JP6579325B2 - 電極チップ - Google Patents
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Description
また、上記従来の技術による電極チップは、いまだ電気化学測定の精度を向上させる余地を残していた。
本発明の電極チップは、基板上に1つの補助セルと複数の測定セルとが設けられている電極チップであり、前記補助セルに、参照電極、対極、補助セル側作用電極が配置され、前記測定セルに、駆動電極、測定セル側作用電極が配置されており、前記補助セル側作用電極と前記測定セル側作用電極とは電気的に接続されている、ことを特徴とする。
また、本発明の電極チップは、前記測定セルにおいて、前記測定セル側作用電極が、前記駆動電極に取り囲まれていることが好ましい。
更に、本発明の電極チップは、前記補助セル側作用電極の表面積が、複数の前記測定セル側作用電極と比較して大きいことが好ましい。
更に、本発明の電極チップは、前記補助セル側作用電極の表面積が、どの1つの前記測定セル側作用電極の表面積と比較して大きいことが好ましい。
更に、本発明の電極チップは、1つの前記駆動電極の表面積が、1つの前記測定セル側作用電極の表面積と比較して大きいことが好ましい。
更に、本発明の電極チップは、前記対極の表面積が、前記補助セル側作用電極の表面積と比較して大きいことが好ましい。
更に、本発明の電極チップは、前記駆動電極の表面積の、前記測定セル側作用電極の表面積に対する割合が、2000〜8000%であることが好ましい。
更に、本発明の電極チップは、前記補助セルにおいて、前記対極と前記参照電極とが、電気的に絶縁されて独立に設けられていることが好ましい。
本発明の実施形態の電極チップ1(以下、単に「電極チップ1」ともいう。)は、図1に示す通り、基板2上に1つの補助セル3と複数の測定セル4とが設けられている。そして、電極チップ1では、補助セル3に、参照電極re、対極ce、補助セル側作用電極be3が配置され、測定セル4に、駆動電極we、測定セル側作用電極be4が配置されている。なお、図1では、セルの側面は示していない。
ここで、補助セル側作用電極be3と測定セル側作用電極be4とは、電気的に接続され、両セル3、4を電気的に接続するバイポーラ電極beを形成している。
なお、補助セル側作用電極be3は補助電極と称してもよく、測定セル側作用電極be4は検出電極と称してもよい。
電極チップ1は、補助セル3に、酸化還元物質を含む補助溶液(後述)を、測定セル4に、検出物質を含む測定溶液(後述)を加え、また、電極チップ1上の駆動電極we、対極ce、参照電極reを、ポテンショスタットの、それぞれ、作用極WE端子、対極CE端子、参照極RE端子に接続する。そして、ポテンショスタットを用いて、駆動電極weと参照電極reとの間に所定の電位を印加する。
このとき、電極チップ1では、測定セル4において、測定セル側作用電極be4上で検出物質の酸化反応が生じ、駆動電極we上でその逆の還元反応が生じ、一方、補助セル3において、補助セル側作用電極be3上で補助溶液中に含まれる酸化還元物質の還元反応が生じ、対極ce上でその逆の酸化反応が生じる(図2参照)。
ここでは、前述の通り、参照電極reを検出物質を含む測定セル4と異なる補助セル3に配置しており、駆動電極we上で還元反応が起こる場合、測定セル側作用電極be4上における検出物質の反応は酸化反応となる。
そして、電極チップ1は、測定セル側作用電極be4上における酸化反応を、チップ1全体の反応の律速にして、検出物質の濃度と測定される電流値とで検量線を作成して、検出物質の濃度依存的な測定を可能にすることを肝要としている。
なお、図2に示す例の電極チップ1は、上述の通り、測定セル側作用電極be4上で測定溶液中に含まれる検出物質の酸化反応が生じ、補助セル側作用電極be3上で補助溶液中に含まれる酸化還元物質の還元反応が生じるものであるが、本発明の電極チップは、これに限定されることなく、測定セル側作用電極be4上で測定溶液中に含まれる検出物質の還元反応が生じ、補助セル側作用電極be3上で補助溶液中に含まれる酸化還元物質の酸化反応が生じるものとしてもよい。
ここで、参照電極reはときにセル内に参照電極reを構成する成分(Ag/AgClの場合、Ag+やCl-)を漏出・溶出させることがある。
本実施形態の電極チップ1では、参照電極reが検出物質を含む測定セル4とは別個の補助セル3に配置されているため、検出物質と参照電極reとが接触しない。そのため、本実施形態の電極チップ1によれば、検出物質と参照電極reを構成する成分とが混じり合うことがなく、検出物質の測定の精度を高めることができる。
また、電極チップ1では、補助セル側作用電極be3の表面積が、どの1つの測定セル側作用電極be4の表面積と比較して大きいこと、言い換えれば、最も表面積が大きい測定セル側作用電極be4の表面積と比較して大きいこと(特徴a2)、が好ましい。かかる構成によれば、シングルチャネルポテンショスタットを用いてスイッチング等により1つの測定セルで順に測定した場合でも、好適な電気化学測定を行うことが可能となる。
電極チップ1では、上記特徴a1及び上記特徴a2の両方を備えることが更に好ましい。
なお、ここでの表面積とは、各電極の厚さが一定である場合、平面視の面積としてよい。
本実施形態の電極チップ1の一例は、基板2上に1つの補助セル3と6つの測定セル4とが設けられている電極チップである。
この一例では、測定セル4において、駆動電極weと測定セル側作用電極be4とが、それらの端をなす辺どうしが対向するように設けられている(図1(a)中、四角枠参照)。
また、この一例では、図1(a)に示すように、1つの電極に対極ce及び参照電極reの両方の機能を担わせてもよい。
本実施形態の電極チップ1の一例によれば、前述の本実施形態の電極チップ1の効果を得ることができる。
本実施形態の電極チップ1の別の例では、全体構成は前述の電極チップ1の一例と同様であるが、特に、測定セル4において、測定セル側作用電極be4が、駆動電極weに取り囲まれており、また、対極ceと参照電極reとが、電気的に絶縁されて独立に設けられている。
本実施形態の電極チップ1の別の例の、測定セル側作用電極be4が駆動電極weに取り囲まれる構成によれば、測定溶液を測定セル4に加えたときに、駆動電極weの全面と測定溶液との接触を確保しやすくなり、電気化学測定の再現性を高めることができる。
また、電極チップ1の製造時には、通常、基板2に各電極we、ce、reや配線を形成し、その後、基板2上にセル3、4を設けるところ、セル3、4を区画する領域を定める際に、測定セル側作用電極be4の全体が領域内に位置するようにすることが容易となり、測定セル側作用電極be4を作製する際の再現性を高めることができ、それにより電気化学測定の再現性を高めることができる。
本実施形態の電極チップ1の更なる例では、全体構成は前述の電極チップ1の別の例と同様であるが、特に、測定セル4において、駆動電極weの表面積が、測定セル側作用電極be4の表面積と比較して大きくなっている。
本実施形態の電極チップ1の更なる例のかかる構成によれば、前述の通り、駆動電極we上における酸化還元反応ではなく、測定セル側作用電極be4上における酸化還元反応を、チップ1全体の反応の律速にすることが容易となり、ひいては、検出物質の濃度と測定される電流値とで検量線を作成して、検出物質の濃度依存的な測定が可能となる。
なお、ここでの表面積とは、各電極の厚さが一定である場合、平面視の面積としてよい。
かかる構成によれば、補助溶液を補助セル3に加えたときに、対極ce及び補助セル側作用電極be3の両方と補助溶液との接触を確保しやすくなり、電気化学測定の再現性を高めることができる。
基板2の素材としては、目的や用途に応じて適宜定められてよく、特に限定されないが、例えば、ガラス、樹脂、セラミック等が挙げられ、絶縁性の素材が好ましい。
これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。
駆動電極we、対極ce、作用電極reの素材としては、炭素材料、金属、導電性ポリマー材料、半導体等が挙げられる。
炭素材料としては、グラッシーカーボン、カーボンペースト、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、等が挙げられる。金属としては、金、白金、パラジウム、銀等が挙げられる。導電性ポリマー材料としては、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリアセチレン、ポリピロール等が挙げられる。
これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。
参照電極reの素材としては、目的や用途に応じて適宜定められてよく、特に限定されないが、電気化学測定において通常使用されるAg/AgClが挙げられる。
セルの底面の面積や側面の高さ等は、特に限定されない。
このとき、補助溶液は、可逆系の酸化還元物質と十分な支持塩とを含むことが望ましい。
本実施形態の電極チップ1の寸法としては、特に限定されないが、縦:20〜120mm×横:20〜120mm×厚さ:0.3〜5mmとしてよい。
測定溶液における検出物質としては、酸化還元反応の基質となる物質であれば特に限定されることなく、単独で酸化還元反応を生じる物質であってもよく、酵素や補酵素(電子伝達メディエーター等)の触媒や助触媒存在下で酸化還元反応を生じる物質であってもよい。
検出物質としては、例えば、フェロセンメタノール、p−アミノフェノール、p−ニトロアニリン、p−メトキシアニリンルテニウムヘキサミン、フェロシアン化カリウム、フェリシアン化カリウム、フェロセンカルボン酸;グルコースオキシダーゼ及び電子伝達メディエーター(フェロセンメタノール等)存在下でのグルコース等が挙げられる。
これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。
補助溶液に使用される酸化還元物質としては、酸化還元反応の基質となる物質であれば特に限定されることなく、前述の検出物質に挙げたものと同じであってもよく異なっていてもよい。
上記酸化還元物質は、補助溶液中において、酸化体と還元体とが半々程度の状態となっていることが好ましい。例えば、フェロシアン化カリウムとフェリシアン化カリウムとをそれぞれ2.5mMずつ含まれている状態としてよい。
測定溶液及び補助溶液に電解質として使用される支持塩としては、金属のハロゲン化物、金属の硝酸塩等が挙げられる。
金属のハロゲン化物としては、塩化カリウム等が挙げられる。金属の硝酸塩としては、AgNO3、KNO3等が挙げられる。
これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。
測定溶液及び補助溶液にpHの調整等の目的で使用される緩衝剤としては、Tris−Acetate−EDTA、Tris−HCl、リン酸、HEPES、PIPES等が挙げられ、これらは緩衝液として測定溶液及び補助溶液の調製に用いることができる。
これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。
具体的には、検出物質の濃度の酸化還元物質(又は検出物質の濃度変化に応じて濃度が変化する電子伝達メディエーター)の濃度に対する割合が、30%以下であることが好ましく、20%以下であることが更に好ましく、10%以下であることが特に好ましい。
より具体的には、例えば、測定溶液中の検出物質がパラアミノフェノールであり、補助溶液中の酸化還元物質が銀である場合、30%以下であることが好ましく、20%以下であることが更に好ましい。
初めに、Vector Works(エーアンドエー社製)で電極チップのデザインを行った。
(1)基板の用意:スライドガラスをガラスカッターで半分に切り、基板として使用した。
(2)洗浄:ガラス基板を中性洗剤で洗浄後、ガラス基板を染色バット中に並べて、アセトン、2−プロパノ−ルの順に各10分間ずつ超音波洗浄を行った。更に、O2プラズマアッシング処理を5分間施して、有機物残渣を除去した。
(3)フォトレジストの塗布:スピンコーターを使用して、ガラス基板上に、疎水化剤としてのOAP(含有成分:ヘキサメチルジシラザン)を3000rpmで10秒間、ポジ型フォトレジストとしてのS1818(シップレイ社製)を3000rpmで30秒間、順にスピンコートした。その後、フォトレジストの溶剤を除去するため、ホットプレート上で、65℃で1分間、95℃で5分間、65℃で3分間の順にプレベークし、室温放冷した。
(4)露光:予め作製したフォトマスクを用い、水銀ランプで14秒間間露光した。
(5)現像:アルカリ水溶液である専用現像液CD−26 DEVELOPERに6分間浸漬しながら、スポイトでパターンに現像液を吹き付けることにより、感光部を溶出させた。
(6)スパッタリング:O2プラズマアッシング処理を90秒間行って、表面の汚れを除いた後、スパッタ装置を、Ar流量:10cm3/分、チャンバ内圧:10Pa、RF出力:200Wの条件で用いて、Tiを2分間、Ptを2分間、Auを8分間の順にスパッタリングした。
(7)リフトオフ:アセトンに浸漬し、スポイトで吹き付けることにより、電極部分以外の金属を剥がすことで、リフトオフを行った。剥がしきれなかった場合は、綿棒で擦ったり、超音波処理したりすることで、電極部分以外の金属を完全に剥がした。
(1)フォトレジストの塗布:スピンコーターを使用して、1層目を作製したガラス基板上に、ネガ型フォトレジストとしてのSU−8 3005(MICROCHEM社製)を3000rpmで30秒間スピンコートした。その後、フォトレジストの溶剤を除去するため、ホットプレート上で、65℃で1分間、95℃で5分間、65℃で3分間の順でプレベークし、室温放冷した。
(2)露光:1層目のアライメントマークに2層目のマスクのアライメントマークが合うように位置の調製を行った。あらかじめ作製してあるフォトマスクを用い、水銀ランプで400counts露光した。
(3)ポストベーク:露光部の架橋反応を行うため、ホットプレート上で65℃で1分間、95℃で5分間、65℃で3分間の順でポストベークし、室温放冷した。
(4)現像:SU−8DEVELOPERに浸漬した後、スポイトで3分間吹き付けることにより、感光していない部分を溶出させ、最後にイソプロパノールでリンスした。
(5)ハードベーク:180℃で30分間ハードベークし、フォトレジスト中の溶剤、水分を除去し、残存感光剤を熱架橋させ、1層目との密着性・耐食性を高めた。
(1)Vector Worksを用いて作製した設計図に基づいて、エレグリップテープ(GD−60−23A)をカッティングし、カッティングプロッターでデザイン通りに切り抜いた。
(2)切り抜いたテープを作製した基板上に貼り付けた。
実施例2の電極チップとして、図3(b)に示す構造の電極チップ(サイズ:52mm×38mm)を作製した。
実施例3の電極チップとして、図3(c)に示す構造の電極チップ(サイズ:76mm×52mm)を作製した。
測定セルにおける、駆動電極の表面積の、測定セル側作用電極の表面積に対する割合は、実施例1で5132%、実施例2で496%、実施例3で5284%であった。
実施例1〜3の電極チップについて、ポテンシオスタット(北斗電工社製、商品名:HA1010mM4)を用いて、電気化学測定を行った。
測定セルにおいて、検出物質として、フェロセンメタノール(FMA)(アルドリッチ社製)を用いた。
補助セルにおいて、酸化還元物質として、フェロシアン化カリウム(関東化学社製)、フェリシアン化カリウム(関東化学社製)を用いた。
支持塩として、KCl(和光純薬工業(株)社製)を、緩衝剤として、HEPES(和光純薬工業(株)社製)を用いた。
ポテンシオスタットの対極CE端子を対極に、参照極RE端子を参照電極に接続した。
サイクリックボルタンメトリ測定を、以下の条件;掃引速度:20mV/s、電位:0.365V→−0.1V(−0.2V)→0.5V→0.365V、FMA濃度:0〜0.5mM;で行った。
クロノアンペロメトリ測定を、以下の条件;印加電圧:−0.05V、印加時間:30s、FMA濃度:0〜0.5mM;で行った。
図4に、実施例1の電極チップの第1の測定セルを用いて電気化学測定を行ったときの評価結果を示す。(a)に、サイクリックボルタンメトリ測定の結果を示し、(b)に、クロノアンペロメトリ測定の結果を示す。
サイクリックボルタンメトリ測定を、以下の条件;掃引速度:20mV/s、電位:0.365V→−0.1V(−0.2V)→0.5V→0.365V、FMA濃度:0〜0.5mM;で行った。
クロノアンペロメトリ測定を、以下の条件;印加電圧:−0.05V、印加時間:30s、FMA濃度:0〜0.5mM;で行った。
図5に、実施例1の電極チップの第1〜第6の測定セルを用いて電気化学測定を行ったときの評価結果を示す。(a)に、サイクリックボルタンメトリ測定の結果を示し、(b)に、クロノアンペロメトリ測定の結果を示す。
図6に示す結果から、シングルチャネルの場合もマルチチャネルの場合も好適に電気化学測定を行うことができることがわかる。
サイクリックボルタンメトリ測定を、以下の条件;掃引速度:20mV/s、電位:0.365V→−0.4V→0.5V→0.365V、FMA濃度:0〜0.5mM;で行った。
図7(a)に示す結果から、FMA酸化に起因するピーク出現が低電位側にかなりずれていることが確認された。これは、駆動電極の表面積が比較的小さかったためと考えられる。
サイクリックボルタンメトリ測定を、以下の条件;掃引速度:20mV/s、電位:0.365V→−0.4V→0.5V→0.365V、FMA濃度:0〜0.5mM;で行った。
サイクリックボルタンメトリ測定を、以下の条件;掃引速度:20mV/s、電位:0.365V→−0.3V→0.5V→0.365V、FMA濃度:0〜0.5mM;で行った。
クロノアンペロメトリ測定を、以下の条件;印加電圧:−0.2V、印加時間:30s、FMA濃度:0〜0.5mM;で行った。
図10(a)に、実施例3の電極チップの第1の測定セルを用いてサイクリックボルタンメトリ測定を行ったときの結果を示し、図10(b)に、第2の測定セルを用いてサイクリックボルタンメトリ測定を行ったときの結果を示す(図中の凡例の括弧内は第1の測定セルにおける濃度を示す)。
図11(a)に、実施例3の電極チップの第1の測定セルを用いてクロノアンペロメトリ測定を行ったときの結果を示し、図11(b)に、第2の測定セルを用いてクロノアンペロメトリ測定を行ったときの結果を示す(図中の凡例の括弧内は第1の測定セルにおける濃度を示す)。
図13(a)に、実施例3の電極チップの第1の測定セルを用いてサイクリックボルタンメトリ測定を行ったときの結果を示し、図13(b)に、第2の測定セルを用いてサイクリックボルタンメトリ測定を行ったときの結果を示す(図中の凡例の括弧内は第1の測定セルにおける濃度を示す)。
図14(a)に、実施例3の電極チップの第1の測定セルを用いてクロノアンペロメトリ測定を行ったときの結果を示し、図14(b)に、第2の測定セルを用いてクロノアンペロメトリ測定を行ったときの結果を示す(図中の凡例の括弧内は第1の測定セルにおける濃度を示す)。
本発明の電極チップは、イムノセンサ、尿センサ等に好適に用いることができる。
2 基板
3 補助セル
4 測定セル
we 駆動電極
ce 対極
re 参照電極
be バイポーラ電極
be3 補助セル側作用電極
be4 測定セル側作用電極
WE 作用極
CE 対極
RE 参照極
Claims (8)
- 基板上に1つの補助セルと複数の測定セルとが設けられている電極チップであり、
前記補助セルに、参照電極、対極、補助セル側作用電極が配置され、前記測定セルに、駆動電極、測定セル側作用電極が配置されており、
前記補助セル側作用電極と前記測定セル側作用電極とは電気的に接続されている、
ことを特徴とする、電極チップ。 - 前記測定セルにおいて、前記測定セル側作用電極が、前記駆動電極に取り囲まれている、請求項1に記載の電極チップ。
- 前記補助セル側作用電極の表面積が、複数の前記測定セル側作用電極と比較して大きい、請求項1又は2に記載の電極チップ。
- 前記補助セル側作用電極の表面積が、どの1つの前記測定セル側作用電極の表面積と比較して大きい、請求項1又は2に記載の電極チップ。
- 1つの前記駆動電極の表面積が、1つの前記測定セル側作用電極の表面積と比較して大きい、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電極チップ。
- 前記対極の表面積が、前記補助セル側作用電極の表面積と比較して大きい、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電極チップ。
- 前記駆動電極の表面積の、前記測定セル側作用電極の表面積に対する割合が、2000〜8000%である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電極チップ。
- 前記補助セルにおいて、前記対極と前記参照電極とが、電気的に絶縁されて独立に設けられている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の電極チップ。
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