JP3419691B2

JP3419691B2 - 極微少量フローセル、及びその製造方法

Info

Publication number: JP3419691B2
Application number: JP25055798A
Authority: JP
Inventors: 修丹羽; 勉堀内; 慶一鳥光; 雅夫森田; 僚二栗田; 久男田部井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 2003-06-23
Anticipated expiration: 2018-09-04
Also published as: JP2000081406A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体クロマトグラ
フィ装置、キャピラリ電気泳動装置、バイオセンサや化
学センサなどの電気化学検出器として使用されるフロー
セルに関する。

【０００２】

【従来の技術】高速液体クロマトグラフィやキャピラリ
電気泳動、バイオセンサや化学センサの検出器として電
気化学検出器を組み込んだフローセルは広く用いられて
きた。フローセルの一般的な構成としては、金属やプラ
スチックを成形して作製したブロックと電極が埋め込ま
れたブロックとにより高分子フィルムなどで作製したス
ペーサ（ガスケット）を挾み込むことにより薄層セルを
形成し、その中を溶液を通過させ、目的物質が電極上で
酸化あるいは還元されることにより流れる電流を検出す
るようになっている。電気化学検出器に用いられるフロ
ーセルの構造は図６に示すように大きく３つに分けるこ
とができる。図６（ａ）に示す構成はチャンネルフロー
（或いはクロスフロー）型のセルと呼ばれ、溶液は薄膜
電極１５からやや離れた場所に導入され、薄層セル１６
中に溶液を通過させる構造を取っている。一方、図６
（ｂ）に示す構成はウオールジェット型のセルと呼ば
れ、溶液が薄膜電極１５の中央上部から放射状にこの薄
膜電極１５上に導入される構造である。また、薄層セル
内にウオールジェット型のように溶液を薄膜電極１５の
中心に導入するセル構造をラディアルフロー型のセルと
言うこともある。

【０００３】チャンネルフローに比較し、ラディアルフ
ロー型のセルでは大きな感度が得られることが報告され
ている（Huang et al., Current Separation, 13(4), 1
14 (1995)）。また、電極上に直接溶液が導入されるた
め、セルの容積を小さくすることができる。これは、マ
イクロカラムを用いた液体クロマトグラフィ等のように
カラムと検出器の容積を小さくする場合や、高速のフロ
ーインジェクション分析や速い応答性のセンサを構成す
る際のセル構造としてきわめて有用である。一方、図６
（ｃ）に示した円管型フローセル１７は金属管などをそ
のまま薄膜電極１５にしたもので、容積は小さいが、電
極上へ機能性を有する分子を修飾したり、複数の薄膜電
極を集積化するのは他のセル構造に比較して難しい。

【０００４】近年、マイクロマシンや微細加工技術が分
析用のデバイスやセンサの作製に広く用いられるように
なってきている。この技術では、シリコンやガラスなど
の基板をウエットあるいはドライエッチングすることに
より、微細な溝を形成し、これをフロー分析の流路とし
て使用するもので、これまでガスクロマトグラフィ、高
速液体クロマトグラフィ（Manz et al., Sensors & Act
uators, B1, 244-248(1990)）、キャピラリ電気泳動（G
avin et al., J. Am. Chem. Soc., 118, 8932-36 (199
6)）、化学センサやバイオセンサ（Shoji et al., Sens
ors & Actuators B8, 205-208 (1992). 或いは、Muraka
mi et al., Analytical Chemistry, 65,2731-35 (199
3)）等としての測定用チップが報告されている。これら
のチップに電気化学検出器を組み込むためには基板に薄
膜電極を形成し、この薄膜電極が形成されている基板
と、流路が形成されている基板とを張り合わせることに
より流路内に検出器を組み込む。また、電気化学検出器
に酵素などの触媒作用を有する物質や物質選択性のある
膜を修飾することにより、センサーとしても使用でき
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】マイクロマシン技術を
用いて作製した電気化学検出器に関しても、従来型のフ
ローセルと同様に図７（ａ）に示すように溶液の流れに
並行に電極１５が配置される場合と、図７（ｂ）に示す
ように電極直上の絶縁性基板１８に孔をあけ、キャピラ
リ１９を差し込んで電極上に直接溶液を導入する場合が
ある。図７（ａ）に比較して図７（ｂ）では、溶液がキ
ャピラリ１９から直接電極上へ導入されるためキャピラ
リ出口から検出器（電極）までの距離を短くすることが
でき、速い応答が期待できる。しかしながら、絶縁性基
板１８を張り合わせた流路のフタに孔をあけ、管を接続
する方法となるためキャピラリ１９と絶縁性基板１８の
接続に使える断面積が狭く、接着しても強度が弱い欠点
があった。すなわち高速液体クロマトグラフィなどのよ
うにキャピラリ内の圧力が高い場合、接続部分から溶液
の漏れが起こる欠点があった。このため、キャピラリを
基板に空けた孔に接続するには、樹脂等を用いて補強す
る必要があった。

【０００６】本発明は以上のような問題点を解決し、十
分な機械強度を有する安定な極微少量フローセルおよび
その製造方法を提供することを目的としたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明においては以下のような構成としてい
る。すなわち、請求項１においては、微小流路が形成さ
れた絶縁性基板と、この絶縁性基板上に設置された作用
電極と、被測定試料のサンプリング用あるいは分離用の
キャピラリからなる電気化学検出器であって、該作用電
極が該絶縁性基板とは別の絶縁性基板上に形成されてい
る作用電極基板を有し、この作用電極基板を上記微小流
路中でかつ流れの方向に対して垂直方向に挿入し、上記
キャピラリの流出側開口部が上記作用電極の近傍でかつ
この作用電極に対面するように配置された構成としたも
のである。

【０００８】請求項２においては、上記請求項１のフロ
ーセルにおいて対向電極及び参照電極が、上記微小流路
内あるいは上記薄膜作用電極が形成されている絶縁性基
板上のいずれかに集積した構成とした。

【０００９】請求項３においては、フローセルで用いら
れる作用電極が触媒作用を有する物質により修飾された
電極を使用した上記請求項１のフローセルとしており、
ここで上記触媒作用を有する物質としては例えば例えば
酵素やメディエータ等が挙げられる。

【００１０】請求項４においては、微小流路が形成され
た一枚の絶縁性基板に、薄膜作用電極が形成された作用
電極基板と、参照電極と、対向電極とを挿入するための
ガイドを形成し、該各ガイドに上記作用電極基板と、参
照電極と、対向電極とを挿入し、測定試料のサンプリン
グ用あるいは分離用のキャピラリの流出側開口部が上記
作用電極基板上の作用電極と隙間を有するように上記キ
ャピラリを上記微小流路内に取り付け、上記各電極が取
り付けられた絶縁性基板と、上記と同様の微小流路及び
ガイドが形成された他の一枚の絶縁性基板とを張り合わ
せることにより極微少量フローセルを製造する方法につ
いて規定したものである。

【００１１】請求項５においては、請求項４に記載の極
微少量フローセルを製造する方法において常温で上記絶
縁性基板を張り合わせる工程に、光硬化性接着剤、ポリ
マー薄膜を溶媒蒸気で溶解させた接着剤、或いは低融点
ガラス薄膜の少なくとも何れか一つの接着剤を用いて製
造する方法について規定したものである。

【００１２】請求項６においては、請求項４に記載の極
微少量フローセルを製造する方法において、上記作用電
極上に触媒作用を有する物質、または電極反応を促進す
る物質の少なくとも一つが集積されている電極を使用し
た場合について規定したもので、ここで触媒作用を有す
る物質としては例えば酵素等があり、電極反応を促進す
る物質としてはメディエータ等が挙げられる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明を図により詳細に説明
する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるも
のではない。

【００１４】（実施例１）本発明の極微少量フローセル
の基本構造を図１に示す。本発明による極微少量フロー
セルにおいてはマイクロマシン技術で形成された被測定
試料の微小流路３０となる矩型断面形状の溝を有する絶
縁性基板１および２と、この絶縁性基板１および２とは
別の短冊状の絶縁基板上に薄膜作用電極４０が形成され
た作用電極基板３と、インレット用（上流側）キャピラ
リ４及びアウトレット用（下流側）キャピラリ５と、対
向電極６と、参照電極７とから構成されている。これら
各電極が埋め込まれた後、上記絶縁基板１および２は図
３（ｅ）で述べるように互いに張り合わされフローセル
となる。本極微少量フローセルでは、キャピラリ４およ
び５が流路である溝の方向に沿って埋め込まれる形で挿
入されているため、液体クロマトグラフィのように高い
圧力が印加される測定の検出器に用いても、液漏れ等を
生じることはなく充分な強度を確保することができる。
また、キャピラリの出口にそれと垂直に薄膜作用電極４
０が配置され、キャピラリの肉厚部分とこの薄膜作用電
極４０で図６（ｂ）に示すようなラジアルフロー型のフ
ローセルを構成する構造を採用しているため、内容積を
極めて少なくすることが出来、微少量の試料測定や迅速
な測定に適したフローセルを得ることができる利点を有
する。

【００１５】図２および図３は、本実施例１によるウオ
ールジェット型フローセルによるグルタミン酸センサの
製造工程を示す。石英基板上にダイシングソーにより、
流路および、上記作用電極基板３、参照電極７及び対向
電極６の三種の電極取り付け用溝を作製した（図２
（ａ））。作用電極基板３は絶縁性基板１および２で用
いられている石英基板上にポジ型フォトレジストを毎分
４０００回転で塗布した後、フォトマスクをこの石英基
板に重ね、マスクアライナを用いて電極部分とパッド１
０およびこれをつなく金パタン部分を露光、アルカリ現
像し、水洗、乾燥を行った。その後、マグネトロンスパ
ッタ装置にこのレジストパタンをもつ石英基板を取り付
け、チタン、金の順にスパッタした後、メチルエチルケ
トン中で、超音波によりレジストを除去することで作用
電極基板３を作製した。さらに、薄膜作用電極４０上に
メディエータとして西洋ワサビペルオキシターゼを含む
オスミウムポリビニルピリジン錯体をキャストし室温で
３０分間乾燥させた後、更にグルタミン酸酸化酵素を含
むコラーゲン膜を形成させた。

【００１６】このメディエータおよび酵素が固定されて
いる薄膜作用電極４０を有する作用電極基板３をダイシ
ングソーにより加工した絶縁性基板１の電極取付け用溝
２０に挿入し、瞬間接着剤で固定した（図２（ｂ））。
さらに、対向電極６として直径１００μｍの白金線を、
参照電極７として直径１００μｍの銀線をそれぞれの取
り付け用溝に瞬間接着剤で固定した（図３（ｃ））。さ
らに、外径３７５μｍ、内径５０μｍ、長さ４５ｍｍの
ガラス製のキャピラリを先端が作用電極基板から２００
μｍまで近接させ、瞬間接着剤で固定し、上流側キャピ
ラリ４とした。また、外径３７５μｍ、内径１５０μ
ｍ、長さ３００ｍｍのガラスキャピラリを流路のもう一
端に瞬間接着剤で固定し下流側キャピラリ５とした（図
３（ｄ））。

【００１７】メディエータおよびグルタミン酸酸化酵素
が電極上に固定された作用電極基板３と、白金製の対向
電極６と、銀製の参照電極７と、更に、流路の両端にガ
ラスキャピラリ４および５を取り付けた石英製の絶縁性
基板１に、流路、電極取り付け用溝等が予め作製されて
いる同じ構造の絶縁性基板２を流路が向かい合うように
押し合わせた後、光硬化性接着剤を周りから浸み込ませ
た。光硬化性接着剤が流路の直前まで浸み込んだとき、
高圧水銀ランプを用いて紫外線を照射し、硬化させ接着
した。（図３（ｅ））このようにして作製した、ウオールジェット型フローセ
ルの応答特性をグルタミン酸センサとして以下のように
して測定した。下流側キャピラリ５をシリンジポンプに
接続し、流速４μｌ／ｍｉｎでシリンジポンプにより吸
引し、上流側キャピラリ４からリン酸バッファを連続的
にセンサへ導入し、各電極のパッド部分にポテンシオス
タット（ＢＡＳ社製ＬＣ−４Ｃ）の端子を接続し、作用
電極８に、参照電極７に対して−５０ｍＶの電位を印加
した。流速を４μｌ／ｍｉｎとし安定したベースライン
を得た後、グルタミン酸濃度が１０μＭになるようにグ
ルタミン酸を加えると１．７秒後に還元電流が流れ始
め、１．１６ｎＡの限界電流を得ることができた。応答
の遅れ時間に関与するセンサ内容積は、１００ｎｌ以下
と極めて小さかった。３３μｍ径のカーボンファイバを
ガラスキャピラリに封入してシリンダ型の微小電極（長
さ１ｍｍ）を作製し、それに西洋ワサビペルオキシター
ゼを含むオスミウムポリビニルピリジン錯体とグルタミ
ン酸酸化酵素を含むコラーゲン膜を修飾した。リン酸緩
衝生理食塩水溶液を入れたシャーレに本発明のセンサの
サンプリング部分と修飾したカーボンファイバ微小電極
を入れ、後から１００μＭのグルタメートを含む溶液を
注入してセンサの応答を調べると、１秒程度の遅れ時間
の他は、両者の応答速度はほぼ等しかった。

【００１８】（実施例２）実施例２は実施例１と基本的
には同じ構成で、実施例１における薄膜作用電極を図４
に示すくし形電極に変更した場合の一例を示す。製法自
体は図２および図３において述べたように、石英基板に
フォトリソグラフィと金属のスパッタリング、及びリフ
トオフ法の工程により、くし形作用電極８を形成した。
本実施例２においてはくし形作用電極８の構造は図４に
示すように、かみ合ったくし形電極構造で、くしの幅２
μｍ、くしとくしの間隙２μｍ、くしの長さ６０μｍ、
くしの数各９本とした。また、作用電極基板３のくし形
作用電極８の両側の部分には流路用孔９が設けられてお
り、くし形作用電極８の面上に上流側キャピラリ４から
流された試料がくし形作用電極に到達した後下流側キャ
ピラリ５の吸引力により流れ出て行く領域を形成してい
る。この作用電極基板３は図２（ｂ）に示すように電極
取付け用溝２０に挿入され、くし形作用電極８が絶縁性
基板１および２の溝に入れられた上流側キャピラリ４の
開口部の近傍でかつ開口部が作用電極に対面するように
固定した。

【００１９】この上流側キャピラリ４の開口部とくし形
作用電極８との距離は１００ミクロンとした。また、図
２および図３の例と同様下流側にも下流側キャピラリ５
を取り付けた。上流側、下流側の各キャピラリ４および
５は共に外径は、３７５ミクロン、内径５０ミクロンと
した。更に、対向電極６として直径１００μｍの白金線
を、参照電極７として直径１００μｍの銀線をそれぞれ
の電極取付け用溝２０に瞬間接着剤で固定した。

【００２０】次に、流路の両端に上流側および下流側の
各キャピラリ４および５を取り付けた絶縁性基板１に、
同じ構造の基板２を流路が向かい合うように押し合わせ
た後、光硬化性接着剤を周りから浸み込ませ、高圧水銀
ランプを用いて紫外線を照射し、硬化接着した。

【００２１】このようにして作製した、くし形作用電極
８を組み込んだウオールジェット型フローセルの動作特
性の確認を行なった。下流側キャピラリ５をシリンジポ
ンプに接続し、流速４μｌ／ｍｉｎでシリンジポンプを
吸引し、上流側ガラスキャピラリからリン酸バッファを
連続的にフローセル内のセンサへ導入した。くし形作用
電極８に接続されている２個のパッド１０をそれぞれ、
ポテンシオスタットの端子に接続し、くし形作用電極８
の一方の電極に、銀製の参照電極７に対して７００ｍ
Ｖ、もう一方の電極には５０ｍＶの電位をそれぞれ印加
した。ベースラインが安定した後、１００μＭのドーパ
ミンを連続的に注入すると、くし形作用電極８の酸化側
（高電位側）で３．２ｎＡの酸化電流、還元側（低電位
側）で２．４ｎＡの還元電流が観測された。一方、くし
形作用電極８の還元側（低電位側）の電極をポテンシオ
スタットに接続せずに測定を行うと、酸化側（高電位
側）の電極には２．１ｎＡの電流しか観測されなかっ
た。これは、２つの電極にそれぞれ酸化電位、還元電位
をそれぞれ印加して測定を行った場合、極微少量フロー
セル中においても、目的物質が電極上で酸化還元反応を
繰り返すレドックスサイクルが起こり、電流が増幅され
たことを示している。

【００２２】次ぎにくし形作用電極８を組み込んだ本実
施例２による極微少量フローセルを、検出器の内容積が
少なくすることが必要なキャピラリ電気泳動法の検出器
に応用した例について述べる。キャピラリ電気泳動法の
電気化学検出では、通常検出器はキャピラリの出口に炭
素繊維を利用した電極を配置することにより測定を行
う。この方法では、キャピラリー出口で直接検出を行う
ことができるため、セル容積を減少させることが可能で
あるが、複数の電極を配置したり再現性よく検出器を作
製するのは難しい。また、キャピラリの検出器側が開放
系になるので、落差法や減圧法による試料のサンプリン
グが困難である。

【００２３】本発明の極微少量フローセルの入口側（上
流側）に長さ７０ｃｍのキャピラリ４、出口側（下流
側）に長さ１０ｃｍのキャピラリ５を取り付けた後、図
５に示す自作の電気泳動装置に取り付けた。この場合の
キャピラリの内径は、２５ミクロン、外径３７５ミクロ
ンである。キャピラリ内と、キャピラリ両端を浸漬した
泳動溶液溜め１２に電気泳動溶液としてＭＥＳ緩衝溶液
（０．０２５Ｍ、ｐＨ＝５．６）を満たした後、試料と
して、ドーパミン、ノルエピネフリン、カテコール各１
０μＭを含むリン酸緩衝生理食塩水を調製し落差法によ
り、キャピラリ４内へ試料を導入した後、電気泳動用の
２本の高電圧印加用白金棒１３間に高圧電源１４から得
られた２５ｋＶの電圧を印加した。この構成で、サンプ
リングに減圧や加圧法を使用しても、キャピラリとフロ
ーセルの間に溶液の漏れなどの問題は起こらず、本発明
のフローセルと、キャピラリの接続が、強い強度を持っ
ていることが確認された。

【００２４】くし形作用電極８の一方に参照電極７に対
して７５０ｍＶ、もう一方に５０ｍＶの電位を印加して
測定を行うと、８分以内で、ドーパミン、ノルエピネフ
リン、カテコールの順に、高電位側の電極では酸化の、
低電位側の電極では還元の電流値のシャープなピークが
得られた。

【００２５】また、還元側の電極を使用しない場合は、
ピーク高さが約１／４に減少した。以上のように、本発
明の極微少量フローセルは、キャピラリ電気泳動の検出
器として十分使用し得るものである。

【００２６】

【発明の効果】以上、説明したように本発明による極微
少量フローセルは、セル内容積を小さく出来、速い応答
性が必要なオンラインセンサや極微少量での測定が要求
されるキャピラリ電気泳動の検出器として、有用であ
る。また、本製造法ではフローセルと試料導入用のキャ
ピラリ等との接続に十分な強度が得られ、フローセル内
に大きな圧力が印加される場合においても容易に使用が
可能であった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による極微少量フローセルの基本構成を
示す斜視図。

【図２】本発明による極微少量フローセルの作製工程図
であり、（ａ）は絶縁性基板の斜視図、（ｂ）は薄膜作
用電極を取り付けた状態の絶縁性基板の斜視図。

【図３】本発明による極微少量フローセルの作製工程図
であり、（ｃ）は対向電極および参照電極を取り付けた
状態の絶縁性基板の斜視図、（ｄ）はキャピラリを取り
付けた状態の絶縁性基板の斜視図、（ｅ）は本発明によ
りフローセルの斜視図。

【図４】本発明のフローセルに使用したくし形作用電極
の平面図。

【図５】本発明のフローセルをキャピラリ電気泳動装置
に適用した場合の構成図。

【図６】従来公知のフローセルの基本構成図であり、
（ａ）はチャンネルフロー型の平面図および断面図、
（ｂ）はウオールジェット（ラジアルフロー）型の平面
図および断面図、（ｃ）は円管型フローセルの透視図。

【図７】マイクロマシン技術により作製した従来公知の
センサ構造の模式断面図であり、（ａ）はチャンネルフ
ロー型、（ｂ）ウオールジェット（ラジアルフロー）
型。

【符号の説明】

１、２絶縁性基板３作用電極基板４インレット用（上流側）キャピラリ５アウトレット用（下流側）キャピラリ６対向電極７参照電極８くし形作用電極９流路用孔１０パッド１２泳動溶液溜め１３高電圧印加用白金棒１４高圧電源１５薄膜電極１６薄層セル１７円筒型フローセル１８絶縁性基板１９キャピラリ２０電極取付け用溝３０微小流路４０薄膜作用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森田雅夫東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者栗田僚二東京都武蔵野市御殿山一丁目１番３号エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社内 (72)発明者田部井久男東京都武蔵野市御殿山一丁目１番３号エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社内 (56)参考文献特開平11−83784（ＪＰ，Ａ) 特開平10−38844（ＪＰ，Ａ) 特開平９−292360（ＪＰ，Ａ) 特開平８−193968（ＪＰ，Ａ) 特開平５−93705（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/28 - 27/49 G01N 27/28 321

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】微小流路が形成された絶縁性基板と、該絶
縁性基板上に設置された作用電極と、被測定試料のサン
プリング用あるいは分離用のキャピラリからなる電気化
学検出器であって、該作用電極が該絶縁性基板とは別の
絶縁性基板上に形成されている作用電極基板を有し、該
作用電極基板を該微小流路中でかつ流れの方向に対して
垂直方向に挿入し、該キャピラリの流出側開口部が該作
用電極の近傍でかつ該作用電極に対面するように配置さ
れることにより、ウオールジェット型のフローセルが形
成されていることを特徴とする極微少量フローセル。
【請求項２】フローセルにおいて用いられる対向電極及
び参照電極が、該微小流路内あるいは該作用電極が形成
されている上記作用電極基板上のいずれかに集積されて
いることを特徴とする請求項１に記載の極微少量フロー
セル。
【請求項３】上記作用電極が触媒作用を有する物質によ
り修飾されていることを特徴とする請求項１に記載の極
微少量フローセル。
【請求項４】微小流路が形成された一枚の絶縁性基板
に、作用電極が形成された作用電極基板と、参照電極
と、対向電極とを挿入するためのガイドを形成し、該各
ガイドに該作用電極基板と、該参照電極と、該対向電極
とを挿入し、測定試料のサンプリング用あるいは分離用
のキャピラリの流出側開口部が該作用電極基板上の作用
電極と隙間を有するように該キャピラリを該微小流路内
に取り付け、該各電極が取り付けられた絶縁性基板と、
上記と同様の微小流路及びガイドが形成された他の一枚
の絶縁性基板とを張り合わせることにより形成される極
微少量フローセルの製造方法。
【請求項５】常温で上記絶縁性基板を張り合わせる工程
に、光硬化性接着剤、ポリマー薄膜を溶媒蒸気で溶解さ
せた接着剤、或いは低融点ガラス薄膜の少なくとも何れ
か一つの接着剤を用いることを特徴とする請求項４に記
載の極微少量フローセルの製造方法。
【請求項６】上記作用電極上に触媒作用を有する物質ま
たは電極反応を促進する物質の少なくとも一つの物質が
集積されていることを特徴とする請求項４に記載の極微
少量フローセルの製造方法。