏡の探針として、絶縁基板を対象とした形状イメージ測定に利用可能であることが示された。

〔実施例６〕
実施例１で作製したＰｔ細線によるマイクロ電極を走査型電気化学顕微鏡の探針として用いて、生細胞を対象とした形状イメージ測定を行った。

実施例１で作製したＰｔ細線によるマイクロ電極（以下、本実施例において“ＰＥＥＫ電極”という）と、比較例である、半径５μｍの白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（以下、“ガラス電極”という）と、を用いた。１ｍＭＫ_４［Ｆｅ（ＣＮ）_６］を含む無血清培地溶液中で、ＰＥＥＫ電極又はガラス電極に０．５Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）を印加した状態で、電極を走査して、ＨｅｐＧ２（ヒト肝がん細胞、理化学研究所バイオリソースセンター）の形状イメージを測定した。なお、マイクロ電極で観察される親水性の電気化学活性種の酸化又は還元に伴う電流値は、電極先端と細胞との距離に依存し、絶縁基板と同様に形状イメージを測定できる。

図９（ａ）に、比較例のガラス電極による形状イメージ、図９（ｂ）にＰＥＥＫ電極による形状イメージを示す。ガラス電極（図９（ａ））とＰＥＥＫ電極（図９（ｂ））とで、同様の形状イメージが得られた。

以上より、ＰＥＥＫ電極は、走査型電気化学顕微鏡の探針として、生細胞を対象とした形状イメージ測定に利用可能であることが示された。

〔実施例７〕
実施例１で作製したＰｔ細線によるマイクロ電極を走査型電気化学顕微鏡の探針として用いて、心筋細胞の拍動の解析、及び細胞の酸素消費量の解析を行った。

実施例１で作製したＰｔ細線によるマイクロ電極（以下、本実施例において“ＰＥＥＫ電極”という）と、比較例である、半径５μｍの白金線をガラスで絶縁したマイクロ電極（以下、“ガラス電極”という）と、を用いた。

１ｍＭＫ_４［Ｆｅ（ＣＮ）_６］を含む無血清培地溶液中で、ＰＥＥＫ電極又はガラス電極に０．５Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）を印加した状態で、心筋細胞（拍動する細胞）（プライマリーセル社）又は繊維芽細胞（拍動しない細胞）（プライマリーセル社）の近傍で電極を走査して、拍動イメージを測定した。なお、心筋細胞は自律的な拍動に伴い、細胞高さが変化するため、細胞表面近傍にマイクロ電極を配置すると、拍動に伴い電極と細胞との間の距離が変化し、規則的な電流変化が観察される。

図１０（ａ）に、比較例のガラス電極により測定した、拍動による形状変化に伴う電流応答を、図１０（ｃ）に、ＰＥＥＫ電極により測定した、拍動による形状変化に伴う電流応答を示す。図１０（ａ），図１０（ｃ）において、実線は心筋細胞の電流応答、破線は繊維芽細胞の電流応答である。ＰＥＥＫ電極（図１０（ｃ））では、比較例のガラス電極（図１０（ａ））と同様の心筋細胞の拍動イメージが得られた。

また、前述と同様に心筋細胞又は繊維芽細胞の近傍でＰＥＥＫ電極又はガラス電極を走査して、細胞近傍の酸素濃度を測定した。なお、酸素還元電流から電極先端付近の局所的な酸素濃度を測定することができるため、この酸素濃度を測定しながら細胞表面に向かって電極を走査することで、細胞の酸素消費速度を測定できる（ＨｉｔｏｓｈｉＳｈｉｋｕ，ｅｔ．ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，７３，２００１，３７５１．）。また、細胞の酸素消費量が高いほど、細胞活性が高いことを示す。

図１０（ｂ）に、比較例のガラス電極により測定した、細胞上の酸素濃度分布を、図１０（ｄ）に、ＰＥＥＫ電極により測定した、細胞上の酸素濃度分布をグラフにて示す。図１０（ｂ），図１０（ｄ）において、実線は心筋細胞のグラフ、破線は繊維芽細胞のグラフである。ＰＥＥＫ電極（図１０（ｄ））では、比較例のガラス電極（図１０（ｂ））と同様の酸素濃度分布のグラフが得られ、心筋細胞上の酸素濃度が繊維芽細胞上のそれに比して低く、心筋細胞では酸素消費量が多いことが示された。

以上より、ＰＥＥＫ電極は、走査型電気化学顕微鏡の探針として、心筋細胞のような動きを持つ細胞の拍動の解析、及び細胞の酸素消費量の解析に利用可能であることが示された。

以上説明したように、本実施例によれば、機械的強度に優れ、容易に取り扱うことができ、かつ走査型電気化学顕微鏡の探針として良好な適用性を有するマイクロ電極及びその製造方法を提供することができる。

本発明によるマイクロ電極は、走査型電気化学顕微鏡の探針として、細胞の機能評価（ウシ胚の酸素消費量の評価等）、細胞の形状イメージ測定、動きを有する細胞（心筋細胞等）の拍動等の解析、電池表面の劣化の評価、その他学術及び研究用途において用いられ得る。

１００マイクロ電極
１１０ａ先端部
１１０リード線
１２０導電性繊条
１３０絶縁樹脂
１４０，１５０ヒーター

Claims

一端がリード線に接続された導電性繊条と、
前記導電性繊条と前記リード線とを被覆する絶縁樹脂と、
を備え、
前記導電性繊条の他端が前記絶縁樹脂より露出している先端部を有する、走査型電気化学顕微鏡の探針として用いられるマイクロ電極。
前記絶縁樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルファイド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、及びポリアリレートからなる群より少なくとも１つ選択される、
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ電極。
前記絶縁樹脂は、ポリエーテルエーテルケトンである、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ電極。
前記先端部の先端外径は、２００μｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ電極。
前記先端部に向かってテーパ状に形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマイクロ電極。
前記導電性繊条の断面の直径は、５０μｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のマイクロ電極。
前記導電性繊条は、白金、金、ロジウム、イリジウム、銅、銀、タングステン、ステンレス及びカーボンからなる群より少なくとも１つ選択される、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマイクロ電極。
導電性繊条の一端にリード線を接続する工程と、
キャピラリー状の絶縁樹脂の内部に前記リード線に接続された前記導電性繊条を挿入する工程と、
前記絶縁樹脂を加熱して引き延ばすことにより、前記絶縁樹脂を前記導電性繊条の他端側に向かってテーパ状に形成させ、前記リード線に接続された前記導電性繊条に前記絶縁樹脂を被覆させる工程と、
前記導電性繊条の他端側において前記絶縁樹脂を加熱することで、前記絶縁樹脂に前記導電性繊条を封入する工程と、
前記導電性繊条の他端側において前記絶縁樹脂を研磨することで、前記導電性繊条の他端を前記絶縁樹脂から露出させる工程と、
を含む、マイクロ電極の製造方法。