JP5245388B2 - Electrochemical sensor and electrochemical sensor system - Google Patents

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本発明は、電気化学センサ及び電気化学センサシステムに関する。   The present invention relates to an electrochemical sensor and an electrochemical sensor system.

電気化学反応を利用した電気化学センサは微量な電流を検出可能であることから、酸化還元反応を生じる微量な化学物質の検出に原理的に適している。従来、気相法により基体上に形成した導電性ダイヤモンド類を電気化学的分析用の電極として用いることが提案されている(特許文献1)。また、白金電極を電気化学的分析用の電極として用いることが提案されている(特許文献2)。
特許第2767124号公報 特開昭61−50054号公報
Since an electrochemical sensor using an electrochemical reaction can detect a very small amount of current, it is suitable in principle for detecting a very small amount of a chemical substance that causes a redox reaction. Conventionally, it has been proposed to use conductive diamonds formed on a substrate by a vapor phase method as an electrode for electrochemical analysis (Patent Document 1). It has also been proposed to use a platinum electrode as an electrode for electrochemical analysis (Patent Document 2).
Japanese Patent No. 2767124 Japanese Patent Laid-Open No. 61-50054

しかし、従来の電気化学センサにおいては残余電流が大きいという問題があった。残余電流は、溶媒や溶質が電極に吸着して生じる酸化還元反応を含む内圏反応に起因すると考えられる。この残余電流が大きいと、検出種の酸化還元反応に基づく微小な電流が残余電流内に埋没するため、十分な検出感度を得ることができなくなる。   However, the conventional electrochemical sensor has a problem that the residual current is large. It is considered that the residual current is caused by an inner sphere reaction including a redox reaction caused by adsorption of a solvent or a solute on the electrode. When this residual current is large, a minute current based on the oxidation-reduction reaction of the detected species is buried in the residual current, so that sufficient detection sensitivity cannot be obtained.

白金やパラジウムは化学的に安定で触媒活性に優れるものの、金属のもつ自由電子が水分子や電解質などの吸着サイトとなるため、内圏反応に起因する残余電流が大きくなりやすい。また、グラファイト電極、例えばグラシーカーボンやsp結合が主体の従来のDLCの場合、π結合が水分子などの吸着サイトとなることから、残余電流が大きくなり易い。 Although platinum and palladium are chemically stable and excellent in catalytic activity, the residual current caused by the inner sphere reaction tends to increase because the free electrons of the metal serve as adsorption sites for water molecules and electrolytes. Further, in the case of a conventional DLC mainly composed of a graphite electrode such as glassy carbon or sp 2 bond, the residual current tends to increase because the π bond serves as an adsorption site for water molecules.

そこで、本発明の目的は、電気化学センサの感度の更なる改善を図ることにある。   Therefore, an object of the present invention is to further improve the sensitivity of the electrochemical sensor.

本発明は、化学物質の濃度を測定する電気化学センサに関する。本発明に係る電気化学センサは、10〜40原子%の水素と30〜85原子%の炭素とを含む導電性のDLC膜を有する作用極を備える。   The present invention relates to an electrochemical sensor for measuring the concentration of a chemical substance. The electrochemical sensor according to the present invention includes a working electrode having a conductive DLC film containing 10 to 40 atomic% hydrogen and 30 to 85 atomic% carbon.

本発明者らの知見によれば、上記特定の組成を有する導電性のDLC膜を作用極として用いることにより、電気化学センサの感度を飛躍的に高めることが可能である。   According to the knowledge of the present inventors, it is possible to dramatically increase the sensitivity of the electrochemical sensor by using the conductive DLC film having the specific composition as a working electrode.

上記DLC膜は、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びビスマスからなる群から選ばれる5〜30原子%の元素を更に含むn型半導体膜であってもよい。この場合、電気化学センサはDLC膜を支持するn型結晶性シリコン基板を更に備えることが好ましい。これにより、DLC膜を薄くしたとしてもその抵抗率が低く維持されて良好な感度が得られる。   The DLC film may be an n-type semiconductor film further containing 5 to 30 atomic% of an element selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony, and bismuth. In this case, the electrochemical sensor preferably further includes an n-type crystalline silicon substrate that supports the DLC film. As a result, even if the DLC film is thinned, its resistivity is kept low and good sensitivity can be obtained.

上記DLC膜は、ホウ素、ガリウム及びインジウムからなる群から選ばれる5〜30原子%の元素を更に含むp型半導体膜であってもよい。この場合、電気化学センサはDLC膜を支持するp型結晶性シリコン基板を更に備えることが好ましい。これにより、DLC膜を薄くしたとしてもその抵抗率が低く維持されて良好な感度が得られる。   The DLC film may be a p-type semiconductor film further containing 5 to 30 atomic% of an element selected from the group consisting of boron, gallium, and indium. In this case, the electrochemical sensor preferably further includes a p-type crystalline silicon substrate that supports the DLC film. As a result, even if the DLC film is thinned, its resistivity is kept low and good sensitivity can be obtained.

DLC膜は0.01〜20原子%の酸素を更に含むことが好ましい。   It is preferable that the DLC film further contains 0.01 to 20 atomic% oxygen.

良好な感度をより確実に確保する観点から、DLC膜の抵抗率は10−3〜10Ωcmであることが好ましい。 From the viewpoint of ensuring good sensitivity more reliably, the resistivity of the DLC film is preferably 10 −3 to 10 6 Ωcm.

作用極が、DLC膜上に形成された機能膜を有しており、該機能膜が化学物質の電気化学反応を選択的に生じさせる酵素を含んでいてもよい。これにより特定の化学物質を選択的に高感度で検出することが可能になる。この場合、機能膜はメディエータを更に含むことが好ましい。   The working electrode may have a functional film formed on the DLC film, and the functional film may contain an enzyme that selectively causes an electrochemical reaction of a chemical substance. This makes it possible to selectively detect a specific chemical substance with high sensitivity. In this case, it is preferable that the functional film further includes a mediator.

上記酵素は、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、キサンチンオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ及びビリルビンオキシダーゼからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。   The enzyme is at least one selected from the group consisting of glucose oxidase, glucose dehydrogenase, cholesterol oxidase, cholesterol dehydrogenase, alcohol oxidase, alcohol dehydrogenase, xanthine oxidase, lactate oxidase, lactate dehydrogenase, fructose dehydrogenase, ascorbate oxidase and bilirubin oxidase. Preferably there is.

本発明に係る電気化学センサシステムは、上記電気化学センサと、該電気化学センサにおいて生じる酸化還元電流を検出する制御部とを具備する。このシステムによれば、高い感度で化学物質を検出することが可能である。   The electrochemical sensor system according to the present invention includes the electrochemical sensor and a control unit that detects an oxidation-reduction current generated in the electrochemical sensor. According to this system, it is possible to detect chemical substances with high sensitivity.

本発明によれば、電気化学センサの感度が改善される。感度が良好であることから、例えば細胞外液のグルコース濃度を測定するための非侵襲のグルコースセンサとしても用いられ得る。また、本発明の電気化学センサにおいては残余電流が小さいことから、電気信号のドリフトが抑制される。そのため、精度を確保するための校正を必ずしも必要とされず、測定の作業性も良好である。更には、ホウ素ドープダイヤモンド電極等の従来の電極と比較して平滑な表面を有しており、また、安価に製造することが可能である。   According to the present invention, the sensitivity of the electrochemical sensor is improved. Since the sensitivity is good, it can be used as, for example, a noninvasive glucose sensor for measuring the glucose concentration of extracellular fluid. Moreover, in the electrochemical sensor of this invention, since a residual current is small, the drift of an electric signal is suppressed. Therefore, calibration for ensuring accuracy is not necessarily required, and measurement workability is also good. Furthermore, it has a smooth surface compared to conventional electrodes such as boron-doped diamond electrodes, and can be manufactured at low cost.

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

図1は、電気化学センサシステムの一実施形態の概略を示すブロック図である。図1に示す電気化学センサシステム100は、作用電極2、対極3及び参照電極5を有する電気化学センサ1と、電気化学センサ1を検体中の分析対象化学物質の酸化還元電流が検出されるように制御する制御部10とを備える。作用電極2、対極3及び参照電極5はそれぞれ制御部10と電気的に接続されている。作用電極2は参照電極5を基準として所定の電位に維持されるように制御部10によって制御される。そして、作用電極2と対極3との間の電流が制御部10によって検出される。   FIG. 1 is a block diagram showing an outline of an embodiment of an electrochemical sensor system. An electrochemical sensor system 100 shown in FIG. 1 has an electrochemical sensor 1 having a working electrode 2, a counter electrode 3, and a reference electrode 5, and the electrochemical sensor 1 detects a redox current of an analyte chemical substance in a specimen. And a control unit 10 for controlling. The working electrode 2, the counter electrode 3, and the reference electrode 5 are each electrically connected to the control unit 10. The working electrode 2 is controlled by the control unit 10 so as to be maintained at a predetermined potential with respect to the reference electrode 5. Then, a current between the working electrode 2 and the counter electrode 3 is detected by the control unit 10.

本発明に係る電気化学センサシステムは、例えば図2に示す実施形態のように、参照電極を備えていなくてもよい。この場合、作用電極2の電位は対極3を基準として制御される。   The electrochemical sensor system according to the present invention may not include the reference electrode as in the embodiment shown in FIG. In this case, the potential of the working electrode 2 is controlled with reference to the counter electrode 3.

図3は、電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。図3に示す電気化学センサ1は、第1の基板21と、第1の基板21の一方面において一方の端部近傍に設けられた作用電極2、対極3及び参照電極5と、作用電極2、対極3及び参照電極5にそれぞれ接続されるとともに第1の基板21の他方の端部まで延在するように第1の基板21上に形成されたリード線2a,3a及び5aと、第1の基板21に接着された、作用電極2、対極3及び参照電極5が露出するような窓25が形成されている第2の基板22とから構成される。第2の基板22は、リード線2a,3a及び5aのうち第1の基板21の他方の端部近傍以外の部分を覆っている。   FIG. 3 is a plan view showing an embodiment of an electrochemical sensor. The electrochemical sensor 1 shown in FIG. 3 includes a first substrate 21, a working electrode 2, a counter electrode 3, a reference electrode 5, and a working electrode 2 provided near one end on one surface of the first substrate 21. Lead wires 2a, 3a and 5a formed on the first substrate 21 so as to be connected to the counter electrode 3 and the reference electrode 5 and to extend to the other end of the first substrate 21, respectively. And a second substrate 22 formed with a window 25 that is exposed to the working electrode 2, the counter electrode 3, and the reference electrode 5. The second substrate 22 covers portions of the lead wires 2a, 3a, and 5a other than the vicinity of the other end of the first substrate 21.

作用電極2は、第1の基板21上に形成された導電性のDLC膜である。DLC膜は、一般にダイヤモンド状炭素膜、ダイヤモンド様炭素膜、ダイヤモンドライクカーボン膜、又はi−カーボン膜とも呼ばれる。DLC膜は主として炭素及び水素から構成され、sp結合及びsp結合が混在する非晶質炭素膜である。なお、ダイヤモンド膜はダイヤモンド構造を有する結晶を含んだ膜であり、DLC膜とはその構造が異なる。DLC膜とダイヤモンド膜はラマン分光分析によって明確に区別できることが知られている。ラマンスペクトルにおいて、ダイヤモンド膜の場合1333cm−1に明確なピークが観測されるのに対して、DLC膜の場合1350cm−1付近のDisorderedバンドおよび1550cm−1付近のGraphiticバンドにブロードなピークが観測される。 The working electrode 2 is a conductive DLC film formed on the first substrate 21. The DLC film is generally called a diamond-like carbon film, a diamond-like carbon film, a diamond-like carbon film, or an i-carbon film. The DLC film is an amorphous carbon film mainly composed of carbon and hydrogen and having a mixture of sp 3 bonds and sp 2 bonds. The diamond film is a film containing a crystal having a diamond structure, and the structure is different from that of the DLC film. It is known that a DLC film and a diamond film can be clearly distinguished by Raman spectroscopy. In the Raman spectrum, a clear peak is observed at 1333 cm −1 in the case of the diamond film, whereas a broad peak is observed in the Disordered band near 1350 cm −1 and the graphic band near 1550 cm −1 in the case of the DLC film. The

DLC膜は、10〜40原子%の水素と、30〜85原子%の炭素とを含む。DLC膜が係る特定範囲の組成を有していることにより、適正な抵抗率を維持しつつ、電気化学センサとしての感度が改善される。また、水素がこの範囲で含まれると、膜中の炭素原子のうち水素終端のダングリングボンドを含むsp結合を形成するものの割合が高くなって、膜が非晶質化する。非晶質なDLC膜は、成膜温度が低く、均一な品質の成膜が容易であり、成膜速度も高いので、工業的な生産に有利である。 The DLC film contains 10 to 40 atomic% hydrogen and 30 to 85 atomic% carbon. When the DLC film has a composition in a specific range, the sensitivity as an electrochemical sensor is improved while maintaining an appropriate resistivity. When hydrogen is contained in this range, the proportion of carbon atoms in the film that form sp 3 bonds including dangling bonds terminated with hydrogen increases, and the film becomes amorphous. An amorphous DLC film is advantageous for industrial production because the film formation temperature is low, film formation with uniform quality is easy, and the film formation rate is high.

また、sp結合の炭素を主体とするDLC膜は、電気化学反応によって酸化または還元される化学物質が吸着する過程が極めて少ないので、例えば水に起因する水素や水酸化物やそれらのイオンによる電極への吸着を経る内圏酸化還元反応が極めて起こりににくい。その結果、残余電流と言われるノイズ電流が極端に小さくなるので、検出対象である化学物質の電気化学反応を高SN比で検出することが可能である。 In addition, a DLC film mainly composed of sp 3 -bonded carbon has a very small process of adsorbing chemical substances that are oxidized or reduced by an electrochemical reaction. The inner sphere redox reaction through adsorption to the electrode is extremely difficult to occur. As a result, a noise current called a residual current becomes extremely small, so that an electrochemical reaction of a chemical substance to be detected can be detected with a high SN ratio.

DLC膜は、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びビスマスからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含んでいてもよい。これらの元素が5〜30原子%含まれることにより、DLC膜がn型半導体膜となる。あるいは、DLC膜は、ホウ素、ガリウム及びインジウムからなる群から選ばれる元素を更に含むんでいてもよい。これら元素が5〜30原子%含まれることにより、DLC膜がp型半導体膜となる。   The DLC film may contain at least one element selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony, and bismuth. By containing 5 to 30 atomic% of these elements, the DLC film becomes an n-type semiconductor film. Alternatively, the DLC film may further contain an element selected from the group consisting of boron, gallium and indium. By containing 5 to 30 atomic% of these elements, the DLC film becomes a p-type semiconductor film.

DLC膜は、0.01〜20原子%の酸素を更に含むことが好ましい。また、DLC膜は0.002〜1原子%の塩素を更に含むことが好ましい。塩素の割合が0.002原子%以下であると、絶縁化が起こりにくくなる傾向があり、1原子%を超えると導電性が低下し易くなる傾向がある。   The DLC film preferably further contains 0.01 to 20 atomic% oxygen. The DLC film preferably further contains 0.002 to 1 atom% of chlorine. If the proportion of chlorine is 0.002 atomic% or less, insulation tends to be difficult to occur, and if it exceeds 1 atomic%, the conductivity tends to decrease.

感度向上効果を特に顕著に得るために、DLC膜の抵抗率は、好ましくは10−3〜10Ωcm、より好ましくは10−3〜10Ωcm、さらに好ましくは10−3〜10Ωcmである。 In order to obtain the sensitivity improvement effect particularly remarkably, the resistivity of the DLC film is preferably 10 −3 to 10 6 Ωcm, more preferably 10 −3 to 10 3 Ωcm, and further preferably 10 −3 to 10 2 Ωcm. is there.

DLC膜の膜厚は、0.01〜20μmが望ましい。DLC膜の膜厚が0.01μmより薄いとDLC膜の抵抗率が大きくなったり、ピンホールが生じやすくなる傾向がある。ピンホールが多く生じるとセンサ用の電極として正常に機能しなくなるおそれがある。また、DLC膜の膜厚が20μmを超えると、下地としての第1の基板21が反ったりクラックが入ったりし易くなる傾向がある。さらに、DLC膜の膜厚が大きいと第1の基板21と溶液の間における電流と抵抗との積に比例して生じる電圧降下が大きくなって、感度が低下し易くなる傾向もある。また、DLC膜の膜厚はセンサの小型化の観点からも出来るだけ小さいことが望ましい。同様の観点から、DLC膜の膜厚は、より望ましくは0.05〜10μm、更に望ましくは0.1〜5μmである。   The thickness of the DLC film is desirably 0.01 to 20 μm. If the thickness of the DLC film is less than 0.01 μm, the resistivity of the DLC film tends to increase or pinholes tend to occur. If many pinholes occur, the sensor electrode may not function normally. On the other hand, if the thickness of the DLC film exceeds 20 μm, the first substrate 21 as the base tends to be warped or cracked. Further, when the DLC film is thick, a voltage drop generated in proportion to the product of the current and the resistance between the first substrate 21 and the solution increases, and the sensitivity tends to decrease. Further, it is desirable that the thickness of the DLC film is as small as possible from the viewpoint of miniaturization of the sensor. From the same viewpoint, the thickness of the DLC film is more desirably 0.05 to 10 μm, and further desirably 0.1 to 5 μm.

導電性のDLC膜は、例えば、第1の基板21を加熱しながら、炭化水素ガスを含む原料ガスを用いた気相法により形成することができる。気相法としては、イオン化蒸着法及び高周波プラズマCVD法が好適である。原料ガスの組成、成膜の際の第1の基板21の加熱温度、プラズマ条件を調節することにより、上述の特定組成を有するDLC膜を形成させることができる。具体的には、例えば、第1の基板21の温度を150〜450℃に加熱しながら成膜することにより、10〜40原子%の水素と、30〜85原子%の炭素とを含むDLC膜が形成される場合が多い。   The conductive DLC film can be formed by, for example, a vapor phase method using a source gas containing a hydrocarbon gas while heating the first substrate 21. As the vapor phase method, an ionized vapor deposition method and a high-frequency plasma CVD method are suitable. By adjusting the composition of the source gas, the heating temperature of the first substrate 21 during film formation, and the plasma conditions, a DLC film having the above-described specific composition can be formed. Specifically, for example, a DLC film containing 10 to 40 atomic% hydrogen and 30 to 85 atomic% carbon by forming the film while heating the temperature of the first substrate 21 to 150 to 450 ° C. Is often formed.

成膜の際、炭素源としての炭化水素ガスとともに、窒素ガス、アンモニアガス及びピリジン等の含窒素有機物、酸化ホウ素とアルコール類若しくはケト類、又はホウ素アルコキシドのようなガスを併用することにより、窒素、ホウ素等によりドープされたDLC膜が形成される。例えば、炭化水素ガスと、窒素ガスと、場合により水素、ネオン、ヘリウム、アルゴン及び酸素からなる群より選ばれる少なくとも1種の添加ガスとを含む混合ガスを真空成膜装置内に原料ガスとして導入しながら、原料ガスに13.56MHzの周波数の電圧を印加してプラズマ化させ、プラズマ化した原料ガスから生成した炭化水素を堆積させる方法により、導電性のDLC膜を形成することができる。   Nitrogen gas, ammonia gas, nitrogen-containing organic substances such as pyridine, boron oxide and alcohols or keto, or a gas such as boron alkoxide, together with hydrocarbon gas as a carbon source during film formation, nitrogen is used. Then, a DLC film doped with boron or the like is formed. For example, a mixed gas containing hydrocarbon gas, nitrogen gas, and optionally at least one additive gas selected from the group consisting of hydrogen, neon, helium, argon and oxygen is introduced as a source gas into the vacuum film forming apparatus. However, the conductive DLC film can be formed by applying a voltage of 13.56 MHz to the raw material gas to form plasma and depositing hydrocarbons generated from the plasmaized raw material gas.

作用極2は、上記DLC膜上に形成された機能膜を有していてもよい。この機能膜は、検体中の分析対象化学物質の電気化学反応を選択的に生じさせる酵素を含む。酵素の具体例としては、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、キサンチンオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、クレアチンホスホキナーゼ、グリセロールオキシダーゼ、アシル−コエンザイムAオキシダーゼ、チラミンオキシダーゼ、アミノ酸オキシダーゼ、グリコレートオキシダーゼ、ピリドキサール−4−オキシダーゼ、ソルボースオキシダーゼ、グロノラクトースオキシダーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ピラノースオキシダ−ゼ、ウリカーゼ、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ及びビリルビンオキシダーゼが挙げられる。   The working electrode 2 may have a functional film formed on the DLC film. This functional film contains an enzyme that selectively causes an electrochemical reaction of a chemical substance to be analyzed in a specimen. Specific examples of enzymes include glucose oxidase, glucose dehydrogenase, cholesterol oxidase, cholesterol dehydrogenase, alcohol oxidase, alcohol dehydrogenase, xanthine oxidase, lactate oxidase, lactate dehydrogenase, fructose dehydrogenase, ascorbate oxidase, creatine phosphokinase, glycerol oxidase, acyl- Coenzyme A oxidase, tyramine oxidase, amino acid oxidase, glycolate oxidase, pyridoxal-4-oxidase, sorbose oxidase, glonolactooxidase, galactose oxidase, pyranose oxidase, uricase, pyruvate dehydrogenase, pyruvate oxidase Fine bilirubin oxidase and the like.

グルコースオキシダーゼの作用により、電極に必要な電位が印加されたときに試料液中のグルコースがグルコン酸に酸化され、過酸化水素が発生する。このときフェリシアン化カリウム、フェロセン、1,1’−ジメチルフェロセン、フェロセンカルボン酸及びフェロセンカルボキシアルデヒド等のフェロセン誘導体、ハイドロキノン、クロラニル及びブロマニル等のキノン類、または、フェリシアンイオン、オクタシアノタングステン酸イオン及びオクタシアノモリブデン酸イオン等の金属錯体イオンのようなメディエータを用いると、グルコースの濃度に比例した電流をDLC膜によって選択的且つ高感度に検知できる。   By the action of glucose oxidase, when a necessary potential is applied to the electrode, glucose in the sample solution is oxidized to gluconic acid to generate hydrogen peroxide. At this time, ferrocene derivatives such as potassium ferricyanide, ferrocene, 1,1′-dimethylferrocene, ferrocenecarboxylic acid and ferrocenecarboxaldehyde, quinones such as hydroquinone, chloranil and bromanyl, or ferricyan ion, octacyanotungstate ion and octane. When a mediator such as a metal complex ion such as cyanomolybdate ion is used, a current proportional to the glucose concentration can be detected selectively and with high sensitivity by the DLC film.

酵素を含む機能膜は、例えば、酵素及び必要によりメディエータ等の他の成分を含む溶液の膜をDLC膜上に形成し、これを乾燥する方法により形成することができる。   The functional film containing an enzyme can be formed, for example, by forming a film of a solution containing an enzyme and, if necessary, other components such as a mediator on the DLC film and drying it.

第1の基板21は、作用電極2、対極3及び参照電極5を支持する支持体である。第1の基板21は、電気化学センサとしての使用に耐え得る物理的強度を有していればよい。   The first substrate 21 is a support that supports the working electrode 2, the counter electrode 3, and the reference electrode 5. The first substrate 21 only needs to have a physical strength that can withstand use as an electrochemical sensor.

DLC膜がn型半導体膜であるとき、第1の基板21はn型結晶性シリコン基板であることが好ましい。これにより第1の基板21とDLC膜との間にショットキー障壁などの界面抵抗が生じにくくなる。電気化学センサの検出電流は通常1mA以下程度の微小電流であることから、IRドロップの発生が十分に防止される。同様の観点から、DLC膜がp型半導体膜であるとき、第1の基板21はp型結晶性シリコン基板であることが好ましい。   When the DLC film is an n-type semiconductor film, the first substrate 21 is preferably an n-type crystalline silicon substrate. This makes it difficult for interface resistance such as a Schottky barrier to occur between the first substrate 21 and the DLC film. Since the detection current of the electrochemical sensor is usually a minute current of about 1 mA or less, the occurrence of IR drop is sufficiently prevented. From the same viewpoint, when the DLC film is a p-type semiconductor film, the first substrate 21 is preferably a p-type crystalline silicon substrate.

対極3は、電気化学反応において通常用いられる電極用の導電性材料から構成される。好ましくは、対極3は、白金及び金のような貴金属、または作用極2と同様の導電性のDLC膜から構成される。   The counter electrode 3 is comprised from the electroconductive material for electrodes normally used in an electrochemical reaction. Preferably, the counter electrode 3 is made of a noble metal such as platinum and gold, or a conductive DLC film similar to the working electrode 2.

参照電極5は、典型的には、銀−塩化銀、又は水銀−塩化水銀から構成される。参照電極5はペーストを用いる方法により形成することができる。   The reference electrode 5 is typically composed of silver-silver chloride or mercury-mercury chloride. The reference electrode 5 can be formed by a method using a paste.

リード線2a,3a,5aは、銅等の導電性材料から構成され、メタルマスクを用いた通常の方法により形成することができる。   The lead wires 2a, 3a, 5a are made of a conductive material such as copper and can be formed by a normal method using a metal mask.

第2の基板22は、第1の基板21と同様の基板が用いられる。第1の基板21と第2の基板22は作用電極2等を間に挟んで接着剤により接着される。   As the second substrate 22, a substrate similar to the first substrate 21 is used. The first substrate 21 and the second substrate 22 are bonded by an adhesive with the working electrode 2 and the like interposed therebetween.

図4は、参照電極を備えていない電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。図4に示す電気化学センサ1は、参照電極5及びこれに接続されるリード線5aが形成されていないことの他は、図3の電気化学センサ1と同様の構成を有する。   FIG. 4 is a plan view illustrating an embodiment of an electrochemical sensor that does not include a reference electrode. The electrochemical sensor 1 shown in FIG. 4 has the same configuration as the electrochemical sensor 1 of FIG. 3 except that the reference electrode 5 and the lead wire 5a connected thereto are not formed.

電気化学センサシステム100を構成する制御部10は、例えば、作用電極2の参照電極5に対する電位を制御するポテンシオスタットと、作用電極2と対極3との間に流れる電流を計測する電流計と、ポテンシオスタット及び電流計を制御するプロセッサと、ポテンシオスタット及び電流計を制御するためのソフトウエアとから構成される。プロセッサ(CPU=中央演算装置)は、上記ソフトウエアを実行することにより、ポテンシオスタット及び電流計を制御する。ポテンシオスタットは、作用電極2の電位を検体中の分析対象化学物質に固有の酸化還元電流が適切に検出されるような所定の電位に維持するように制御される。また、プロセッサは、所定の電位における検体中の分析対象化学物質の濃度と酸化電流値との関係に関する検量線を読み込んでこの検量線に基づいて検体中の分析対象化学物質の濃度を算出する。電気化学センサシステム100は、算出された結果を表示するモニターを備えていることが好ましい。   The controller 10 constituting the electrochemical sensor system 100 includes, for example, a potentiostat that controls the potential of the working electrode 2 with respect to the reference electrode 5, and an ammeter that measures a current flowing between the working electrode 2 and the counter electrode 3. , A processor for controlling the potentiostat and the ammeter, and software for controlling the potentiostat and the ammeter. The processor (CPU = central processing unit) controls the potentiostat and the ammeter by executing the software. The potentiostat is controlled so that the potential of the working electrode 2 is maintained at a predetermined potential such that the redox current inherent to the chemical substance to be analyzed in the sample is appropriately detected. Further, the processor reads a calibration curve relating to the relationship between the concentration of the chemical substance to be analyzed in the sample at a predetermined potential and the oxidation current value, and calculates the concentration of the chemical substance to be analyzed in the sample based on this calibration curve. The electrochemical sensor system 100 preferably includes a monitor that displays the calculated results.

図5は、検体中の分析対象化学物質の濃度を測定する方法の一実施形態を示すフロー図である。ステップS1では予め作成された検量線データがプロセッサに読み込まれる。ステップS2で作用電極を所定の電位Eに保持し、ステップS3で作用電極−対極間の電流値Iを電圧印加の開始から所定の時間t秒後に測定する。ステップS4で電流値Iを読み込み、ステップS5で検量線からの内挿に基づいて検体中の分析対象化学物質の濃度Cが算出される。ステップS6で算出結果の妥当性を判断し、妥当であればステップS7で結果が表示される。算出結果が妥当でないと判断された場合、ステップS2に戻る。 FIG. 5 is a flowchart showing an embodiment of a method for measuring the concentration of a chemical substance to be analyzed in a sample. In step S1, calibration curve data created in advance is read into the processor. The working electrode in step S2 is held at a predetermined potential E n, the working electrode in the step S3 - measuring a current value I n at a given time t n seconds after the start of the voltage application between the counter electrode. Reads the current value I n in step S4, the concentration C of the analyte chemical substance in a sample is calculated based on interpolation from the calibration curve in step S5. In step S6, the validity of the calculation result is determined. If it is valid, the result is displayed in step S7. If it is determined that the calculation result is not valid, the process returns to step S2.

このような電気化学センサシステムによれば、検体中の分析対象化学物質に固有の酸化還元電位を利用した電位設定により、複数種の化学物質を分離して検出することが可能である。この点で本実施形態に係るシステムは、複数種の化学物質を区別して検出することができない半導体式センサよりも優れる。   According to such an electrochemical sensor system, a plurality of types of chemical substances can be separated and detected by setting a potential using a redox potential specific to the chemical substance to be analyzed in the specimen. In this respect, the system according to this embodiment is superior to a semiconductor sensor that cannot distinguish and detect a plurality of types of chemical substances.

本実施形態に係る電気化学システムは、血液、唾液、尿、汗、涙、細胞外液及びリンパ液から選ばれる体液に含まれるメタボロームを測定対象とすることができる。メタボロームとは、一般的に代謝物を指す。メタボロームの具体例としては、糖(グルコース等)、アミノ酸及び蛋白質がある。これらの中には、基本的代謝物のほかに、酸化ストレスマーカー、精神的ストレスマーカーとして扱うことが可能な物質も含まれており、これらのメタボロームの濃度を検出することは臨床的意義がある。   The electrochemical system according to the present embodiment can measure a metabolome contained in a body fluid selected from blood, saliva, urine, sweat, tears, extracellular fluid and lymph fluid. Metabolome generally refers to a metabolite. Specific examples of the metabolome include sugars (such as glucose), amino acids, and proteins. Among these, in addition to basic metabolites, substances that can be treated as oxidative stress markers and mental stress markers are included, and detection of these metabolome concentrations has clinical significance. .

酸化ストレスマーカーは、細胞の老化やDNAの損傷、動脈硬化などの指標となる物質である。酸素ストレスマーカーは、例えば、ミトコンドリアから生成されるスーパーオキシドや、一酸化窒素、ペルオキシナイトライド、次亜塩素酸又はそれらのフリーラジカル、金属イオン、リポキシゲナーゼ、及びミエロペルオキニダーゼによって引き起こされる酸化反応により生成する。代表的な酸化ストレスマーカーである8−ヒドロキシ−2’−デオキシシデグアノシン(8−OHdG)、8−ヒドロキシグアニン(8−OH−Gua)、8−オキソ−7,8−ジヒドロ−2’−デオキシグアノシン(8−oxodG)、及び8−ニトログアノシンなどのDNA障害マーカーは、DNAの酸化ストレス損傷によって生ずる。他の酸化ストレスマーカーとしては、アラキドン酸のフリーラジカル酸化生成物である8−イソプラスタンや、アミノ酸・蛋白質酸化障害マーカーであるヒドロキシロイシン、ヒドロキシバリン、ニトロチロシン、カルボキシメチルリジン、ペントシジン、ニトロチロシン及びチミングリコール、生体内の酸化成分であるα−トコフェノール、バイオピリン、オレイン酸、チレオドキシン、酸化型コエンザイムQ10、カルボキシメチルリジン、パーオキシナイトライト、一酸化窒素などの窒素酸化物、ニトロソチオール反応物、lipid Peroxide(LPO)、マロンジアルデヒド、酸化LDL及び酸化LP(a)、クレアトールMDA−LDLなどが挙げられる。   An oxidative stress marker is a substance that serves as an indicator of cell aging, DNA damage, arteriosclerosis, and the like. Oxygen stress markers are, for example, oxidative reactions caused by superoxide generated from mitochondria, nitric oxide, peroxynitride, hypochlorous acid or their free radicals, metal ions, lipoxygenase, and myeloperoxidinase. Generate. Representative oxidative stress markers, 8-hydroxy-2'-deoxysideguanosine (8-OHdG), 8-hydroxyguanine (8-OH-Gua), 8-oxo-7,8-dihydro-2'-deoxy DNA damage markers such as guanosine (8-oxodG) and 8-nitroguanosine are caused by oxidative stress damage of DNA. Other oxidative stress markers include 8-isoplastane, a free radical oxidation product of arachidonic acid, and hydroxyleucine, hydroxyvaline, nitrotyrosine, carboxymethyllysine, pentosidine, nitrotyrosine, which are amino acid / protein oxidation disorder markers. And thymine glycol, α-tocophenol which is an in-vivo oxidizing component, biopyrine, oleic acid, thyrodoxine, oxidized coenzyme Q10, carboxymethyllysine, peroxynitrite, nitrogen oxides such as nitric oxide, nitrosothiol reactant , Lipid peroxide (LPO), malondialdehyde, oxidized LDL and oxidized LP (a), creatol MDA-LDL, and the like.

精神的ストレスマーカーとしては、例えば、コルチゾール、ノルエピネフリン、クロモグラニンA、IgA及びβ−エンドルフィンが挙げられる。   Examples of mental stress markers include cortisol, norepinephrine, chromogranin A, IgA, and β-endorphin.

その他の検体中分析対象化学物質は、酸化還元反応を生じるメタボロームである化学物質であれば特に限定されないが、例えば、コレステロール、乳酸、クレアチニン、蛋白質、過酸化水素、アルコール、グルタミン酸、アルコールアミノ酸、フルクトサミン、グリセロール、アシル−コエンザイムA、チラミン、アミノ酸、グリコレート、ピリドキサール−4−、ソルボース、グロノラクトース、ガラクトース、ピラノース、尿酸、ピルビン酸、アスコルビン酸、アンモニア、トリメチルアミン、アセトン、エタン、ペンタン、水素、酸素、メタン、プロパン、ブタン、イソプレン、メルカプタン類がある。そのほかの分野では農工業試料または食品試料中の多様な有機物または無機物が挙げられる。   Other chemical substances to be analyzed in the specimen are not particularly limited as long as they are chemical substances that are metabolomes that cause a redox reaction. For example, cholesterol, lactic acid, creatinine, protein, hydrogen peroxide, alcohol, glutamic acid, alcohol amino acid, fructosamine , Glycerol, acyl-coenzyme A, tyramine, amino acid, glycolate, pyridoxal-4-, sorbose, glonolactos, galactose, pyranose, uric acid, pyruvic acid, ascorbic acid, ammonia, trimethylamine, acetone, ethane, pentane, hydrogen, There are oxygen, methane, propane, butane, isoprene, and mercaptans. Other fields include various organic or inorganic substances in agricultural or industrial samples or food samples.

以下、実施例を挙げて本発明についてより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

実施例1
n型(100)面単結晶シリコンウエハを、対向して配置された電極を備える真空成膜装置内に置いた。そして、シリコンウエハを200℃に加熱しながら、原料ガスとしてエチレン及び窒素を5:5sccmで導入し、13.56MHzの周波数で500Wの電力にて真空装置内をプラズマ化させることにより、シリコンウエハ上に導電性のDLC膜を形成させた。形成されたDLC膜の抵抗率は0.3Ωcmであり、その組成は水素10原子%、窒素5原子%、炭素85原子%であった。DLC膜を成膜したシリコンウエハを5mm角に切り分けて、n型単結晶シリコン基板上にDLC膜が形成されたチップを得た。
Example 1
An n-type (100) plane single crystal silicon wafer was placed in a vacuum film forming apparatus provided with electrodes arranged to face each other. Then, while heating the silicon wafer to 200 ° C., ethylene and nitrogen are introduced as source gases at 5: 5 sccm, and the inside of the vacuum apparatus is turned into plasma with a power of 500 W at a frequency of 13.56 MHz. A conductive DLC film was formed. The resistivity of the formed DLC film was 0.3 Ωcm, and its composition was 10 atomic% hydrogen, 5 atomic% nitrogen, and 85 atomic% carbon. The silicon wafer on which the DLC film was formed was cut into 5 mm square to obtain a chip in which the DLC film was formed on the n-type single crystal silicon substrate.

DLC膜を作用極として用い、銀/塩化銀ペーストの印刷により参照電極としての銀−塩化銀電極を形成し、対極としてのDLC膜を上記と同様の方法で形成して、図1に示すような回路を有する電気化学センサを構成した。   As shown in FIG. 1, a DLC film is used as a working electrode, a silver-silver chloride electrode is formed as a reference electrode by printing a silver / silver chloride paste, and a DLC film as a counter electrode is formed in the same manner as described above. An electrochemical sensor having a simple circuit was constructed.

作製した電気化学センサを、駆動用ソフトウェアが読み込まれたプロセッサによって制御される自作ポテンシオスタットに接続し、作用電極−対極間に流れる電流値が計測されるように電気化学センサシステムを構成した。駆動用ソフトウェアは検出電位を参照電極に対して1.0Vとなるように設定した。   The produced electrochemical sensor was connected to a self-made potentiostat controlled by a processor loaded with driving software, and an electrochemical sensor system was configured to measure the current value flowing between the working electrode and the counter electrode. The driving software was set such that the detection potential was 1.0 V with respect to the reference electrode.

ブランクとして、0.05Mリン酸水素ニナトリウム−リン酸ニ水素カリウムによるpH7.2の緩衝溶液を電気化学センサで測定したところ、電流値は4μA・cm−1と観測された。 When a buffer solution of pH 7.2 with 0.05 M disodium hydrogen phosphate-potassium dihydrogen phosphate was measured with an electrochemical sensor as a blank, the current value was observed to be 4 μA · cm −1 .

検出種としての1.0μMの8−OHdGを、0.05Mリン酸水素ニナトリウム−リン酸ニ水素カリウムによるpH7.2の緩衝溶液に溶解した。そこに電気化学センサを浸したところ、電流値は78nA・cm−1と測定された。この電流値から、予め作成した検量線を読み出こんだプロセッサによって計算すると、8−OHdGの濃度は0.95μMと計算された。測定誤差は5%であった。 1.0 μM 8-OHdG as a detection species was dissolved in a buffer solution of pH 7.2 with 0.05 M disodium hydrogenphosphate-potassium dihydrogenphosphate. When an electrochemical sensor was immersed therein, the current value was measured to be 78 nA · cm −1 . From this current value, the concentration of 8-OHdG was calculated to be 0.95 μM when calculated by a processor that read out a calibration curve prepared in advance. The measurement error was 5%.

また、上記電気化学センサシステムの残余電流を測定したところ、1μA/cm以下であった。 Further, when the residual current of the electrochemical sensor system was measured, it was 1 μA / cm 2 or less.

実施例2〜5
実施例1と同様の方法で、エチレンと窒素ガスの導入比率を変化させることにより、組成の異なる導電性のDLC膜をシリコン基板上に形成させた。それぞれのDLC膜について、その組成、膜厚及び抵抗率を測定した。さらに、実施例1と同様の手順で電気化学センサシステムを構成し、ブランク及び8−OHdGの濃度の測定を行った。結果を表1に示す。また、いずれの電気化学センサシステムの残余電流も1μA/cm以下であった。
Examples 2-5
By changing the introduction ratio of ethylene and nitrogen gas in the same manner as in Example 1, conductive DLC films having different compositions were formed on the silicon substrate. About each DLC film | membrane, the composition, film thickness, and resistivity were measured. Furthermore, an electrochemical sensor system was configured in the same procedure as in Example 1, and the concentrations of the blank and 8-OHdG were measured. The results are shown in Table 1. Moreover, the residual current of any electrochemical sensor system was 1 μA / cm 2 or less.

Figure 0005245388
Figure 0005245388

比較例1
作用電極として白金板を用いたことの他は実施例1と同様の方法で電気化学センサシステムを準備した。得られた電気化学センサシステムを用いて、実施例1と同様の手順でブランク及び8−OHdGの濃度の測定を行ったところ、0.23μMと計算された。測定誤差は77%であった。また、残余電流は48μA/cmであった。
Comparative Example 1
An electrochemical sensor system was prepared in the same manner as in Example 1 except that a platinum plate was used as the working electrode. Using the obtained electrochemical sensor system, the blank and 8-OHdG concentrations were measured in the same procedure as in Example 1. As a result, it was calculated to be 0.23 μM. The measurement error was 77%. The residual current was 48 μA / cm 2 .

比較例2
作用電極としてグラシーカーボンを用いたことの他は実施例1と同様の方法で電気化学センサシステムを準備した。得られた電気化学センサシステムを用いて、実施例1と同様の手順でブランク及び8−OHdGの濃度の測定を試みたところ、残余電流が98μA/cmと大きいために、有効に測定を行うことができなかった。
Comparative Example 2
An electrochemical sensor system was prepared in the same manner as in Example 1 except that glassy carbon was used as the working electrode. Using the obtained electrochemical sensor system, an attempt was made to measure the concentration of the blank and 8-OHdG in the same procedure as in Example 1. As a result, the residual current was as large as 98 μA / cm 2 , so that the measurement was performed effectively. I couldn't.

比較例3
作用電極としてスパッタリングによって成膜された導電性のDLC膜を用いたことの他は実施例1と同様の方法で導電性のDLC膜をシリコン基板上に形成した。電気化学センサシステムを準備した。このDLC膜は、グラファイトをターゲットとし用い、プラズマ中でスパッタリングによって成膜されたものであり、sp2結合が主体のアモルファス状の膜である。得られた電気化学センサシステムを用いて、実施例1と同様の手順でブランク及び8−OHdGの濃度の測定を試みたところ、残余電流が98μA/cmと大きいために、有効に測定を行うことができなかった。
Comparative Example 3
A conductive DLC film was formed on a silicon substrate in the same manner as in Example 1 except that a conductive DLC film formed by sputtering was used as the working electrode. An electrochemical sensor system was prepared. This DLC film is formed by sputtering in plasma using graphite as a target, and is an amorphous film mainly composed of sp2 bonds. Using the obtained electrochemical sensor system, an attempt was made to measure the concentration of the blank and 8-OHdG in the same procedure as in Example 1. As a result, the residual current was as large as 98 μA / cm 2 , so that the measurement was performed effectively. I couldn't.

比較例4
成膜の際にシリコンウエハを80℃に加熱したことの他は実施例1と同様の方法で電気化学システムを準備した。形成したDLC膜について、その組成、膜厚及び抵抗率を測定した。さらに、実施例1と同様の手順で電気化学センサシステムを構成し、ブランク及び8−OHdGの濃度の測定を試みたところ、DLC膜の抵抗率が1.5×10Ωcmと大きかったため、測定に有効な電流を流すことができず、測定を行うことができなかった。
Comparative Example 4
An electrochemical system was prepared in the same manner as in Example 1 except that the silicon wafer was heated to 80 ° C. during film formation. About the formed DLC film, the composition, film thickness, and resistivity were measured. Furthermore, when an electrochemical sensor system was configured in the same procedure as in Example 1 and an attempt was made to measure the concentration of the blank and 8-OHdG, the resistivity of the DLC film was as large as 1.5 × 10 6 Ωcm. In this case, an effective current could not be passed, and measurement could not be performed.

Figure 0005245388
Figure 0005245388

実施例7
実施例1と同様の方法で、n型単結晶シリコン基板上にDLC膜が形成されたチップを得た。形成されたDLC膜の抵抗率は0.3Ωcmであり、その組成は水素10原子%、窒素5原子%、炭素85原子%であった。
Example 7
In the same manner as in Example 1, a chip having a DLC film formed on an n-type single crystal silicon substrate was obtained. The resistivity of the formed DLC film was 0.3 Ωcm, and its composition was 10 atomic% hydrogen, 5 atomic% nitrogen, and 85 atomic% carbon.

次いで、酵素として2Uのグルコースデヒドロゲナーゼ、補酵素として0.025mgのフラビンアデニンジヌクレオチド、及びメディエータとして0.025mgフェリシアン化カリウムを、pH7.2の0.05Mリン酸緩衝溶液5μLに溶解させた。得られた溶液を導電性DLC膜上に適下し、更に、pH7.2の0.05Mリン酸緩衝溶液を用いて調製した1wt%ウシアルブミン溶液1μL、20wt%グルタルアルデヒド溶液1μLを順に適下した。その後、30℃、湿度10%の環境で30分乾燥させて、DLC膜上に機能膜を形成させた。   Next, 2 U glucose dehydrogenase as an enzyme, 0.025 mg flavin adenine dinucleotide as a coenzyme, and 0.025 mg potassium ferricyanide as a mediator were dissolved in 5 μL of a 0.05 M phosphate buffer solution at pH 7.2. Appropriately apply the obtained solution onto the conductive DLC membrane, and then apply 1 μL of 1 wt% bovine albumin solution and 1 μL of 20 wt% glutaraldehyde solution prepared using 0.05 M phosphate buffer solution of pH 7.2 in order. did. Thereafter, the film was dried in an environment of 30 ° C. and a humidity of 10% for 30 minutes to form a functional film on the DLC film.

上記機能膜及びDLC膜を作用極として用いたことの他は実施例1と同様にして電気化学センサシステムを構成した。駆動用ソフトウェアは検出電位を参照電極に対して1.2Vとなるように設定した。   An electrochemical sensor system was configured in the same manner as in Example 1 except that the functional film and the DLC film were used as working electrodes. The driving software was set so that the detection potential was 1.2 V with respect to the reference electrode.

0.05Mリン酸水素ニナトリウム−リン酸ニ水素カリウムによるpH7.2の緩衝溶液にグルコースを3mMの濃度で溶解したグルコース溶液を準備し、そこに電気化学センサを浸して電流値を測定した。また、ブランクとしてグルコースを溶解していない緩衝液の電流値も測定した。測定結果から算出されたグルコース濃度を、SN比とともに表3に示す。   A glucose solution in which glucose was dissolved at a concentration of 3 mM in a buffer solution of pH 7.2 with 0.05 M disodium hydrogen phosphate-potassium dihydrogen phosphate was prepared, and an electrochemical sensor was immersed therein to measure the current value. Moreover, the electric current value of the buffer solution which did not melt | dissolve glucose as a blank was also measured. Table 3 shows the glucose concentration calculated from the measurement results together with the SN ratio.

実施例8〜10
実施例1と同様の方法で、エチレンと窒素ガスの導入比率を変化させることにより、組成の異なる導電性のDLC膜をシリコン基板上に形成させた。これ以外は実施例7と同様にして、電気化学センサ及び電気化学センサシステムを準備した。得られた電気化学センサを用いて実施例7と同様にグルコース濃度の測定を行った。結果を表3にまとめて示す。
Example 8-10
By changing the introduction ratio of ethylene and nitrogen gas in the same manner as in Example 1, conductive DLC films having different compositions were formed on the silicon substrate. Except this, it carried out similarly to Example 7, and prepared the electrochemical sensor and the electrochemical sensor system. The glucose concentration was measured in the same manner as in Example 7 using the obtained electrochemical sensor. The results are summarized in Table 3.

Figure 0005245388
Figure 0005245388

比較例5
作用電極として白金板を用いたことの他は実施例7と同様にして電気化学センサシステムを準備し、グルコース濃度を測定した。グルコース濃度の計算値は2.8mMであり、SN比は6.7であった。
Comparative Example 5
An electrochemical sensor system was prepared in the same manner as in Example 7 except that a platinum plate was used as the working electrode, and the glucose concentration was measured. The calculated glucose concentration was 2.8 mM and the SN ratio was 6.7.

比較例6
作用電極としてグラシーカーボンを用いたことの他は実施例7と同様にして電気化学センサシステムを準備しを作成し、グルコース濃度を測定した。グルコース濃度の計算値は2.7mMであり、SN比は7.7であった。
Comparative Example 6
An electrochemical sensor system was prepared and prepared in the same manner as in Example 7 except that glassy carbon was used as the working electrode, and the glucose concentration was measured. The calculated glucose concentration was 2.7 mM, and the SN ratio was 7.7.

比較例7
作用電極としてスパッタリングによって成膜された導電性のDLC膜を用いたことの他は実施例7と同様にして電気化学センサシステムを準備した。このDLC膜は、グラファイトをターゲットとし用い、プラズマ中でスパッタリングによって成膜されたものであり、sp結合が主体のアモルファス状の膜である。得られた電気化学センサシステムを用いて実施例7と同様にグルコース濃度を測定したところ、グルコース濃度の計算値は2.7mMであり、SN比は7.8であった。
Comparative Example 7
An electrochemical sensor system was prepared in the same manner as in Example 7 except that a conductive DLC film formed by sputtering was used as the working electrode. This DLC film is formed by sputtering in plasma using graphite as a target, and is an amorphous film mainly composed of sp 2 bonds. When the glucose concentration was measured using the obtained electrochemical sensor system in the same manner as in Example 7, the calculated value of the glucose concentration was 2.7 mM, and the SN ratio was 7.8.

Figure 0005245388
Figure 0005245388

血漿、涙、唾液又は皮膚細胞外液中のグルコース濃度
グルコースを含む体液として、血漿、涙、唾液及び皮膚細胞外液を準備した。これらのグルコース濃度を、上記実施例7及び比較例5の電気化学センサシステムを用いて測定した。比較のため、同じサンプルについて高精度な測定方法であるへキソナーゼ法でグルコース濃度を測定した。
Glucose concentration in plasma, tears, saliva or skin extracellular fluid Plasma, tears, saliva and skin extracellular fluid were prepared as body fluids containing glucose. These glucose concentrations were measured using the electrochemical sensor systems of Example 7 and Comparative Example 5 above. For comparison, the glucose concentration was measured for the same sample by the hexonase method, which is a highly accurate measurement method.

Figure 0005245388
Figure 0005245388

上記表に示されるように、実施例7はヘキソナーゼ法と同等の測定値をよく再現したが、比較例5は誤差が大きかった。   As shown in the above table, Example 7 well reproduced the measurement value equivalent to that of the hexonase method, but Comparative Example 5 had a large error.

実施例12
実施例1と同様にして形成した導電性のDLC膜上に、コレステロールを検出するための機能膜を以下の手順で形成した。これ以外は実施例1と同様にして、電気化学センサシステムを準備した。
Example 12
A functional film for detecting cholesterol was formed on the conductive DLC film formed in the same manner as in Example 1 by the following procedure. Except for this, an electrochemical sensor system was prepared in the same manner as in Example 1.

酵素として2Uのコレステロールデヒドロゲナーゼ、補酵素として0.025mgジアホラーゼ、及びメディエータとして0.025mgフェリシアン化カリウムを、pH7.2の0.05Mリン酸緩衝溶液5μLに溶解させた。得られた溶液をDLC膜上に適下し、更に、20%グルタルアルデヒド1μLを適下した。その後、30℃、湿度10%の環境で30分乾燥させて、機能膜を形成させた。   2U cholesterol dehydrogenase as an enzyme, 0.025 mg diaphorase as a coenzyme, and 0.025 mg potassium ferricyanide as a mediator were dissolved in 5 μL of a 0.05 M phosphate buffer solution at pH 7.2. The obtained solution was appropriately applied onto the DLC film, and further 1 μL of 20% glutaraldehyde was appropriately applied. Thereafter, the film was dried in an environment of 30 ° C. and a humidity of 10% for 30 minutes to form a functional film.

実施例13
実施例1と同様にして形成した導電性のDLC膜上に、アルコールを検出するための機能膜を以下の手順で形成した。これ以外は実施例1と同様にして、電気化学センサシステムを準備した。
Example 13
A functional film for detecting alcohol was formed on the conductive DLC film formed in the same manner as in Example 1 by the following procedure. Except for this, an electrochemical sensor system was prepared in the same manner as in Example 1.

酵素として2Uのアルコールデヒドロゲナーゼ、及びメディエータとして0.025mgフェリシアン化カリウムを、pH5.5のマッキルペイン緩衝溶液5μLに溶解させた。得られた溶液をDLC膜上に適下し、更に、20%グルタルアルデヒド1μLを適下した。その後、30℃、湿度10%の環境で30分乾燥させて、機能膜を形成させた。   2 U alcohol dehydrogenase as an enzyme and 0.025 mg potassium ferricyanide as a mediator were dissolved in 5 μL of a McKilpain buffer solution at pH 5.5. The obtained solution was appropriately applied onto the DLC film, and further 1 μL of 20% glutaraldehyde was appropriately applied. Thereafter, the film was dried in an environment of 30 ° C. and a humidity of 10% for 30 minutes to form a functional film.

実施例14
実施例1と同様にして形成した導電性のDLC膜上に、キサンチンを検出するための機能膜を以下の手順で形成した。これ以外は実施例1と同様にして、電気化学センサシステムを準備した。
Example 14
On the conductive DLC film formed in the same manner as in Example 1, a functional film for detecting xanthine was formed by the following procedure. Except for this, an electrochemical sensor system was prepared in the same manner as in Example 1.

酵素として2Uのキサンチンオキシダーゼ、補酵素として0.025mgニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、及びメディエータとして0.025mgフェリシアン化カリウムを、pH7.2の0.05Mリン酸緩衝溶液5μLに溶解させた。得られた溶液をDLC膜上に適下し、更に、20%グルタルアルデヒド1μLを適下した。その後、30℃、湿度10%の環境で30分乾燥させて、機能膜を形成させた。   2 U xanthine oxidase as an enzyme, 0.025 mg nicotinamide adenine dinucleotide as a coenzyme, and 0.025 mg potassium ferricyanide as a mediator were dissolved in 5 μL of a 0.05 M phosphate buffer solution at pH 7.2. The obtained solution was appropriately applied onto the DLC film, and further 1 μL of 20% glutaraldehyde was appropriately applied. Thereafter, the film was dried in an environment of 30 ° C. and a humidity of 10% for 30 minutes to form a functional film.

比較例8〜10
作用極として白金板を用いたことの他はそれぞれ実施例12〜14と同様の方法で比較例8〜10の電気化学センサシステムを準備した。
Comparative Examples 8-10
The electrochemical sensor systems of Comparative Examples 8 to 10 were prepared in the same manner as in Examples 12 to 14 except that a platinum plate was used as the working electrode.

pH7.2の0.05Mリン酸緩衝溶液に、グルコース、コレステロール、エタノール、キサンチンをそれぞれ3mMで溶解させた溶液を準備した。これら溶液に上記実施例7、12〜14及び比較例5、8〜10の電気化学センサを浸漬して、実施例1と同様の方法でそれぞれの検出種の濃度を測定した。   A solution was prepared by dissolving glucose, cholesterol, ethanol, and xanthine at 3 mM in a 0.05 M phosphate buffer solution of pH 7.2. The electrochemical sensors of Examples 7 and 12 to 14 and Comparative Examples 5 and 8 to 10 were immersed in these solutions, and the concentration of each detection species was measured in the same manner as in Example 1.

下記表に測定濃度とSN比を示した。表に示されるように、各センサの選択性及び比較例に対する高いSN比を確認できた。   The following table shows the measured concentration and SN ratio. As shown in the table, the selectivity of each sensor and a high S / N ratio relative to the comparative example could be confirmed.

Figure 0005245388
Figure 0005245388

電気化学センサシステムの一実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram showing one embodiment of an electrochemical sensor system. 電気化学センサシステムの一実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram showing one embodiment of an electrochemical sensor system. 電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows one Embodiment of an electrochemical sensor. 電気化学センサの一実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows one Embodiment of an electrochemical sensor. 検体中の分析対象化学物質の濃度を測定する方法の一実施形態を示すフロー図である。It is a flowchart which shows one Embodiment of the method of measuring the density | concentration of the chemical substance to be analyzed in a sample.

符号の説明Explanation of symbols

1…電気化学センサ、2…作用電極、3…対極、5…参照電極、10…制御部、21…第1の基板(支持体)、22…第2の基板、100…電気化学センサシステム。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrochemical sensor, 2 ... Working electrode, 3 ... Counter electrode, 5 ... Reference electrode, 10 ... Control part, 21 ... 1st board | substrate (support body), 22 ... 2nd board | substrate, 100 ... Electrochemical sensor system.

Claims (7)

10〜40原子%の水素と30〜85原子%の炭素とを含む導電性のDLC膜を有する作用極を備え、
前記DLC膜が、窒素、リン、ヒ素、アンチモン及びビスマスからなる群から選ばれる5〜30原子%の元素を更に含むn型半導体膜であり、
前記DLC膜の抵抗率が10 −3 〜0.5Ωcmであり、
前記DLC膜を支持するn型結晶性シリコン基板を更に備える、化学物質の濃度を測定する電気化学センサ。
A working electrode having a conductive DLC film containing 10 to 40 atomic% hydrogen and 30 to 85 atomic% carbon;
The DLC film, nitrogen, phosphorus, arsenic, n-type semiconductor film Der further containing 5-30 atomic% of an element selected from the group consisting of antimony and bismuth is,
The DLC film has a resistivity of 10 −3 to 0.5 Ωcm,
The electrochemical sensor which measures the density | concentration of a chemical substance further provided with the n-type crystalline silicon substrate which supports the said DLC film .
10〜40原子%の水素と30〜85原子%の炭素とを含む導電性のDLC膜を有する作用極を備え、
前記DLC膜が、ホウ素、ガリウム及びインジウムからなる群から選ばれる5〜30原子%の元素を更に含むp型半導体膜であり、
前記DLC膜の抵抗率が10 −3 〜0.5Ωcmであり、
前記DLC膜を支持するp型結晶性シリコン基板を更に備える、化学物質の濃度を測定する電気化学センサ。
A working electrode having a conductive DLC film containing 10 to 40 atomic% hydrogen and 30 to 85 atomic% carbon;
The DLC film, Ri p-type semiconductor film Der further comprising boron, 5-30 atomic% of an element selected from the group consisting of gallium and indium,
The DLC film has a resistivity of 10 −3 to 0.5 Ωcm,
An electrochemical sensor for measuring the concentration of a chemical substance, further comprising a p-type crystalline silicon substrate supporting the DLC film .
前記DLC膜が0.01〜20原子%の酸素を更に含む、請求項1又は2記載の電気化学センサ。 The DLC film further comprises an oxygen of 0.01 to 20 atomic%, an electrochemical sensor according to claim 1 or 2, wherein. 前記作用極が、前記DLC膜上に形成された機能膜を有しており、該機能膜が前記化学物質の電気化学反応を選択的に生じさせる酵素を含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の電気化学センサ。 The working electrode has the function film formed on the DLC film, comprising an enzyme the function film causes selective electrochemical reaction of the chemical substance, any one of claims 1 to 3 The electrochemical sensor according to one item. 前記機能膜がメディエータを更に含む、請求項記載の電気化学センサ。 The electrochemical sensor according to claim 4 , wherein the functional film further comprises a mediator. 前記酵素が、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、キサンチンオキシダーゼ、乳酸オキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ及びビリルビンオキシダーゼからなる群より選ばれる少なくとも1種である、請求項又は記載の電気化学センサ。 The enzyme is at least one selected from the group consisting of glucose oxidase, glucose dehydrogenase, cholesterol oxidase, cholesterol dehydrogenase, alcohol oxidase, alcohol dehydrogenase, xanthine oxidase, lactate oxidase, lactate dehydrogenase, fructose dehydrogenase, ascorbate oxidase and bilirubin oxidase. The electrochemical sensor according to claim 4 or 5 . 請求項1〜のいずれか一項に記載の電気化学センサと、該電気化学センサにおいて生じる酸化還元電流を検出する制御部と、を具備する電気化学センサシステム。 An electrochemical sensor system comprising: the electrochemical sensor according to any one of claims 1 to 6 ; and a control unit that detects an oxidation-reduction current generated in the electrochemical sensor.
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