JP2020030192A - 電気化学センサ及び電気化学センサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図2は、本発明の電気化学センサに設けられる電極形成板3の一部を拡大した概略図である。図2に示すように、電極形成板3は、一方の面にサンプル溶液10aが存在し、他方の面に電気化学発光溶液10bが存在しており、サンプル溶液10a及び電気化学発光溶液10bを仕切っている。
(2−1)第1実施形態による電気化学センサの全体構成
次に、上述した本発明の電気化学センサの具体的な構成について以下説明する。図5に示すように、本発明の電気化学センサ1は、サンプル溶液保持部2と、電極形成板3と、電気化学発光溶液保持部4と、光学顕微鏡5と、撮像部6と、画像処理部7とを備えており、サンプル溶液保持部2及び電気化学発光溶液保持部4の間に電極形成板3が設けられた構成を有する。なお、図2は、図5の領域ER1を拡大した概略図となる。
次に、図6を用いて、サンプル溶液保持部2、電極形成板3及び電気化学発光溶液保持部4の詳細な構成について以下説明する。なお、図5は、図6のA−A部分、B−B部分及びC−C部分の側断面構成を示した断面図である。
次に、電極形成板3の製造方法について説明する。以下、代表的な製造方法について順に説明する。なお、以下の各製造方法により製造された電極形成板3は、予め準備したサンプル溶液保持部2及び電気化学発光溶液保持部4(準備工程)の間に設けられ(設置工程)、図5に示すような構成の電気化学センサ1になり得る。
電極形成板3の第1の製造方法としては、始めに、図8Aに示すように、例えば、導電性部材を予め棒状に形成した棒状部材(例えば、金ワイヤ)を検出電極3bとして用意する。次いで、図8Bに示すように、検出電極3bの周側面に、エポキシ等の絶縁部材をコーティングしてゆき絶縁層3cを形成する。次いで、図8Cに示すように、周側面に絶縁層3cを形成した検出電極3bを束ねて、その周辺を絶縁層3cと同じ絶縁部材により固め、検出電極3bがアレイ状に配置されたセンサエリアを形成する。
次いで、電極形成板3の他の製造方法としては、始めに、図9Aに示すように、絶縁部材によって所定の板厚に形成した基板3aを用意し、基板3aの板厚方向を貫通する貫通孔3dを、基板3aに対してアレイ状に形成する(貫通孔形成工程)。なお、基板3aに貫通孔3dを穿設する手法は、エッチング等の公知の手法を適用すればよい。
次に、カーボンからなる検出電極3bを有した電極形成板3の製造方法について説明する。この場合、絶縁部材によって所定の板厚に形成した基板3aを用意し、基板3aの板厚方向を貫通する貫通孔3dを、基板3aに対してアレイ状に形成する(貫通孔形成工程)。
次に、電気化学センサ1での発光強度の定量性評価について以下説明する。ここでは、図5に示すような電気化学センサ1を作製し、発光強度の定量性評価を確認する検証試験を行った。この場合、検出対象分子を含むサンプル溶液10aとしては、濃度0.1MのKCl水溶液(塩化カリウム水溶液)にフェリシアン化カリウムを含有させたフェリシアン化カリウム溶液を用いた。電気化学発光溶液10bとしては、[Ru(bpy)3]Cl2の濃度を10mMとし、TPAの濃度を100mMとした、濃度1MのKCl水溶液(塩化カリウム水溶液)を用いた。
次に、上述した「(2−4)解析部による定量性評価」の検証試験により用いた、図5に示す電気化学センサ1を用い、サンプル溶液10a内の検出対象分子の移動を、電気化学発光溶液10bの発光変化により確認できるか否かについて検証試験を行った。
上述した実施形態においては、サンプル溶液10a内で還元反応が起こる検出対象分子の一例として、フェリシアン化カリウムを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、サンプル内で還元反応が起きる物質であれば、その他種々の物質を検出対象分子として適用することができる。
上述した実施形態においては、検出電極3bの他端で酸化することにより発光する電気化学発光溶液として、[Ru(bpy)3]Cl2とトリプロピルアミン(TPA)の混合水溶液を用いた場合について述べたが、本発明はこれに限らない。本発明では、検出電極3bの一端でサンプル溶液10a内の検出対象分子を還元させることで、検出電極3bの他端で発光物質の酸化が生じて発光する種々の電気化学発光溶液を適用できる。
以上の構成において、電気化学センサ1では、サンプル溶液10aを保持するサンプル溶液保持部2と、電気化学発光溶液10bを保持する電気化学発光溶液保持部4と、の間に電極形成板3を設けるようにした。また、電極形成板3は、サンプル溶液10aと電気化学発光溶液10bとを仕切る基板3aに、複数の検出電極3bをアレイ状に設け、各検出電極3bを、基板3aの板厚方向を貫通するように設けるようにした。
上述した実施形態においては、検出電極3bの一端でサンプル溶液10a内の検出対象分子が「還元」されることによって、検出電極3bの他端で電気化学発光溶液10b内の発光物質を「酸化」させて発光させる場合について述べたが、本発明はこれに限らない。例えば、検出電極3bの一端でサンプル溶液10a内の検出対象分子が「酸化」されることによって、検出電極3bの他端で電気化学発光溶液10b内の発光物質を「還元」させて発光させる電気化学センサであってもよい。
(3−1)第2実施形態の電気化学センサの構成
次に、自己誘発レドックスサイクルを発現可能な第2実施形態の電気化学センサについて以下説明する。第2実施形態の電気化学センサは、図5に示した第1実施形態の電気化学センサ1と基本的構成は同じであり、図16に示すような酸化用電極17aが設けられている点で相違している。
次に、酸化用電極17aを設けることで、検出電極3bの他端で電気化学発光溶液10bの発光強度が増強されるか否かを確認する検証試験を行った。この検証試験に用いる電気化学センサ及び電気化学発光溶液10bは、上述した「(2−4)解析部による定量性評価」の検証試験と同じものを用いた。サンプル溶液10aは、フェリシアン化カリウムの濃度を5.0mMとしたサンプル溶液10aを用いた。
以上の構成において、第2実施形態による電気化学センサでも、上述した第1実施形態と同様に、各検出電極3bにリード線を設けなくても、電気化学発光溶液10bの発光を基にサンプル溶液10a内の検出対象分子を確認できるので、リード線が不要となる分、検出電極3bを高密度で配置させることができる。よって、第2実施形態の電気化学センサでも、検出電極3bを高密度で配置できる分だけ、高解像の解析データを得ることができ、従来よりも一段と正確に検出対象分子の解析を行うことができる。
上述した実施形態においては、検出電極3bの一端でサンプル溶液10a内の検出対象分子が「還元」されることによって、検出電極3bの他端で電気化学発光溶液10b内の発光物質を「酸化」させて発光させる電気化学センサに対して、サンプル溶液10a内に酸化用電極17aを設けた場合について述べたが、本発明はこれに限らない。
(3−5−1)電気化学発光溶液内に還元用電極を設けた構成
上述した第2実施形態においては、サンプル溶液保持部2に、サンプル溶液10a内で検出電極3bとの間で自己誘発レドックスサイクルを発現させる酸化用電極17aを設け、検出電極3bの他端で発生する電気化学発光溶液10b内の発光物質の発光強度を増強させた場合について述べたが、本発明はこれに限らない。
ここで、図18に示すように、検出電極3bがアレイ状に配置された電極形成板3のセンサエリア内で発生する電気化学発光溶液10b内の発光物質の発光を、撮像部6によって局所的に観察するためには、光学顕微鏡5(図5)により拡大率を上げる必要がある。そのため、電極形成板3と、光学顕微鏡5の対物レンズ5aとの距離を極力小さくすることが望ましい。
上述した実施形態においては、検出電極3bの一端でサンプル溶液10a内の検出対象分子が「還元」されることによって、検出電極3bの他端で電気化学発光溶液10b内の発光物質を「酸化」させて発光させる電気化学センサに対して、電気化学発光溶液10b内に還元用電極17bを設けた場合について述べたが、本発明はこれに限らない。
(4−1)発光物質が酸化により発光する電気化学発光溶液を用いた場合
次に、サンプル溶液内に含まれる測定物質から、酸化反応により検出対象分子を得る場合について以下説明する。図20に示す第3実施形態の電気化学センサは、図5に示した第1実施形態の電気化学センサ1と基本的構成は同じであり、図20に示すような酸化用電極20が設けられている点で相違している。
上述した実施形態においては、サンプル溶液10a内に含まれる測定物質から、酸化用電極20による酸化反応により検出対象分子を得、検出電極3bの一端でサンプル溶液10a内の検出対象分子が「還元」されることによって、検出電極3bの他端で電気化学発光溶液10b内の発光物質を「酸化」させて発光させる電気化学センサについて述べたが、本発明はこれに限らない。
(5−1)第4実施形態の電気化学センサの概要
次に、本発明の電気化学センサを利用して、サンプル溶液10a内における、グルコースやグルタミン酸、尿酸、ピルビン酸、アミノ酸、アルコール、コレステロール、マルトース等の測定物質を検出可能な第4実施形態について以下説明する。
次に、このように、オキシダーゼを利用して測定物質を検出する電気化学センサの構成について以下説明する。図23は、第4実施形態の電気化学センサ22を示しており、図5に示した第1実施形態の電気化学センサ1とは、検出対象分子ではない測定対象が含まれたサンプル溶液10aを使用する点と、グルタミン酸反応酵素層24a及び乳酸反応酵素層24bをサンプル溶液10a内に設けている点とで相違する。
グルタミン酸反応酵素層24a及び乳酸反応酵素層24bは、次のような手順により製造することができる。例えば、グルタミン酸オキシダーゼを含む酵素溶液と、乳酸オキシダーゼを含む酵素溶液とを作製し、ナノインジェクションプリンタを使用して、これらを電極形成板3の表面にアレイ状に滴下してゆく。そして、電極形成板3の表面にアレイ状に滴下した酵素溶液を乾燥させ、電極形成板3の表面に吸着固化させることでグルタミン酸反応酵素層24a及び乳酸反応酵素層24bを形成できる。
以上の構成において、第4実施形態による電気化学センサ22でも、上述した第1実施形態と同様に、各検出電極3bにリード線を設けなくても、電気化学発光溶液10bの発光を基にサンプル溶液10a内の過酸化水素を確認できるので、リード線が不要となる分、検出電極3bを高密度で配置させることができる。
(5−5−1)その他の酵素層について
なお、上述した第4実施形態においては、サンプル溶液10a内のグルタミン酸及び乳酸を検出可能な電気化学センサ22について説明したが、本発明はこれに限らず、上述したように、グルコースや尿酸、ピルビン酸、アミノ酸、アルコール、コレステロール、マルトース等の測定物質を検出する電気化学センサとしてもよい。この場合、測定物質毎に、測定物質と酸化反応して過酸化水素を生成する下記の表1の酵素を含む酵素層を設ければよい。
上述した第4実施形態においては、電極形成板3の上にグルタミン酸反応酵素層24a及び乳酸反応酵素層24bを直接形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図25及び図26に示すように、電極形成板3と酵素層24との間に、電子伝達メディエータ層25a,25bを設けるようにしてもよい。
なお、上述した第4実施形態においては、異なる種類の酵素で形成したグルタミン酸反応酵素層24a及び乳酸反応酵素層24bを設けた場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、図27に示すように、一方のグルタミン酸反応酵素層24aのみを電極形成板3上に形成するようにしてもよい。また、乳酸反応酵素層24bのみを電極形成板3上に形成するようにしてもよく、さらに、3種以上の酵素層を電極形成板3上に形成するようにしてもよい。
上述した第4実施形態においては、検出電極3bの一端でサンプル溶液10a内の検出対象分子が「還元」されることによって、検出電極3bの他端で電気化学発光溶液10b内の発光物質を「酸化」させて発光させる電気化学センサ22に対して、サンプル溶液10a内に酵素層を設けて、測定物質を検出する場合ついて述べたが、本発明はこれに限らない。
上述した第1実施形態から第4実施形態においては、検出電極として、サンプル溶液10aに接する一端と、電気化学発光溶液10bに接する他端とが同じ直径に選定された円柱状の検出電極3bを設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らない。例えば、サンプル溶液10aに接する一端の面積を、電気化学発光溶液10bに接する他端の面積よりも小さくした柱状の検出電極であってもよい。
2 サンプル溶液保持部
3 電極形成板
3a 基板
3b 検出電極
4 電気化学発光溶液保持部
10a サンプル溶液
10b 電気化学発光溶液
Claims (14)
- サンプル溶液を保持するサンプル溶液保持部と、
電気化学発光溶液を保持する電気化学発光溶液保持部と、
前記サンプル溶液保持部及び前記電気化学発光溶液保持部の間に配置された電極形成板と、
を備え、
前記電極形成板は、
前記サンプル溶液と前記電気化学発光溶液とを仕切る基板と、
前記基板にアレイ状に配置された複数の検出電極と、
を備え、
各前記検出電極は、
前記基板の板厚方向を貫通しており、一端が前記サンプル溶液に接し、他端が前記電気化学発光溶液に接し、
前記一端で前記サンプル溶液内の検出対象分子が還元又は酸化されることによって、前記他端で前記電気化学発光溶液内の発光物質を酸化又は還元させて発光させる、
電気化学センサ。 - 前記電気化学発光溶液内に配置された各前記検出電極の前記他端を撮像する撮像部を備える、請求項1に記載の電気化学センサ。
- 前記検出対象分子の濃度と発光強度との関係を表した検量線を予め記憶しており、前記撮像部により取得した撮像画像から前記発光強度を特定し、前記検量線に基づいて前記サンプル溶液内の前記検出対象分子の濃度を解析する解析部を備える、請求項2に記載の電気化学センサ。
- 前記撮像部により時系列に取得した複数の撮像画像に基づいて、発光状態の時間的な変化を提示する提示部を備える、請求項2又は3に記載の電気化学センサ。
- 前記基板には板厚方向に貫通する貫通孔がアレイ状に形成されており、前記検出電極が前記貫通孔を埋めている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気化学センサ。
- 前記電気化学発光溶液保持部には、前記電気化学発光溶液内で前記検出電極との間で自己誘発レドックスサイクルを発現させる還元用電極又は酸化用電極を備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気化学センサ。
- 前記サンプル溶液保持部には、前記サンプル溶液内で前記検出電極との間で自己誘発レドックスサイクルを発現させる酸化用電極又は還元用電極を備える、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気化学センサ。
- 前記検出対象分子は、前記サンプル溶液内の酸化反応又は還元反応に基づいて得られ、
前記サンプル溶液保持部には、前記サンプル溶液内で酸化反応又は還元反応を起こさせる酸化用電極又は還元用電極を備え、
各前記検出電極は、
前記酸化用電極による酸化又は還元により得られた、前記サンプル溶液内の前記検出対象分子が、前記一端で還元又は酸化されることによって、前記他端で前記電気化学発光溶液内の発光物質を酸化又は還元させて発光させる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電気化学センサ。 - 前記サンプル溶液には測定物質を含み、
前記サンプル溶液内には、前記測定物質と反応して過酸化水素を発生させる酵素を含んだ酵素層が設けられており、
前記サンプル溶液内で起こる前記測定物質と前記酵素との反応で発生した前記過酸化水素を前記検出対象分子とし、各前記検出電極の前記一端で前記サンプル溶液内の前記検出対象分子が還元又は酸化されることによって、前記他端で前記電気化学発光溶液内の発光物質を酸化又は還元させて発光させる、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電気化学センサ。 - 前記測定物質は、グルタミン酸及び乳酸のうち少なくともいずれか一方であり、
前記酵素層として、
前記サンプル溶液内の前記グルタミン酸と反応して前記過酸化水素を発生させるグルタミン酸反応酵素層と、
前記サンプル溶液内の前記乳酸と反応して前記過酸化水素を発生させる乳酸反応酵素層と、のうち少なくともいずれか一方を有する、請求項9に記載の電気化学センサ。 - 前記電極形成板と前記酵素層との間に、電子伝達メディエータ層を設けた、請求項9又は10に記載の電気化学センサ。
- 前記検出電極は、前記サンプル溶液に接する前記一端の接触面積が、前記電気化学発光溶液に接する前記他端の接触面積よりも大きい、請求項1〜11のいずれか1項に記載の電気化学センサ。
- 前記電極形成板は、前記基板の所定位置を中心にして、前記検出電極の軸方向が前記サンプル溶液から前記電気化学発光溶液に向かって末広がりに延びている、請求項1〜12のいずれか1項に記載の電気化学センサ。
- サンプル溶液を保持するサンプル溶液保持部と、電気化学発光溶液を保持する電気化学発光溶液保持部と、を準備する準備工程と、
電極形成板を作製する電極形成板作製工程と、
前記サンプル溶液保持部及び前記電気化学発光溶液保持部の間に前記電極形成板を設ける設置工程と、
を備えており、
前記電極形成板作製工程は、
板厚方向に貫通する貫通孔を基板に対してアレイ状に形成する貫通孔形成工程と、
導電性部材を前記貫通孔に埋めることで検出電極を形成する検出電極形成工程と、
を備え、
前記設置工程は、
前記検出電極の一端が前記サンプル溶液に接し、前記検出電極の他端が前記電気化学発光溶液に接するように、前記電極形成板を前記サンプル溶液保持部及び前記電気化学発光溶液保持部の間に設け、
前記一端で前記サンプル溶液内の検出対象分子が還元又は酸化されることによって、前記他端で前記電気化学発光溶液内の発光物質を酸化又は還元させて発光させる電気化学センサを製造する、
電気化学センサの製造方法。
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