JPH10502731A - 電気化学的検出用電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電極、特には微小電極の製造方法であって、その（微小）電極は、少なくとも導電層の一部を露出させるような開口部を有する絶縁層により覆われているものであり、そして、上記開口部は、光硬化（光重合）レジスト又は光軟化（結合の光誘起性破壊）レジストを使用することによって形成されるという特徴を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 電気化学的検出用電極の製造方法 発明の属する分野 本発明は、種を検出するための電気化学的試験法に使用する電極の製造方法に 関するものである。発明の背景 電気化学的方法を使用して種を試験する必要性はかなり高い。この種には、金 属類、グルコース、生化学的種、ガス類及びその他の酸化還元種が含まれるが、 これらに制限されるものではない。これらの種の分析は、従来の大きい電極、又 は微小電極で実現できる。微小電極は、精度の向上、感度の向上、シグナル対ノ イズ比の向上、酸素などの干渉種による干渉の減少のみならず、それに加えて、 抵抗の大きい媒質中にある種を測定できるようにする可能性をもたらす。従って 、単一の微小電極の利点をすべて保持し且つ個々の微小電極で得られる電流（ｐ Ａ−ｎＡ）と比較してより大きい電流を与える、精緻な微小電極アレイフォーマ ットによる電極を作るべくかなりの努力が払われてきた。 これらの電極を作る既存の方法として、「コーディル（W.L.Caudill）その他 、Anal.Chem．（１９８２）５４巻：２５３２ページ」に記載されるような、エ ポキシ樹脂封入成形を用いて手作業で行う方法があるが、これは時間がかかるた め非効率的であり、また「ＷＯ−Ａ−９１０８４７４」に記載されるような、レ ーザーのような装置を用いてフォトン−アブレーションを行うという方法や、「 ライトン（M.S.Wrighton）、科学（Science）（１９８６）231巻：３２ページ」 に記載されるような、電子ビームエッチングを行う方法もあるが、これらの方法 では、高価な装置が必要となる。その他の、例えば「ワング（J.Wang）＆ザデイ （J.M.Zadeii）、J.Electroanal.Chem．（１９８８）２４９巻：３３９ページ」 に記載される微孔性膜の付着による製法は孔の配置が不均一で、その結果再現性 に乏しく、また、オステルヤング（J.Osteryoung）及びヘンペル（T.Hempel）（ J.Electrochem.Soc．（１９８６）１３３巻：７５７ページ）によって研究され た薄膜法は、薄膜層間の付着に問題がある。 従って、以下に説明する本発明の目的は、満足すべき微小電極を低コストで生 産することである。発明の概要 本発明によると、導電層を露出させるための開口部（aperturse）を有する電 気絶縁層を備えた微小電極を作る方法は、それらの開口部がフォトイメージング （photoimaging：光食刻）（光を作用させて重合できる物質か、又は光を作用さ せて結合が破壊される物質を使用する。）によって作られるという事実によって 特徴づけられる。これらの感光材料は、フォトイメージング可能な絶縁塗料（re sists）としても知られている。そして、これらを使用すると、費用のかさむ方 法で作られた微小電極に匹敵する特性を持つ製品を製造可能とする、便利で経済 的な方法が実現される。本発明によって製造される電極は、電気化学的反応によ り種を検出する分析法に使用可能であり、またそれに用いる機器に組み込むのに 適している。発明の説明 本発明の一実施態様において、微小電極は、絶縁基板に積層させた導電性電極 材料を備えている。絶縁基板は、ポリエステル、ポリカルボネート又はポリ塩化 ビニルなどのポリマー層からなる。 電極層を形成する導電材料には、特に制限はない。それは、印刷されるインキ の配合や使用される積層法に応じて、炭素、金又はその他の金属となる。電極材 料は、厚膜印刷（シルクスクリーン印刷としても知られる）、平板印刷、蒸着、 吹付け塗り、ローラー塗り又は真空蒸着等の一般的方法によって基板に積層する 。 次の工程として、フォトイメージング可能な誘電層、例えばフォトイメージン グ可能なネガティブレジストを、導電性電極材料に重ねて積層させる。これも、 真空蒸着、シルクスクリーン印刷、スピンコーティング、又は平板印刷法等、一 般的な方法で行う。 次に、要求されるアレイの画像（image）を電極表面に保持し、それを適当な 期間、適切な光源にさらす。光にさらされた領域はフォトイメージング可能層が 光源によって光重合する。マスクで覆われた領域では、フォトイメージング可能 層が重合せずに残る。従って、このマスクは、次の段階で現像液で溶解して取り 除かれるレジスト領域を覆うように、デザインされている。 それから、現像液に電極を適当な時間浸す。この溶液が、フォトイメージング 可能層が重合しなかった領域を溶解すると、その下の層が現れる。 本発明の他の一の実施態様においては、上述の説明と同様の基板及び導電層が 使用されるが、フォトイメージング可能なポジティブレジストが使用される（こ の場合、レジスト分子間の結合は、光が当たると破壊される。）。この場合は、 選択した方法によってポジティブレジストが電極に塗布され、被覆された電極上 にマスクが置かれる。マスクは次の段階で現像液によって溶解されるべきレジス ト領域が光にさらされるようにデザインされる。アセンブリーを光源にさらし、 光にさらされたレジスト領域は分子間結合が光によって破壊され、それによって それらは次の段階で現像液を用いて溶解できるようになる。ポジティブレジスト の光にさらされなかった領域は、現像液に耐え、そのまま残る。 その後、電極を現像液にさらし、光にさらされたレジスト領域を現像液によっ て溶解すると、アレイが現れる。 微小電極を作るもう一つの方法は、それ自体の自立構造をもつ乾燥したフォト イメージング可能なフィルムレジスト、例えば厚さ５−５０μｍ、を使用するも のである。これらのフィルムレジスト開口部アレイは、以上で説明された方法を 用いて、導電材料の塗布前又は塗布後に形成することができる。その後、電極側 を下にして、被覆シートを絶縁基板に結合させると、その電極に強度を与えるこ とができる。 これらすべての方法において、電極のその他の露出面を損傷しないような、反 応性の穏やかな溶液（水溶液又は非−水溶液）中で現像可能なレジストが選択さ れる。また、電極にマスクを適用して、電極の非常に敏感な部分を現像液から保 護することもできる。 以上で説明した方法に必要な機器は安価で、入手しやすく、そして光源と積層 装置と現像装置とを含んでなる。好適な実施態様では、電極材料と、厚膜印刷法 によって積層したレジストとの両方を有し、低コストで容量が大きい電極を製造 する。これによれば、複数の電極を一度に作ることができ、高容量低コストで微 小電極を生産可能とする。これは多くの工業的利用に必要である。 この方法で作られる電極は、種の分析に使用するために望ましい下記を含める いくつかの利点を有する： １．一様な大きさ及び形をもつ規則正しい電極アレイを製造することができる。 開口部の直径は１０−７５μｍで、規則正しい間隔をおいて配置している。開口 部の典型的間隔として、開口部の直径の２−１０倍の範囲で、規則正しく離れて いるものが挙げられる。 ２．絶縁層の下に導電層を構成する場合に、金、金属、炭素、白金などを含めた 種々の材料を用いることができる。これらの層は以下の（３）に記載する付加的 分子の付着を高めるように改良してもよい。 ３．一旦開口を形成した後には、電極開口部を分析に適するようにさらに改良す ることができる。それには金属、酵素、特異的結合パートナー（抗体、抗原、Ｄ ＮＡ又はＲＮＡ、アビジン、ビオチン、遺伝子プローブを含めるが、これらに制 限されるものではない）及び触媒類を沈着させ、結合させ、又は吸収させること 等により行う。 ４．導電層を適当に配置することによって、それぞれの開口部のポテンシャルを それぞれに調整することが可能となり、干渉を分析し、又は異なった種類の種を 分析することが可能となる。更に、それぞれの微小電極は、それぞれ異なる酸化 還元種又はポリマーにより電気的に変えられるようにでき、特異性を持たせ又多 被検体の測定をすることが可能になる。 ５．開口の形は、円、正方形、矩形又は帯状等いかなる形にでもすることができ る。帯状の形状とすれば微小バンド電極を形成することができる。 ６．電極表面における化学反応を容易にするために導電層を加熱すれば、分析を 行いやすくし及び分析をスピードアップすることができる。これはガスの検出の 場合、特に有用である。 電極は十分に安価なので、１回の使用の後にそれを捨てることができる。その ため分析間における前の分析の影響及び記憶の問題を回避することができる。ま た、分析間の影響が問題にならない場合には、電極をその後の分析に再利用する ことができる。 微小電極を、小さいポータブル−ポテンシオスタット（portable potentiosta t）又はガルバノスタット（galvanostat）と共に用いれば、作動電位（working potentials）を必要レベルに保つことができる。このようにして、種を現場分析 するための完全なポータブル装置が構成される。機器からの出力は、溶液中又は ガス中の被検体の濃度に比例する。 分析試験装置は、本発明の方法によって作られた微小電極からなる作動電極と 、微小電極の導電層において記載したのと同様な範囲の材料から選択される適切 なカウンター電極と、銀／塩化銀基準電極とからなる。微小電極は、重金属の分 析に使用する前に、水銀又は銀により電気めっきしてもよい。 分析試験装置にサンプル−セル又は多孔性層を含ませ、サンプルを容器から微 小電極に送るようにできる。サンプルが微小電極開口に達する前に、サンプル− セル又は多孔性層に、緩衝液及び／又はその他の試薬類を含ませるような前処理 を行うこともできる。例えば、水中の重金属の存在を試験する場合、サンプル− セル又は多孔性層は緩衝塩、水銀又は金塩及びその他の電気めっきに用いるあら ゆる乾燥した反応体を含むことができる。この発明による上述の分析試験装置を 、伝統的電気化学法を用いて必要な測定を行うのに適した、ポテンシオスタット 又はガルバノスタットに接続された使い捨て装置として使用してもよい。図面の簡単な説明 本発明は、下記の例及び添付の図を参照して、単なる例として説明する。 図１は、本発明によって作られた微小電極アレイの部分の断面図である。 図２は、図１に示されたアレイの平面図である。 図３は、鉛を含む試験液の分析のために本発明の実施態様に挿入された装置を使 用して得られた曲線を表す図である。実施形態 図１及び図２に示す電極は、厚さ２５０μｍのポリエステルシートからなる基 板１と、シルクスクリーン印刷可能な炭素インキである導電層２と、Imagecure AQ^TM（Coatea Circuit Products）であるネガティブフォトイメージング可能な レジスト３とからなる。フォトイメージング可能レジスト３は、導電層２の上に 印刷され、オーヴン中で１０分間８０℃で焼く。開口部４アレイは、適当なマス クを通して３ｋＷ光源装置に７秒間さらされることにより、レジスト３上に形成 する。光にさらされなかったレジストを１％炭酸ナトリウム溶液中で除去すると 、そこに開口部４が現れる。シートを１００℃で６０分間置き、最終的に硬化さ せる。その結果、直径１８μｍで中心間の間隔が１８０μｍの丸い円盤４の配列 が形成される。更に、それらの円盤４は連続する６角形の頂点と、その中心とに 配され、開口部４は、作動電極領域に合計５４０個設けられる。 分析試験装置は平らなポリエステル基板上に作られた作動電極と、基準電極及 びカウンター電極とを含んでなる。作動電極及びカウンター電極は、印刷された 炭素インキであり、基準電極は、マイクロアレイ作動電極に近接して設けられた 印刷された銀／塩化銀電極である。便利な一方式においては、サンプルセルが、 ２５０−３００μｍ厚さのスペーサーを用いてポリエステル膜によって電極上に 形成される。そして、そのコンパートメントの一端にある開口から、試験サンプ ルをセルに充満させ、セルの他端にあるもう一つの開口からセル中の空気を追い 出す。従って、測定中においては、明確な量のサンプルがセル中に存在すること になる。セルは緩衝液及び／又は酸化還元種を含む試薬で前処理することができ 、サンプル液中で水和すると、乾燥したその試薬が試験液全体に分散し、試験液 が正しいｐＨに維持される。 基準電極に対し適切な電位に保持することにより、作動微小電極を溶液中の重 金属の分析に使用できる。測定可能量の重金属を微小導電領域に析出させるため に十分な陰極電圧をかけ、一定時間（普通は２−５分間）微小電極にめっき電流 （plating current）を維持することによって、重金属イオンを先ず最初に微小 電極に析出させる。析出した重金属を、微小電極で陽極ストリッピング電圧電流 法（ボルタンメトリー）によって再酸化し、電圧対電流のプロットを形成する（ 図３）。ピーク電流出力は重金属の濃度に正比例し、ピークが現れる電圧は、金 属イオンの種類により異なる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年６月４日 【補正内容】 （補正された）請求の範囲 請求の範囲 １．厚膜印刷によって非導電性基板（１）上に導電層（２）を積層し、 伝導層上に絶縁層（３）を積層して設け、 絶縁層を塗布する前か後に、導電層を露出させる開口部（４）アレイを形成し 、上記開口はフォトイメージングによって形成される、 ことを含んでなる微小電極の製造方法。 ２．基板は、重合プラスチック材料である請求の範囲１記載の微小電極の製造方 法。 ３．絶縁層は、フォトイメージング可能誘電材料からなる請求の範囲２記載の微 小電極の製造方法。 ４．導電層に塗布した誘電材料をイメージ様式で光にさらし、光にさらされてい ない部分よりも比較的容易に除去できるような部分を設け、誘電層のうち光にさ らされた上記部分を除去して開口部アレイを形成する請求の範囲３記載の微小電 極の製造方法。 ５．誘電材料は、導電層に結合する前にフォトイメージングされ、開口部アレイ が形成される請求の範囲３記載の微小電極の製造方法。 ６．開口部は、一様な大きさ及び形をもち、規則正しく間隔をおいて配置され、 それらの直径は１０〜７５μｍである請求の範囲１〜５のいずれかに記載の微小 電極の製造方法。 ７．開口部は、その直径の２〜１０倍の距離だけ離して規則正しく配置されたも のである請求の範囲１〜６のいずれかに記載の微小電極の製造方法。 ８．露出した導電層の化学的改質を更に行う請求の範囲１〜７のいずれかに記載 の微小電極の製造方法。 ９．上記導電層の化学的改質は、金、水銀又は白金などの金属種を積層させたも のである請求の範囲８記載の微小電極の製造方法。 １０．上記導電層の化学的改質は、蛋白質（酵素又は抗体）、核酸、小分子又は 導電性ポリマーを、絶縁層に結合又は吸着させてなる請求の範囲８記載の微小電 極の製造方法。 １１．請求の範囲１〜１０のいずれかに記載の方法により製造された微小電極。 １２．請求の範囲１１記載の微小電極と液状サンプルを接触させ、微小電極とそ れに近接して設けられた電極との間の電位差を変えることからなる液状サンプル 中の被検体の分析試験。 １３．更に、多孔性触媒をアレイ表面に近接させて保持するか、又は液状サンプ ルの導入を容易にするために固体担体をアレイの反対側に配置するものである請 求の範囲１２記載の分析試験。 １４．更に、微小電極と接触する前に、サンプルを試薬又は緩衝液を用いて前処 理するものである請求の範囲１２又は１３記載の分析試験。 １５．更に、導電層を加熱するものである請求の範囲１２又は１３記載の分析試 験。 １６．請求の範囲６又は７に記載したような独立的に改質した微小電極を使用す る多被検体分析試験である請求の範囲９〜１２のいずれかに記載の分析試験。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 0275−2Ｊ Ｇ０１Ｎ 27/30 ３５７ 0275−2Ｊ ３５１ (72)発明者 ピーター トーマス アーノルド イギリス国 シービー４ １エックスティ ー ケンブリッジ ダウナムズレーン ダ ウナムズハウス エンバイランメンタル・ センサーズ・リミテッド (72)発明者 ベルナデッド ヨン−ヒン イギリス国 シービー４ １エックスティ ー ケンブリッジ ダウナムズレーン ダ ウナムズハウス エンバイランメンタル・ センサーズ・リミテッド

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．導電層と、その上に重ねられ、導電層を露出させる開口部を有する絶縁層と を含んでなり、フォトイメージングによって開口部が形成されることを特徴とす る微小電極の製造方法。 ２．導電層は、絶縁基板上へ積層されることにより形成される請求の範囲１記載 の微小電極の製造方法。 ３．絶縁層は、フォトイメージング可能誘電材料を導電層に積層させることによ って形成され、誘電材料をイメージ様式で光にさらして、光にさらされていない 部分よりも比較的容易に除去できるような部分を作ることにより開口部アレイを 形成する請求の範囲１又は２記載の微小電極の製造方法。 ４．フォトイメージング可能誘電材料は、絶縁基板上の導電層に結合する前にフ ォトイメージングされ、開口部アレイが形成される請求の範囲１又は２記載の微 小電極の製造方法。 ５．光にさらされた導電層の化学的改質を更に行う請求の範囲１〜３のいずれか に記載の微小電極の製造方法。 ６．上記導電層の化学的改質は、金、水銀又は白金などの金属種を積層させたも のである請求の範囲５記載の微小電極の製造方法。 ７．上記導電層の化学的改質は、蛋白質（酵素又は抗体）、核酸、小分子又は導 電性ポリマーを、絶縁層に結合又は吸着させてなる請求の範囲５記載の微小電極 の製造方法。 ８．請求の範囲１〜７のいずれかに記載の方法により製造された微小電極。 ９．請求の範囲８記載の微小電極と液状サンプルを接触させ、微小電極とそれに 近接して設けられた電極との間の電位差を変えることからなる液状サンプル中の 被検体の分析試験。 １０．更に、多孔性触媒をアレイ表面に近接させて保持するか、又は液状サンプ ルの導入を容易にするために固体担体をアレイの反対側に配置するものである請 求の範囲９記載の分析試験。 １１．更に、微小電極と接触する前に、サンプルを試薬又は緩衝液を用いて前処 理するものである請求の範囲９又は１０記載の分析試験。 １２．更に、導電層を加熱するものである請求の範囲９記載〜１１のいずれかに 記載の分析試験。 １３．請求の範囲６又は７に記載したような独立的に改質した微小電極を使用す る多被検体分析試験である請求の範囲９〜１２のいずれかに記載の分析試験。