JP3388572B2 - Nickel-titanium oxide alloy electrode and method for producing the same - Google Patents

Nickel-titanium oxide alloy electrode and method for producing the same

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JP3388572B2 JP07890297A JP7890297A JP3388572B2 JP 3388572 B2 JP3388572 B2 JP 3388572B2 JP 07890297 A JP07890297 A JP 07890297A JP 7890297 A JP7890297 A JP 7890297A JP 3388572 B2 JP3388572 B2 JP 3388572B2
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、糖やアルコール類
を電気化学的に検出することが可能な電極およびその製
造方法に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode capable of electrochemically detecting sugars and alcohols and a method for producing the electrode.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、電気化学検出器の電極としては炭
素が多く使われてきている。これは、炭素が電気化学的
に安定で、測定できる電位の範囲、すなわち電位の窓が
広く、また、ノイズとなる残余電流も少ないなど多くの
特長を有するためである。また、グラファイトをはじめ
として炭素材は安価で加工もたやすいなどの特長を合わ
せ持っている。しかしながら、糖やアルコールなどに対
する活性は低く、炭素を用いて糖やアルコールの電気化
学反応を起こさせるには過大の電位を印加しなくてはな
らないなど多くの問題が生じる。また、金や白金などの
貴金属も電気化学的には比較的安定なため、電気化学検
出器の電極として用いられることがあるが、炭素と同
様、糖やアルコールの検出においては、検出感度が低
く、微量な糖やアルコールの検出に適用することは困難
であった。または、高感度化させるために、パルス法な
どの特殊な電位印加法を用いる必要があり、そのための
付加的な装置が必要であった。
2. Description of the Related Art Conventionally, carbon has been often used as an electrode of an electrochemical detector. This is because carbon is electrochemically stable and has many features such as a measurable potential range, that is, a wide potential window, and a small residual current that causes noise. In addition, carbon materials such as graphite are also inexpensive and easy to process. However, the activity against sugars and alcohols is low, and there are many problems such that an excessive potential must be applied to cause an electrochemical reaction of sugars and alcohols using carbon. In addition, noble metals such as gold and platinum are relatively stable electrochemically, so they are sometimes used as electrodes in electrochemical detectors, but like carbon, they have low detection sensitivity in detecting sugars and alcohols. However, it was difficult to apply it to the detection of trace amounts of sugar and alcohol. Alternatively, in order to increase the sensitivity, it is necessary to use a special potential application method such as a pulse method, and an additional device for that is required.

【0003】これに対し、ニッケルの電極はアルカリ溶
液中においてニッケル自身が電気化学的に酸化され、水
酸化ニッケルとなる。この水酸化ニッケルは糖やアルコ
ールを触媒的に酸化させることが知られている。
On the other hand, in the nickel electrode, nickel itself is electrochemically oxidized in an alkaline solution to become nickel hydroxide. This nickel hydroxide is known to catalytically oxidize sugars and alcohols.

【0004】 Ni(OH)2→NiO(OH)+e-+H+ NiO(OH)+有機物→Ni(OH)2 Ni (OH) 2 → NiO (OH) + e + H + NiO (OH) + organic matter → Ni (OH) 2

【0005】しかしながら、ニッケル単体の電極におい
てはニッケルの酸化電流が、触媒反応による信号電流と
かわらない大きさで流れるため、十分な信号/ノイズ比
がとれなかったり、検出器のダイナミックレンジが十分
でない場合には、ニッケルの酸化反応による電流のなか
に信号電流が埋もれてしまうなどの問題があった。特
に、ボルタンメトリーをはじめとして静止状態の試料溶
液に電極を浸漬し、電位を走査あるいは電位スナップし
て電流を測定する場合には、電位を変化させるために生
じる充電電流とニッケル自身の酸化還元電流が大きく、
これが検出限界を決めてしまう原因となっている。
However, in the electrode of nickel alone, the oxidation current of nickel flows at a level that does not change from the signal current due to the catalytic reaction, so that a sufficient signal / noise ratio cannot be obtained, and the dynamic range of the detector is not sufficient. In this case, there is a problem that the signal current is buried in the current due to the oxidation reaction of nickel. In particular, when measuring the current by immersing the electrode in a stationary sample solution such as voltammetry and scanning the potential or snapping the potential, the charging current generated to change the potential and the redox current of nickel itself are measured. big,
This causes the detection limit to be determined.

【0006】これに対し、回転ディスク電極やフローイ
ンジェクション法など電極の電位は変化させずに、試料
溶液を強制的に電極へ輸送させる場合には、電極表面の
ニッケルが全て酸化されれば、理論的にはそれ以上の電
流は流れないので、電位を変化させる場合に比べてニッ
ケル自身の酸化還元電流の影響は少なくなるが、実際に
は不純物との反応など原因の特定がむずかしい電流が生
じる。この残余電流は一般に電極の表面積が大きいほど
増大し、検出器の信号/ノイズ比を低下させる原因とな
っている。
On the other hand, in the case where the sample solution is forcibly transported to the electrode without changing the potential of the electrode such as the rotating disk electrode or the flow injection method, if all the nickel on the electrode surface is oxidized, the theoretical Since the current does not flow further, the effect of the redox current of nickel itself is less than that in the case where the potential is changed, but in reality, the current such as the reaction with impurities is difficult to identify the cause. This residual current generally increases as the surface area of the electrode increases, causing a decrease in the signal / noise ratio of the detector.

【0007】これらの問題を解決するために、クワナら
はニッケルとチタンの1:1の合金電極を用い、液体ク
ロマトグラフィにおいて糖類の検出を試みている(An
alytical Chemistry,66巻,27
75頁,1994年)。彼らは、ニッケルとチタンの合
金電極では、長期安定性が向上することを見いだした
が、電位印加数分後の残余電流は100nA〜1μAと
大きく、2時間後においても8−10nAであった。感
度については1pmol当たり20pAであった。
In order to solve these problems, Kwana et al. Attempted to detect sugars by liquid chromatography using a 1: 1 alloy electrode of nickel and titanium (An.
Alytical Chemistry, Volume 66, 27
75, 1994). They found that the nickel-titanium alloy electrode had improved long-term stability, but the residual current after a few minutes of application of a potential was as large as 100 nA to 1 μA and was 8-10 nA even after 2 hours. The sensitivity was 20 pA per pmol.

【0008】一方、電位を走査した際に生じる充電電流
のような電極面積に比例するノイズの軽減については、
微小電極を用いることが有効である。通常、ミリメート
ルオーダのサイズを有する電極を用い、電気化学反応を
行わせた場合、反応するレドックス種は平均的には電極
に対して垂直に拡散してくる。電極のエッジでは垂直で
はない部分も生じるが、全体としては無視しうる量であ
る。これに対し、電極サイズがミクロンオーダになると
電極のエッジ部分の拡散が無視できなくなり、逆に電極
面に垂直に拡散してくる部分の方が少なくなる。その結
果、拡散のプロフィールは平面状拡散から球状あるいは
半球状となり、単位面積当たりに拡散してくる分子の数
が大幅に増加することになる。したがって、単位面積当
たりの信号電流が大幅に増加することになる。充電電流
のような電極の面積のみに比例するノイズは電極面積の
減少に伴い減少するが、信号電流は上述のような効果に
より大きく減少することはないので、結果として信号/
ノイズ比が大幅に向上することが知られている。しか
し、この効果をニッケル電極における電気化学検出に積
極的に取り入れた例はなかった。
On the other hand, in order to reduce the noise proportional to the electrode area such as the charging current generated when the potential is scanned,
It is effective to use microelectrodes. Usually, when an electrode having a size on the order of millimeters is used and an electrochemical reaction is performed, the redox species that react are diffused perpendicularly to the electrode. Although there are non-vertical portions at the electrode edges, the amount is negligible as a whole. On the other hand, when the electrode size is in the order of microns, the diffusion at the edge portion of the electrode cannot be ignored, and conversely, the diffusion portion at the electrode surface becomes smaller. As a result, the diffusion profile changes from planar diffusion to spherical or hemispherical, and the number of molecules that diffuse per unit area increases significantly. Therefore, the signal current per unit area is significantly increased. Noise such as charging current, which is proportional to only the area of the electrode, decreases as the electrode area decreases, but the signal current does not decrease significantly due to the above-mentioned effect.
It is known that the noise ratio is significantly improved. However, there have been no cases where this effect was positively incorporated into electrochemical detection at nickel electrodes.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】このように従来の貴金
属を用いる微小電極では過剰の電位を印加する必要があ
るなどの問題があり、印加電極を低下できるニッケル電
極では、糖やアルコールを高感度で検出しようとした
際、充電電流や信号以外の残余電流が大きく、信号/ノ
イズ比が小さいという問題があった。また、これまでの
ニッケル電極では電極面積が大きいために、電極表面の
状態が安定するまでに時間がかかり、その結果、残余電
流が安定するまでに時間がかかるという問題があった。
As described above, the conventional microelectrodes using a noble metal have problems such as the need to apply an excessive potential, and the nickel electrode capable of reducing the applied electrode is highly sensitive to sugar and alcohol. However, there was a problem that the residual current other than the charging current and the signal was large and the signal / noise ratio was small when the detection was carried out with. Further, in the conventional nickel electrode, since the electrode area is large, it takes time for the state of the electrode surface to stabilize, and as a result, it takes time for the residual current to stabilize.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、本発明によるニッケル−酸化チタン合金電極
は、電気化学反応を利用する検出器の作用電極におい
て、表面が酸化チタン表面にニッケル微粒子が分散して
いることを特徴とする。
In order to solve such a problem, the nickel-titanium oxide alloy electrode according to the present invention is a working electrode of a detector utilizing an electrochemical reaction, and the surface thereof is a titanium oxide surface with nickel fine particles. Are dispersed.

【0011】また、本発明によるニッケル−酸化チタン
合金電極の製造方法は、ニッケルとチタンの合金を所望
の形状に加工し、三電極式の電気化学セルにおける作用
電極として該合金を接続し、水酸化ナトリウム水溶液中
で電位を印加して表面のチタンを電気化学的に酸化させ
ることを特徴とする。
In the method for producing a nickel-titanium oxide alloy electrode according to the present invention, an alloy of nickel and titanium is processed into a desired shape, the alloy is connected as a working electrode in a three-electrode type electrochemical cell, and water is used. It is characterized in that a potential is applied in a sodium oxide aqueous solution to electrochemically oxidize titanium on the surface.

【0012】さらに、本発明による第二のニッケル−酸
化チタン合金電極の製造方法は、基板上にニッケルとチ
タンを同時に蒸着またはスパッタして合金を堆積させ、
所望の形状に加工し、三電極式の電気化学セルにおける
作用電極として該合金を接続し、水酸化ナトリウム水溶
液中で電位を印加して表面のチタンを電気化学的に酸化
させることを特徴とする。
Further, according to the second method for producing a nickel-titanium oxide alloy electrode according to the present invention, nickel and titanium are simultaneously vapor-deposited or sputtered on the substrate to deposit the alloy,
Characterized by processing into a desired shape, connecting the alloy as a working electrode in a three-electrode electrochemical cell, and applying a potential in an aqueous sodium hydroxide solution to electrochemically oxidize titanium on the surface. .

【0013】上述のような課題を解決するために本発明
では、図1に示すように糖やアルコールの電気化学触媒
反応が可能なニッケル電極1を微小化し、その周りを絶
縁体2で囲み、該微小電極1の集合体となった電気化学
検出器を考案した。当該検出器では電極としてニッケル
を用いることにより糖やアルコールを効率よく電気化学
触媒的に酸化させることができる。また、ニッケルが微
小電極となっているため、信号/ノイズ比を向上させる
ことが可能である。また、微小電極を集合させることに
より、1つの微小電極では小さかった信号電流の絶対値
を上げることが可能になる。本発明によるニッケル−酸
化チタン合金電極は、ニッケルの微小電極1の周りを酸
化チタン2でとりまく構造をしており、酸化チタンは紫
外線があたらない状態ではほぼ絶縁体としてふるまうた
め、上述の構造が実現できる。
In order to solve the above problems, in the present invention, as shown in FIG. 1, a nickel electrode 1 capable of electrochemical catalysis of sugar or alcohol is miniaturized and surrounded by an insulator 2. An electrochemical detector that is an assembly of the microelectrodes 1 was devised. In the detector, by using nickel as an electrode, sugar and alcohol can be efficiently electrochemically oxidized. Further, since nickel is a minute electrode, it is possible to improve the signal / noise ratio. Further, by assembling the microelectrodes, it is possible to increase the absolute value of the signal current, which was small with one microelectrode. The nickel-titanium oxide alloy electrode according to the present invention has a structure in which the nickel microelectrode 1 is surrounded by titanium oxide 2. Titanium oxide behaves almost as an insulator in the absence of ultraviolet rays. realizable.

【0014】また、本発明の電極の作製方法としては、
ニッケルとチタンの合金で電極を作製したのち、三電極
式の電気化学セルにおける作用電極として該合金を接続
し、水酸化ナトリウム水溶液中で電位を印加して表面の
チタンを電気化学的に酸化させることにより、微小なニ
ッケルの周りを絶縁体でかこむ構造を実現している。ま
た、出発材料としてニッケルとチタンの合金を用いるこ
とにより、ニッケルを合金中に原子オーダで分散させる
ことが可能になり、極めて微小なニッケル電極が実現で
きる。
Further, as a method of producing the electrode of the present invention,
After making an electrode with an alloy of nickel and titanium, connect the alloy as a working electrode in a three-electrode type electrochemical cell, and apply a potential in an aqueous solution of sodium hydroxide to electrochemically oxidize titanium on the surface. As a result, a structure in which minute nickel is surrounded by an insulator is realized. Further, by using an alloy of nickel and titanium as a starting material, nickel can be dispersed in the alloy on the atomic order, and an extremely fine nickel electrode can be realized.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的に説明す
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be specifically described below.

【0016】本発明においては表面あるいは全面が絶縁
性の基板、例えば酸化膜や窒化膜付きのシリコンウエ
ハ、石英基板、酸化アルミニウム基板、ガラス基板など
に電極の形状をくり貫いたステンシル3を重ね、真空蒸
着装置やスパッタ装置のような薄膜形成装置の基板ホル
ダーにセットし、ニッケルとチタンを同時に蒸着あるい
はスパッタすることにより該基板上にニッケル−チタン
の合金薄膜を形成する。この時、蒸着ならば試料ボート
の温度を制御したり、蒸着源と基板との距離を変えた
り、蒸着源の上部にスクリーンメッシュを配置するなど
して、スパッタならばターゲットの大きさを変えたり、
ターゲットから基板までの距離を変えたり、ターゲット
の上部にスクリーンメッシュを配置するなどしてニッケ
ルとチタンの合金比を変える。また、スパッタであれば
2つのターゲットを同時に用いた共スパッタだけでな
く、例えばニッケルターゲット上にチタンのチップをお
くことによりターゲットは1つであるが乗せるチタンの
量を変えることにより混合比を変えることも可能であ
る。
In the present invention, a stencil 3 having an electrode shape is superposed on a substrate whose surface or whole surface is insulative, such as a silicon wafer with an oxide film or a nitride film, a quartz substrate, an aluminum oxide substrate, or a glass substrate. A nickel-titanium alloy thin film is formed on the substrate by setting it on a substrate holder of a thin film forming device such as a vacuum vapor deposition device or a sputtering device, and simultaneously depositing or sputtering nickel and titanium. At this time, in the case of vapor deposition, the temperature of the sample boat can be controlled, the distance between the vapor deposition source and the substrate can be changed, and a screen mesh can be placed above the vapor deposition source to change the size of the target in the case of sputtering. ,
The alloy ratio of nickel and titanium is changed by changing the distance from the target to the substrate or placing a screen mesh on the upper part of the target. In the case of sputtering, not only co-sputtering in which two targets are used at the same time, but, for example, by placing a titanium chip on a nickel target, there is one target, but the mixing ratio is changed by changing the amount of titanium to be placed. It is also possible.

【0017】ステンシルを用いない場合には、まず基板
全面にニッケル−チタン合金薄膜を形成し、そのまま用
いたり、適当に切り出して用いることもできる。また、
レジストを用いてリソグラフィにより微細パタンを形成
し、混酸などでウエットエッチングしたり、アルゴンで
ミリングすることにより、所望の形状を有するニッケル
−チタン合金薄膜電極を得ることができる。また、最初
に電極パターンを基板上に形成し、その上にニッケル−
チタン薄膜を堆積して、レジストを剥離するリフトオフ
法で所望の形状の電極を得ることも可能である。一方、
ニッケル−チタンの合金を適当な形状に機械加工し、K
el−Fなどのプラスチック材料やガラスなどに埋め込
んで電極とすることも可能であるが、ニッケル−チタン
の合金を鋳造しようとすると、所望の混合比の合金はで
きないので、化学量論的な化合比の化合物、例えばNi
Ti、NiTi2のような電極以外は作製が非常に困難
である。
When the stencil is not used, a nickel-titanium alloy thin film may be first formed on the entire surface of the substrate and used as it is, or may be appropriately cut and used. Also,
A nickel-titanium alloy thin film electrode having a desired shape can be obtained by forming a fine pattern by lithography using a resist, performing wet etching with mixed acid, or milling with argon. Further, first, an electrode pattern is formed on the substrate, and a nickel-
It is also possible to obtain an electrode having a desired shape by a lift-off method in which a titanium thin film is deposited and the resist is peeled off. on the other hand,
Machine a nickel-titanium alloy into a suitable shape,
It is also possible to embed it in a plastic material such as el-F or glass to form an electrode, but if an alloy of nickel-titanium is to be cast, an alloy having a desired mixing ratio cannot be obtained. Ratio of compounds, eg Ni
It is very difficult to manufacture except for electrodes such as Ti and NiTi 2 .

【0018】次に該合金電極を水酸化ナトリウム水溶液
などのアルカリ溶液に浸漬し、ポテンシオスタットによ
り銀/塩化銀参照電極に対して酸化の電位を印加すると
表面のチタンが酸化され、通常では絶縁体として扱える
酸化チタンとなる。印加する電位はチタンが酸化する電
位であればいくらでもよいが、通常、0.4V程度で十
分に酸化は進行する。また、その際に電位を一定にして
例えば数分間程酸化してもよいし、電位を変化させても
よい。例えば、サイクリックボルタモグラムを0Vと
0.4Vの間で走査速度100mV/secにて測定す
ると、第1回目の酸化側への掃引においてチタンの酸化
による大きな電流が観測されるが、2回目以降は、酸化
チタンとなって電気化学的に不活性となり、ニッケルの
酸化還元による応答のみが観測されるようになる。この
状態で、酸化チタン中に分散したニッケル電極は微小電
極アレイとしてふるまうようになる。すなわち、電解溶
液中にグルコースなどの糖を添加すると酸化されたニッ
ケルにより糖が酸化され、還元されたニッケルは直ちに
電気化学的に酸化され、再び糖を酸化する。
Then, the alloy electrode is dipped in an alkaline solution such as an aqueous solution of sodium hydroxide, and when an oxidizing potential is applied to the silver / silver chloride reference electrode by a potentiostat, titanium on the surface is oxidized, and normally an insulating material is used. It becomes titanium oxide that can be handled as a body. The potential to be applied may be any as long as titanium is oxidized, but normally, about 0.4 V sufficiently oxidizes. Further, at that time, the potential may be kept constant to oxidize for several minutes, or the potential may be changed. For example, when the cyclic voltammogram is measured between 0 V and 0.4 V at a scanning speed of 100 mV / sec, a large current due to the oxidation of titanium is observed in the first sweep to the oxidation side, but after the second time, , Titanium oxide becomes electrochemically inactive, and only the response due to the redox of nickel is observed. In this state, the nickel electrodes dispersed in titanium oxide behave as a microelectrode array. That is, when sugar such as glucose is added to the electrolytic solution, the sugar is oxidized by the oxidized nickel, and the reduced nickel is immediately electrochemically oxidized to oxidize the sugar again.

【0019】このような反応はニッケル単体の電極でも
生じるが、合金電極の場合、図1に示すようにニッケル
が微小電極1となっているため、糖分子がニッケル電極
に対して球面的な拡散をしてくるため、図5に示すよう
なニッケル単体のニッケル電極1の場合の平面的拡散に
比べて単位面積当たりの反応量が極めて多くなる。その
結果、信号電流のみが増大し、電極面積に比例するノイ
ズが減少するので、信号/ノイズ比が大幅に改善され
る。なお図5において、2は酸化チタンである。
Such a reaction occurs even with an electrode of nickel alone, but in the case of an alloy electrode, since nickel is the minute electrode 1 as shown in FIG. 1, the sugar molecules diffuse spherically with respect to the nickel electrode. Therefore, the reaction amount per unit area becomes extremely large as compared with the planar diffusion in the case of the nickel electrode 1 of nickel alone as shown in FIG. As a result, only the signal current is increased and the noise proportional to the electrode area is reduced, so that the signal / noise ratio is significantly improved. In FIG. 5, 2 is titanium oxide.

【0020】このようなニッケル微粒子の粒径は、この
マイクは10μm以下であるのがよい。10μmを越え
ると、微小電極の効果を十分発揮できない恐れがあるか
らである。
The particle size of such nickel fine particles is preferably 10 μm or less in this microphone. If it exceeds 10 μm, the effect of the microelectrode may not be sufficiently exhibited.

【0021】また、ニッケル−酸化チタン合金電極にお
けるニッケルの割合は、好ましくは55atm%未満で
あるのがよい。55atm%を越えると、微小電極にな
りにくく、微小電極効果を十分発揮できないからであ
る。
The proportion of nickel in the nickel-titanium oxide alloy electrode is preferably less than 55 atm%. This is because if it exceeds 55 atm%, it becomes difficult to form a microelectrode and the microelectrode effect cannot be sufficiently exhibited.

【0022】実際に電気化学検出器として使用する場合
には、試料溶液に浸漬してボルタンメトリを測定するこ
とにより検体の濃度できる。また、フローインジェクシ
ョン分析や液体クロマトグラフィの電気化学検出器とし
て用いることも可能である。
When actually used as an electrochemical detector, the concentration of the sample can be determined by immersing it in a sample solution and measuring voltammetry. It can also be used as an electrochemical detector for flow injection analysis or liquid chromatography.

【0023】[0023]

【実施例1】以下、図を用いてニッケル−酸化チタン合
金電極の製造方法および実施した結果について説明す
る。まず、3インチ径の石英ガラス基板に図2に示す電
極パターンPがくり貫かれたステンシル3を重ね、スパ
ッタデポジション装置(日本シード研究所製)の基板ホ
ルダーに装着した。アルゴンガス圧5mTorr、流量
31SCCM、RFパワー500W、にて基板を回転さ
せながらチタンとニッケル1:1の合金(直径:125
mm)をターゲットとしてチタン−ニッケルのスパッタ
堆積を行った。10分間のスパッタで100nm厚のチ
タン−ニッケル合金が石英ガラス基板上に堆積できた。
Example 1 Hereinafter, a method for producing a nickel-titanium oxide alloy electrode and the results of the implementation will be described with reference to the drawings. First, a stencil 3 having a hollowed electrode pattern P shown in FIG. 2 was placed on a quartz glass substrate having a diameter of 3 inches, and the stencil 3 was mounted on a substrate holder of a sputtering deposition apparatus (manufactured by Nippon Seed Research Institute). An alloy of titanium and nickel 1: 1 (diameter: 125) while rotating the substrate with an argon gas pressure of 5 mTorr, a flow rate of 31 SCCM, and an RF power of 500 W.
mm) was used as the target to perform titanium-nickel sputter deposition. A titanium-nickel alloy having a thickness of 100 nm could be deposited on the quartz glass substrate by sputtering for 10 minutes.

【0024】ICP分析の結果、堆積した合金薄膜の含
有量はニッケル53.3%、チタン46.7%であっ
た。該基板をチップに分割し、パッド5部分にリード線
を半田で接続して電極4以外の部分をエポキシ樹脂で覆
い、ポテンシオスタットの作用電極端子につないだ。次
に該電極を0.1Mの水酸北ナトリウム水溶液に白金の
対向電極と銀/塩化銀参照電極と共に浸漬し、対向電極
と参照電極をポテンシオスタットに接続した後、作用電
極に±0.4Vの電位を掃引速度100mV/secで
印加した。得られたサイクリックボルタモグラムを図3
に示す。第1回目の電位掃引において大きな酸化電流が
観測され、表面のチタンが酸化されるが、2回目以降は
酸化チタンが絶縁体となるのでその部分は電極としては
作用せず、ニッケルの酸化還元のみが観測されるように
なった。
As a result of ICP analysis, the contents of the deposited alloy thin film were nickel 53.3% and titanium 46.7%. The substrate was divided into chips, the lead wires were connected to the pads 5 with solder, the portions other than the electrodes 4 were covered with epoxy resin, and the working electrode terminals of the potentiostat were connected. Then, the electrode was immersed in a 0.1 M aqueous solution of north sodium hydroxide together with a counter electrode made of platinum and a silver / silver chloride reference electrode, and the counter electrode and the reference electrode were connected to a potentiostat, and then ± 0. A potential of 4 V was applied at a sweep rate of 100 mV / sec. Figure 3 shows the obtained cyclic voltammogram.
Shown in. A large oxidation current is observed in the first potential sweep, and the titanium on the surface is oxidized, but since the titanium oxide becomes an insulator after the second time, that part does not act as an electrode, only the redox of nickel. Came to be observed.

【0025】次に、グルコースの濃度をかえた水酸化ナ
トリウム溶液を調製し、前記と同様の条件でサイクリッ
クボルタンメトリを測定した。図4はグルコースの濃度
とグルコースの酸化により生じる電流値をプロットした
もので、広い濃度範囲で直線的な応答がえられた。ニッ
ケルだけで作製した電極を用いた場合、特に低濃度の領
域においてニッケル自身の酸化還元電流とグルコースに
よる信号電流を分離するのが難しく、測定下限はモル/
リットルであった。また、グルコースが存在しない時の
ニッケル自身の酸化還元に伴う電流は0.25μAであ
り、ニッケル単体の電極における1μAに比べて小さく
なった
Next, a sodium hydroxide solution having different glucose concentrations was prepared, and cyclic voltammetry was measured under the same conditions as above. FIG. 4 is a plot of the concentration of glucose and the current value generated by the oxidation of glucose, and a linear response was obtained in a wide concentration range. When an electrode made only of nickel is used, it is difficult to separate the redox current of nickel itself and the signal current of glucose, especially in the low concentration region, and the lower limit of measurement is mol / mol.
It was liter. The current associated with the redox of nickel itself in the absence of glucose was 0.25 μA, which was smaller than 1 μA in the electrode of nickel alone.

【0026】[0026]

【実施例2】実施例1において、チタンとニッケル1:
1の合金ターゲット上に5mm角のチタンをのせて、あ
るいはチタンターゲット上に5mm角のニッケルをのせ
てスパッタを行った。その後、実施例1と同様にチタン
とニッケルの組成比をICPにより測定し、水酸化ナト
リウム溶液中でチタンを酸化した。次に、水酸化ナトリ
ウムのみの水溶液と1mMのグルコース溶液においてサ
イクリックボルタンメトリを測定した。その結果、のせ
たチップの量で組成比を変えることができ、組成比によ
り応答が変化することがわかった。また、グルコースの
添加により大きな電流値が観測された。結果をまとめて
表1に示す。
Example 2 In Example 1, titanium and nickel 1:
Sputtering was carried out by placing 5 mm square titanium on the alloy target of No. 1 or 5 mm square nickel on the titanium target. Then, the composition ratio of titanium and nickel was measured by ICP in the same manner as in Example 1, and titanium was oxidized in a sodium hydroxide solution. Next, cyclic voltammetry was measured in an aqueous solution of sodium hydroxide alone and a 1 mM glucose solution. As a result, it was found that the composition ratio can be changed depending on the amount of the mounted chips, and the response changes depending on the composition ratio. Also, a large current value was observed due to the addition of glucose. The results are summarized in Table 1.

【0027】 [0027]

【0028】[0028]

【実施例3】3インチ径の石英基板をスパッタデポジシ
ョン装置(日本シード研究所製)の基板ホルダーに装着
し、チタンとニッケル1:1の合金ターゲット上に5m
m角のチタンチップを50個のせて実施例1と同様の条
件でスパッタを行い、石英基板全面にニッケル−チタン
合金の薄膜を作製した。続いて、真空を破ることなく石
英をターゲットとしてシリコン酸化膜を合金上に堆積し
た。アルゴンガス圧0.67Pa、流量31SCCM、
RFパワー500W、にて基板を回転させながら基板温
度を300℃でスパッタ堆積を行った。15分間のスパ
ッタで100nm厚の酸化膜が該基板上に堆積できた。
次に、該基板にホトレジスト(東京応化製:TSMR−
V3)をスピンコートで塗布し(回転数:4000rp
m、時間:40秒、膜厚:0.8μm)、90℃のホッ
トプレートで90秒間ベークしたのち、電極パターンを
マスクアライナ(キヤノン製:PLA一501)にて2
0秒間紫外線照射した。次に、レジスト現像液(東京応
化製:NMD−W)で90秒間スプレー現像し、純水に
て2分間リンス後、1500rpmで3分間スピン乾燥
した。次に、該基板を反応性イオンエッチング装置(ア
ネルバ製:DEM451)に入れ、C26ガスを用いて
圧力:0.25Pa、流量:25SCCM、RFパワ
ー:150Wにて10分間、酸化膜のエッチングを行っ
て、該合金の電極部分とパット部分を露出させた。次に
リード線をパット部分に半田で接続し、エポキシ樹脂で
覆った。
[Example 3] A quartz substrate having a diameter of 3 inches was mounted on a substrate holder of a sputtering deposition apparatus (manufactured by Japan Seed Research Institute), and 5 m was placed on an alloy target of titanium and nickel 1: 1.
Fifty m-square titanium chips were placed and sputtered under the same conditions as in Example 1 to form a nickel-titanium alloy thin film on the entire surface of the quartz substrate. Subsequently, a silicon oxide film was deposited on the alloy by using quartz as a target without breaking the vacuum. Argon gas pressure 0.67 Pa, flow rate 31 SCCM,
Sputter deposition was performed at a substrate temperature of 300 ° C. while rotating the substrate with an RF power of 500 W. A 100 nm thick oxide film could be deposited on the substrate by sputtering for 15 minutes.
Next, a photoresist (manufactured by Tokyo Ohka: TSMR-
V3) is applied by spin coating (rotation speed: 4000 rp)
m, time: 40 seconds, film thickness: 0.8 μm), after baking for 90 seconds on a hot plate at 90 ° C., the electrode pattern was set to 2 using a mask aligner (Canon: PLA-501).
UV irradiation was performed for 0 seconds. Next, a resist developer (Tokyo Ohka: NMD-W) was spray-developed for 90 seconds, rinsed with pure water for 2 minutes, and then spin-dried at 1500 rpm for 3 minutes. Next, the substrate was placed in a reactive ion etching device (DEM451 manufactured by Anelva), and C 2 F 6 gas was used for pressure: 0.25 Pa, flow rate: 25 SCCM, RF power: 150 W for 10 minutes to form an oxide film. Etching was performed to expose the electrode portion and the pad portion of the alloy. Next, the lead wire was connected to the pad portion with solder and covered with an epoxy resin.

【0029】該電極を実施例1と同様に水酸化ナトリウ
ム水溶液に浸漬し、ポテンシオスタットに接続してチタ
ンを酸化した。実施例2と同様の条件で実験を行ったと
ころ、水酸化ナトリウム水溶液のみでは電位0.4Vに
128nAの酸化ピークが観測され、1mMのグルコー
ス溶液中では11.9μAの電流が観測された。
As in Example 1, the electrode was immersed in an aqueous sodium hydroxide solution and connected to a potentiostat to oxidize titanium. When an experiment was conducted under the same conditions as in Example 2, an oxidation peak of 128 nA was observed at a potential of 0.4 V only with an aqueous sodium hydroxide solution, and a current of 11.9 μA was observed in a 1 mM glucose solution.

【0030】[0030]

【実施例4】実施例2で作製した各電極をフローインジ
ェクション分析用のセル(ビーエーエス社製)に組み込
み、送液ポンプ(ビーエーエス社製:PM−70)、イ
ンジェクションバルブ(レオダイン製)、電流検出器
(ビーエーエス社製:LC4C)を接続した。ニッケル
−酸化チタン電極には銀/塩化銀の参照電極に対して
0.4Vを印加し、0.1Mの水酸化ナトリウム水溶液
を溶離液として流速100μL/分で流して、10μM
のグルコースを5μL打ち込んだ際の応答を測定した。
結果を表2に示す。
[Example 4] Each electrode prepared in Example 2 was incorporated into a cell for flow injection analysis (manufactured by BS Co., Ltd.), a liquid feed pump (PM-70 manufactured by BS Co., Ltd.), an injection valve (manufactured by Rheodyne), and current detection. A vessel (manufactured by BS Co., Ltd .: LC4C) was connected. To the nickel-titanium oxide electrode, 0.4 V was applied to a silver / silver chloride reference electrode, and a 0.1 M sodium hydroxide aqueous solution was used as an eluent at a flow rate of 100 μL / min to flow at 10 μM.
The response was measured when 5 μL of glucose was injected.
The results are shown in Table 2.

【0031】 [0031]

【0032】ニッケルだけの電極を用いた場合には、ベ
ース電流が20nA、ノイズ電流が50pA、と大きい
のに対し、信号電流は20nAであった。また、ニッケ
ルだけの電極を用いた場合、ベース電流が安定するまで
に約6時間を要した。これに対し、ニッケルの含有量が
少なくなるほどベース電流が安定するまでの時間は短く
なり、Ni:Ti=1:1の場合では2時間程度要して
いたのが、Tiチップを75個おいた試料では20分程
度、Niチップを10個おいた試料では5分程度で安定
な状態に落ちついた。
When an electrode made of only nickel was used, the base current was 20 nA and the noise current was as high as 50 pA, whereas the signal current was 20 nA. Further, when an electrode made of only nickel was used, it took about 6 hours for the base current to stabilize. On the other hand, as the nickel content decreases, the time until the base current stabilizes decreases, and it took about 2 hours in the case of Ni: Ti = 1: 1. The sample settled in a stable state in about 20 minutes, and the sample with 10 Ni chips settled in a stable state in about 5 minutes.

【0033】[0033]

【実施例5】実施例4においてインジェクターのあとに
糖分析用のイオンクロマトグラフィカラム(ダイオネク
ス社製:CarboPac PA)を接続し、複数の糖
類を含んだ試料を打ち込んだ。電極はNi:Ti=1:
1のターゲット材にTiチップを75個のせてスパッタ
にて作製したものを用いた。各試料の濃度は10μMで
打ち込み量は5μLとした。その他の条件は実施例4と
同様に行った。その結果、各試料はカラムにより分離さ
れ、表3に示すピーク電流値が得られた。
Example 5 In Example 4, an ion chromatography column for sugar analysis (CarboPac PA manufactured by Dionex Co.) was connected after the injector, and a sample containing a plurality of sugars was injected. The electrodes are Ni: Ti = 1:
The target material of No. 1 had 75 Ti chips and was sputtered. The concentration of each sample was 10 μM, and the injection amount was 5 μL. Other conditions were the same as in Example 4. As a result, each sample was separated by the column, and the peak current values shown in Table 3 were obtained.

【0034】 [0034]

【0035】[0035]

【実施例6】実施例4において、Ni:Ti=1:1の
ターゲット材にTiチップを75個のせてスパッタにて
作製したものを用い、実施例4の条件で各種アルコール
に対する応答を調べた。その結果、表4に示す結果が得
られた。
Example 6 In Example 4, a target material of Ni: Ti = 1: 1 was prepared by sputtering with 75 Ti chips, and the response to various alcohols was examined under the conditions of Example 4. . As a result, the results shown in Table 4 were obtained.

【0036】 [0036]

【0037】[0037]

【発明の効果】該電極はニッケルの微小電極の周りを酸
化チタンでとりまく構造をしており、ニッケル電極は微
小電極の集まりとしてふるまうようになる。このため、
信号の電流密度は高くなるのに対し、充電電流など面積
に比例する電流は相対的に小さくすることができる。ま
た、ニッケルを用いて糖やアルコールを電気化学触媒的
に酸化するため、過剰の電位を印加しなくとも非常に効
率的に酸化反応を進行させることができる。したがっ
て、ノイズを軽減し、信号/ノイズ比を大幅に改善する
ことができる。この結果、これまでは測定が困難であっ
た濃度の糖やアルコールも濃縮などの処理をすることな
く簡便に短時間で測定することが可能になった。
The electrode has a structure in which titanium microelectrodes are surrounded by titanium oxide, and the nickel electrodes act as a group of microelectrodes. For this reason,
While the current density of the signal becomes high, the current proportional to the area such as the charging current can be made relatively small. Further, since nickel is used to oxidize sugars and alcohols electrochemically, the oxidation reaction can proceed very efficiently without applying an excessive potential. Therefore, noise can be reduced and the signal / noise ratio can be significantly improved. As a result, it has become possible to measure sugars and alcohols, which have been difficult to measure in the past, easily and in a short time without performing treatment such as concentration.

【0038】また、該電極を用いれば電位を印加してか
ら測定が可能になる程度にベース電流が安定化するまで
の時間を大幅に短縮することが可能になる。また、フロ
ーインジェクション分析などで大量の試料を連続的に測
定したい場合、ベース電流が短時間で定常な状態に戻る
ので、測定の間隔を非常に小さくできる。以上のような
効果の結果、全体のスループットを向上させることが可
能になり、これらの分析方法の向上に大きく寄与する。
Further, if the electrode is used, it is possible to greatly reduce the time from the application of the potential to the stabilization of the base current to the extent that measurement can be performed. Further, when a large amount of sample is to be continuously measured by flow injection analysis or the like, the base current returns to a steady state in a short time, so the measurement interval can be made very small. As a result of the above effects, it is possible to improve the overall throughput, which greatly contributes to the improvement of these analysis methods.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】微小電極における拡散プロファイルを示す図。FIG. 1 is a diagram showing a diffusion profile in a microelectrode.

【図2】ニッケル−酸化チタン合金電極をスパッタで作
製する際のステンシルの形状を示す平面図。
FIG. 2 is a plan view showing the shape of a stencil when a nickel-titanium oxide alloy electrode is produced by sputtering.

【図3】ニッケル−酸化チタン電極のサイクリックボル
タモグラムを示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a cyclic voltammogram of a nickel-titanium oxide electrode.

【図4】グルコース濃度と信号電流の関係を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between glucose concentration and signal current.

【図5】ニッケル単体のニッケル電極における拡散プロ
ファイルを示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a diffusion profile in a nickel electrode of nickel alone.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ニッケル電極 2 酸化チタン 3 ステンシル 4 電極 5 パッド3 1 Nickel electrode 2 Titanium oxide 3 stencils 4 electrodes 5 pad 3

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 訓行 埼玉県比企郡鳩山町松ヶ丘一丁目4番6 号 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/26 - 27/49 JICSTファイル(JOIS)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor, Noriyuki Watanabe 1-6-6 Matsugaoka, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 27/26- 27/49 JISC file (JOIS)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】電気化学反応を利用する検出器の作用電極
において、表面が酸化チタン表面にニッケル微粒子が分
散していることを特徴とするニッケル−酸化チタン合金
電極。
1. A nickel-titanium oxide alloy electrode, characterized in that in a working electrode of a detector utilizing an electrochemical reaction, nickel fine particles are dispersed on the surface of titanium oxide.
【請求項2】10μm以下の大きさのニッケル微粒子を
含むことを特徴とする請求項1に記載のニッケル−酸化
チタン合金電極。
2. The nickel-titanium oxide alloy electrode according to claim 1, containing nickel fine particles having a size of 10 μm or less.
【請求項3】ニッケルの含有量が55atm%未満であ
ることを特徴とする請求項1または2記載のいずれかに
記載のニッケル−酸化チタン合金電極。
3. The nickel-titanium oxide alloy electrode according to claim 1, wherein the content of nickel is less than 55 atm%.
【請求項4】ニッケルとチタンの合金を所望の形状に加
工し、三電極式の電気化学セルにおける作用電極として
該合金を接続し、水酸化ナトリウム水溶液中で電位を印
加して表面のチタンを電気化学的に酸化させることを特
徴とするニッケル−酸化チタン合金電極の製造方法。
4. A nickel-titanium alloy is processed into a desired shape, the alloy is connected as a working electrode in a three-electrode electrochemical cell, and a potential is applied in a sodium hydroxide aqueous solution to remove titanium on the surface. A method for producing a nickel-titanium oxide alloy electrode, which comprises electrochemically oxidizing the electrode.
【請求項5】基板上にニッケルとチタンを同時に蒸着ま
たはスパッタして合金を堆積させ、所望の形状に加工
し、三電極式の電気化学セルにおける作用電極として該
合金を接続し、水酸化ナトリウム水溶液中で電位を印加
して表面のチタンを電気化学的に酸化させることを特徴
とするニッケル−酸化チタン合金電極の製造方法。
5. Nickel and titanium are simultaneously vapor-deposited or sputtered on a substrate to deposit an alloy, the alloy is processed into a desired shape, the alloy is connected as a working electrode in a three-electrode electrochemical cell, and sodium hydroxide is used. A method for producing a nickel-titanium oxide alloy electrode, which comprises applying a potential in an aqueous solution to electrochemically oxidize titanium on the surface.
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