JP7302111B2 - 電気化学センサ用電極 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学センサユニット、電気化学センサ用電極および電気化学センサ用電極の製造方法に関する。

近年、電気化学センサユニットの作用電極として、ダイヤモンド膜を有する電極を用いることが提案されている。導電性を有するダイヤモンドは、電位窓が広く、バックグラウンド電流も小さいことから、種々の物質の電気化学的検出を高感度で行うことができる。このため、導電性を有するダイヤモンドは、電気化学センサ用電極の電極材料として注目を集めている。

特開２００７－２９２７１７号公報 特開２０１３－２０８２５９号公報

本発明の目的は、ダイヤモンド膜を備える電気化学センサ用電極を有する電気化学センサユニットのセンサ性能をさらに向上させることにある。

本発明の一態様によれば、
作用電極と、
対電極と、を備え、
前記作用電極は、前記作用電極と前記対電極との間に電圧を印加した際に表面で酸化還元反応を生じさせるダイヤモンド膜と、ダイヤモンドとは異なる材料で形成され、前記ダイヤモンド膜を支持する支持体と、を有し、
前記作用電極を側方から見たとき、前記支持体の前記ダイヤモンド膜と接する面とは反対側の面の幅が前記ダイヤモンド膜の幅よりも小さく、
前記ダイヤモンド膜の側から前記作用電極に液状の被験試料が供給される電気化学センサユニット及びその関連技術が提供される。

本発明によれば、ダイヤモンド膜を備える電気化学センサ用電極を有する電気化学センサユニットのセンサ性能をさらに向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる電気化学センサユニットの分解斜視図の一例を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる電気化学センサ用電極の断面構造の一例を示す図である。 図２に示す電気化学センサ用電極の平面構造の一例を示す図である。 ダイヤモンド膜を成長させる際に用いられる気相成長装置の概略図である。 （ａ）はダイヤモンド膜と基板との積層体の断面図であり、（ｂ）は図５（ａ）に示す積層体の裏面に凹状の溝（スクライブ溝）を形成した様子を示す断面図であり、（ｃ）は凹状の溝に沿ってダイヤモンド膜を破断して電気化学センサ用電極を取得する様子を示す模式図である。 吸水部材が液状の被験試料を吸収して保持した際の要部の一例を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態の変形例にかかる電気化学センサ用電極の断面構造の一例を示す図である。

＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態として、液状の被験試料中の所定成分の濃度を三電極法により測定する電気化学センサユニットについて、図１を参照しながら説明する。本実施形態では、尿中の尿酸の濃度を三電極法により測定する電気化学センサユニットを例に説明する。

（１）電気化学センサユニットの構成
図１に示すように、本実施形態にかかる電気化学センサユニット１００（以下、「センサ１００」とも称する）は、作用電極１１と対電極（対向電極）１２と参照電極１３とで構成される電極群１０と、電極群１０を支持する支持部材２０と、作用電極１１、対電極１２、および参照電極１３にそれぞれ接続された第１～第３の配線３１～３３と、電極群１０を覆うように配設された吸水部材４０と、第１～第３の配線３１～３３（の一部）を覆うように配設された防水部材５０と、を備えている。センサ１００は例えば使い捨て可能（ディスポーサブル）に構成されている。

作用電極１１は、液状の被験試料（例えば尿）が接触している状態で例えば後述の電圧印加部を有する計測機構を用いて作用電極１１と対電極１２との間に所定の電圧を印加した際に、表面で尿中の所定成分（例えば尿酸）の酸化還元反応（電気化学反応）を生じさせるダイヤモンド膜を有している。作用電極１１の詳細については後述する。

対電極１２は、上述の酸化還元反応により生じた電流を作用電極１１に流すための電極である。対電極１２としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）等の金属で形成された電極やカーボン電極等を用いることができる。

参照電極１３は、作用電極１１の電位を決定する際の基準となる電極である。参照電極１３としては例えば銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極等を用いることができる。また、参照電極１３としては、標準水素電極、可逆水素電極、パラジウム・水素電極、飽和カロメル電極等を用いることもできる。また、参照電極１３としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇ等の金属で形成された電極やカーボン電極等を用いることもできる。

本明細書では、作用電極１１、対電極１２、および参照電極１３をまとめて電極群１０と称することもある。

センサ１００は、電極群１０を支持する支持部材２０を備えている。電極群１０は、支持部材２０の同一面上に配設されている。支持部材２０は、シート状（板状）の基材として構成されており、取り扱いやすい（例えば被験者が持ちやすい）大きさ及び形状（例えば長方形状（短冊状）の平面形状）を有している。支持部材２０は、長手形状部（主部）と、凸状部（後述する計測機構に接続される部分）と、を有していてもよい。支持部材２０は、センサ１００として使用することができる物理的（機械的）強度、例えば被験試料が付着した場合であっても折れ曲がったり、破損したりすることがない強度を有している。支持部材２０は、例えば絶縁性を有する複合樹脂、セラミック、ガラス、プラスチック、可燃性材料、生分解性材料、不織布または紙等の絶縁性材料で形成することができる。支持部材２０はフレキシブル基材であることが好ましい。支持部材２０としては、例えばガラスエポキシ樹脂やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で形成された基材を好適に用いることができる。また、支持部材２０としては、電極群１０を支持する面が絶縁性を有するように構成された半導体基材や金属基材を用いることもできる。支持部材２０（の長手形状部）の厚さは例えば２００μｍ以上１ｍｍ以下、幅は例えば６ｍｍ以上１２ｍｍ以下、長さは例えば９５ｍｍ以上１１５ｍｍ以下とすることができる。支持部材２０が凸状部を有する場合、この凸状部の長さは例えば５ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすることができ、幅は、支持部材２０の長手形状部の幅よりも２ｍｍから４ｍｍ狭くすることができる。

作用電極１１には、第１の配線（導体配線）３１の一端部が接続されており、対電極１２には、第２の配線（導体配線）３２の一端部が接続されており、参照電極１３には、第３の配線（導体配線）３３の一端部が接続されている。第１の配線３１は、ＡＣＦフィルム等の異方性導電フィルムやはんだ等の導電性ペースト、あるいは金属等を介して、作用電極１１に電気的に接続されている。第２，第３の配線３２，３３は、それぞれ、対電極１２、参照電極１３と同一の材料で一体に形成されている。なお、第２，第３の配線３２，３３は、対電極１２、参照電極１３と異なる材料で形成されていてもよく、この場合は、第１の配線３１と同様に、異方性導電フィルムや導電性ペースト、あるいは金属を介して、対電極１２、参照電極１３にそれぞれ電気的に接続することができる。

第１～第３の配線３１～３３は、支持部材２０の電極群１０が配設された面と同一の面上にそれぞれ配設されている。第１～第３の各配線３１～３３は、支持部材２０の一端部まで達するように配設されていることが好ましい。第１～第３の各配線３１～３３は、例えばＣｕを用いて形成することができる。第１～第３の各配線３１～３３は、Ｃｕ以外に、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、または、Ｐｄ等の各種貴金属、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、Ｎｉ、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等の各種金属、これらの貴金属または金属を主成分とする合金等の上記貴金属の酸化物、金属酸化物等を用いて形成することもできる。また、第１～第３の各配線３１～３３は、カーボンを用いて形成することもできる。第１～第３の各配線３１～３３は、例えば支持部材２０上に予め貼付された貴金属や金属の膜（例えばＣｕ膜）のうちレジストで覆われていない不要な部分をエッチングにより除去して必要な導体パターンを形成するサブトラクティブ法を用いて形成することができる。第１～第３の各配線３１～３３には、サブトラクティブ法により形成した導体パターンに、例えばＡｕメッキやＡｇメッキが施されていてもよい。第１～第３の各配線３１～３３は、例えば、スクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷等の印刷法や、蒸着法等により形成することもできる。

センサ１００は、供給された尿を吸収して保持しつつ、保持した尿を電極群１０の表面に接触させる吸水部材４０を備えている。吸水部材４０は例えばシート状に形成されている。吸水部材４０の厚さは例えば０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とすることができる。

吸水部材４０は電極群１０を覆うように支持部材２０上に配設されている。吸水部材４０は、尿を吸収した際に電極群１０の表面に接触するように配設されている。なお、吸水部材４０は、尿を吸収していない状態では電極群１０の表面に接触していなくてもよい。また、吸水部材４０は、吸収した尿を第１～第３の配線３１～３３に接触させないように配設されていることが好ましい。

吸水部材４０は、配設された際に電極群１０に対応する位置に、尿を吸収して保持する吸収領域４１を有している。吸水部材４０は、吸収領域４１を囲うように設けられた尿を吸収しない非吸収領域４２を有していることが好ましい。これにより、電極群１０に接触しない余分な尿を吸水部材４０に染み込ませないようにすることができる。また、尿が吸水部材４０を介して第１～第３の配線３１～３３に接触することを確実に防止することもできる。なお、吸水部材４０が、吸収した尿を電極群１０の表面に接触させるとともに第１～第３の配線３１～３３に接触させないように構成（配設）されていれば、吸水部材４０の全てが吸収領域４１であってもよい。

吸収領域４１は、例えば、天然繊維、パルプ繊維、再生繊維、合成繊維等を用いて形成することができる。具体的には、吸収領域４１は、ろ紙、メンブレンフィルタ、ガラスフィルタ、又はろ布等を用いて形成することができる。吸収領域４１は、上記の１つまたは複数の繊維からなる集合体に吸水性ポリマ粒子等を保持させることで形成することもできる。吸収領域４１は、スポンジや珪藻土等の多孔質材料、不織布等の繊維材料等を用いて形成してもよい。

非吸収領域４２は撥水性または不透水性の材料で形成することができる。非吸収領域４２は、例えばプラスチック、シリコン樹脂、テフロン（登録商標）樹脂、ゴム等を用いて形成することができる。

センサ１００は、第１～第３の配線３１～３３に尿が付着することを防止する防水部材５０を備えている。防水部材５０は例えばシート状に形成されている。防水部材５０は、支持部材２０の電極群１０が配設された面と同一の面上に、第１～第３の配線３１～３３（の一部）を覆うように設けられている。防水部材５０の厚さは例えば０．０１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とすることができる。

防水部材５０は、例えば電極群１０上に位置する吸水部材４０（の吸収領域４１）を露出させるように構成されている。例えば、防水部材５０は、配設された際に少なくとも吸収領域４１に対応する位置に形成された開口５１を有している。

また、防水部材５０は、第１～第３の配線３１～３３が有する２つの端部のうち作用電極１１、対電極１２および参照電極１３に接続された端部とは異なる他の端部を、支持部材２０の一端部でそれぞれ露出させるように構成されている。例えば、防水部材５０は、長手方向における長さＬ_５０が支持部材２０の長手方向における長さＬ_２０よりも短くなる（Ｌ_５０＜Ｌ_２０）ように形成されている。センサ１００を用いて尿酸の濃度を測定する際には、センサ１００とは別体として構成された計測機構の接続部が第１～第３の配線３１～３３の露出された他の端部に接続される。第１～第３の配線３１～３３の他の端部は、上述の計測機構の接続部が第１～第３の配線３１～３３の他の端部に接続された際に計測機構（の接続部）で覆われるように露出されている。

上述のように、防水部材５０は、支持部材２０の電極群１０が配設された面の所定領域を覆うように構成されている。この所定領域とは、例えば、電極群１０上に位置する吸水部材４０を露出させる領域以外の領域であって、上述の計測機構の接続部が接続された状態（例えば計測機構が挟持された状態）で尿が接触し得る領域である。

防水部材５０は、第１～第３の配線３１～３３に尿が付着することを防止する観点から、不透水性であって絶縁性を有する材料で形成されていることが好ましい。例えば、防水部材５０は、プラスチック、シリコン樹脂、およびテフロン（登録商標）樹脂、ゴム等を用いて形成することができる。

防水部材５０と第１～第３の配線３１～３３の間には、第１～第３の配線３１～３３に尿が付着することを防止する防水部材５２が設けられていてもよい。防水部材５２は、例えば防水部材５０と同様の材料を用いてフィルム状に形成されている。防水部材５２は、第１～第３の配線３１～３３の露出部以外の領域を覆うように、すなわち、第１～第３の配線３１～３３の露出部以外の領域を密封するように支持部材２０上に設けられている。これにより、第１～第３の配線３１～３３に尿が付着することを確実に防止することができる。なお、防水部材５２は、第１～第３の配線３１～３３の露出部以外の領域を覆うように設けられていることが好ましいが、少なくとも第１の配線３１の露出部以外の領域を覆うように設けられていれば良い。また、吸水部材４０の非吸収領域４２や防水部材５０により、第１～第３の配線３１～３３に尿が付着することを確実に防止することができれば、防水部材５２は設けられていなくてもよい。

（２）電気化学センサユニットを用いた尿酸濃度の測定方法
上述の電気化学センサユニット１００を用い、電気化学測定を行って尿中の尿酸濃度を測定する方法について説明する。

電気化学センサユニット１００を用いた尿酸濃度測定方法では、
第１～第３の配線３１～３３の他の端部に計測機構の接続部を接続した後、吸水部材４０を介して電極群１０に尿を供給するステップ（ステップ１）と、
電極群１０の表面に尿が接触した状態で、作用電極１１と対電極１２との間に電圧を印加して作用電極１１が有するダイヤモンド膜の表面で尿酸の酸化還元反応（電気化学反応）を生じさせ、尿酸の酸化還元反応によって流れる電流値を測定するステップ（ステップ２）と、
電極群１０の表面に尿が接触した状態で、作用電極１１と参照電極１３との間の電位差（電圧の差）を測定するステップ（ステップ３）と、
測定した電流値および電位差に基づいて尿酸濃度を定量するステップ（ステップ４）と、を実施する。

（ステップ１）
センサ１００の第１～第３の配線３１～３３の他の端部（防水部材５０から露出している第１～第３の配線３１～３３の部分）に、センサ１００とは別体として構成された計測機構の接続部を接続する。計測機構は、第１～第３の配線３１～３３の他の端部を支持部材２０と一緒に挟むだけで、計測機構の接続部と第１～第３の配線３１～３３とを電気的に接続できるように構成されている。計測機構は、第１～第３の配線３１～３３の他の端部（凸状部）が挿入される挿入口（スロット）を有し、この挿入口に第１～第３の配線３１～３３の他の端部（凸状部）を挿入するだけで、計測機構の接続部と第１～第３の配線３１～３３とを電気的に接続できるように構成されていてもよい。

計測機構は、電圧印加部、電流測定部、電位差測定部、電位調整部、尿酸濃度算出部、表示部、無線通信部、記憶部を有している。計測機構が有する上記各部は、それぞれデータ交換可能なように互いに接続されている。電圧印加部は、接続部が第１～第３の配線３１～３３の他の端部に接続されて所定の回路が形成されたら、作用電極１１と対電極１２との間に電圧を印加するように構成されている。電流測定部は、尿酸の酸化還元反応により生じた電流を測定するように構成されている。電位差測定部は、作用電極１１と参照電極１３との間の電位差（電圧の差）を測定するように構成されている。電位調整部は、電位差測定部により測定した電位差に基づき、参照電極１３の電位を基準として作用電極１１の電位を一定に維持するように構成されている。尿酸濃度算出部は、電流測定部により測定した電流値に基づいて尿酸濃度を算出（定量）するように構成されている。表示部は、尿酸濃度算出部により算出した尿酸濃度を表示するように構成されている。無線通信部は、無線で接続された外部装置（コンピュータ等）に、測定した電流の値や算出した尿酸濃度等のデータを送信するように構成されている。記憶部には、電圧印加手順、電流値測定手順、電位調整手順、尿酸濃度算出手順、尿酸濃度表示手順、データ送信手順等が記載されたプログラム等が格納されている。これらのプログラムを実行することで上記各手順が実行される。また、計測機構は、測定した電流値や算出した尿酸濃度等を記憶部に記憶させるように構成されていてもよい。

センサ１００に計測機構を接続したら、センサ１００に尿を供給する。例えば、センサ１００の防水部材５０の開口５１（防水部材５０の開口５１から露出している吸水部材４０）に向けて被験者が尿をかける。

（ステップ２）
センサ１００に尿が供給されると、尿は吸水部材４０に吸収される。吸水部材４０に吸収された尿は、吸水部材４０の吸収領域４１を透過して電極群１０の表面に到達し、電極群１０の表面に尿が接触する。

電極群１０の表面に尿が接触した状態で、計測機構により作用電極１１と対電極１２との間に電圧を印加することで、作用電極１１が有するダイヤモンド膜の表面上で尿酸の酸化還元反応が生じる。尿酸の酸化還元反応が生じることにより、作用電極１１内を電流（以下、「反応電流」とも称する）が流れる。この反応電流の値を、計測機構を用いて例えばサイクリックボルタンメトリーにより測定する。サイクリックボルタンメトリー条件としては、電圧範囲：０～１Ｖ、掃引速度：０．１～１Ｖ／ｓが例示される。反応電流の値は、スクエアウェーブボルタンメトリー（矩形波ボルタンメトリー）、微分パルスボルタンメトリー、ノーマルパルスボルタンメトリー、交流ボルタンメトリー等の手法を用いて測定してもよい。測定した反応電流の値を、無線通信部を介してコンピュータとして構成された外部装置に送信してもよい。

（ステップ３）
計測機構を用い、上述のステップ２を行っている際の作用電極１１と参照電極１３との間の電位差（電圧の差）を測定する。

（ステップ４）
ステップ２で測定した反応電流の値から、例えばサイクリックボルタモグラムを作成し、酸化ピーク電流値を取得する。取得した酸化ピーク電流値およびステップ３で測定した電位差の値に基づいて、計測機構により尿酸濃度を算出する（定量する）。反応電流の値は、尿中の尿酸濃度と相関関係にあることを本願発明者等は確認済みである。したがって、反応電流の値と尿酸濃度との関係を予め求めておけば、測定した反応電流の値に基づいて尿酸濃度を定量することができる。続いて、算出した尿酸濃度を表示部に表示する。なお、算出した尿酸濃度を、無線通信部を介してコンピュータとして構成された外部装置に送信してもよい。

（３）電気化学センサ用電極の構成
本実施形態にかかる電気化学センサ用電極について、図２および図３を用いて説明する。本実施形態にかかる電気化学センサ用電極２００（以下、「電極２００」とも称する）は、上述のセンサ１００における作用電極１１として好適に用いることができる。以下では、電極２００が上述の作用電極１１として用いられる例について説明する。

図２に示すように、電極２００は、尿が接触した状態で所定の電圧を印加した際に表面で尿酸の酸化還元反応を生じさせるダイヤモンド膜２１０と、ダイヤモンド膜２１０を支持する支持体２２０と、を有している。上述のセンサ１００において、電極２００は、ダイヤモンド膜２１０の側から尿が供給されるように、すなわちダイヤモンド膜２１０が上述の吸水部材４０と接触するように、支持部材２０上に配設されることとなる。

ダイヤモンド膜２１０は多結晶膜である。ダイヤモンド膜２１０は、ホウ素（Ｂ）等の元素を例えば１×１０^１９ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下の濃度で含むことが好ましい。ダイヤモンド膜２１０中のＢ濃度は例えば二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定することができる。ダイヤモンド膜２１０は、熱フィラメント（ホットフィラメント）ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等の化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法、イオンビーム法やイオン化蒸着法等の物理蒸着（Ｐｈｉｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ法）等を用いて成長させる（合成する）ことができる。熱フィラメントＣＶＤ法を用いてダイヤモンド膜２１０を成長させる場合、フィラメントとして例えばタングステンフィラメントを用いることができる。ダイヤモンド膜２１０の厚さは例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下、好ましくは２μｍ以上４μｍ以下とすることができる。

ダイヤモンド膜２１０の側面は、電極２００を作製する際に後述の凹状の溝２２２に沿ってダイヤモンド膜２１０を破断させることで生じた破断面を有している。

ダイヤモンド膜２１０の支持体２２０と接する面の縁部には、変質層２１１が形成されている。変質層２１１は、ダイヤモンド膜２１０の支持体２２０と接する面の縁部の全周にわたって形成されていることが好ましい。ここでいう「変質層」とは、ダイヤモンド膜２１０（ダイヤモンドの結晶構造）が変質（変性）することで形成された層をいう。例えば、変質層２１１は、レーザ照射によりダイヤモンド膜２１０中のＳＰ^３結合がＳＰ^２結合に変わることで形成された層（すなわちダイヤモンド膜２１０が黒鉛化（グラファイト化）することで形成された層）や、機械加工、エッチング液の接触、プラズマ照射、イオンビーム照射等によってダイヤモンド膜２１０が変質することで形成された層等のことである。

支持体２２０は、ダイヤモンドとは異なる材料（異種材料）を用いて形成されている。支持体２２０としては、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）基板を用いることができる。また、支持体２２０としては、多結晶Ｓｉ基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属材料により形成された金属基板を用いることもできる。支持体２２０の厚さは例えば２００μｍ以上１０００μｍ以下とすることができる。

支持体２２０は、電極２００（ダイヤモンド膜２１０と支持体２２０との積層体）を側方から見たとき、支持体２２０のダイヤモンド膜２１０と接する面とは反対側の面（以下、「第２の面」とも称する）Ｓ_２の幅Ｗ_２が、ダイヤモンド膜２１０の幅Ｗ_ｄよりも小さくなる（Ｗ_２＜Ｗ_ｄ）ように構成されている。すなわち、支持体２２０は、第２の面Ｓ_２の幅Ｗ_２がダイヤモンド膜２１０の幅Ｗ_ｄよりも小さい側面を有している。支持体２２０が上記構成を有することから、支持体２２０の第２の面Ｓ_２の平面積はダイヤモンド膜２１０の平面積よりも小さくなる。

また、電極２００を側方から見たとき、第２の面Ｓ_２の幅Ｗ_２が支持体２２０のダイヤモンド膜２１０と接する面（以下、「第１の面」とも称する）Ｓ_１の幅Ｗ_１よりも小さいことが好ましい。すなわち、第２の面Ｓ_２の平面積は第１の面Ｓ_１の平面積よりも小さいことが好ましい。

また、電極２００を側方から見たとき、第１の面Ｓ_１の幅Ｗ_１がダイヤモンド膜２１０の幅Ｗ_ｄと同程度であることが好ましい。なお、ここでいう「同程度」とは、第１の面Ｓ_１の幅Ｗ_１とダイヤモンド膜２１０の幅Ｗ_ｄとが完全に同一である場合の他、これらの差が１００μｍ以内である場合も含むものとする。第１の面Ｓ_１の幅Ｗ_１はダイヤモンド膜２１０の幅Ｗ_ｄよりもわずかに小さいことがより好ましい。

図３に電極２００の平面図（上面図）を示すように、第１の面Ｓ_１および第２の面Ｓ_２の平面形状は例えば正方形であり、支持体２２０は４つの側面を有している。支持体２２０が有する４つの側面の全てが上記構成を有することが好ましい。すなわち、支持体２２０が有する全ての側面において、第２の面Ｓ_２の幅Ｗ_２がダイヤモンド膜２１０の幅Ｗ_ｄよりも小さいことが好ましく、ダイヤモンド膜２１０の幅Ｗ_ｄおよび第１の面Ｓ_１の幅Ｗ_１よりも小さいことがより好ましい。

支持体２２０の各側面は、第１の面Ｓ_１から第２の面Ｓ_２に向かって漸次なだらかに湾曲している傾斜面である。支持体２２０の各側面は例えば平坦な傾斜面であってもよい。

図２に示すように、支持体２２０の側面は、電極２００を作製する際に後述する凹状の溝２２２を形成することで生じたスクライブ面又はエッチング面の少なくともいずれかを有している。支持体２２０の側面は、スクライブ面又はエッチング面の少なくともいずれか（のみ）からなることが好ましい。

凹状の溝２２２は、例えばレーザ加工法、機械加工法、エッチングのような公知の手法を用いて形成することが可能である。ここでいう「スクライブ面」とは、例えばレーザスクライブ（レーザ加工）を行うことで形成された融解面（レーザ加工面）や、ダイヤモンドスクライバ等を用いたスクライブ（機械加工）を行うことで形成された切削面（機械加工面）を含む面のことである。また、ここでいう「エッチング面」とは、ウェットエッチング或いはプラズマやイオンビームを用いたエッチングにより形成された面のことである。

図３に示すように、支持体２２０は、電極２００をダイヤモンド膜２１０の側から見たときにダイヤモンド膜２１０の外周縁からはみ出ないことが好ましい。すなわち、支持体２２０の第２の面Ｓ_２の外周縁が第１の面Ｓ_１（ダイヤモンド膜２１０）の外周縁の内側に位置し、かつ、第１の面Ｓ_１の外周縁がダイヤモンド膜２１０の外周縁と重なっているか又はダイヤモンド膜２１０の外周縁の内側に位置することが好ましい。図３は、第１の面Ｓ_１の外周縁がダイヤモンド膜２１０の外周縁と重なっている例を示している。また、第１の面Ｓ_１の中心位置と第２の面Ｓ_２の中心位置とダイヤモンド膜２１０の中心位置とが、電極２００の厚さ方向において一致していることがより好ましい。

（４）電気化学センサ用電極の製造方法
本実施形態にかかる電気化学センサ用電極２００の製造方法について、図４および図５を用いて説明する。

（基板の準備工程）
まず、ダイヤモンドとは異なる材料（異種材料）で形成され、平面視で例えば円形の外形を有する基板（円板状の基板）２２０Ａを準備する。例えば、単結晶Ｓｉからなる円板状の基板２２０Ａを準備する。基板２２０Ａは、電極２００において支持体２２０となる。

基板２２０Ａを準備したら、基板２２０Ａが有する２つの主面のうちいずれか一方の主面（以下、「第１の主面２２１」とも称する）に、種付け（シーディング）処理や、傷付け（スクラッチ）処理等を施す。種付け処理とは、例えば数ｎｍ～数十μｍ程度のダイヤモンド粒子（好ましくはダイヤモンドナノ粒子）を分散させた溶液（分散液）を基板２２０Ａの第１の主面２２１上に塗布したり、分散液中に基板２２０Ａを浸漬したりすることにより、ダイヤモンド粒子を基板２２０Ａの第１の主面２２１上に付着させる処理をいう。傷付け処理とは、数μｍ程度のダイヤモンド砥粒（ダイヤモンドパウダー）等を用いて第１の主面２２１に引っかき傷（スクラッチ）を付ける処理をいう。これにより、基板２２０Ａ上にダイヤモンド膜２１０を成長させることができるようになる。

（ダイヤモンド膜の成長工程（積層体の作製工程））
基板２２０Ａを用意したら、例えばタングステンフィラメントを用いた熱フィラメントＣＶＤ法により、基板２２０Ａの第１の主面２２１上にダイヤモンド膜２１０を成長させる。

ダイヤモンド膜２１０の成長は、例えば図４に示すような熱フィラメントＣＶＤ装置３００を用いて行うことができる。熱フィラメントＣＶＤ装置３００は、石英等の耐熱性材料からなり、成長室３０１が内部に構成された気密容器３０３を備えている。成長室３０１内には、基板２２０Ａを保持するサセプタ３０８が設けられている。サセプタ３０８は、回転機構３１６が有する回転軸３１５に接続されており、回転自在に構成されている。気密容器３０３の側壁には、成長室３０１内へ窒素（Ｎ_２）ガスを供給するガス供給管３３２ａと、水素（Ｈ_２）ガスを供給するガス供給管３３２ｂと、炭素含有ガスとしてのメタン（ＣＨ_４）ガス又はエタン（Ｃ_２Ｈ_６）ガスを供給するガス供給管３３２ｃと、ホウ素含有ガスとしてのトリメチルボロン（Ｂ（ＣＨ_３）_３、略称：ＴＭＢ）ガス、トリメチルボレート（Ｂ（ＯＣＨ_３）_３）ガス、トリエチルボレート（Ｂ（Ｃ_２Ｈ_５Ｏ）_３）ガス、又はジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）ガスを供給するガス供給管３３２ｄと、が接続されている。ガス供給管３３２ａ～３３２ｄには、ガス流の上流側から順に、流量制御器３４１ａ～３４１ｄ、バルブ３４３ａ～３４３ｄがそれぞれ設けられている。ガス供給管３３２ａ～３３２ｄの下流端には、ガス供給管３３２ａ～３３２ｄから供給された各ガスを成長室３０１内に供給するノズル３４９ａ～３４９ｄがそれぞれ接続されている。気密容器３０３の他の側壁には、成長室３０１内を排気する排気管３３０が設けられている。排気管３３０にはポンプ３３１が設けられている。気密容器３０３内には、成長室３０１内の温度を測定する温度センサ３０９が、それぞれ設けられている。また、気密容器３０３内にはタングステンフィラメント３１０と、タングステンフィラメント３１０を加熱する一対の電極（例えば銅電極）３１１ａ，３１１ｂとが、それぞれ設けられている。熱フィラメントＣＶＤ装置３００が備える各部材は、コンピュータとして構成されたコントローラ３８０に接続されており、コントローラ３８０上で実行されるプログラムによって後述する処理手順や処理条件が制御されるように構成されている。

ダイヤモンド膜２１０の成長は、上述の熱フィラメントＣＶＤ装置を用い、例えば以下の処理手順で実施することができる。まず、基板２２０Ａを、気密容器３０３内へ投入（搬入）し、サセプタ３０８上に保持する。そして、成長室３０１内の排気を実施しながら、成長室３０１内へＨ_２ガス（又はＮ_２ガスとＨ_２ガスとの混合ガス）を供給する。また、電極３１１ａ，３１１ｂ間に電流を流してタングステンフィラメント３１０の加熱を開始する。タングステンフィラメント３１０が加熱されることで、サセプタ３０８上に保持した基板２２０Ａも加熱されることとなる。タングステンフィラメント３１０が所望の温度となり、成長室３０１内が所望の成長圧力に到達し、また成長室３０１内の雰囲気が所望の雰囲気となったら、成長室３０１内へＣＨ_４ガス、ＴＭＢガスを供給する。成長室３０１内に供給されたＣＨ_４ガス、ＴＭＢガスが、高温に加熱されたタングステンフィラメント３１０を通過する際に分解（熱分解）されて、メチルラジカル（ＣＨ_３ ^＊）等の活性種が生成される。この活性種等が基板２２０Ａ上に供給されてダイヤモンド膜が成長する。

ダイヤモンド膜２１０を成長させる際の条件としては、下記の条件が例示される。
基板温度：６００℃以上１０００℃以下、好ましくは６５０℃以上８００℃以下
フィラメント温度：１８００℃以上２５００℃以下、好ましくは２０００℃以上２２００℃以下
成長室内圧力：５Ｔｏｒｒ以上５０Ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０Ｔｏｒｒ以上３５Ｔｏｒｒ以下
ＣＨ_４ガスに対するＴＭＢガスの分圧の比率（ＴＭＢ／ＣＨ_４）：０．００３％以上０．８％以下
Ｈ_２ガスに対するＣＨ_４ガスの比率（ＣＨ_４／Ｈ_２）：２％以上５％以下

これにより、図５（ａ）に断面概略図で示すような基板２２０Ａとダイヤモンド膜２１０との積層体２３０が作製される。なお、ダイヤモンドとは異なる材料で形成された基板２２０Ａ上にダイヤモンド膜２１０を成長させることで、成長させたダイヤモンド膜２１０は多結晶ダイヤモンド膜となる。また、上述の条件下でダイヤモンド膜２１０を成長させることで、ダイヤモンド膜２１０の厚さは例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下、好ましくは２μｍ以上４μｍ以下となり、ダイヤモンド膜２１０中のＢ濃度は例えば１×１０^１９ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下となる。

（凹状の溝の形成工程）
ダイヤモンド膜２１０の成長が完了したら、図５（ｂ）に示すように、積層体２３０の裏面側（基板２２０Ａの第１の主面２２１とは反対側の主面側）から凹状の溝２２２（例えばスクライブ溝）を形成する。凹状の溝２２２は、例えばレーザスクライブにより形成することができる。凹状の溝２２２は、基板２２０Ａを厚さ方向に貫通し、ダイヤモンド膜２１０まで達するように設ける。これにより、ダイヤモンド膜２１０の基板２２０Ａと接する面にもレーザが照射されることとなり、ダイヤモンド膜２１０の基板２２０Ａと接する面に変質層２１１が形成される。

（ダイヤモンド膜の破断工程）
凹状の溝２２２を形成したら、図５（ｃ）に示すように、凹状の溝２２２に沿ってダイヤモンド膜２１０を破断する。このとき、凹状の溝２２２に沿ってダイヤモンド膜２１０を外方に折り曲げて破断することが好ましい。これにより、ダイヤモンド膜２１０と支持体２２０とを有する上述の電極２００が得られる。

（５）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。

（ａ）電気化学センサユニット１００の作用電極１１として、ダイヤモンド膜２１０と接する面とは反対側の面（第２の面Ｓ_２）の幅Ｗ_２がダイヤモンド膜２１０の幅Ｗ_ｄよりも小さい支持体２２０を有する電極２００を用いることで、ダイヤモンド膜２１０の側から尿が供給された際、支持体２２０の側面に尿が接触（付着）しにくくなる。例えば、図６に示すように、センサ１００に尿が供給されて吸水部材４０が尿を吸収して保持して膨張した場合であっても、吸水部材４０が支持体２２０の側面に接触しにくくなる。このため、支持体２２０の側面で意図しない酸化還元反応が生じることを抑制できる。これにより、作用電極１１内を流れる電流に、尿酸の酸化還元反応により生じた電流以外の電流が混ざることを抑制できる。例えば、作用電極１１内を流れる電流を、尿酸の酸化還元反応により生じた電流のみとすることができる。その結果、電気化学センサユニット１００のセンサ性能を向上させることができる。

（ｂ）作用電極１１として、上述のように支持体２２０の側面に尿が接触しにくい電極２００を用いることで、支持体２２０の側面に尿が付着することを防止するための層を設ける必要がなくなる。

（ｃ）支持体２２０の第１の面Ｓ_１の外周縁がダイヤモンド膜２１０の外周縁と重なっているか又はダイヤモンド膜２１０の外周縁の内側に位置することで、吸水部材４０を介して作用電極１１に尿が接触した際、支持体２２０の第１の面Ｓ_１上に尿が接触することを抑制することができる。その結果、支持体２２０の第１の面Ｓ_１上で意図しない酸化還元反応が生じることを抑制できる。これにより、作用電極１１内を流れる電流に、尿酸の酸化還元反応により生じた電流以外の電流が混ざることを確実に抑制できることから、電気化学センサユニット１００のセンサ性能を確実に向上させることができる。

（ｅ）基板２２０Ａの第１の主面２２１上にダイヤモンド膜２１０を成長させて積層体２３０を作製した後、積層体２３０の裏面側から凹状の溝２２２を形成し、凹状の溝２２２に沿ってダイヤモンド膜２１０を破断して電極２００を作製することで、破断時にダイヤモンド膜２１０が基板２２０Ａから剥離を抑制することができる。例えば、作製した電極２００において、支持体２２０から剥離しているダイヤモンド膜２１０の領域を例えば５％以下とすることができる。これにより、電極２００の寿命を長くするとともに、この電極２００を用いた電気化学センサユニット１００のセンサ性能を向上させることができる。

（ｆ）また、上記手順で電極２００を作製することで、高硬度のダイヤモンド膜２１０を有する場合であっても、所定形状の電極２００を容易に作製することが可能となる。

なお、基板２２０Ａとダイヤモンド膜２１０との積層体２３０の表面側（ダイヤモンド膜２１０の側）から凹状の溝２２２を形成することも考えられる。しかしながら、ダイヤモンド膜２１０は非常に硬い膜であるため、ダイヤモンド膜２１０の側からレーザ加工法や機械加工法等により凹状の溝２２２を形成することは難しい。このため、この場合、所定形状の電極２００を作製することが難しい。

（ｇ）電極２００を作製する際、基板２２０Ａを厚さ方向に貫通し、ダイヤモンド膜２１０まで達するように凹状の溝２２２を形成することで、ダイヤモンド膜２１０の基板２２０Ａと接する面に変質層２１１を形成することができる。変質層２１１は、ダイヤモンド膜２１０よりも硬度が低く脆いことから、変質層２１１を形成することで、ダイヤモンド膜２１０の破断制御性を向上させることができる。例えば、ダイヤモンド膜２１０を破断する際、ダイヤモンド膜２１０を容易かつ正確に破断することができる。

（６）変形例
本実施形態は、以下の変形例のように変形することができる。

図７に示すように、電極２００において、支持体２２０の側面のうちダイヤモンド膜２１０と接する面（第１の面Ｓ_１）に近い側には破断面が形成されていてもよい。すなわち、支持体２２０の側面は、凹状の溝２２２を形成することで生じたスクライブ面又はエッチング面の少なくともいずれかと、凹状の溝２２２に沿って基板２２０Ａを破断させることで生じた破断面と、を有していてもよい。なお、支持体２２０の破断面は劈開面を含む場合がある。本変形例では、ダイヤモンド膜２１０の支持体２２０と接する面には変質層２１１は形成されていない。このような電極２００は、上述の凹状の溝の形成工程において、凹状の溝２２２が、基板２２０Ａを厚さ方向に貫通することがないように（ダイヤモンド膜２１０まで達しないように）形成することで作製することができる。この場合、基板２２０Ａの最薄部の厚さが例えば１０μｍ以上８０μｍ以下となるように、凹状の溝２２２を形成することが好ましい。これにより、変質層２１１の形成を抑制しつつ、ダイヤモンド膜２１０の破断制御性の低下を抑制することが可能となる。

本変形例では、ダイヤモンド膜２１０に変質層２１１が形成されていないことから、変質層２１１が形成されている場合よりも支持体２２０とダイヤモンド膜２１０との密着性を高めることができる。このため、電極２００の寿命をより長くするとともに、この電極２００を用いたセンサ１００のセンサ性能を確実に向上させることができる。また、変質層２１１が形成されていないことで、複数の電極２００間でダイヤモンド膜２１０の品質（例えば電気特性）がばらつくことを抑制することもできる。

＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

上述の実施形態では、液状の被験試料である尿中の尿酸濃度を測定する例について説明したが、これに限定されない。液状の被験試料は、尿以外に、血液、涙、鼻水、唾液、汗等であってもよい。また、検出成分は、尿酸以外の他の成分であってもよい。サイクリックボルタンメトリーの条件を適宜変更することで、液状の被験試料中の種々の成分（物質）の濃度を測定することができる。

ダイヤモンド膜２１０上に検出成分に応じた所定の酵素を塗布し、尿酸等の検出成分と酵素とを電気化学反応させて検出成分の濃度を算出するようにしてもよい。

上述の実施形態では、三電極法により液状の被験試料中の所定成分の濃度を測定する例に説明したが、これに限定されない。例えば、液状の被験試料中の所定成分の濃度を二電極法により測定してもよい。この場合、センサ１００において、参照電極１３および第３の配線３３を設けないことを除くその他の点は、上述の実施形態と同様の構造とすることができる。

上述の実施形態では、吸水部材４０を介して被験試料を電極群１０の表面に供給する例について説明したが、これに限定されない。例えば、センサ１００は吸水部材４０を有していなくてもよく、電極群１０の表面に被験試料を直接供給するように構成されていてもよい。この場合、被験試料は液状の被験試料のほか、霧状の被験試料であってもよい。

上述の実施形態では、センサ１００が１つの電極群１０を有する例について説明したが、センサ１００は複数の電極群１０を有していてもよい。複数の電極群１０を有する場合、各電極に第１～第３の配線３１～３３がそれぞれ接続されている。

上述の実施形態では、支持体２２０の第１の面Ｓ_１および第２の平面形状が正方形である例を説明したが、これに限定されない。支持体２２０の第１の面Ｓ_１および第２の面Ｓ_２の平面形状は例えば正方形以外の矩形や円形であってもよい。また、上述の実施形態では、第１の面Ｓ_１および第２の面Ｓ_２の平面形状が相似形状である例を説明したが、これに限定されない。例えば、支持体２２０の第１の面Ｓ_１の平面形状が円形であり、支持体２２０の第２の面Ｓ_２の平面形状が正方形である等、第１の面Ｓ_１および第２の面Ｓ_２は、それぞれ非相似形状であってもよい。

＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。

（付記１）
本発明の一態様によれば、
作用電極と、
対電極と、を備え、
前記作用電極は、前記作用電極と前記対電極との間に電圧を印加した際に表面で酸化還元反応を生じさせるダイヤモンド膜と、ダイヤモンドとは異なる材料で形成され、前記ダイヤモンド膜を支持する支持体と、を有し、
前記作用電極を側方から見たとき、前記支持体の前記ダイヤモンド膜と接する面とは反対側の面の幅が前記ダイヤモンド膜の幅よりも小さく、
前記ダイヤモンド膜の側から前記作用電極に液状の被験試料が供給される電気化学センサユニットが提供される。

（付記２）
本発明の他の態様によれば、
作用電極と、
対電極と、を備え、
前記作用電極は、前記作用電極と前記対電極との間に電圧を印加した際に表面で酸化還元反応を生じさせるダイヤモンド膜と、ダイヤモンドとは異なる材料で形成され、前記ダイヤモンド膜を支持する支持体と、を有し、
前記支持体の前記ダイヤモンド膜と接する面とは反対側の面の平面積が前記ダイヤモンド膜の平面積よりも小さく、
前記ダイヤモンド膜の側から前記作用電極に液状の被験試料が供給される電気化学センサユニットが提供される。

（付記３）
付記１または２のセンサユニットであって、好ましくは、
前記作用電極を前記ダイヤモンド膜の側から見たとき、
前記支持体の前記ダイヤモンド膜と接する面とは反対側の面の外周縁が前記ダイヤモンド膜の外周縁の内側に位置し、
前記支持体の前記ダイヤモンド膜と接する面の外周縁が前記ダイヤモンド膜の外周縁と重なっているか又は前記ダイヤモンド膜の外周縁の内側に位置する。

（付記４）
付記１～３のいずれか１つのセンサユニットであって、好ましくは、
前記支持体の側面は、前記支持体の前記ダイヤモンド膜と接する面とは反対側の面から凹状の溝を形成することで生じたスクライブ面又はエッチング面の少なくともいずれかを有し、
前記ダイヤモンド膜の側面は、前記凹状の溝に沿って前記ダイヤモンド膜を破断させることで生じた破断面を有する。

（付記５）
付記４のセンサユニットであって、好ましくは、
前記支持体の側面は、前記スクライブ面又は前記エッチング面のいずれか（のみ）からなる。

（付記６）
付記５のセンサユニットであって、好ましくは、
前記ダイヤモンド膜の前記支持体と接する面の縁部には、変質層が形成されている。好ましくは、前記変質層は、前記ダイヤモンド膜の前記支持体と接する面の縁部の全周にわたって形成されている。

（付記７）
付記４のセンサユニットであって、好ましくは、
前記支持体の側面のうち前記ダイヤモンド膜と接する面に近い側には、前記凹状の溝に沿って前記支持体を破断させることで生じた破断面が形成されている。

（付記８）
付記７のセンサユニットであって、好ましくは、
前記ダイヤモンド膜の前記支持体と接する面には、変質層が形成されていない。

（付記９）
付記１～８のセンサユニットであって、好ましくは、
前記支持体は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる。

（付記１０）
本発明のさらに他の態様によれば、
電圧を印加した際に表面で酸化還元反応を生じさせるダイヤモンド膜と、
ダイヤモンドとは異なる材料で形成され、前記ダイヤモンド膜を支持する支持体と、を有し、
前記ダイヤモンド膜と前記支持体との積層体を側方から見たとき、前記支持体の前記ダイヤモンド膜と接する面とは反対側の面の幅が前記ダイヤモンド膜と接する面の幅よりも小さく、
前記積層体の前記ダイヤモンド膜の側から液状の被験試料が供給される電気化学センサ用電極が提供される。

（付記１１）
本発明のさらに他の態様によれば、
ダイヤモンドとは異なる材料からなる基板を用意する工程と、
前記基板が有する２つの主面のうちいずれか一方の主面上にダイヤモンド膜を形成（成膜）して積層体を作製する工程と、
前記基板の前記ダイヤモンド膜を形成した主面とは反対側の主面から所定形状の凹状の溝を形成する工程と、
前記凹状の溝に沿って、前記ダイヤモンド膜を破断する工程と、を行う電気化学センサ用電極の製造方法が提供される。

（付記１２）
付記１１の方法であって、好ましくは、
前記凹状の溝を形成する工程では、前記凹状の溝を前記ダイヤモンド膜に達するように形成する。

（付記１３）
付記１１の方法であって、好ましくは、
前記凹状の溝を形成する工程では、前記凹状の溝を前記ダイヤモンド膜に達しないように形成する。

（付記１４）
付記１１～１３のいずれか１つの方法であって、好ましくは、
前記ダイヤモンド膜を破断する工程では、前記ダイヤモンド膜を、前記凹状の溝に沿って外方に折り曲げて破断する。

１００ 電気化学センサユニット
１１ 作用電極
２００ 電気化学センサ用電極
２１０ ダイヤモンド膜
２２０ 支持体

Claims (8)

1. 多結晶ダイヤモンド膜と、
   ダイヤモンドとは異なる材料で形成され、前記多結晶ダイヤモンド膜を支持する支持体と、を有し、
   前記多結晶ダイヤモンド膜と前記支持体との積層体を側方から見たとき、前記支持体の前記多結晶ダイヤモンド膜と接する面とは反対側の面の幅が前記多結晶ダイヤモンド膜と接する面の幅よりも小さい、電気化学センサ用電極。
2. 多結晶ダイヤモンド膜と、
   ダイヤモンドとは異なる材料で形成され、前記多結晶ダイヤモンド膜を支持する支持体と、を有し、
   前記支持体の前記多結晶ダイヤモンド膜と接する面とは反対側の面の平面積が前記多結晶ダイヤモンド膜と接する面の平面積よりも小さい、電気化学センサ用電極。
3. 前記多結晶ダイヤモンド膜の平面形状が矩形である、請求項１又は２に記載の電気化学センサ用電極。
4. 前記多結晶ダイヤモンド膜にはホウ素が１×１０^１９ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下の濃度で含まれている、請求項１～３のいずれか１項に記載の電気化学センサ用電極。
5. 前記支持体は単結晶シリコンからなる、請求項１～４のいずれか１項に記載の電気化学センサ用電極。
6. 前記多結晶ダイヤモンド膜の厚さは０．５μｍ以上１０μｍ以下であり、
   前記支持体の厚さは２００μｍ以上１０００μｍ以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載の電気化学センサ用電極。
7. 前記多結晶ダイヤモンド膜の前記支持体と接する面の縁部には、変質層が形成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の電気化学センサ用電極。
8. 前記多結晶ダイヤモンド膜の前記支持体と接する面には、変質層が形成されていない、請求項１～６のいずれか１項に記載の電気化学センサ用電極。

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