JP2019184390A - Electrode chip for electrochemical sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学測定によって化学物質の濃度測定を行う分野、とりわけ体液を試料として、体液中に含まれる化学物質の濃度を測定する生体センシング分野に関するものである。 The present invention relates to the field of measuring the concentration of a chemical substance by electrochemical measurement, and more particularly to the field of biosensing that measures the concentration of a chemical substance contained in a body fluid using a body fluid as a sample.
生体センシングの手法としては、様々なものがあるが、血糖値の測定などでは、微量成分を感度よく検出できるという理由で、電気化学的手法が広く用いられている。電気化学手法では、化学的特性である生体情報を電気的信号として検出できるため、半導体デバイスなどを用いて得られた信号を処理及び解析しやすいという利点がある。このため、新たな電気化学的センシング装置及びそれを用いたセンシング手法の開発が世界的に活発に行われている。 There are various biosensing techniques, but electrochemical techniques are widely used because, for example, the measurement of blood sugar levels can detect trace components with high sensitivity. In the electrochemical technique, biological information that is a chemical characteristic can be detected as an electrical signal, and thus there is an advantage that it is easy to process and analyze a signal obtained using a semiconductor device or the like. For this reason, development of new electrochemical sensing devices and sensing methods using the same has been actively carried out worldwide.
電気化学センサは、汗や呼吸といった生体から発生する気体や、環境中の気体を採取し、その中に含まれる様々な化学物質を、電極を覆う感応物質に吸着させ、その電極間に流れる電流値や、抵抗値、容量値の変化を測定、解析することで、生体の特性や状態を把握する指標(バイオマーカ)となる情報を獲得する。 Electrochemical sensors collect gas generated from living organisms such as sweat and breath, and gases in the environment, and various chemical substances contained in the sample are adsorbed to sensitive substances covering the electrodes, and the current flowing between the electrodes. By measuring and analyzing changes in values, resistance values, and capacitance values, information serving as an index (biomarker) for grasping the characteristics and state of a living body is acquired.
電気化学測定としては、作用電極、参照電極、及び対向電極の3つの電極を用いて測定を行う3極法や、参照電極と対向電極とを一の電極によって兼用して測定を行う2極法が広く知られている。このような測定を行うための電気化学式センサの従来技術は、例えば、特開2002−55076号公報(特許文献1)などの文献に開示されている。 Electrochemical measurements include a tripolar method in which measurement is performed using three electrodes, a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode, and a bipolar method in which measurement is performed by using both the reference electrode and the counter electrode as one electrode. Is widely known. Conventional techniques of electrochemical sensors for performing such measurements are disclosed in, for example, documents such as Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-55076 (Patent Document 1).
作用電極は、電極表面での試料中の微量な物質に敏感に電気化学応答をするものであり、対向電極は、作用電極との間に電位差を設定したり電流を流したりするためのものである。すなわち、対向電極と作用電極との間に電圧を印加するかまたは電流を流し、その電圧または電流に対応した電流または電位を測定する。電流を測定する場合、この測定を連続的に行えば、電流を時間で積分することにより、電気量を得ることもできる。 The working electrode is sensitive to electrochemical response to a minute amount of material in the sample on the electrode surface, and the counter electrode is for setting a potential difference or flowing current between the working electrode. is there. That is, a voltage or current is applied between the counter electrode and the working electrode, and a current or potential corresponding to the voltage or current is measured. When the current is measured, if this measurement is continuously performed, the amount of electricity can be obtained by integrating the current with time.
3極法における参照電極は、目的物質と反応せず一定電位を維持する電極であり、参照電極と対向電極との間の電位差を一定に保ち、作用電極と対向電極間を流れる電流を測定する。或いは、作用電極と対向電極間に一定の電流を流し、参照電極と対向電極との間の電位差を測定することにより目的物質の濃度を測定する(例えば特許文献2)。 The reference electrode in the triode method is an electrode that does not react with the target substance and maintains a constant potential, and maintains a constant potential difference between the reference electrode and the counter electrode, and measures a current flowing between the working electrode and the counter electrode. . Alternatively, a concentration of the target substance is measured by passing a constant current between the working electrode and the counter electrode and measuring a potential difference between the reference electrode and the counter electrode (for example, Patent Document 2).
特に、生体から採取した体液を生体から離れて設置した生体センサによりエクスビボ(生体外)で情報を取得する方法においては、試料部と計測部を別々に設け、試料部に体液といった試料を付着させて、これを計測部に電気的に接続させ測定する手法が多く取られている。 In particular, in a method in which body fluid collected from a living body is obtained ex vivo (in vitro) using a biological sensor placed away from the living body, a sample part and a measuring part are provided separately, and a sample such as body fluid is attached to the sample part. Therefore, many methods are employed in which this is electrically connected to a measurement unit for measurement.
前記の手法においては、計測部を体液で汚染させる可能性を低くし清潔に保てること、試料部のみを使い捨てにすることで、洗浄にかかる手間を減らすこと、洗い残しによる測定値への影響を排除すると行った利点がある。 In the above method, the possibility of contaminating the measurement part with bodily fluids can be kept low, and the sample part only can be made disposable, thereby reducing the time and effort required for washing, and the influence on the measurement value due to unwashed parts. There are advantages to doing it.
しかしながら、このような使い捨てを目的とした場合、もっとも重要視されるものはコストである。このため、電極材料としては安価であり、電気化学的に安価な材料である炭素を用いたものが多い。 However, when it is intended for such a single use, the most important thing is the cost. For this reason, as an electrode material, there are many that use carbon which is an inexpensive and electrochemically inexpensive material.
従来の炭素からなる電極としては、ダイヤモンドライクカーボンやグラッシーカーボン、ボロンドーブダイヤモンド電極、といった電気化学的に安定した電極があるが、これらはいずれも高価であることから使い捨ての用途に向かない。そのため一般的に、カーボンペーストやスパッタ法による炭素の堆積膜を使用するものがほとんどである。 Conventional electrodes made of carbon include electrochemically stable electrodes such as diamond-like carbon, glassy carbon, and boron dove diamond electrode, but these are expensive and are not suitable for disposable applications. For this reason, most of them use a carbon paste or a carbon deposited film formed by sputtering.
電気化学分析においてはその精度を向上するために、表面積を増やすことで反応に係わる電気信号を多く検出したり、表面を修飾することで特定の化学物質における反応を選択的に取り出す手法が用いられている。電極の表面積を広げるためには、電極の設置面積を広げることで試料と電極の接触面積を広げる方法が考えられるが、この方法では試料液体も多く必要となる点で課題がある。 In electrochemical analysis, in order to improve the accuracy, a method of detecting a large amount of electrical signals related to the reaction by increasing the surface area or selectively extracting the reaction in a specific chemical substance by modifying the surface is used. ing. In order to increase the surface area of the electrode, a method of increasing the contact area between the sample and the electrode by increasing the installation area of the electrode can be considered, but this method has a problem in that a large amount of sample liquid is required.
さらに電極形状を立体形状に加工する提案もなされているが、既存のカーボンペーストを印刷する方法やスパッタ法では、1面ずつ形成する必要があり、工程数やコストの面で課題が残る。 Furthermore, although proposals have been made to process the electrode shape into a three-dimensional shape, the existing carbon paste printing method or sputtering method requires the formation of one surface at a time, leaving problems in terms of the number of processes and cost.
一方で、カーボンナノチューブ等を用いて感度向上を行う方法が考案されている。たとえば特許文献3では、カーボンナノチューブと核酸を電着する方法が考案されている。この方法では、下地である金属上にカーボンナノチューブと核酸を電着法によって堆積させることが提案されているが、下地金属の錆の発生や電気化学特性への影響を抑えるためには、試料となる液体が金属に接触しないよう十分に緻密な電着膜で下地金属を被覆するか、貴金属を用いて錆を抑制する必要がある。しかし、カーボンナノチューブや貴金属を用いた場合はコスト高となるため、使い捨て用途には向かない。
On the other hand, a method for improving sensitivity using carbon nanotubes has been devised. For example,
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、比較的安価に得られる炭素電極を有しつつ、測定精度を向上させるとともに、複数の化学物質の測定を可能とする電気化学センサ用電極チップ(以下、単に電極チップ)及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and has an electrode chip for an electrochemical sensor that can measure a plurality of chemical substances while improving the measurement accuracy while having a carbon electrode obtained at a relatively low cost. (Hereinafter simply referred to as an electrode chip) and a method for manufacturing the same.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、電気化学センサ用電極チップであり、
前記電極チップは絶縁性を有する支持体と、作用電極を含む1以上の電極を備え、
前記1以上の電極は、前記支持体から突出しており、且つ導電性を有する表面からなる基体からなり、前記基体の表面の少なくとも一部は炭素膜からなる保護層により被覆され、前記保護層は厚さが1μm以上であり、
前記保護層の表面の少なくとも一部には、触媒が付与されている、
ことを特徴とする電極チップとしたものである。
In order to solve the above problem, the invention according to
The electrode tip comprises an insulating support and one or more electrodes including a working electrode,
The at least one electrode protrudes from the support and is made of a base made of a conductive surface, and at least a part of the surface of the base is covered with a protective layer made of a carbon film, The thickness is 1 μm or more,
A catalyst is applied to at least a part of the surface of the protective layer.
The electrode chip is characterized by this.
請求項2に記載の発明は、前記支持体は、被測定試料を保持する試料室を備え、
前記1以上の電極は、前記試料室内で前記支持体から突出している、
ことを特徴とする、請求項1に記載の電極チップとしたものである。
In the invention according to
The one or more electrodes project from the support in the sample chamber;
The electrode chip according to
請求項3に記載の発明は、前記1以上の電極を複数の組備え、
それぞれの組の電極は前記基体と前記保護層と前記触媒とを備え、
前記触媒は、前記複数の組毎に異なる触媒である、
ことを特徴とする、請求項1、または2に記載の電極チップとしたものである。
The invention according to
Each set of electrodes comprises the substrate, the protective layer, and the catalyst,
The catalyst is a catalyst different for each of the plurality of sets.
The electrode chip according to
請求項4に記載の発明は、前記保護層により被覆する方法は、めっき法である、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電極チップの製造方法としたものである。
The invention described in
請求項5に記載の発明は、前記保護層に前記触媒を付与するに先立ち、酸化性を有する薬液により前記保護層表面を処理し、前記保護層表面の異物除去と親水性処理を行う、ことを特徴とする請求項4に記載の電極チップの製造方法としたものである。
In the invention according to
請求項6に記載の発明は、前記保護層に前記触媒を付与するに先立ち、電解処理により前記保護層表面の異物除去と親水性処理を行う、ことを特徴とする請求項4に記載の電極チップの製造方法としたものである。 The invention according to claim 6 is characterized in that, prior to applying the catalyst to the protective layer, foreign matter removal and hydrophilic treatment are performed on the surface of the protective layer by electrolytic treatment. This is a chip manufacturing method.
請求項7に記載の発明は、前記保護層表面の異物除去と親水性処理を行った後に、前記保護層表面上に自己組織化単分子膜を形成する、ことを特徴とする請求項5または6に記載の電極チップの製造方法としたものである。 The invention according to claim 7 is characterized in that a self-assembled monolayer is formed on the surface of the protective layer after removing foreign matter and hydrophilic treatment on the surface of the protective layer. 6. The method for producing an electrode chip as described in 6 above.
請求項8に記載の発明は、前記触媒を付与する方法は、貴金属を含む溶液に前記保護層を接触させ、電解処理により前記保護層上へ前記貴金属を析出させることによる、ことを特徴とする請求項4〜7のいずれか一項に記載の電極チップの製造方法としたものである。 The invention according to claim 8 is characterized in that the method of applying the catalyst is by bringing the protective layer into contact with a solution containing a noble metal, and depositing the noble metal on the protective layer by electrolytic treatment. It is set as the manufacturing method of the electrode chip as described in any one of Claims 4-7.
請求項9に記載の発明は、前記触媒を付与する方法は、前記保護層に親水性高分子を塗布、乾燥した上に酵素を付与することによる、ことを特徴する請求項4〜7のいずれか一項に記載の電極チップの製造方法としたものである。
The invention described in claim 9 is characterized in that the method of applying the catalyst is by applying a hydrophilic polymer to the protective layer and drying, and then applying an enzyme. The electrode chip manufacturing method according to
本発明によると、比較的安価に得られる炭素電極を有しつつ、測定精度を向上させるとともに、複数の化学物質の測定を可能とする電極チップ及びその製造方法が得られる。 According to the present invention, while having a carbon electrode obtained at a relatively low cost, an electrode chip that improves measurement accuracy and enables measurement of a plurality of chemical substances and a method for manufacturing the same are obtained.
以下、本発明の実施形態に係る電気化学センサ用電極チップ及びその製造方法について
図面を用いて説明する。同一の構成要素については便宜上の理由がない限り同一の符号を付ける。各図面において、見易さのため構成要素の厚さや比率は誇張されていることがあり、構成要素の数も減らして図示していることがある。また、本発明はその主旨を逸脱しない範囲で、以下の実施形態に限定されるものではない。
Hereinafter, an electrode chip for an electrochemical sensor and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals are assigned to the same components unless there is a reason for convenience. In each drawing, the thicknesses and ratios of the constituent elements may be exaggerated for ease of viewing, and the number of constituent elements may be reduced. Further, the present invention is not limited to the following embodiments without departing from the gist thereof.
[本発明の電極チップの形態]
図1(a)は、本発明の電極チップの実施形態を例示する模式斜視図であり、図1(b)は、図1(a)をA−A’ラインで切断した面の模式断面図である。電極チップ100は、絶縁体からなる支持体1を枠体とし、支持体1は中央部が凹んだ形状をしており、この凹みに被測定試料を導入することで試料室10とするものである。導入された試料は支持体1によって固定された電極2を通じて電圧、または電流が印加され、その応答が計測される。
[Configuration of Electrode Tip of the Present Invention]
FIG. 1A is a schematic perspective view illustrating an embodiment of the electrode tip of the present invention, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of a plane cut along line AA ′ in FIG. It is. The
電極2は、作用電極、対向電極、参照電極のうち、作用電極を含む1以上の電極(図示では8電極)であり、これらのうち少なくとも1つの電極は、(図示では8電極とも)、試料室10内で支持体1から突出している。支持体1から突出する構造とすることで、電極2の表面積をより広く取り、測定精度を向上することができる。電極2は、支持体1外にあり計測部(後述の図6(b)参照)との電気的接続を行う引き出し電極13と支持体1を貫通して接続している。図1では電極2及び引き出し電極13ともに、連続して導電性のある表面を有する基体3からなる場合を示している。
The
尚、本願では、電極チップの外形を成す支持体1は、図1のように、直方体状で中央部に試料室10を備える形態を代表例として説明するが、これに限定されるものではなく、試料室を備えない形態であってもよい。試料室を備えない場合は、電極2は直接、別途保持された被測定試料に接触する。また試料室を備える場合も外形は直方体状に限定されず球体等であってもよく、また試料室10は円形であっても球状であっても良く、測定対象に応じた形状を自由に選択することができる。
In the present application, the
電極2では、基体3の表面の少なくとも一部(図1では試料室10内の突出部の全面)は炭素膜からなる保護層4より被覆されている。さらに電極2では、保護層4の表面の少なくとも一部(図1では全面)に触媒5が付与されている。
In the
保護層4を成す炭素膜の膜厚は1μm以上である。1μm以上であることにより、連続した炭素膜となり、カーボンペーストを使用して形成した膜のように多孔質膜または炭素粒子で構成された膜ではなく、緻密な膜となる。また、十分な厚さを有していることから、ピンホールが存在している可能性は低い。それ故、本発明の電極チップの電極2は、液体が保護層を浸透して基体と接触し電気化学特性へ影響を与える可能性が極めて低くなる。
The film thickness of the carbon film constituting the
炭素は、電気化学的に不活性である。それ故、本発明の電極チップの保護層4は生体や液体に接触させたとしても、劣化を生じ難い。また、生体に対しても安定であるので、生体に接触させた場合に、生体に及ぼす影響が小さい。
Carbon is electrochemically inert. Therefore, even if the
加えて、上記の通り、多孔質膜または炭素粒子で構成された膜ではなく、連続膜であるため、導電度が高い。従って、本発明の電極チップを用いた電気化学センサは、信頼性に優れており、高い精度での測定が可能である。 In addition, as described above, the conductivity is high because the film is not a porous film or a film composed of carbon particles but a continuous film. Therefore, the electrochemical sensor using the electrode chip of the present invention is excellent in reliability and can be measured with high accuracy.
また、炭素は貴金属に比べて安価な材料であり、価格の変動が小さい。それ故、本発明の電極チップを用いた電気化学センサは、比較的低いコストで電極を製造することが可能である。 Carbon is a cheaper material than precious metals, and its price fluctuation is small. Therefore, the electrochemical sensor using the electrode chip of the present invention can produce an electrode at a relatively low cost.
電極2を成す基体3は導電性のある表面を有していればよく、たとえば白金、金、チタン、銅、鉄、ニッケル、アルミニウムといった金属や、絶縁体などの表面にこれらの金属層を形成したものを用いることができる。本発明の電極チップでは、基体3の上に炭素からなる保護層4を形成するので、基体3となる金属は保護層4との密着性を考慮して、炭素との合金を作りやすい、鉄やチタンを含む金属であることが好ましい。
The
基体3も様々な形状を選択しうる。基体3が平板状である場合、2以上の電極は互いに対して平行に配置してもよく、互いに対して傾くように配置してもよい。また、基体3は、例えば、コイル形状、板ばね形状、または錐体状であってもよい。これらは目的に応じた形状を選択することが可能である。尚、コイル形状とした場合は、ばねを兼ねていてもよい。
The
一方、引き出し電極13は、図1では電極チップ100の底部に配置されているが、側面に配置してもよく、これらは必要に応じて自由な形状を選択できる。さらに引き出し電極13は、計測部(図6参照)と電気的に接続できれば、支持体1から飛び出さない形態であってもよい。
On the other hand, although the
支持体1は電気的絶縁性を有し、また試料液体を透過させず、試料液体によって腐食や破損が起きない材料であることが好ましい。例えば医療用プラスチックやセラミック等を使用することができる。
The
保護層4は、めっき法により形成することが好ましい。例えば、アイ’エムセップ株式会社が溶融塩電解を利用して実施している炭素めっき技術を利用することができる。この技術は、塩化物等の溶融塩に加えたカーバイドイオン(C2 2 −)の陽極酸化反応を利用することにより、陽極である被処理材表面に非常に緻密な炭素膜を形成するものである。これらは特許第5112010号公報に詳しい。
The
また、めっき法による炭素からなる保護層4の形成は、電極の側壁にも均一に保護層4を形成することができる。すなわち、この方法には、基体3表面が保護膜4によって完全に被覆されることで露出しないというメリットがある。
Moreover, the formation of the
従って、めっき法によれば、立体形状などの複雑な形状を有する基体3においても、保護層4を均一な厚さに容易に形成し、緻密な膜を形成することができるので、試料液体の基体3への影響を低減し、また比較的低い生産コストで電極2を形成することが可能となる。
Therefore, according to the plating method, the
本発明の電極チップでは、さらにセンサの感度を向上させるために、保護層4表面に触媒5を付与させる(図1(b)参照)。触媒付与を行うに先立ち、保護層4表面の異物除去(清浄化)と、触媒を付与させる際に保護層4表面ではじかないために保護層4表面の親水化処理を行うことが必要である。保護層4表面の清浄化、親水化処理、及び触媒の付与方法については、後述の本発明の電極チップの製造方法で述べる。
In the electrode chip of the present invention, in order to further improve the sensitivity of the sensor, the
上記のように本発明の電極チップでは、保護層4が基体3を保護していることにより、前記の洗浄液等が基体3に付着することがなくダメージを与えることがない。このことから保護層4表面を清浄化して触媒付与も行えるようになるので、測定精度の向上を図ることが可能となる。
As described above, in the electrode chip of the present invention, since the
本発明の電極チップでは、作用電極、対向電極、参照電極のうち、作用電極を含む1以上の電極を複数の組備え、それぞれの組の電極の少なくとも1つは基体と保護層と触媒と
を備え、複数の組毎に異なる触媒であるようにすることにより、複数の化学物質の測定を可能とする。
In the electrode chip of the present invention, a plurality of sets of one or more electrodes including the working electrode among the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are provided, and at least one of the electrodes of each set includes a substrate, a protective layer, and a catalyst. It is possible to measure a plurality of chemical substances by providing different catalysts for a plurality of sets.
[本発明の電極チップの製造方法]
本発明の電極チップは、例えば以下の工程を順次実施することで製造することができる。
[Method for Manufacturing Electrode Chip of the Present Invention]
The electrode tip of the present invention can be manufactured, for example, by sequentially performing the following steps.
(第1工程)
図2(a)は、電極2及び引き出し電極13(いずれも図1参照)を得るために、金属からなる素材をエッチングすることにより、基体となる部分3’及び引き出し電極となる部分13’を形成したものである。
(First step)
In FIG. 2A, in order to obtain the
前記素材は、図2(a)では板状であるが、必要に応じて棒状などの他の形状であってもよい。また、その加工方法は、断裁加工、ケミカルエッチング、ブラスト加工、レーザ加工、またはそれらの組合せであってもよい。 The material is plate-shaped in FIG. 2 (a), but may be other shapes such as a rod as required. Further, the processing method may be cutting, chemical etching, blasting, laser processing, or a combination thereof.
尚、図2では、この後の工程での取り扱いを容易にするために、支持部となる部分16’を残したまま次工程に進めているが、不要であれば基体となる部分3’及び引き出し電極となる部分13’から支持部となる部分16’を取り外して次工程に進めても構わない。
In FIG. 2, in order to facilitate handling in the subsequent process, the process proceeds to the next process while leaving the
(第2工程)
図2(b)は、電極2及び引き出し電極13を形成するために、図2(a)に示す形態の一単位を切り出したものである。その一部である基体3に炭素めっきを行い、図2(c)に示すように、保護層4を形成した部分と引き出し電極13からなる形態413となる。
(Second step)
FIG. 2B shows a unit cut out from the form shown in FIG. 2A in order to form the
(第3工程)
続いて図2(c)に示す形態413を、図3(a)のように、支持体1に固定する。支持体1の材料となる有機樹脂を高温で加熱し流動性をもたせた後、形態413を金型に固定して、金型内に有機樹脂を射出し充填する。樹脂が冷えて固まった後に金型を取り外すことで、形態413が支持体1によって支持された形態を得ることができる。
(Third step)
Subsequently, the
前記の射出成型時、保護層4を形成した部分と引き出し電極13には支持体1の材料となる有機樹脂が付着しないようにする。さらに金型には、支持体1内に試料室10となる凹み形状を設けるための形状を設けておく。
At the time of the injection molding, an organic resin as a material of the
図3(a)の形態を得た後、支持部16を切断、除去することで図3(b)の形態が得られる。また必要であれば、支持部16を保持したまま次工程に進み、不要となった時点で切断、除去しても構わない。
After obtaining the form of FIG. 3A, the form of FIG. 3B is obtained by cutting and removing the
(第4工程)
次に、図示しないが、保護層4表面の清浄化と親水化処理を行う。支持体1に設けられた試料室となる凹みの中に酸化性を有する液体を導入し、保護層4表面を浸漬させ洗浄する。この方法では、保護層4表面に付着した異物を酸化させ除去する。酸化性を有する液体としては、過酸化水素、硝酸、などが挙げられる。
(4th process)
Next, although not shown, the surface of the
また、電解処理により保護層4表面にガスを発生させ表面洗浄と親水化処理を行う方法もある。例えば、電解液として硫酸を導入し、ここに白金からなる対向電極を挿入し、作用電極となる保護層4の電位が酸素過電圧または水素過電圧を超える電圧になるよう印加する。
There is also a method of generating a gas on the surface of the
(第5工程)
保護層4表面に触媒を付与する方法としては種々あり、例えば白金を付与するために塩化白金酸を溶解した電解液を用いて、保護層4を陰極として電解処理を行うことで白金触媒を析出させる方法や、酵素を担持させることで触媒を付与する方法などがあり、これらの前に自己組織化単分子膜を形成する方法を組合せて採用することもできる。
(5th process)
There are various methods for applying a catalyst to the surface of the
図4は、保護層4の表面に触媒5を付与する工程を示すものであり、図4(a)は図3(b)の点線楕円で囲む領域Bの、保護層4表面の清浄化と親水化処理を行った後の模式斜視図である。また、図4(b)は図4(a)をC−C’ラインで切断した面の模式断面図、図4(c)、(d)は保護層4表面に触媒を付与した形態を示す模式断面図である。このように、保護層4表面の一部に付与した触媒5’の形態、全面に付与した触媒5の形態のいずれであってもよく、コストメリットを考慮すれば、図4(c)の、一部に付与する触媒5’の形態が望ましい。
FIG. 4 shows a process of applying the
図5は、複数の化学物質の測定を可能とするために、複数の組の電極毎に異なる触媒を付与する様態を示す模式断面図である。複数の組の電極を有するマルチ電極の保護層4a〜4dに対して異なる触媒を付与することで複数の化学物質の測定が可能になる。例えば、図5のように、小型の電解液セル7a〜7dを用いて、電極毎に異なる溶液を用いることでそれぞれ異なる触媒を付与することができる。あるいは、電解液を保持したガラス繊維等をそれぞれの電極に接触させることで異なる触媒を付与することが可能になる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a mode in which different catalysts are applied to a plurality of sets of electrodes in order to enable measurement of a plurality of chemical substances. A plurality of chemical substances can be measured by applying different catalysts to the
[本発明の電極チップを用いた電気化学センサ]
図6は本発明の電極チップを用いた電気化学センサの全体像を示すものである。電気化学センサ500においては、電極チップ100は、その引き出し電極13が計測部200に設けられた引き込み電極23と電気的に接続するように設置され、電極チップ100からの電気信号が入力され、計測部200で計測と分析を行うことにより電極チップ100の試料室内の試料の解析を行う。電極チップ100は計測部200から容易に取り外すことができ、自由に交換することができる。すなわち、電極チップ100を「試料部」として使い捨てにすることもできる。
[Electrochemical sensor using the electrode chip of the present invention]
FIG. 6 shows an overall image of an electrochemical sensor using the electrode chip of the present invention. In the
以下、電気化学センサを製造する具体例を記載する。 Hereinafter, specific examples for producing an electrochemical sensor will be described.
(A)金属素材の加工
厚さ0.3mmのステンレス(SUS304)板を加工して、図2(a)に示すような金属からなる加工形状を得た。この加工は、具体的には、以下の方法により行った。先ず、ステンレス板の両面へ感光性エッチングレジストを塗布した。これらのレジスト層をパターン露光し、現像することにより、ステンレス板の両面にレジストパターンを形成した。次いで、これらレジストパターンをエッチングマスクとして用いてステンレスをエッチングした。エッチング液としては、塩化第2鉄溶液を使用した。その後、レジストパターンを剥離することにより、図2(a)の加工形状を得た。次に、図2(a)の加工形状を切断し図2(b)に示すような一単位ごとに切り出した。
(A) Processing of Metal Material A stainless steel (SUS304) plate having a thickness of 0.3 mm was processed to obtain a processed shape made of metal as shown in FIG. Specifically, this processing was performed by the following method. First, a photosensitive etching resist was applied to both surfaces of a stainless steel plate. These resist layers were subjected to pattern exposure and developed to form resist patterns on both surfaces of the stainless steel plate. Subsequently, stainless steel was etched using these resist patterns as an etching mask. As an etchant, a ferric chloride solution was used. Then, the processed shape of FIG. 2A was obtained by peeling off the resist pattern. Next, the processed shape of FIG. 2 (a) was cut and cut into units as shown in FIG. 2 (b).
(B)保護層の形成
次に、図2(b)の基体3の部分に、めっき法により、炭素からなる厚さ3μmの連続膜を保護層4として形成し、図2(c)に示す形態413とした。具体的には、保護層4は、カルシウムカーバイドを含む溶融塩(LiCl−KCl−CaCl2:500℃)に基体3の部分を浸漬させ、アノード分極することによって形成した。
(B) Formation of Protective Layer Next, a continuous film made of carbon having a thickness of 3 μm is formed as a
(C)電極の仮配置及び支持体への固定
次に、図示しない金型のキャビティ内に、基体3の部分に保護層4を形成した図2(c)の形態413を複数配置した。このとき保護層4によって被覆されていない領域は支持体1によって覆われ、保護層4で被覆された領域や引き出し電極13上には支持体1が付着しないよう金型の外部に配置して、図3(a)に示す断面形状とした。尚、簡略化のため、形態413は1個のみ図示している。さらに、支持部16をレーザービームを照射して切断し、図3(b)の断面形状を得た。
(C) Temporary Arrangement of Electrode and Fixation to Support Next, a plurality of
(D)表面洗浄及び親水化処理
次に、支持体1の試料室に電解液として2mol/Lの硫酸を導入し、白金からなる対向電極を作用電極に接触しないよう挿入し、さらに引き出し電極13を定電位電源装置に接続した後、作用電極に1.6V vs Ag/AgClの電位をかけて1分間放置した。これにより、保護層4上の異物を除去し水弾きがなくなったことで清浄化と親水化処理が完了した。
(D) Surface cleaning and hydrophilization treatment Next, 2 mol / L sulfuric acid is introduced into the sample chamber of the
(E)触媒付与
次に、支持体1の試料室に0.1g/Lの塩化白金酸水溶液を導入し、白金からなる電極を陽極とし、作用電極を陰極として、1A/cm2で10秒間処理を行った。この処理により、白金触媒を付与した本発明の電極チップを作製した。
(E) Catalyst application Next, 0.1 g / L of chloroplatinic acid aqueous solution is introduced into the sample chamber of the
100・・・電極チップ
1・・・・・支持体
2・・・・・電極
3・・・・・基体
3’・・・・・基体となる部分
4・・・・・保護層
4a、4b、4c、4d・・・保護層
5’・・・・・触媒
5・・・・・触媒
7a、7b、7c、7d・・・電解液セル
10・・・・試料室
13・・・・引き出し電極
13’・・・・引き出し電極となる部分
16・・・・支持部
16’・・・・支持部となる部分
413・・・電極作製途中の一形態
23・・・・引き込み電極
200・・・計測部
500・・・電気化学センサ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記電極チップは絶縁性を有する支持体と、作用電極を含む1以上の電極を備え、
前記1以上の電極は、前記支持体から突出しており、且つ導電性を有する表面からなる基体からなり、前記基体の表面の少なくとも一部は炭素膜からなる保護層により被覆され、前記保護層は厚さが1μm以上であり、
前記保護層の表面の少なくとも一部には、触媒が付与されている、
ことを特徴とする電極チップ。 An electrode chip for an electrochemical sensor,
The electrode tip comprises an insulating support and one or more electrodes including a working electrode,
The at least one electrode protrudes from the support and is made of a base made of a conductive surface, and at least a part of the surface of the base is covered with a protective layer made of a carbon film, The thickness is 1 μm or more,
A catalyst is applied to at least a part of the surface of the protective layer.
An electrode tip characterized by that.
前記1以上の電極は、前記試料室内で前記支持体から突出している、
ことを特徴とする、請求項1に記載の電極チップ。 The support includes a sample chamber for holding a sample to be measured,
The one or more electrodes project from the support in the sample chamber;
The electrode tip according to claim 1, wherein:
それぞれの組の電極は前記基体と前記保護層と前記触媒とを備え、
前記触媒は、前記複数の組毎に異なる触媒である、
ことを特徴とする、請求項1、または2に記載の電極チップ。 A plurality of sets of the one or more electrodes;
Each set of electrodes comprises the substrate, the protective layer, and the catalyst,
The catalyst is a catalyst different for each of the plurality of sets.
The electrode tip according to claim 1 or 2, wherein
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