(57)【要約】【課題】測定対象となる試料液体が流動している環境においても、酸化還元酵素を用いて電気化学的な測定を連続して行うことができる化学センサを提供する。【解決手段】本発明の化学センサは、酵素を含む試薬が連続的に電極近傍から供給され、測定対象と試薬が反応し生成した生成反応物による酸化還元電流が流路全体を電極とした測定系によって検出されることで、流体中でも電気化学的な測定を可能にする。少なくとも２つの電極と、前記電極を支持した支持体と、を具備し、前記電極のうち少なくとも１つの電極を流路内壁に配置すると共に、他の少なくとも１つの電極は中空の筒体であり、前記中空の筒体の一方の端部が前記流路に接続しており、試薬が供給される試薬供給部を成すことを特徴とする化学センサである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を流れる試料液体に含まれる測定対象物の濃度を測定する化学センサにおいて、
少なくとも２つの電極と、前記電極を支持した支持体と、を具備し、
前記電極のうち少なくとも１つの電極を流路内壁に配置すると共に、他の少なくとも１つの電極は中空の筒体であり、前記中空の筒体の一方の端部が前記流路に接続しており、試薬が供給される試薬供給部を成すことを特徴とする化学センサ。
【請求項２】
前記電極の１つ以上は、金属からなる表面を有している基体と、前記表面の少なくとも一部を被覆した保護層とを含み、前記保護層は、炭素からなり且つ１μｍ以上の厚さを有している連続膜であることを特徴とする請求項１に記載の化学センサ。
【請求項３】
前記試薬は、少なくとも酵素を含み、固形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の化学センサ。
【請求項４】
金属からなる表面を有している基体に、炭素からなる保護層を、前記表面の少なくとも一部を被覆し且つ１μｍ以上の厚さを有するように形成して、電極を得る工程と、
前記電極を含む２つ以上の電極を支持体に支持させる工程と、
を含む請求項１〜３のいずれかに記載の化学センサの製造方法。
【請求項５】
前記電極を得る工程に先立ち、前記基体を変形させる工程を更に含んだ請求項４に記載の化学センサの製造方法。
【請求項６】
前記電極の炭素からなる保護層は、めっき法によって形成することを特徴とする請求項４または５に記載の化学センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定電位電解式センサを用いた化学センシングに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中に含まれる化学物質の濃度を測定する方法の一つとして、定電位電解方式がある。この測定方法は試料液体に電位を印加し、測定対象の化学物質を直接、または間接的に酸化・還元するために流れる電流値を直接読み取ることで濃度を分析する方法である。
【０００３】
この方法のメリットは微量であっても高精度に分析が行えるということと、滴定法やクロマトグラフィー法といった逐次測定とは異なり、連続的に測定を行うことができることから、瞬間的な値の変動も記録が可能となることである。  
【０００４】
このような特徴から、連続的な測定を行い瞬間的な変動に対しても検出し異常を知らせる必要がある用途、例えば大気中の有害物質濃度、下水の水質測定、生体に対するセンシングなどで活用されており、状況悪化の傾向を検知した場合に直ちに知らせることが可能である。
【０００５】
しかし、定電位電解式センサにおいては、対象となる物質が、電気化学的に直接酸化・還元できるものに限定されるという欠点があり、例えば有機物については直接測定することができない。
【０００６】
そこで、電極で酸化還元反応を直接起こさせることができないような有機物質の測定に対しては酵素法が提案されている。この方法によると、例えば酸化還元酵素を用いることで測定対象となる化学物質を反応させて反応生成物とし、その反応生成物を酸化還元するために流れる酸化還元電流を電極間で検出することによって、化学物質の濃度を測定することが可能となり、測定できる物質の幅を広げることができる。
【０００７】
酸化還元酵素は、例えば、リンゴ酸、グルコース、２級アルコール、ギ酸、ホルムアルデヒド、水銀といった様々な化学物質を酸化還元することが可能である。非特許文献１では、酢酸を測定するために酵素を使用した例が記載されている。
【０００８】
しかしながら、上記のような酵素を用いる測定において、酵素反応によって生成した物質が測定の場に存在していることが必要なため、静止液中での測定が必要であり、そのため逐一測定の場でしか使われることがない。
【０００９】
このため、特許文献１においては、尿中のグルコースを測定する方法として光学式を用いている。この方法では他の物質が測定結果に影響を与えることから、イオン交換樹脂を用いて妨害成分を除去して連続測定が可能としている。しかしこの方法ではイオン交換膜の寿命が来るとともに妨害物質の影響が大きくなることから測定誤差が発生することが懸念される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】柿木明紘、酵素法を用いた酢酸の簡易酢酸分析の浄化槽への適用、岩手県浄化槽検査センター、２０１６年
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−９０９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたもので、長期測定でも安定して使用でき、測定対象を含む試料液体が流動している環境においても、酸化還元酵素を用いて電気化学的な測定を連続して行うことができる化学センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本特許の化学センサは、酵素を含む試薬が連続的に電極近傍から供給され、試薬と試料液体中の測定対象物が反応し生成した、反応生成物による酸化還元電流を流路全体を電極とした測定系によって検出することで、流体中でも測定対象物の濃度測定を可能にするものである。
【００１４】
本発明の請求項１によると、流路を流れる試料液体に含まれる測定対象物の濃度を測定する化学センサにおいて、
少なくとも２つの電極と、前記電極を支持した支持体と、を具備し、
前記電極のうち少なくとも１つの電極を流路内壁に配置すると共に、他の少なくとも１つの電極は中空の筒体であり、前記中空の筒体の一方の端部が前記流路に接続しており、試薬が供給される試薬供給部を成すことを特徴とする化学センサである。
【００１５】
また、本発明の請求項２によると、前記電極の少なくとも１つは、金属からなる表面を有している基体と、前記表面の少なくとも一部を被覆した保護層とを含み、前記保護層は、炭素からなり且つ１μｍ以上の厚さを有している連続膜であることを特徴とする請求項１に記載の化学センサである。
【００１６】
前記電極の１つである、前記試薬の供給口として構成される試薬供給部は、耐腐食性があり、且つ化学的に安定した炭素からなる保護層によって被覆されていることにより、前記試薬供給部が劣化せずに長期使用が可能となり、さらに対象物以外の反応が起きにくくなるので精度の良い測定が可能となる。
【００１７】
また、本発明の請求項３によると、前記試薬は、少なくとも酵素を含み、固形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の化学センサである。
【００１８】
前記試薬は、例えば酵素やメディエータ、更には測定に影響しない物質を用いたバインダーなどを、測定に適した比率で混合した個体であればよく、錠剤形成によって溶解量を調整することも可能である。
【００１９】
また、本発明の請求項４によると、金属からなる表面を有している基体に、炭素からなる保護層を、前記表面の少なくとも一部を被覆し且つ１μｍ以上の厚さを有するように形成して、電極を得る工程と、
前記電極を含む２つ以上の電極を支持体に支持させる工程と
を含む請求項１〜３のいずれかに記載の化学センサの製造方法である。
【００２０】
また、本発明の請求項５によると、前記電極を得る工程に先立ち、前記基体を変形させる工程を更に含んだ請求項４に記載の化学センサの製造方法である。
【００２１】
また、本発明の請求項６によると、前記電極の炭素からなる保護層は、めっき法によって形成することを特徴とする請求項４または５に記載の化学センサの製造方法である。
【００２２】
前記炭素からなる保護層は、めっき技術によって成膜されており、中空の前記試薬供給部や、前記流路の内部に対しても炭素からなる保護層を均一にピンホール等なく設けることができるようになる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、流路中でも、長期間安定した濃度測定が行える化学センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の側面を示した化学センサの斜視図。
【図２】本発明の第１の側面を示した化学センサの断面図。
【図３】本発明の試薬供給部の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の化学センサの斜視図、図２は、断面を模式的に示しており、支持体５と、流路１０と、流路１０の内壁に配置された第１の電極１１と、絶縁材３によって電極１１に対し電気的に絶縁された第２の電極２０と、で構成された化学センサ１００を示す。第２の電極２０は試薬４１の供給口にもなっており、試薬供給部２０でもある。試薬供給部２０の内部には、固形化した試薬４１が複数保持されている。
【００２６】
流路１０に試料液体を流すことで、第１の電極１１と第２の電極２１が試料液体を介して電気的な導通を得ることができる。このとき、第２の電極である試薬供給部２０にも試料液体が流れ込み、これによって溶解した試薬４２と測定対象物６１とが反応し、反応生成物６２が発生する。この状態で第１の電極１１と第２の電極２０間に一定の電圧をかけ、反応生成物６２による酸化還元電流を測定することにより、測定対象物６１の濃度を測定する。
【００２７】
このとき、電極は少なくとも作用極と対極の２極が必要であるが、場合によっては銀/塩化銀電極といった参照極を追加した３電極での測定を行うことも可能である（図示なし）。
【００２８】
試薬供給部２０は、試料液体へ酵素などといった試薬を試料液体に供給する部分であるが、試料液体は流動しているため、溶解した試薬４２や反応生成物６２が電極近傍にとどまらず流れ出してしまう。そのため本発明では、試薬供給部２０と流路１０の内壁を電極とすることで、試薬４２との反応が発生した直後から測定が行えるようにしており、さらにこれによって反応生成物６２の電気化学的反応を検出できるようにしている。
【００２９】
試薬４１は、試薬供給部２０から供給されているが、試料液体に接触したときから反応が発生する。このため、長期間使用するためには試薬４１は試料液体に接触しない状態で保持する必要があり、また過剰に供給し試薬４１を消費しきらないように保つ必要がある。
【００３０】
図３は、試薬供給部２０の断面を模式的に示したものである。試薬４１は試薬供給部２０の内部に保管されている。試薬４１を例えば打錠機などにより固形化したものを使用することが好ましい。試薬４１は粉体のまま投入すると、試薬供給部２０との摩擦により安定的に落下しない問題があるため、重力で自由落下できるよう試薬供給部２０の断面よりも小さい径とし、試薬供給部２０と摩擦や分子間力の影響によって付着しない重量をもった固形状にたもつことが望ましい。
【００３１】
また、固形化した試薬４１は、例えば酵素やメディエータ、更には測定に影響しない物質を用いたバインダーなどを、測定に適した比率で混合した個体であればよく、バインダーの種類や打錠圧を変えることで溶解速度を調整することが可能になる。
【００３２】
また試薬４１が試薬供給部２０から必要以上に脱離しないよう、少なくとも試料液体に接触する端部において、固形化した試薬４１がそのまま流出しない程度の孔２３を複数開けておくことにより過剰な消費を抑制することが可能となる。
【００３３】
さらに、試薬４１が試料液体に対し過剰に接触することを抑制するため、試薬供給部２０の内部を、例えば不活性ガスにより陽圧にしておくことで、試薬４１を試料液体に接触する部分を限定することも可能となる（図示なし）。
【００３４】
電極１１や試薬供給部２０の少なくとも試料液体と接触する部分は、電流が流れる材料であること必要であり、例えば白金、金、銀、銅、鉄、カーボンや、これらの合金であればよく、長期使用における耐腐食性の観点からは、白金、金、カーボンであることが望ましい。しかしながら、白金や金は触媒作用があり電気化学測定のノイズ源となったり、試薬４１との接触により不要な反応を起こし劣化を招く懸念があることから、カーボン材料を使用することが望ましい。
【００３５】
カーボン材料としては、カーボンペースト、ダイヤモンドライクカーボン、ボロンドープダイヤモンド、ガラス状カーボンなどが挙げられるが、筒状である流路１０や、試薬供給部２０の内部に均一な細孔の存在しない炭素膜を形成するためには、従来のドライ成膜や塗布といった方法で形成することは困難である。
【００３６】
このため、これらの電極はめっき法により炭素からなる保護膜２２を形成する方法が望ましい。具体的には、試薬供給部２０を例にすると、試薬供給部２０の基体となる基体金属２１をめっき法、より具体的には溶融塩電解法を用いて保護膜２２である炭素皮膜を形成する事ができる。これによれば、筒状基体金属の内部に対しても均一に炭素の被膜を形成することが可能になる。
【００３７】
さらに、保護膜２２となる炭素被膜は１μｍ以上であることが望ましい。これは厚さが１μｍ未満である場合は、保護層が緻密ではなくピンホールが発生している場合があり、これによって液体試料が基体金属２１に直接触れる恐れがある。この接触により基体金属２１に腐食が発生したり、基体金属の触媒作用により本来測定したい反応とは別の酸化還元反応が発生してしまうことで分析精度の低下、さらには電極部の劣化が発生する。このため保護膜２２は、少なくとも１μｍ以上の厚みが必要である。
【００３８】
基体金属２１は、めっき可能な金属であればよく、白金、金、銀、銅、鉄、これらの合金などを用いることが可能であるが、めっき法によって成膜した保護層２２である炭素被膜との密着性を考慮してステンレス材であることが好ましい。
【００３９】
基体金属２１は、炭素被膜の形成に先立ち、所望の形状に加工しておくことが必要である。これは基体金属２１に保護膜２２を形成したあとに穴を開ける、曲げるといった加工を行うことで、保護膜２２が欠損し基体金属２１が露出してしまい、これが試料液体と接触して不要な反応を引き起こす可能性があることから、これを避けなければならないからである。
【００４０】
基体金属２１の加工方法は一般的な金属加工の方法を用いることができ、化学腐食法であったり、プレスによる打ち抜き、絞り加工、削りだし、といった加工を採用することが可能である。このような金属加工の後にめっき法により炭素からなる保護膜２２を形成す
ることで、長期間連続的な電気化学測定を安定して行うことが可能となるピンホールのない保護膜２２に覆われた電極を作ることが可能となる。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例を示す。ステンレス板を準備しこれを基体金属２１とする。これに湿式エッチングで複数の孔２３を開け、試料液体に接触する側の端部に複数の孔２３がある向きにこれを丸めて筒状にすることで試薬供給部２０を作った。この基体金属２１に溶融塩電解法によって炭素皮膜をめっきにより形成する。
【００４２】
同様にステンレス板に湿式エッチングで、試薬供給部を差し込む穴を開けたステンレス板を丸めて、流路１０を形成し、同様に炭素めっきによって表面を被覆する。
【００４３】
流路１０に開けた穴の中に試料供給部２０を差し込み、流路１０と、試料供給部２０が電気的に接触しないようにシリコーンゴムをはさみ、電気的絶縁と密着性を得て、これ全体を支持体５となるエポキシ樹脂で固定する。
【００４４】
試薬供給部２０には、試薬を打錠機で固形化し、試薬４１として導入する。これによって試薬は試料供給部２０の側壁にほとんど付着することなく底部へ自由落下する。これを複数個投入しておく。
【００４５】
これにより、流路１０に試料液体を導入すると、試薬４１は試料液体に接触することで溶解した試薬４２となるが、試料液体に接触していない上部の試薬４１は試料液体に接触しないことから溶解せずに保持することができ、長期使用が可能となる。
【００４６】
さらに試料供給部２０、および流路１０の内壁そのものが電極であることから、反応直後から測定ができ、試料液体が流動していても測定が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１００・・・化学センサ
１０・・・流路
１１・・・第１の電極（流路の内壁）
２０・・・第２の電極（試薬供給部）
２１・・・基体金属
２２・・・保護膜
２３・・・孔
３・・・絶縁基材
４１・・・試薬
４２・・・溶解した試薬
５・・・支持体
６１・・・測定対象物質
６２・・・反応生成物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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