JPH0251055A - 電気化学測定用電極セルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、水中、有機溶媒中、生体中などに含まれる、
イオン、分子の定性あるいは定量分析等を行なう電気化
学測定に用いる作用電極、参照電極、対向電極を有する
微小な電気化学測定用電極セルに関する。

〔従来の技術〕

水中、有機溶媒中、生体中などに含まれる、イオン、分
子の定性あるいは定量分析の方法として電気化学的な測
定手法が知られている。電気化学測定は通常、物質検出
用の作用電極、その対向電極、および電位を規定するた
めの基準となる参照物質を含む参照電極の３電極をそれ
ぞれ１本ずつ有する電極セルを用い、これらの電極をポ
テンシオスタットなどの測定機に接続して行う。この測
定系は、溶液中のイオンや反応部位が直接電極と接する
ことのできる分子などは直接検出できるが。

タンパク質や酵素など反応部位が覆われている分子の検
出は困難であった。また、物質によっては酸化還元電位
が高く１通常の測定限界を越えてしまう場合があった。

加えて、同じ酸化還元電位を持つ２種以上のイオンある
いは分子が混合している場合、これらを区別して同定す
ることもできなかった。

これらの欠点を解消するために、電極表面を機能性の材
料で修飾する方法が知られている。すなわち、極めて低
濃度のイオンや分子の検出・定量や特定分子の検出のた
めに、酵素などの分子選択性を有する触媒で電極を修飾
することが行われている。例えば、グルコース酸化酵素
で修飾された電極を用いると、酵素はグルコースとのみ
反応するため、生じた過酸化水素を電極で電気化学的に
定量することにより、検体中のグルコースのみを定量す
ることができる。ところが、電極表面が酵素膜で被覆さ
れているため、生成した過酸化水素が電極表面へ到達し
に＜＜、感度が低い、応答速度が遅いなどの問題があっ
た。

また、酵素など、反応部位が直接電極と接触できない試
料や酸化還元電位の高い試料の場合、メデイエータと呼
ばれる低分子の酸化還元活性物質を混合あるいは化学的
に結合させ、これを電極上に固定化させ、試料の酸化還
元を一旦メデイエータで行い、メデイエータが電極と反
応することにより、目的物質の検出を行うという方法が
取られている。しかし、この場合もメデイエータが固体
膜中にあるため、伝達速度が遅く、感度が低い。

応答速度が遅いなどの問題があった。

さらに、チトクロムＣなどの電子伝達系・エネルギー伝
達系の酵素で電極を修飾し、エネルギー変換や電気化学
的光合成を試みた場合、反応が何段階にもおよぶため、
それぞれの段階に応じて電極電位を設定する必要がある
が、１つの作用電極しか持たない現在の系では、実現が
困難であった。

一方、微小領域の電気化学測定を行う手段として微小電
極が用いられている。微小電極は生体計測用電極、バイ
オセンサなどへの応用が数多く提案されている。しかし
、この多くはガラス細管中に金属ワイヤー、炭素繊維、
金属塩化物等を封入して作製したもので、この場合、全
く同じ電極形状のものを作製することは困難であり、得
られる電気化学特性も電極形状によりそれぞれ異なるた
め、リング・ディスク電極のように電極形状、電極間距
離が重要な要素となる測定セルを構成することはできな
かった。また、通常の３電極を用いた測定でも定性的な
データしか得られず、定量的なデータが必要な場合には
前もって、電極を検定しておく必要があり、多大な測定
時間を必要とした。また、測定により電極が汚染される
等の理由により検定することができない場合には、定量
的なデータを得ることが非常に困難であった。

これに対し、微小電極を作製する方法として近年、フォ
トリソグラフィー技術の応用が提案されている。この方
法ではフォトレジストを基板に塗布し、電極パターンを
有する画像マスクを重ね、露光、および現像した後、金
属薄膜を蒸着法等により形成させた後、レジストを剥離
させて、基板上に微小な電極を得ている。この方法では
任意の形状、一定の電極間距離を持つ微小電極を多量に
再現性良く、基板上に作製することができるため。

近接させた２本の作用電極を作製すればリング・ディス
ク電極と同様な測定が可能な電極対や、電気化学素子、
センサのベース電極などへ応用が可能である。

該微細電極作製法を応用して、これまでにミクロな電気
化学トランジスタ（例えばジャーナルオブフイジ力ルケ
ミストリー（Ｊ、Ｐｈｙｓ、Ｃｈａｍ、）８９巻、　５
１３３頁（１９８５年））、＜Ｌ、形白金電極を利用し
た低分子、または高分子錯体の電気化学測定（アナリテ
ィカルケミストリ−（Ａｎａｌ、Ｃｈｅｍ、）５８巻、
６０１頁（１９８６））等が行われている。しかし、現
在のフォトリソグラフィー技術では０，５Ｉ１ｍ以下の
間隔でパターン間を分離するのが困難であり、再現性良
く微小な電極対を作製することができなかった。これに
対し、基板上に金属、絶縁体、金属を順に積層したのち
、その端面を出して電極に用いる方法が提案されている
。この方法では緻密な絶縁性薄膜を用いることにより、
電極間隔を極めて狭めることが可能であるが、大面積の
電極を作製できないため、電流値が小さい、薄膜の端面
を利用するためバンド電極以外の任意の形状を有する電
極が得られないなどの欠点があった。

加えて、この微細電極で電気化学測定用電極セルやセン
サなどの電気化学素子を構成するためには、該微細電極
以外に参照電極や対向電極を別に必要とし、測定セル全
体ではサイズが増加するため、微小領域における電気化
学反応の測定ができない１作用電極である微細電極と外
部においた参照電極または対向電極の間の距離が増加す
るため、固体電解質等高抵抗な系の測定ではシャープな
応答が得られにくいなどの欠点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上詳しく説明したように、従来の３電極を有する電極
セルでは、タンパク質や酵素など反応部位が覆われてい
る分子の検出が困難であり、また、物質によっては酸化
還元電位が高く一測定限界を越えることがあり、さらに
、同じ酸化還元電位を持つ２種以上のイオンあるいは分
子が混合している場合、これらを区別して同定すること
ができなかった。

これらの欠点を解消するために、電極表面を修飾する方
法では、電極表面が酵素膜で覆われているため、感度が
低い、応答速度が遅い欠点があった。

また、酸化還元活性物質であるメデイエータを用いる場
合も、メデイエータが固体膜中にあるため、伝達速度が
遅く、感度が低い、応答速度が遅い問題があった。

また、チトクロムＣなどの電子伝達系・エネルギー伝達
系の酵素で電極を修飾し、エネルギー変換や電気化学的
光合成を試みる場合は、反応が何段階にもおよぶため、
１つの作用電極しか持たない電極セルでは実現が回置で
ある。

また、ガラス細管中に金属ワイヤー、炭素繊維、金属塩
化物等を封入して作製した微小電極では、電極形状にば
らつきがあり、従って、得られる電気か額特性もばらつ
き、リング・ディスク電極のように電極形状、電極間距
離が重要な要素となる電極セルを構成することはできな
かった。

さらに、通常の３電極を用いた測定でも定性的なデータ
しか得られず、定量的なデータが必要な場合は、前もっ
て電極を検定しておく必要があり、多大な測定時間を必
要とし、また、測定により電極が汚染され、定量的なデ
ータを得ることができない場合がある。

また、現在のフォトリソグラフィー技術では、０．５−
以下の間隔でパターン間を分離するのが回置であり、再
現性よく微小な電極対を形成することができなかった。

これに対し、基板上に金属。

絶縁体、金属を順に積層し、その端面を出して電極に用
いる方法では、緻密な絶縁性薄膜を用いることにより、
電極間隔を極めて狭めることが可能であるが、大面積の
電極を作製できないため、ｆｌＥ流値が小さい、薄膜の
端面を利用するため、バンド電極以外の任意の形状を有
する電極が得られない欠点があった。

さらに、この微細電極で電気化学測定用電極セルやセン
サなどの電気化学素子を構成するためには、該微細電極
以外に参照電極や対向電極を別に必要とし、測定セル全
体ではサイズが増加するため、微小領域における電気化
学反応の測定ができない１作用電極である微細電極と外
部においた参照電極または対向電極の間の距離が増加す
るため。

固体電解質等高抵抗な系の測定ではシャープな応答が得
られにくい欠点があった。

本発明の目的は、これらのすべての従来の問題点を解決
し、従来の修飾電極セルより優れた電気化学測定を行う
ことができる微小電極セルおよびその製造方法を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

発明者は上記現状を改良するため、電極セル内に複数の
作用電極を配し少なくとも１つの作用電極を触媒作用ま
たは酸化還元作用のある物質で修飾し、触媒作用または
酸化還元作用の結果生じた活性物質を他の作用電極で検
知すれば、高速で高感度な測定ができることを見い出し
た。これをさらに高速、高感度化するためには、修飾さ
れた電極と検知するための電極の間隔を極めて短いもの
にする必要がある。そのため、複数の作用電極をフォト
リソグラフィ技術を用いて作製し、それらを絶縁層を介
した立体的段差による微小間隔により互いに分離すれば
その間隔を再現性よく制御できることを見い出した。

本発明の電気化学測定用電極セルを概説すれば、物質検
出用の作用電極を少なくとも有する電気化学測定用電極
セルにおいて、表面あるいは全体が絶縁性である基板上
に形成された複数のパターン状薄膜電極を有し、これら
の各電極表面はその一部あるいは全面が露出しており、
かつ、これらの電極のうちの少なくとも２個の電極を作
用電極となし、該少なくとも２個の作用電極が平面的微
小間隙を隔てて、あるいは該基板上で絶縁層を介して積
層されて微小段差間隙を隔てて互いの露出部が分離され
ており、かつ、該作用電極の少なくとも１個が触媒作用
または酸化還元作用のある物質で修飾されていることを
特徴としている。

また、該電気化学測定用電極セルの製造方法は、表面あ
るいは全体が絶縁性である基板上に所望のパターン形状
を有する単数あるいは互いに平面的間隙で分離された複
数の、金属、半金属または半導体の少なくとも１つで構
成された下部導電性薄膜を形成する工程と、該下部導電
性薄膜を絶縁性膜で被覆する工程と、上記絶縁膜上に所
望のパターン形状を有する単数あるいは互いに平面的間
隙で分離された複数の、金属、半金珂または半導体の少
なくとも１つで構成された上部導電性薄膜を形成する工
程と、該上部導電性薄膜パターンをマスクにして上記絶
縁膜を下部導電性薄膜が現われるまでエツチングして露
出する工程と、上記下部導電性薄膜あるいは上記上部導
電性薄膜のうちの少なくとも１つを触媒作用または酸化
還元作用のある物質で修飾する工程と、を少なくとも含
むことを特徴としている。

表面あるいは全体が絶縁性の基板としては１例えば、酸
化膜付きシリコン基板、石英板、酸化アルミニウム基板
、ガラス基板、プラスチック基板などを挙げることがで
きる。電極用の金属としては、金、白金、銀、クロム、
チタン、ステンレスなどを挙げることができる。電極用
の半導体としては、Ｐおよびｎ型シリコン、ｐおよびｎ
型ゲルマニウム、硫化カドミウム、二酸化チタン、酸化
亜鉛、ガリウムリン、ガリウム砒素、インジウムリン、
カドミウムセレン、カドミウムテルル、二硫化モリブデ
ン、セレン化タングステン、二酸化銅、酸化スズ、酸化
インジウム、インジウムスズ酸化物などを挙げることが
できる。半金属としては、導電性カーボンを挙げること
ができる。参照電極上の参照物質としては、銀、塩化銀
、ポリビニルフェロセン等を挙げることができる。絶縁
膜としては酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコ
ン、シリコン樹脂、ポリイミドおよびその誘導体、エポ
キシ樹脂、高分子熱硬化物などを挙げることができる。

また、微小電極を作製する際には、基板上にレジストを
塗布し、そこに電極のパターンを有する画像マスクを重
ね、あるいは電子線などを用いて直接パターンを露光し
、現像してパターンを基板上のレジストに転写した後、
スパッタ、蒸着、ＣＶＤ、塗布法により金属、半導体、
または半金属薄膜を形成し、その後レジストを剥離する
と基板上に４電極からなる微ＪＩＩｌ電気化学セルを得
るリフトオフ法や、基板上にスパッタ、蒸着、ＣＶＤ、
塗布法により金属、半導体、または半金属薄膜を形成し
、その上にレジストを塗布し、電極のパターンを有する
画像マスクを重ね、あるいは電子線などを用いて直接パ
ターンを露光し、現像してパターンをレジストに転写し
た後、これをマスクとして下地の金属、半導体、または
半金属をエツチングすることにより基板上に４電極から
なる微細電気化学セルを得るエツチング法などを用いる
ことができる。

参照電極を作製するには、該電気化学セルで作用電極以
外の電極のうち１本の電極上に参照物質となる金属、有
機酸化還元性高分子をメツキ、電解重合法により、形成
して作製する。

作用電極の少なくとも１つを触媒作用または酸化還元作
用のある物質で覆う方法として、該物質にビニル基など
の電解重合を起こす官能基を導入し、これをテトラエチ
ルバークロレートなどの支持電解質と共にアセトニトリ
ルなどの適当な溶媒に溶解し、これに該電極セルおよび
白金などの対向電極を浸漬したのち、該作用電極に電圧
を印加することにより電極上に電解重合させる方法が挙
げられる。また、触媒作用または酸化還元作用のある物
質をピロールなどの電解重合性物質に混合し、これを電
解重合させることにより複合重合膜として電極上に析出
させる方法も挙げることができる。

〔実施例〕

以下に図面を参照して本発明を実施例により詳細に説明
する。

実施例　１ まず、第１図（Ａ）に示すように、１−の酸化膜２付き
シリコンウェハ１（大阪チタニウム社製）を、スパッタ
装置（アネルバＨ：　５ＰＦ−３３２Ｈ）内の所定の位
置に取付け、接着層としてのクロム膜（図示省略）、白
金膜３（第１図（Ｂ））、二酸化シリコン膜４（第１図
（Ｃ））を順次スパッタデポジションさせた。デポジシ
ョン条件は、圧力１０〜２Ｔｏｒｒ、アルゴン雰囲気で
クロムのとき、ＳＯＷ、１０秒、白金のとき、５０Ｗ、
６０秒、二酸化シリコンのとき、１００Ｗ、１０分で、
　１１００ｎの白金膜３と１１００ｎの二酸化シリコン
膜４を得た６次に、該基板上に、フォトレジスト（シラ
プレー社＊ＡＺ１４００−２７）　　（図示せず）を１
−の厚みに塗布した。

このレジスト塗布シリコンウェハをオーブン中に入れ、
８０℃、３０分の条件でベークした。その後。

クロムマスクを用いて、マスクアライナ（キャノン製Ｐ
ＬＦ−５０１）により２０秒間密着露光した。露光した
シリコンウェハをレジスト現像液（シラプレー社製、Ａ
Ｚデベロパ）中で、２０℃、１２０秒間現像を行い、水
洗、乾燥してマスクパターンをレジストに転写した（図
示せず）。

このレジストパターン付き基板をスパッタ装置（アネル
バ製：　５ＰＦ−３３２）１）内の所定位置に取り付け
、接着層としてのクロム膜（図示せず）、および白金膜
５．６のスパッタデポジションを順次行ったー圧力１０
””Ｔｏｒｒ、アルゴン雰囲気で、クロム１０秒、白金
１分間スパッタを行い、全体で１００ｎｏ＋の膜厚とし
た。その後、基板をメチルエチルケトン中に浸漬して超
音波処理を行い、電極形成部分以外のレジストを剥離し
て電極パターンを得た（第１図（Ｄ））。

次に、スピンオングラス（東京応化製ＯＣＤ　Ｔｙｐｅ
−７）を用い、該基板上にスピンコード法によりスピン
オングラス膜７を塗布した後、４５０℃で熱硬化しく第
１図（Ｅ））、再び、レジストを基板上へ塗布し、８０
℃、３０分ベーキングを行った後、マスクを用いて露光
、現像し、作用電極部分、参照電極先端部分、対向電極
を残して、レジスト膜８で覆った（第１図（Ｆ））。次
に、該レジストをマスクにしてスピンオングラス膜７を
ＣＦ４ガスによりエツチングしくアネルバ製ＯＥＭ−４
５１を使用）、上部電極部分（５，６）を露出させた。

さらに、エツチングを継続することにより、上部電極に
覆われていない部分の二酸化シリコン膜４を掘削し、下
部作用電極３を露出させた（第１図（Ｇ））。

なお、作用電極としては、上部電極と下部電極の双方を
少なくとも１つずつ用い、いずれか一方を後で述べるよ
うに、触媒作用または酸化還元作用のある物質で修飾す
る。残りの電極のうち、少なくとも１個を参照電極、対
向電極として用いることができる。第１図の断面図では
、電極が３つしか図示されていないが、第２図の斜視図
により本実施例の電極セルの構図が明らかになるであろ
う。

次に、該基板の参照電極とすべき電極のみにリード線を
接続して６０℃に加熱した銀メツキ液に浸漬し、参照電
極部分のみに電流密度１ｍＡ、１０秒間通電して、銀メ
ツキを行い、参照電極上へ銀を析出させた。その後、上
部作用電極の一方のみにリード線を接続し、該作用電極
上に触媒作用または酸化還元作用のある物質を形成する
ために、グルコースオキシターゼとピロールの水溶液に
浸漬し、電解重合することによりグルコースオキシター
ゼを包括したピロール重合膜を上部作用電極上に析出さ
せた。作製した電極は１段違いにかみ合ったくし形をし
ており、くしの幅３．５ｐ、くしとくしの間隔２．０．
、くしの長さ１ｍｍ、＜Ｌの数１００本（第２図では、
簡単のため２本のみ図示）ずつ、上部と下部の電極間隔
１００ｎ＋＊とした。第２図に作製した段差修飾電極を
持つ電気化学測定用セルの模式図を示す０図において、
２１はシリコン基板、２２はシリコン酸化膜、２３は絶
縁膜（スピンオングラス膜）、２４は上部作用電極、２
５は下部作用電極、２６は参照電極、２７は対向電極、
２８は修飾された上部作用電極である。なお、この図に
は示されていないが、上部作用電極２４．２８と下部作
用電極２５との間は図示しない絶縁膜（第１図の４）に
より絶縁されている。なお、下部作用電極を修飾し、上
部作用電極を修飾しない構成としてもよい。

このような構成の電極セルを用いて電気化学測定の例に
ついて説明する。グルコースを種々の濃度で溶解したリ
ン酸緩衝液（０，１ｍｏｌ／　Ｑ　、　ｐＨ６，８）を
該電極に滴下し、修飾されていない作用電極（本実施例
では下部電極）、参照電極、対向電極のパッドをそれぞ
れポテンシオスタットにリード線を介して接続した０次
に、修飾した上部作用電極に０．６ｖ、修飾しない下部
作用電極に一〇、６ｖの電位を印加したところ上部作用
電極ではグルコースオキシターゼの作用により生成した
過酸化水素の酸化電流が、下部作用電極では上部作用電
極での生成物を還元する電流が観測された。電流は、電
圧印加後０．１秒以内に安定し、電流量は、グルコース
１ｍ＋ｍｏｌ／Ｑ当たり５０ｍＡであった。酵素で修飾
された電極を用いた場合、電流量はグルコース１ｍｍｏ
ｌ／Ｑ当たり５００ｎＡであり、修飾されていない電極
を用いることと２つの作用電極間での過酸化水素のター
ンオーバにより感度が向上した。

また、サンプル溶液１ｍＱ以下で十分に測定を行うこと
ができ、フラクトースなどの不純物を多量に含むグルコ
ース溶液においても、不純物に影響されることなくグル
コースを選択的に検出できた。

実施例　２ １−の酸化膜付きシリコンウェハ（大阪チタニウム社製
）上にフォトレジスト（シラプレー社製ＡＺ１４００−
２７）を１−の厚みに全売した。このレジスト塗布シリ
コンウェハをオーブン中に入れ、８０℃、３０分の条件
でベークした。その後、クロムマスクを用いて、マスク
アライナ（キャノン製）により２０秒間密着露光した。

露光したシリコンウェハはレジスト現像液（シラプレー
社製、ＡＸデベロパ）中で、２０℃、１２０秒間現像を
行い、水洗、乾燥してマスクパターンをレジストに転写
した。

このレジストパターン付き基板を真空蒸着装置（日本電
子製）内の所定位置に取り付け、抵抗線加熱蒸着法によ
りクロム、および金を順次蒸着させた。クロムは５秒間
、金は３分間、圧力１Ｏ−６Ｔ　ｏｒｒ下で蒸着し、全
体で１５０ｎｍの膜厚になるように蒸着を行った。その
後、基板をメチルエチルケトン中に浸漬して超音波処理
を行い、電極形成部分以外のレジストを剥離して下部電
極パターンを得た。

次に、該基板をスパッタ装置（アネルバ製：ＳＰＦ−３
３２８）内の所定の位置に取付け、二酸化シリコンをス
パッタし２００ｎｍ厚の薄膜を形成した１作製条件は、
アルゴンガス圧力１０−”　Ｔ　ｏｒｒ、パワー１００
Ｗ、で１５分間とした。その後、フォトレジスト（シラ
プレー社製ＡＺ１４００−２７）をＩＩ！ｍの厚みに塗
布し、オーブン中にいれ８０℃、３０分の条件でベーク
した。続いて、クロムマスクを用いて、マスクアライナ
（キャノン製）により２０秒間密着露光した。露光した
シリコンウェハはレジスト現像液（シラプレー社製、Ａ
Ｚデベロパ）中で、２０℃、１２０秒間現像を行い、水
洗、乾燥してマスクパターンをレジストに転写した。

再び、金を１５０ｎｍ蒸着し、メチルエチルケトンでリ
フトオフすることにより金電極パターンを作製した。該
金電極パターンをマスクにして激化シリコンをＣＦ、ガ
スによりエツチングしくアネルバ製ＯＥＭ−４５１を使
用）、下部作用電極部分、参照電極先端部分、対向電極
を露出させた。

その後、スピンオングラス（東京応化層０ＣＤＴｙｐｅ
−７）を用い、該基板上にスピンコード法により塗布し
た後、４５０℃で熱硬化し、再び、レジストの基板上へ
の塗布、８０℃、３０分ベーキングを行った後、マスク
を用いて露光、現像し、くし形電極部分、参照電極先端
部分、対向電極を残して、レジストで覆った。次に、該
レジストをマスクにしてスピンオングラスをＣＦ４ガス
によりエツチング（アネルバＩｌＯＥＭ−４５１を使用
）シ５作用電極部分、参照電極先端部分、対向電極を露
出させた。

さらに、参照電極部分のみに実施例１と同一条件で、銀
メツキを行い、参照電極上へ銀を析出させた。

次に１作用電極の一方のみにリード線を接続し、グルコ
ースオキシターゼとピロールの水溶液に浸漬し、電解重
合することによりグルコースオキシターゼを包括したビ
ロール重合膜を電極上に析出させた。

グルコースを種々の濃度で溶解したリン酸緩衝液（０，
１ｍｏｌ／　Ｑ　、ｐＨ６，８）に該電極セルを浸漬し
、修飾されていない作用電極、参照電極、対極のパッド
をそれぞれポテンシオスタットにリード線を介して接続
し、作用電極に０，６Ｖの電位を印加したところグルコ
ースの濃度に応じて電流がｗ４潤された。電流量は、グ
ルコース１ｍ＋ｍｏｌ／Ｒ当たり１２ｍＡであった。酵
素で修飾された電極を用いた場合、電流量はグルコース
１＋＋ｖ＋ｏｌ／Ｑ当たり６００ｎＡであり、修飾され
ていない電極を用いることにより感度が向上した。

なお１本実施例により作製した電極セルの構造を第３図
に示す０図において、３１はシリコン基板、３２はシリ
コン酸化膜、３３は絶縁膜（スピンオングラス膜）、３
４は下部作用電極、３５は参照電極、３６は対向電極、
３７は修飾された上部作用電極である。本図においても
、下部作用電極３４と上部作用電極３７とは図示しない
絶縁膜（第１図の４）により絶縁されている。

実施例　３ 本実施例は、電極間の平面的間隙を微小にする実施例で
ある。第２図にその構造を示す。厚み０．５１の石英基
板上に実施例１と同様の方法で下部電極パターンを作製
し、二酸化シリコンをスパッタにより堆積したのち、電
子線レジスト（φ−ＭＡＣ，ダイキン工業社製）を０．
５．の厚みに塗布した。このレジスト塗布石英基板をオ
ーブン中に入れ、１８０℃、６０分の条件でベータした
。その後、電子線露光装置！（日本電子：　ＪＳＭ−８
４０）に入れ、電子線の加速電圧：５ｋＶ、露光量＝５
μＣ／ａｔの条件で上部電極部分のみを露光した。電子
線露光後、専用現像液により現像、洗浄したレジストパ
ターン付き基板は、実施例１と同様な方法で順次クロム
、白金のスパッタを行った後、レジストを剥離除去した
。この基板にフォトレジスト（シラプレー社１１ＡＺ１
４００−２７）を１−の厚みに塗布し、８０℃、３０分
、ベーク後、フォトマスクを位置合わせを行ってレジス
ト付き基板に密着させ、リードおよび参照電極および対
向電極およびパッドのパターンを実施例２と同一条件で
露光後、現像、クリーニング、クロム、白金のスパッタ
デポジション、レジストの剥離を行い、電極セルパター
ンを形成した０作製した電極は、段違いにかみ合ったく
し形をしており、くしの嘴３．５．、くしの長さ１■、
くしの数１００本ずつ、上部と下部の電極間隔１００ｎ
＋ｓとした。

電極セルパターンを形成した基板は実施例１と同様な方
法で参照電極上への銀メツキ、４本の電極、パッド部分
以外へのスピンオングラス絶縁膜作製を行って、微小電
気化学測定用電極セルを得た。次に、くし形電極の一方
のみにリード線を接続し、グルコースオキシターゼとビ
ロールの水溶液に浸漬し、電解重合することによりグル
コースオキシターゼを包括したピロール重合膜をくし形
電極上に析出させた。

次に、該くし形電極をリン酸緩衝液（０，１ｍｍｏｌ／
Ｑ、ＰＨ６，８）をキャリアとするフローセルに組み込
み、濃度１０ｍｎ＋ｏｌ／　Ｑのグルコース試料１ｍｌ
を流速０．８ｍ　ｌ　／＋＊ｉｎのもとで注入し、出力
電流を記録した。その結果、該くし形電極は直ちに応答
し、５０ｍ５ｅｃでピークに達し、１００ｍ５ｅｃで元
のベースラインに戻った。

実施例　４ 実施例１と同様の方法で段差電極を作製した後、一方の
くし形電極をリード線を介してポテンシオスタット装置
に接続した。コバルトテトラ（アミノフェニル）ポルフ
ィリン、およびテトラエチルアンモニウムバークロレー
トがそれぞれ１ｍｍｏｌ／Ｑ　、　０．１ｍｏｌ／　ｎ
の濃度で溶解したアセトニトリル溶液に該くし形電極を
浸漬し、電位１．ＩＶで１分間電解重合した。

次に、上述の方法で得られたくし形電極の一方がコバル
トテトラ（アミノフェニル）ポルフィリンで修飾された
セルを５０鳳ｍｏｌ／Ｑの硫酸水溶液に浸漬し、酸素ガ
スを吹き込んだ、修飾された電極の電位を一〇、２ｖ、
もう一方の電極の電位を０．６Ｖに設定したところ、修
飾された電極では還元されたポルフィリンの触媒作用に
よる酸素の還元、もう一方の電極では還元された酸素の
生成物である過酸化水素の酸化による電流がａ測された
。修飾された電極の電流のもう一方の電極の電流に対す
る割合（捕捉率）は、９９％であった。さらに、修飾さ
れた電極の電位を０．２ｖにしたところ、どちらの電極
も電流が流れなくなった。

また、ポルフィリンで修飾していないセルを用いた場合
、酸素の還元のためには、電極電位を一〇、７ｖまで下
げなくてはならなかった。

実施例　５〜７ 実施例１と同様な方法で、上部電極と下部電極の間の二
酸化シリコンの膜厚を２００ｎｍ　（実施例５）、　３
００ｎ＋ａ　（実施例６　）　、５００ｎｍ　（実施例
７）とした段差微小電極セルを作製した。これらの電極
に、実施例４の方法でポルフィリン膜を付けた。これら
の電極セルを用いて実施例４と同様な方法で測定した過
酸化水素の捕捉率と微小くし形電極サイズの関係を表１
に示す。

表１　段差修飾電極の段差膜厚と捕捉率の関係（５０ｍ
ｒｘｏｌ／　Ｑの硫酸水溶液に酸素を吹き込んで測定） 実施例　　ギャップ（ｎｍ）　　　捕捉率（％）いずれ
のセルも、修飾した電極の電位を変化させることにより
過酸化水素の発生をコントロールすることができた。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明が上記
実施例に限定されることがないことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の段差修飾電極を有する電
気化学測定用微小電極セルは、リングラフィ技術を用い
て作製するため、任意のサイズ、くし形等の形状、電極
間距離の作用電極、参照電極、対向電極を持つ測定セル
を安価で多量に得ることができる。

また、従来の修飾電極のように目的物質検出用物質で被
覆された作用電極が１個の電極セルと異なり、触媒作用
または酸化還元作用のある物質で修飾された作用電極と
修飾されない作用電極とを使用して、触媒作用または酸
化還元作用の結果生じた活性物質を一方の電極で検知す
る構成なので、高感度で、応答速度が速い、さらに、生
成物を極めて微小な段差で隔てられた２つの電極間でタ
ーンオーバさせるため、さらに感度が向上する。

さらに、電極を修飾する材料を選ぶことにより、特定の
物質のみに応答するようにしたり、応答電位を変化させ
、妨害物質の応答電位と異なる電位で検出するようにで
きる。しかも、修飾電極の電位を変化させることにより
、電気化学反応をスイッチングすることができる。

加えて、Ｉｌ量の試料、固体や高粘度溶液中、微小領域
の測定に利用することができ、電気化学測定やセンサ素
子として極めて顕著な効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の段差修飾電極の作製方法を示す工程
断面図、第２図、第３図はそれぞれ段差修飾電極の模式
図である。 １・・・シリコン基板 ２・・・シリコン酸化膜 ３・・・下部電極 ４・・・絶縁膜（二酸化シリコン膜） ５．６・・・上部電極 ７・・・・・・絶縁膜（スピンオングラス膜）８・・・
フォトレジスト膜 ２１・・・シリコン基板 ２２・・・シリコン酸化膜 ２３・・・絶縁膜（スピンオングラス膜）２４・・・上
部作用電極 ２５・・・下部作用電極 ２６・・・参照電極 ２７・・・対向電極 ２８・・・修飾された上部作用電極 ３１・・・シリコン基板 ３２・・・シリコン酸化膜 ３３・・・絶、ＩＩｗ！Ａ（スピンオングラス膜）３４
・・・下部作用電極 ３５・・・参照電極 ３６・・・対向電極 ３７・・・修飾された上部作用電極 特許出願人　日本電信電話株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、物質検出用の作用電極を少なくとも有する電気化学
   測定用電極セルにおいて、表面あるいは全体が絶縁性で
   ある基板上に形成された複数のパターン状薄膜電極を有
   し、これらの各電極表面はその一部あるいは全面が露出
   しており、かつ、これらの電極のうちの少なくとも２個
   の電極を作用電極となし、該少なくとも２個の作用電極
   が平面的微小間隙を隔てて、あるいは該基板上で絶縁層
   を介して積層されて微小段差間隙を隔てて互いの露出部
   が分離されており、かつ、該作用電極の少なくとも１個
   が触媒作用または酸化還元作用のある物質で修飾されて
   いることを特徴とする電気化学測定用電極セル。 ２、同一平面上に形成された上記パターン状薄膜電極お
   よび／または上記積層された上記パターン状薄膜電極が
   微小な平面的間隙により分離されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の電気化学測定用電極セル
   。 ３、同一平面上に形成された上記パターン状薄膜電極お
   よび／または上記積層された上記パターン状薄膜電極の
   うち少なくとも１つを参照電極および／または対向電極
   として用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の電気化学測定用電極セル。 ４、表面あるいは全体が絶縁性である基板上に所望のパ
   ターン形状を有する単数あるいは互いに平面的間隙で分
   離された複数の、金属、半金属または半導体の少なくと
   も１つで構成された下部導電性薄膜を形成する工程と、
   該下部導電性薄膜を絶縁性膜で被覆する工程と、上記絶
   縁膜上に所望のパターン形状を有する単数あるいは互い
   に平面的間隙で分離された複数の、金属、半金属または
   半導体の少なくとも１つで構成された上部導電性薄膜を
   形成する工程と、該上部導電性薄膜パターンをマスクに
   して上記絶縁膜を下部導電性薄膜が現われるまでエッチ
   ングして露出する工程と、上記下部導電性薄膜あるいは
   上記上部導電性薄膜のうちの少なくとも１つを触媒作用
   または酸化還元作用のある物質で修飾する工程と、を少
   なくとも含むことを特徴とする電気化学測定用電極セル
   の製造方法。