JPH0259655A - Small-sized microorganism electrode and production thereof - Google Patents

Small-sized microorganism electrode and production thereof

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Publication number
JPH0259655A
JPH0259655A JP63211107A JP21110788A JPH0259655A JP H0259655 A JPH0259655 A JP H0259655A JP 63211107 A JP63211107 A JP 63211107A JP 21110788 A JP21110788 A JP 21110788A JP H0259655 A JPH0259655 A JP H0259655A
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JP
Japan
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electrode
microorganism
small
substrate
hole
Prior art date
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Application number
JP63211107A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Suzuki
博章 鈴木
Fumio Takei
文雄 武井
Akio Sugama
明夫 菅間
Naomi Kojima
小嶋 尚美
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
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Publication of JPH0259655A publication Critical patent/JPH0259655A/en
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  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

PURPOSE:To prevent the leakage of microorganisms by fixing the microorganisms together with an electrolyte to the gel in the outside part of the gas permeable electrode of an oxygen electrode and in the gas permeable film of the small-sized microorganism electrode. CONSTITUTION:A silicon substrate 1 formed by anisotropic etching is coated with a silicon oxide film 2 as an insulating film over the entire surface of the trapezoidal hole thereof and further the rear surface is coated with a hydrophobic insulating film 7. Two pieces of gold electrodes 3A, 3B are deposited in the hole of the substrate 1 and an electrolyte-contg. gel 6 is filled therein. Further, the upper part of the substrate 1 is coated with the gas permeable film 14 of the oxygen electrode in the form of covering the entire surface of the upper part. There is a microorganism immobilized layer film 8 thereon and the film is coated with a gas permeable film 15.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 小型微生物電極に関し、小型かつ低価格で大量生産可能
な小型微生物電極を提供することを目的とし、台形状溝
部(穴)を有する半導体基板と、該基板上に、絶縁膜を
介して形成され、液穴の底部から該基板の表面に至る2
本の電極と、該穴の内部に充填された電解液を含有する
多孔質を旦体と、 液穴を被覆閉塞し該電解液を含有する多孔質担体を覆う
ガス透過性膜とを有してなる酸素電極と、該酸素電極の
感応部上に形成された、電解液及び微生物を含有する多
孔質担体よりなる微生物固定膜と、 該微生物固定膜を被覆する第2のガス透過性膜とを有し
て小型微生物電極を構成する。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] Regarding small microbial electrodes, the purpose of the present invention is to provide a small microbial electrode that is small and can be mass-produced at low cost. 2, which is formed through an insulating film and extends from the bottom of the liquid hole to the surface of the substrate.
It has a main electrode, a porous body containing an electrolytic solution filled inside the hole, and a gas permeable membrane that covers and closes the liquid hole and covers the porous carrier containing the electrolytic solution. a microorganism-immobilized membrane formed on the sensitive part of the oxygen electrode and formed of a porous carrier containing an electrolyte and microorganisms; and a second gas-permeable membrane covering the microorganism-immobilized membrane. constitute a small microbial electrode.

〔産業上の利用分野〕 本発明は小型二酸化炭素電極に関し、特に小型かつ低価
格で大量生産可能な二酸化炭素電極およびその製造方法
に関する。本発明の二酸化炭素センサは、アンベロメト
リンクに二酸化炭素を計測でき、しかも微小化・大量生
産が容易であると言う点で画期的であり、医療、環境、
醗酵工業プロセスをはじめとする数多くの計測分野にお
いて有利に使用することができる。本発明のセンサ、す
なわち、微生物電極において用いることのできる微生物
は、二酸化炭素を資化することが可能な微生物、好まし
くはシュードモナス属に属する菌体である。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a small carbon dioxide electrode, and more particularly to a small carbon dioxide electrode that can be mass-produced at low cost, and a method for manufacturing the same. The carbon dioxide sensor of the present invention is revolutionary in that it can measure carbon dioxide in an amberometrin link and is easy to miniaturize and mass produce.
It can be advantageously used in many metrology fields including fermentation industrial processes. The microorganism that can be used in the sensor of the present invention, that is, the microorganism electrode, is a microorganism that can assimilate carbon dioxide, preferably a microorganism belonging to the genus Pseudomonas.

〔従来の技術] 計測の分野において、二酸化炭素の計測が重要であるこ
とは、周知の通りである。従来、二酸化炭素計測用のセ
ンサとしては、特に体液(血液)中の二酸化炭素成分の
測定を目的として、ボテンシオメトリーに基づく二酸化
炭素電極が開発され、そして実際に用いられている(こ
のタイプの一酸化炭素電極についての詳細は、例えば、
J、W。
[Prior Art] It is well known that in the field of measurement, measurement of carbon dioxide is important. Conventionally, carbon dioxide electrodes based on botensiometry have been developed and actually used as sensors for measuring carbon dioxide, especially for the purpose of measuring carbon dioxide components in body fluids (blood). For more information about carbon monoxide electrodes, see e.g.
J.W.

SeveringhausおよびA、 F、 Brad
ley SJ、八pplPhysio1.,13,51
5 (1958)を参照されたい)。
Severinghaus and A. F. Brad
ley SJ, 8pplPhysio1. ,13,51
5 (1958)).

しかし、このボテンシッメトリンクな方式の二酸化炭素
電極は、その構成に起因して、測定に際して発生するい
ろいろな問題点を有する。例えば、この方式では、夾雑
物質の影響をうけやすい、感度がネルンストの弐により
左右されるためにあるレベル以上の感度の向上をはかる
ことができない、などの問題点がある。
However, this potentiometric carbon dioxide electrode has various problems that occur during measurement due to its configuration. For example, this method has problems such as being susceptible to the influence of contaminants and being unable to improve sensitivity beyond a certain level because sensitivity is affected by Nernst's second.

この点を解決するために、本発明者らは、独立栄養細菌
をクラーク型酸素電極のカソード近傍に固定した構造を
有するアンペロメトリックな二酸化炭素電極を開発した
(特開昭62−80549号)。
In order to solve this problem, the present inventors developed an amperometric carbon dioxide electrode having a structure in which autotrophic bacteria were fixed near the cathode of a Clark-type oxygen electrode (Japanese Patent Application Laid-open No. 80549/1983). .

しかし、この二酸化炭素電極はトランスデユーサとして
酸素電極を使用しているため、この酸素電極の構造上、
例えば、フォトリソグラフィーを利用した微小化、多機
能化、コストダウンなどを実現することが非常に難しか
った。
However, since this carbon dioxide electrode uses an oxygen electrode as a transducer, due to the structure of this oxygen electrode,
For example, it has been extremely difficult to achieve miniaturization, multifunctionalization, cost reduction, etc. using photolithography.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

本発明は特開昭62−80549号の原理を活かした二
酸化炭素電極を微小化するものである。 特開昭62〜
80549号に開示された原理にもとづく二酸化炭素電
極を小型化しようとする場合、まず第一に、この二酸化
炭素電極内にトランスデユーサとして使用される酸素電
極の小型化が実現されなければならない。
The present invention utilizes the principle of JP-A No. 62-80549 to miniaturize a carbon dioxide electrode. Unexamined Japanese Patent Publication 1986~
In order to miniaturize a carbon dioxide electrode based on the principles disclosed in 80549, first of all, a miniaturization of the oxygen electrode used as a transducer within this carbon dioxide electrode must be realized.

さらに構造上の問題点として、この二酸化炭素電極を、
例えば体内等で使用する場合には、いかにして微生物の
漏出をふ−Uぎ、安全な構造とするかが問題となる。
Furthermore, as a structural problem, this carbon dioxide electrode,
For example, when used inside the body, the problem is how to prevent the leakage of microorganisms and create a safe structure.

本発明の目的は、したがって、微生物の漏出をふせぎ、
安全な構造の、小型酸素電極の感応部にガス透過性膜を
介して微生物を電解液とともにゲル中に固定し、該ゲル
を第2のガス透過性119で覆った、小型かつ低価格で
大量生産可能な微生物電極およびその製造方法を提供す
ることにある。
The object of the invention is therefore to prevent the leakage of microorganisms,
Microorganisms are immobilized in a gel together with an electrolyte via a gas permeable membrane on the sensitive part of a small oxygen electrode with a safe structure, and the gel is covered with a second gas permeable layer 119, which is small, low cost, and can be produced in large quantities. An object of the present invention is to provide a microbial electrode that can be produced and a method for manufacturing the same.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は、その1つの面によれば、例えば、体液のよう
な溶液中あるいは空気中の二酸化炭素の濃度を測定する
ための計測用センサであって、酸素電極と、該酸素電極
のカソード近傍に固定されたものであって前記二酸化炭
素を選択的に資化可能な微生物と電解液を含むゲル、お
よび、これを被覆したガス透過性膜を組み合わせて含ん
でなることを特徴とする二酸化炭素計測用センサにある
According to one aspect, the present invention is a measurement sensor for measuring the concentration of carbon dioxide in a solution such as a body fluid or in the air, the sensor comprising an oxygen electrode and a cathode of the oxygen electrode. A gel containing microorganisms and an electrolyte that are fixed to the carbon dioxide and can selectively assimilate the carbon dioxide, and a gas permeable membrane covering the same. It is in the measurement sensor.

また、本発明はもう1つの面によれば、このような二酸
化炭素センサを微小化し、−括大量生産するための作製
方法および微生物の固定方法である。
Another aspect of the present invention is a manufacturing method for miniaturizing and mass-producing such a carbon dioxide sensor, and a method for immobilizing microorganisms.

二酸化炭素電極の小型化の基本となる酸素電極の小型化
については、本発明者らが特許出願した(特願昭62−
71739号)フォ[−リソグラフィーを利用した小型
酸素電極がある。この酸素電極は、シリコン基板上に異
方性エツチングにより形成した穴の上に、絶xi It
!を介して2本の電極を形成し、さらにこの穴の内部に
電解液含有体を収容し、そして最後に穴の上面をガス透
過性膜で覆った構造を有する酸素電極である。この酸素
電極は、小型で、特性のばらつきが少なく、また−括大
量生産ができるために、低コストである。
The present inventors have filed a patent application for the miniaturization of oxygen electrodes, which is the basis of miniaturization of carbon dioxide electrodes (Japanese Patent Application No. 1986-
No. 71739) There is a small oxygen electrode using photolithography. This oxygen electrode is placed over a hole formed by anisotropic etching on a silicon substrate.
! This oxygen electrode has a structure in which two electrodes are formed through the hole, an electrolyte-containing body is housed inside the hole, and finally the upper surface of the hole is covered with a gas permeable membrane. This oxygen electrode is small, has little variation in characteristics, and can be mass-produced in bulk, resulting in low cost.

上記したタイプの酸素電極において、電解液含有体は、
通常、電解液をしみこませたゲル、たとえばアガロース
ゲルであった。しかし、アガロースゲルの場合には、シ
リコン基板上の微小な多くの穴の中にマイクロピペット
で1回ずつ繰り返し注入しなければならなかった。
In the above-mentioned type of oxygen electrode, the electrolyte-containing body is
Usually it was a gel impregnated with an electrolyte, such as an agarose gel. However, in the case of agarose gel, it was necessary to repeatedly inject it into many tiny holes on a silicon substrate one by one using a micropipette.

本発明者らは、この点をさらに改良してより大量生産向
きなものとなすべく研究の結果、ポリアクリルアミドゲ
ルを用い、シリコン基板上の微小な多くの穴の中に、−
括してゲルを注入可能な方法を見出した(特願昭62−
148221号)。この小型酸素電極の製造方法は、リ
ソグラフィー技術と異方性エンチング技術とを用いて複
数個の穴を形成した後に容入に電極を形成したソリコン
基板上に、該穴の部分を除いてネガ型しジス[・を被覆
し、該基板を電解液を含んだ光重合性モノマー、好まし
くはアクリルアミドの溶液に浸漬し、それぞれの穴に該
溶液を満たした状態で紫外線を照射して硬化せしめ、電
解液を含んだ多孔質担体を穴の中に形成することを特徴
とする。この製造方法によれば、小型酸素電極を形成す
る微小な穴の中にのみ選択的に電解液を保持する多孔質
の担体を形成することができるので、より大量生産が可
能になる。
The present inventors conducted research to further improve this point and make it more suitable for mass production. Using polyacrylamide gel, -
We have discovered a method that allows gel to be injected all at once (Patent application 1982-
No. 148221). The manufacturing method of this small oxygen electrode is to form a plurality of holes using lithography technology and anisotropic etching technology, and then form a negative mold on a solicon substrate with electrodes formed in the container, except for the hole portions. The substrate is immersed in a solution of a photopolymerizable monomer, preferably acrylamide, containing an electrolytic solution, and each hole is filled with the solution and cured by irradiation with ultraviolet rays. It is characterized by forming a porous carrier containing a liquid in the holes. According to this manufacturing method, it is possible to form a porous carrier that selectively retains the electrolyte only in the minute holes that form the small oxygen electrode, thereby making mass production possible.

電極形成後の基板上に、穴の部分及び電気的コンタクト
を取る部分を除いて塗布するフォトレジストは、好まし
くはネガ型フォトレジスト、例えば東京応化製OMR−
83である。このタイプのフォトレジストは、穴の部分
のみに電解液含有多孔性物質を満たすに際して、その原
1:1となる水ン容ン夜をはじく性質を持っているので
有利である。
The photoresist to be applied onto the substrate after the electrodes are formed, except for the holes and the areas for electrical contact, is preferably a negative type photoresist, such as OMR- manufactured by Tokyo Ohka.
It is 83. This type of photoresist is advantageous because it has the property of repelling water and light at a ratio of 1:1 when only the holes are filled with an electrolyte-containing porous material.

このような小型酸素電極を利用することにより、二酸化
炭素電極の小型化は容易に実現可能となる。
By using such a small oxygen electrode, the carbon dioxide electrode can be easily miniaturized.

この本発明の方法を実施するにあたって、電極本体の基
材としては、半導体基板、特にノリコン基板を有利に使
用することができる。絶縁膜は、シリコン酸化膜、その
他から形成することができる。シリコン酸化膜は、例え
ば基板がノリコンで弗る場合に、その基板を熱酸化する
ことによって容易に形成することができる。
In implementing the method of the present invention, a semiconductor substrate, particularly a Noricon substrate, can be advantageously used as the base material of the electrode body. The insulating film can be formed from a silicon oxide film or other materials. A silicon oxide film can be easily formed by thermally oxidizing the substrate, for example, when the substrate is covered with glue.

2本の電極は、製作される電極がポーラ口型であるかガ
ルバニ型であるかに応しているいろに変更することがで
きる。ポーラ口型の酸素電極基本に二酸化炭素電極を製
造する場合には、例えば画電極とも金電極あるいは白金
電極から構成し、測定時に両電極間に電圧を印加する。
The two electrodes can vary depending on whether the electrodes being made are polar or galvanic. In the case of manufacturing a carbon dioxide electrode based on a polar mouth type oxygen electrode, for example, both the picture electrode and the electrode are composed of a gold electrode or a platinum electrode, and a voltage is applied between the two electrodes during measurement.

このような電極の形成は、例えば、真空蒸着、スパッタ
リング等の成膜法によって有利に行うことができる。
Formation of such an electrode can be advantageously performed by, for example, a film forming method such as vacuum evaporation or sputtering.

多孔性担体により保持されるべき電解室とし°ζは、塩
化カリウム、g酸ナトリウム等、いろいろなものを用い
ることができる。
As the electrolytic chamber to be held by a porous carrier, various materials such as potassium chloride, sodium chloride, etc. can be used.

電解液含有アルギン酸塩ゲルを形成する方法は、フォト
レジストを被覆した基板を電解液含有アルギン酸ナトリ
ウム水溶液中に浸漬して、前記穴の部分のみに前記水溶
液を満たしこの状態の基板を電解液含有塩化力ルンウム
水溶液中に浸漬して前記アルギン酸ナトリウム水溶液を
ゲル化して、アルギン酸カルシウムゲルを形成する方法
や、ガラスを合成する過程に用いられるゾル−ゲル法。
The method for forming an electrolyte-containing alginate gel is to immerse a substrate coated with a photoresist in an electrolyte-containing sodium alginate aqueous solution, fill only the hole portions with the aqueous solution, and then immerse the substrate in this state into an electrolyte-containing chloride gel. A method of gelling the sodium alginate aqueous solution by immersing it in an aqueous solution of sodium alginate to form a calcium alginate gel, and a sol-gel method used in the process of synthesizing glass.

例えばフォトレジストを被覆した基板をアルコキシド、
水及び電解液の混合溶液に浸漬して、前記穴の部分のみ
に前記混合溶液を充填し、前記混合溶液をゾル−ゲル法
によってゲル化し、前記電解液をゲルにより保持する方
法等により有利に実施することができる。
For example, a substrate coated with photoresist is coated with alkoxide,
It is advantageous to use a method in which the mixed solution is immersed in a mixed solution of water and an electrolytic solution, the mixed solution is filled only in the hole, the mixed solution is gelled by a sol-gel method, and the electrolytic solution is retained by the gel. It can be implemented.

なお、アルギン酸は有機高分子電解質でそのカルボン酸
5 (COOI+)は活性がたがい。またアルギン酸は
2価以上の金属(マグネシウム、水銀を除く)とは不溶
性塩を生成する。
In addition, alginic acid is an organic polymer electrolyte, and its carboxylic acid 5 (COOI+) has different activities. Furthermore, alginic acid forms insoluble salts with divalent or higher valent metals (excluding magnesium and mercury).

ガス透過性膜は、疎水性で水/8’aが通過しないこと
はもちろんであるが、初めは液体状でディンプコーティ
ングあるいはスピンコーティングが可能であり、電極材
料、シリコン基板、そして絶縁膜としてのシリコン酸化
膜との密着力が良好で電解液が外部に漏出しないことも
必須の用件である。適当なガス透過性膜材料としては、
フォトレジスト、好ましくはネガ型フォトレジストなど
を挙げることができる。テフロン(商品名)膜は、酸素
透過性であるけれども密着力を持たないので、使用を避
けなければならない。
Gas permeable membranes are hydrophobic and do not allow water/8'a to pass through, but they are initially liquid and can be dip coated or spin coated, and can be used as electrode materials, silicon substrates, and insulating films. It is also essential that the adhesion to the silicon oxide film is good and that the electrolyte does not leak outside. Suitable gas permeable membrane materials include:
Examples include photoresists, preferably negative-type photoresists. Although Teflon (trade name) membrane is permeable to oxygen, it does not have adhesive strength and should be avoided.

本発明の実施において有利に使用することのできる微生
物は、二酸化炭素を選択的に資化可能な微生物、たとえ
ばシュードモナス属、その他の属に属する菌体である。
Microorganisms that can be advantageously used in carrying out the present invention are microorganisms that can selectively assimilate carbon dioxide, such as microorganisms belonging to the genus Pseudomonas and other genera.

本発明者らは、シュードモナス属T IT/FJ−00
01菌(微工研菌寄第8473号)、未同定のTIT/
FJ−0002菌(微工研菌寄第8474号)を用いて
、特に好ましい結果を得ることができた(これらの菌の
性質については特開昭62−80549号)を参照のこ
と。) また、本発明者らは、微生物を固定するにあたっては、
特願昭62−71739号の小型酸素電極の表面に微生
物を固定するのでは、微生物が漏出しやすく安全性に問
題があるとの観点から、微生物を酸素電極のガス透過性
膜の外部で、且つ、小型微生物電極のガス透過性膜内部
に、電解液とともにゲル中に固定する方法を採用した。
The present inventors have discovered that Pseudomonas sp. T IT/FJ-00
01 bacteria (Feikoken Bacteria No. 8473), unidentified TIT/
Particularly favorable results were obtained using the FJ-0002 bacterium (Feikoken Bacteria No. 8474) (for the properties of these bacteria, see JP-A-62-80549). ) In addition, the present inventors, in immobilizing microorganisms,
From the viewpoint that fixing microorganisms on the surface of the small oxygen electrode disclosed in Japanese Patent Application No. 62-71739 poses a safety problem because the microorganisms are likely to leak out, the microorganisms are fixed outside the gas-permeable membrane of the oxygen electrode. In addition, a method was adopted in which the microbial electrode was immobilized in a gel together with an electrolytic solution inside the gas-permeable membrane of the small microbial electrode.

〔作用〕[Effect]

本発明の作用の理解を容易ならしめるため、添付の第1
図を参照しながら本発明の小型二酸化炭素電極の原理を
説明する。
In order to facilitate understanding of the operation of the present invention, the attached
The principle of the small carbon dioxide electrode of the present invention will be explained with reference to the drawings.

溶液中あるいは空気中の二酸化炭素および酸素は、図示
される通り、ガス透過性膜15を通過した後、固定化微
生物8の近傍に到達する。微生物8は二酸化炭素を責化
し、この際呼吸活性が盛んになり酸素が消費される。し
たがって、酸素電極のガス透過性膜14を通過しカソー
ド3Aに到達する酸素濃度が低下する。この酸素濃度の
変化量を電気化学的な酸素の還元電流の変化として捉え
ることができれば、結果としてひきおこされる電流値の
低下をベースにして二酸化炭素濃度を測定することがで
きる。従来、二酸化炭素濃度はアンペロメトリックに測
定するのが難しかったが、本発明では、酸素電極をトラ
ンスデユーサとして用いることにより、このようなアン
ペロメトリックな二酸化炭素の定量が可能になった。ま
た一方では、半導体集積回路の形成に使用されているリ
ソグラフィー技術と薄膜形成技術とを用いて、二酸化炭
素電極中のトランスデユーサである酸素電極・を小型化
することにより、二酸化炭素電極の微小化および一括大
量生産を可能にした。
As shown in the figure, carbon dioxide and oxygen in the solution or in the air reach the vicinity of the immobilized microorganisms 8 after passing through the gas permeable membrane 15. The microorganisms 8 absorb carbon dioxide, and at this time, respiratory activity becomes active and oxygen is consumed. Therefore, the concentration of oxygen that passes through the gas permeable membrane 14 of the oxygen electrode and reaches the cathode 3A decreases. If this amount of change in oxygen concentration can be interpreted as a change in the electrochemical oxygen reduction current, the carbon dioxide concentration can be measured based on the resulting decrease in current value. Conventionally, it has been difficult to measure carbon dioxide concentration amperometrically, but in the present invention, by using an oxygen electrode as a transducer, it has become possible to quantify carbon dioxide amperometrically. On the other hand, by miniaturizing the oxygen electrode, which is the transducer in the carbon dioxide electrode, by using lithography technology and thin film formation technology that are used in the formation of semiconductor integrated circuits, we have succeeded in making the carbon dioxide electrode microscopic. This made it possible to integrate and mass produce at once.

〔実施例〕〔Example〕

本発明による小型二酸化炭素電極の製法の好ましい一例
を添付の図面を参照しながら説明する。
A preferred example of the method for manufacturing a small carbon dioxide electrode according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第2図は、本発明による小型二酸化炭素電極の好ましい
一例を示した斜視図である。図示の二酸化炭素電極は直
方体の形状を有していて、感応部がガス透過性膜15で
覆われるとともに、付属のデバイスに接続するため、電
極3A、3Bの一部が露出している。電極3A、3Bは
、本例の場合、ポーラ口型とするために画電極とも金電
極で構成した。
FIG. 2 is a perspective view showing a preferred example of a small carbon dioxide electrode according to the present invention. The illustrated carbon dioxide electrode has a rectangular parallelepiped shape, and the sensitive part is covered with a gas permeable membrane 15, and part of the electrodes 3A and 3B are exposed for connection to an attached device. In this example, the electrodes 3A and 3B were made of gold electrodes as well as the picture electrodes in order to have a polar mouth type.

第2図の小型二酸化炭素電極の構造は、そのIIIT線
に沿った断面図である第3図から詳しく理解できるであ
ろう。シリコン基板1は、異方性工ッチングにより形成
された台形状の穴(溝部)を有するとともに、その全面
にシリコン酸化膜2が絶縁膜として被着せしめられてい
る。さらに基板裏面は破れにくい疎水性絶縁膜7で覆わ
れている。シリコン基板1の穴には、2本の金電極3A
および3Bが対をなして被着せしめられている。金電極
3Aおよび3Bは、第2図で示したように、それぞれの
一部分が溝の外側にまで延在している。また、シリコン
基板lの穴には電解液含有ゲル6が満たされている。さ
らに、穴の上部には、基板lの上部の全面(第2図の電
極3A、3Bの一部が露出している露出部を除く)を覆
う形で、トランスデユーサとしての酸素電極のガス透過
性膜14が被覆されており、これは絶縁膜として側面お
よび裏面にも覆われている。このような酸素電極のガス
透過性膜14上には、さらに微生物固定層膜8があり、
それをさらにガス透過性膜15が覆っている。
The structure of the small carbon dioxide electrode shown in FIG. 2 can be understood in detail from FIG. 3, which is a cross-sectional view taken along line IIIT. A silicon substrate 1 has a trapezoidal hole (groove) formed by anisotropic etching, and a silicon oxide film 2 is deposited as an insulating film over the entire surface thereof. Furthermore, the back surface of the substrate is covered with a hydrophobic insulating film 7 that is hard to tear. Two gold electrodes 3A are placed in the holes of the silicon substrate 1.
and 3B are deposited in pairs. As shown in FIG. 2, a portion of each of the gold electrodes 3A and 3B extends to the outside of the groove. Further, the holes in the silicon substrate 1 are filled with an electrolyte-containing gel 6. Further, in the upper part of the hole, gas of the oxygen electrode as a transducer is placed so as to cover the entire upper surface of the substrate l (excluding the exposed part where electrodes 3A and 3B in FIG. 2 are exposed). A transparent film 14 is covered, which also covers the side and back surfaces as an insulating film. On the gas permeable membrane 14 of such an oxygen electrode, there is further a microorganism fixed layer membrane 8,
It is further covered with a gas permeable membrane 15.

第2図および第3図に示した小型二酸化炭素電極は、例
えば、第4図に順を追って示す製造プロセスで有利に製
造することができる。なお、第4図(A)に示す電極形
成後の本体は、次のような工程を経て製造することがで
きる。なお、以下の説明では、理解を容易ならしめるた
め、1枚のウェハーに1個だけ二酸化炭素電極を形成す
る場合について記載するけれども、実際には多数個の小
型二酸化炭素電極が同時に形成されるということを理解
されたい。
The miniature carbon dioxide electrodes shown in FIGS. 2 and 3 can be advantageously manufactured, for example, by the manufacturing process shown in sequence in FIG. Note that the main body after electrode formation shown in FIG. 4(A) can be manufactured through the following steps. In the following explanation, in order to make it easier to understand, we will describe the case where only one carbon dioxide electrode is formed on one wafer, but in reality, many small carbon dioxide electrodes are formed at the same time. I hope you understand that.

■、ウェハー洗浄 厚さ350μmの(100)面2インチシリコンウェハ
ーを用意し、これを過酸化水素とアンモニアの混合溶液
および濃硝酸で洗浄した。
(2) Wafer Cleaning A 2-inch (100)-sided silicon wafer with a thickness of 350 μm was prepared and cleaned with a mixed solution of hydrogen peroxide and ammonia and concentrated nitric acid.

2、SiO□膜の形成 シリコンウェハーをウェット熱酸化し、その全面に膜1
!to、8 μmのSiO□膜を形成した。
2. Formation of SiO□ film A silicon wafer is wet thermally oxidized, and a film 1 is formed on the entire surface.
! to form an 8 μm SiO□ film.

3、エツチング用パターンの形成 ネガ型フォトレジスト(東京応化型 OMR−83、粘
度60 cP)  を使用して、ウェハー上にSi0g
エツチング用レジストパターンを形成した。
3. Formation of etching pattern Using a negative photoresist (Tokyo Ohka OMR-83, viscosity 60 cP), Si0g was formed on the wafer.
A resist pattern for etching was formed.

4、レジスト塗布 ウェハーの裏面にも上記工程で使用したものと同じネガ
型フォトレジストを塗布し、 130°Cで30分間ヘークした。
4. The same negative photoresist used in the above step was applied to the back side of the resist-coated wafer and baked at 130°C for 30 minutes.

5、SiO□膜のエツチング 50%フッ化水素酸:50%フッ化アンモニウム−1:
6水ン容液にウェハーを漫tMし、フォトレジストが被
覆されていない露出部分のSiO!をエツチングにより
除去した。引き続いて硫酸/過酸化水素水(2:1)?
、a液によりレジストを除去した。
5. Etching of SiO□ film 50% hydrofluoric acid: 50% ammonium fluoride-1:
The wafer is soaked in a 6 ml water solution, and the exposed areas not covered with photoresist are coated with SiO! was removed by etching. Then sulfuric acid/hydrogen peroxide (2:1)?
, the resist was removed with a solution.

6.3iの異方性エツチング 80°Cの35%水酸化カリウム水溶液中にてシリコン
ウェハーの異方性エツチングを行った。エツチング深さ
300 μm、エツチング完了後、ウェハーを純水で洗
浄した。
6.3i Anisotropic Etching A silicon wafer was anisotropically etched in a 35% potassium hydroxide aqueous solution at 80°C. After etching was completed to a depth of 300 μm, the wafer was washed with pure water.

この異方性エツチングの完了後、エツチング時に使用し
た340g膜を除去した。これは、5と同様に50%フ
ッ化水素酸:50%フッ化アンモニウム−1:6水溶液
中で行った。
After completing this anisotropic etching, the 340 g film used during etching was removed. This was carried out in a 50% hydrofluoric acid:50% ammonium fluoride-1:6 aqueous solution as in 5.

7、SiO□膜の形成 シリコンウェハー表面にSiO□膜を成長させるため、
1.の洗浄工程に引き続いて、ウェハーをウェット熱酸
化した。膜厚0.8 μmの膜2が形成された。
7. Formation of SiO□ film To grow a SiO□ film on the silicon wafer surface,
1. Following the cleaning step, the wafer was wet thermally oxidized. A film 2 having a thickness of 0.8 μm was formed.

8、クロムおよび金薄膜の形成 りロム薄膜(400人、金と基板の密着用)に引き続き
、金薄膜(4000人)を真空蒸着により形成した。
8. Formation of Chromium and Gold Thin Films Following the ROM thin film (400 people, adhesion of gold and substrate), a gold thin film (4000 people) was formed by vacuum evaporation.

9、電極形成用レジストパターンの形成ネガ型フォトレ
ジスト(東京応化型 OMR−83、粘度60 cP)
を使用して、ウェハーのSiO□上に電極形成用レジス
トパターンを形成した。
9. Formation of resist pattern for electrode formation Negative photoresist (Tokyo Ohka OMR-83, viscosity 60 cP)
A resist pattern for electrode formation was formed on the SiO□ of the wafer.

10、金およびクロムのエツチング レジストパターンが形成された基板を以下の■■の金お
よびクロム用エツチング液にこの順に浸漬し、露出した
金およびクロムの部分をエツチングにより除去する。さ
らに、純水にて洗浄後、硫酸/過酸化水素水(2:1)
溶液によりレジストを除去した。
10. Gold and chromium etching The substrate on which the resist pattern has been formed is immersed in the following gold and chromium etching solutions in this order, and the exposed gold and chromium parts are removed by etching. Furthermore, after washing with pure water, sulfuric acid/hydrogen peroxide solution (2:1)
The resist was removed using a solution.

■金エツチング液:4gKI  および1 g Igを
40 ml の水に溶かしたもの ■クロムエンチング液: Q、5 g NaOHおよび
1g K7e(CN)aを4n+1の水に溶かしたもの
 金電極3A  3Bの形成された状態を第4図(A)
に示す。
■Gold etching solution: 4g KI and 1g Ig dissolved in 40ml water ■Chromium etching solution: Q, 5g NaOH and 1g K7e(CN)a dissolved in 4n+1 water Gold electrode 3A 3B Figure 4 (A) shows the formed state.
Shown below.

11、基板裏面に疎水性絶縁膜形成 基板裏面に疎水性絶縁膜(信越シリコーン製にR−28
2)を−様に塗布し、250℃でベーー1−ングを施し
、疎水性絶縁膜7を形成する。
11. Hydrophobic insulating film formed on the back side of the substrate Hydrophobic insulating film (R-28 manufactured by Shin-Etsu Silicone) was formed on the back side of the substrate.
2) is coated in a diagonal pattern and subjected to baking at 250° C. to form a hydrophobic insulating film 7.

12、  レジスト塗布(第4図(B))本体表面で、
穴(台形状溝部)5と、電気的コンタクトを取る露出パ
ッド部分以外のところをネガ型フォトレジスト(東京応
化製、 OMR−83、粘度60 cP) 4で被覆し
た。これは、ウェハーの表面にフォトレジストを塗布し
、ブリヘーク後に露光及び現像を行うことによって実施
した。
12. Resist coating (Fig. 4 (B)) on the main body surface,
The area other than the hole (trapezoidal groove) 5 and the exposed pad portion for making electrical contact was covered with a negative photoresist (manufactured by Tokyo Ohka, OMR-83, viscosity 60 cP) 4. This was done by applying a photoresist to the surface of the wafer, exposing and developing after brining.

13、基板の切り出し 基板上に多数形成された酸素電極(二酸化炭素電極)本
体をチンブ状に切り出した。
13. Cutting out the substrate The oxygen electrode (carbon dioxide electrode) bodies formed in large numbers on the substrate were cut out into chimney shapes.

14、穴(台形状溝部)の中を現水性にする穴(台形状
溝部)5が形成されたチップ先端部を10%水酸化ナト
リウム水溶液中に浸漬する。この結果、レジストで被わ
れていないところが親水性になった。
14. Immerse the tip end portion of the chip in which the hole (trapezoidal groove) 5 is formed to make the inside of the hole (trapezoidal groove) water-soluble in a 10% aqueous sodium hydroxide solution. As a result, the areas not covered with resist became hydrophilic.

15、アルギン酸カルシウムゲルの充填(第4図(C)
) 電解液含有ゲルの形成用として、次のような2種類の溶
液を調製した。
15. Filling with calcium alginate gel (Figure 4 (C)
) The following two types of solutions were prepared for forming electrolyte-containing gels.

A液: アルギン酸ナトリウムを0.11塩化カリウム
水溶液中に溶解したもの。
Solution A: Sodium alginate dissolved in 0.11 potassium chloride aqueous solution.

アルギン酸ナトリウム濃度0.4%。Sodium alginate concentration 0.4%.

B液: 塩化カルシウムを0.1門塩化カリウム水溶液
中に溶解したもの。
Solution B: Calcium chloride dissolved in 0.1 part potassium chloride aqueous solution.

塩化カルシウム濃度5%。Calcium chloride concentration 5%.

A液に第4図CB)のチップを漫清してゆっくり引き上
げたところ、ネガ型フォトレジスト膜4は疎水性である
ので、先のA液はレジスト膜からはしかれて穴5内にの
み残った。ついで、このチップをB液に浸漬したところ
、A液は瞬時にゲル化し、穴5内へのアルギン酸カルシ
ウムゲル6の充填が行われた。
When the chip shown in Figure 4 CB) was thoroughly cleaned in liquid A and slowly pulled up, the negative photoresist film 4 was hydrophobic, so the previous liquid A was peeled off from the resist film and only entered the hole 5. The remaining. Then, when this chip was immersed in liquid B, liquid A instantly gelled, and the calcium alginate gel 6 was filled into the holes 5.

16、ガス透過性膜の被覆(第4図(D))電解液含有
ゲル6上にそのゲルを覆うようにしてガス透過性膜14
を被覆した。本例ではガス透過性膜として、工程3等で
使用したのと同じネガ型フォトレジストを使用した。す
なわち、ネガ型フォトレジスト(東京応化製 OMR−
83(商品名)、粘度60 cP)をデイツプコーティ
ングにより塗布した。このレジスト膜は側壁および裏面
にも形成されるが、これはより絶縁性を向上させるのに
有利に作用する。
16. Covering the gas-permeable membrane (Fig. 4 (D)) The gas-permeable membrane 14 is coated on the electrolyte-containing gel 6 so as to cover the gel.
coated. In this example, the same negative photoresist as used in step 3 was used as the gas permeable film. That is, a negative photoresist (manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. OMR-
83 (trade name), viscosity 60 cP) was applied by dip coating. This resist film is also formed on the side walls and the back surface, which has an advantageous effect in further improving the insulation properties.

17、@生物固定(第4図(E)) 微生物および電解液含有ゲルの形成用として、次のよう
な2種類の溶液を調製した。
17. @Biological fixation (Figure 4 (E)) Two types of solutions were prepared as follows for forming gels containing microorganisms and electrolyte.

C液:0,4χアルギン酸ナトリウム水溶液0.5ml
中に?Wった状態のTIT/FJ−0001菌5mg 
 を溶解したもの。
Solution C: 0.5ml of 0.4χ sodium alginate aqueous solution
inside? 5 mg of TIT/FJ-0001 bacteria in wet state
Dissolved.

B液: 5χ塩化カルシウム水溶液。Solution B: 5χ aqueous calcium chloride solution.

16までの工程で完成した小型酸素電極の感応部をまず
C液中に浸漬した後に、ただちにD液中に浸漬して微生
物をアルギン酸カルシウムゲル中に固定する。
The sensitive part of the small oxygen electrode completed in steps up to step 16 is first immersed in liquid C, and then immediately immersed in liquid D to immobilize microorganisms in the calcium alginate gel.

18、ガス透過性膜形成(第4図(E))17で形成し
た微生物固定膜8上にガス通過性膜を形成した。ここで
は16と同しネガ型フォトレジスト膜をデイツプコーテ
ィングにより形成した。
18. Formation of gas-permeable membrane (FIG. 4(E)) A gas-permeable membrane was formed on the microorganism-immobilized membrane 8 formed in step 17. Here, as in No. 16, a negative photoresist film was formed by dip coating.

このレジストは、プリベークを施さずに小型酸素電極(
二酸化炭素電極)本体を純水中または飽和水蒸気中に置
いた状態で明るい所に数時間放置し、長時間かけて溶剤
のキシレンを抜くと同時に感光させた。これにより、ガ
ス透過性膜15を完成させた。
This resist can be applied to a small oxygen electrode (
The main body of the carbon dioxide electrode was placed in pure water or saturated steam and left in a bright place for several hours to remove the xylene solvent and expose it to light. Thereby, the gas permeable membrane 15 was completed.

〔発明の効果] 本発明方法によれば、夾雑物質の影響をうけやすいと云
う欠点を微生物固定膜上にガス透過性膜を形成すること
により除去すると共に、独立栄養細菌と小型酸素電極を
応用したアンペロメトリックな二酸化炭素電極の微小化
が可能になる。
[Effects of the Invention] According to the method of the present invention, the disadvantage of being easily affected by contaminants is eliminated by forming a gas permeable membrane on the microorganism immobilization membrane, and the method also eliminates the disadvantage of being susceptible to the influence of contaminants by applying autotrophic bacteria and a small oxygen electrode. This makes it possible to miniaturize amperometric carbon dioxide electrodes.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の小型二酸化炭素電極の原理図、 第2図は、本発明による小型二酸化炭素電極の好ましい
一例を示した斜視図、 第3図は、第2図の電極の線分ILIIに沿った断面図
、そして 第4図(A)〜(E)は、第2図および第3図に示した
小型二酸化炭素電極の製造プロセスを順を追って示した
工程断面図である。 図中、1は基板、2は絶縁膜、3Aおよび3Bは電極、
4はフォトレジスト膜、5は穴(台形状溝部)、6は電
解液含有ゲル、7は疎水性絶縁膜、8は微生物固定膜、
そして14.15はガス透過性膜である。 二酸化炭tセンザー然原fg!z 第 fU3 14、/j〜−−ガスfLM生順 ff  −一−ハJ定、イヒオ辰生1勿根■−g主脚 JA−一一斂紮電極一カノード
Fig. 1 is a principle diagram of the small carbon dioxide electrode of the present invention, Fig. 2 is a perspective view showing a preferred example of the small carbon dioxide electrode of the present invention, and Fig. 3 is a line segment of the electrode of Fig. 2. The sectional view along ILII and FIGS. 4(A) to 4(E) are step-by-step sectional views sequentially showing the manufacturing process of the small carbon dioxide electrode shown in FIGS. 2 and 3. In the figure, 1 is a substrate, 2 is an insulating film, 3A and 3B are electrodes,
4 is a photoresist film, 5 is a hole (trapezoidal groove), 6 is an electrolyte-containing gel, 7 is a hydrophobic insulating film, 8 is a microorganism immobilization film,
And 14.15 is a gas permeable membrane. Carbon dioxide T-sensor Zenhara FG! z th fU3 14, /j ~ ---Gas fLM raw order ff -1-ha J fixed, Ihio Tatsuo 1 Nakune ■-g Main landing gear JA-11 ligature electrode 1 canode

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)台形状溝部(穴)を有する半導体基板と、該基板
上に、絶縁膜を介して形成され、該穴の底部から該基板
の表面に至る2本の電極と、 該穴の内部に充填された電解液を含有する多孔質担体と
、 該穴を被覆閉塞し該電解液を含有する多孔質担体を覆う
ガス透過性膜とを有してなる酸素電極と、該酸素電極の
感応部上に形成された、電解液及び微生物を含有する多
孔質担体よりなる微生物固定膜と、 該微生物固定膜を被覆する第2のガス透過性膜とを有す
ることを特徴とする小型微生物電極。
(1) A semiconductor substrate having a trapezoidal groove (hole), two electrodes formed on the substrate via an insulating film and extending from the bottom of the hole to the surface of the substrate, and inside the hole. An oxygen electrode comprising a porous carrier filled with an electrolytic solution, a gas permeable membrane that covers and closes the holes and covers the porous carrier containing the electrolytic solution, and a sensitive part of the oxygen electrode. A small-sized microorganism electrode comprising: a microorganism-immobilized membrane formed on a porous carrier containing an electrolytic solution and microorganisms; and a second gas-permeable membrane covering the microorganism-immobilized membrane.
(2)上記微生物が独立栄養細菌であることを特徴とす
る請求項1記載の小型微生物電極。
(2) The small microorganism electrode according to claim 1, wherein the microorganism is an autotrophic bacterium.
(3)上記独立栄養細菌が、二酸化炭素を資化すること
が可能なシュードモナス属に属する菌体であることを特
徴とする請求項2記載の小型微生物電極。
(3) The small-sized microorganism electrode according to claim 2, wherein the autotrophic bacterium is a bacterial cell belonging to the genus Pseudomonas that can assimilate carbon dioxide.
(4)上記シュードモナス属に属する菌体が、TIT/
FJ−0001菌(微工研菌寄第8473号)、もしく
は、TIT/FJ−0002菌(微工研菌寄第8474
号)であることを特徴とする請求項3記載の小型微生物
電極。
(4) The bacterial cells belonging to the genus Pseudomonas are TIT/
FJ-0001 bacterium (FEI Bacteria No. 8473), or TIT/FJ-0002 bacterium (FEK Bacteria No. 8474)
4. The small microorganism electrode according to claim 3, wherein the microorganism electrode is a small microorganism electrode.
(5)半導体基板上に該半導体の異方性エッチングによ
り台形状溝部(穴)を形成し、該基板上に前記穴の底部
から前記基板の表面に至る2本の電極を絶縁膜を介して
形成し、該穴の内部のみに電解液を含有する多孔質担体
を充填し、該穴を被覆閉塞し該電解液を含有する多孔質
担体を覆うガス透過性膜を形成し酸素電極を形成する工
程と、該酸素電極の感応部を独立栄養細菌含有アルギン
酸金属塩水溶液中に浸漬し、引き続きアルギン酸と不溶
性の塩を形成する2価以上の金属塩水溶液に浸漬してア
ルギン酸塩をゲル化させ独立栄養細菌固定膜を形成する
工程と、該独立栄養細菌固定膜をガス透過性膜で被覆す
る工程を有することを特徴とする小型微生物電極の製造
方法。
(5) A trapezoidal groove (hole) is formed on a semiconductor substrate by anisotropic etching of the semiconductor, and two electrodes are connected on the substrate from the bottom of the hole to the surface of the substrate via an insulating film. A porous carrier containing an electrolytic solution is filled only inside the holes, and a gas permeable membrane is formed to cover and close the holes to cover the porous carrier containing the electrolytic solution to form an oxygen electrode. The sensitive part of the oxygen electrode is immersed in an aqueous alginate metal salt solution containing autotrophic bacteria, and then immersed in an aqueous solution of a divalent or higher metal salt that forms an insoluble salt with alginic acid to gel the alginate and separate it. A method for manufacturing a small microorganism electrode, comprising the steps of forming a trophic bacteria-immobilized membrane and covering the autotrophic bacteria-immobilized membrane with a gas-permeable membrane.
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