(57)【要約】      （修正有）【課題】  絶縁性基板に作用極と対極と参照極を有する３電極式の電気化学センサにおいて、参照極の製造方法に基づく初期特性のばらつきと信頼性と安定性を増加、環境負荷を減少する。【解決手段】本発明の電気化学センサでは、参照極４として銀または銀と塩化銀微粒子が存在した層を形成した後に、その表面を塩化銀化させて、積層を作製する。  さらにその製造方法は、塩溶液または生理的塩溶液などの塩素イオンを含む水溶液中にて定電位電解反応によって塩化銀層１３を形成する。  したがって、環境負荷が著しく低く、しかも安全に初期特性に優れた信頼性が高く安定した参照極４を有する電気化学センサを実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板上に備える作用極と対極と参照極とを有する３電極式の電気化学センサであって、
前記参照極は、銀からなる層または銀と塩化銀とが任意割合で存在する層と、前記銀からなる層または銀と塩化銀とが任意割合で存在する層上に塩化銀層を有する電気化学センサ。
【請求項２】
前記作用極と対極とが、有機膜または金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学センサ。
【請求項３】
絶縁性基板上に設ける作用極と対極と参照極とを有する３電極式の電気化学センサの製造方法であって、
絶縁性基板上に作用極と対極と参照極とを設ける工程と、電解水溶液中において、外部参照極に対して前記参照極に正電位を印加して、電解反応によって前記参照極最上層に塩化銀層を形成する工程とを有する電気化学センサの製造方法。
【請求項４】
前記電解水溶液は、塩素イオンを含む水溶液であって、塩溶液または生理的塩溶液であることを特徴とする請求項３に記載の電気化学センサの製造方法。
【請求項５】
前記電解水溶液は、ｐＨ６から８の範囲にあることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電気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、血液などの生体試料中、あるいは水溶液中に含まれる特定の成分濃度を測定するための電気化学センサおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水溶液中における電極反応の現象を解析する手法として、一般に作用極、対極、参照極を用いた３電極法が用いられている。また、これらの電極を絶縁性基板に一体化したものとして代表される電気化学センサも知られている。
電極反応を解析するには、電極電位や作用極と対極間に流れる電流を測定することで行われる。
その測定は、ポテンショスタットと呼ばれ作用極と対極間の電圧を制御するのではなく、参照極と作用極間の電位が一定になるように作用極と対極間の電位を制御するものである。
参照極は、水溶液中での基準電位となるので電極自身が反応せず、電位変化に対して常に元の電位に戻り高インピーダンスであることが望まれる。
電気化学測定では、標準水素電極が参照極の基準として知られているが、水素ガスを用いるため実用には不向きである。そのため、一般には銀表面を塩化銀化したものや銀と塩化銀とが任意割合で混在するペースト材や塩化水銀電極などが用いられる。
電気化学センサでは、その参照極に固体化しやすい銀と塩化銀とが任意割合で混在するペースト材が使用されることが多い。
銀表面を塩化銀化したものや銀と塩化銀とが任意割合で混在するペースト材を以後、銀塩化銀と記述する。
【０００３】
電気化学センサの参照極に使われる銀塩化銀は、センサ基板の参照極となる領域に銀をメッキした後に０．１Ｍの塩酸または０．１Ｍの塩化カリウムなどの強酸水溶液中で、約０．３ｍＡｃｍ−２以下の電流密度で約３０分程度電解し、銀表面を薄く塩化させて作製する（例えば、特許文献１参照）。
また、別の方法として銀と塩化銀が任意割合で配合された銀と塩化銀の微粒子ペーストとバインダーと溶剤からなるペースト材料を用いてスクリーン印刷する方法も知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４２１１５号公報（第３頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、銀メッキ工程はシアン系の液浴を使用する必要があり、メッキの析出速度を上げるため液浴温度を７０℃程度に上げるなど廃液処理にもとづく環境負荷があり、工程が煩雑で安全性も求められる。
銀と塩化銀が特定配合された微粒子ペーストを含む材料を用いてスクリ−ン印刷する方法では、作用極と対極には参照極と異なる材料を用いるため、製造工程で各々の領域にマスク材を用いて別工程で作製する。
このマスク材の表面処理材や剥離材が電極表面に接触することによって、電極表面の撥水性が促進したり、製造工程で用いる溶剤が電極表面の汚染を引き起こす原因になる。
これらのことは、センサの初期特性に個体差を生じさせる原因となり、実際にこのセンサを用いて特定物質を検出する時の誤差要因になるという問題が起こる。
【０００６】
さらに、銀をスクリーン印刷し、前述した塩酸または塩化カリウム水溶液で銀表面を塩
化する方法では、参照極以外の作用極または対極が、カーボンペーストに代表されるように有機微粒子とバインダーと溶剤を含んだペースト材料として使われている場合、後工程での強酸水溶液による処理はバインダーの劣化を引き起こし、カーボンペースト電極の信頼性を著しく低下させるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の電気化学センサおよびその製造方法は次のような構成を採用する。
【０００８】
絶縁性基板上に設ける作用極と対極と参照極とを有する３電極式の電気化学センサであって、
参照極は、銀または銀と塩化銀とが任意割合で存在する層と、銀または銀と塩化銀とが任意割合で存在する層上に塩化銀層を有することを特徴とする。
【０００９】
作用極と対極が、有機膜または金属膜であることが好ましい。
【００１０】
絶縁性基板上に設ける作用極と対極と参照極とを有する３電極式の電気化学センサであって、
絶縁性基板上に作用極と対極と参照極を設けた後に、電解水溶液中において、外部参照極に対して参照極に正電位を印加して、電解反応によって参照極最上層に塩化銀層を製造する工程を有することを特徴とする。
【００１１】
電解水溶液は、塩素イオンを含む水溶液であって、塩溶液または生理的塩溶液であることが好ましい。
【００１２】
電解水溶液は、ｐＨ６から８の範囲にあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電気化学センサは、作用極と対極と参照極とからなる３電極式のセンサであって、その参照極は、銀または銀と塩化銀とが任意割合で存在する層と、銀または銀と塩化銀とが任意割合で存在する層上に塩化銀層を有するものである。
本発明の構造によれば、従来のスクリーン印刷による電極製造工程で表面処理剤や剥離剤による電極表面の汚染がなく初期特性に優れた参照極を得ることができる。
また、銀メッキ後に強酸水溶液中で銀表面を塩化させ、銀層上に塩化銀を作製する場合は、作用極と対極がバインダーを含む有機材料からなる電極では剥離や劣化が起こるため、その構造は金属電極に限られていた。
このように本発明の構造は、従来に比較して電極材料の選択肢も広げる効果がある。
【００１４】
本発明の電気化学センサの製造方法は、参照極となる領域に銀または銀と塩化銀の微粒子が任意割合で存在する層が形成された絶縁性基板をｐＨ６〜８の範囲の塩溶液または生理的塩溶液に浸漬し、外部参照極に対して正電位になるように絶縁性基板の参照極となる領域に正電位を印加して電解させる。
これによって、銀または銀と塩化銀の微粒子が任意割合で存在する層の表面に塩化銀層を被覆することができる。
また、塩化銀作製に強酸水溶液を使用しないため環境負荷が小さく、しかも作用極と対極がバインダーと溶剤を含む有機材料からなる電極であっても、作用極と対極の電極を劣化させることなく塩化銀の被覆が可能である。
その結果、製造後の初期特性の個体差が小さく、信頼性の高い、電位安定性に優れた参照極を搭載する電気化学センサができるという従来にない効果を有するのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の実施形態における電気化学センサの構成について説明する。
図１の（ａ）は、本発明の電気化学センサの構造を示した平面図である。
１は絶縁性基板、２は作用極、３は対極、４は参照極、５は接続端子である。
図１の（ｂ）は、本発明の電気化学センサの構造を示した図１の（ａ）の平面図をＡ−Ａ’である長手方向に切断した時の断面図を示したものである。
１０は銀箔、１１はカーボンペースト、１２は銀ペースト、１３は塩化銀層、１４は絶縁材である。
図１の（ａ）と図１の（ｂ）に示すように、本発明の電気化学センサは作用極２と対極３と参照極４の３電極からなり、参照極４は銀ペースト１２と銀ペースト１２の上部を被覆する塩化銀層１３とから構成されている。
【００１６】
このように参照極４が、例えば、銀ペースト１２と銀ペースト１２の上部を被覆する塩化銀層１３との積層構造が取れるのは、参照極４以外の作用極２と対極３が金属電極である場合に限られていた。
これは、製造工程に関わり、銀表面を塩化させるためには強酸水溶液中において電解反応させて作製する必要があるため、カーボンペーストに代表されるバインダーを含む有機材料を作用極２や対極３に用いた場合は、参照極４の最上層を塩化銀層１３にすることができなかった。
このように、本発明では作用極２と対極３にバインダーを含む有機材料を用いた場合でも参照極４の最上層を塩化銀層１３にすることができる。
【００１７】
次に本発明の電気化学センサの製造方法について説明する。
ｐＨ６〜８の範囲にある塩化ナトリウムや塩化カリウムに代表される塩溶液または、リン酸バッファに代表される生理的塩溶液中に塩化銀作製対象となるセンサと外部参照極を浸漬する。
外部参照極は、センサの参照極となる領域に正電位を印加するための基準電極として使用する。
【００１８】
外部参照極に対して、センサの参照極を正電位に固定し、センサの参照極と対極間に電流が流れるように接続する。この時、センサの作用極は開放状態とする。
以上のような接続状態で、一定時間電位をかけると塩溶液または、リン酸バッファに含まれる塩素イオンとセンサの参照極となる領域にある銀を含む層表面または層中に存在する銀とが電解反応し、センサの参照極表面が塩化銀化し、銀または、銀と塩化銀の微粒子が任意割合で存在する層との２層構造を作製できる。
【実施例】
【００１９】
次に、本発明の実施例について具体的に説明する。
厚さ５００μｍの絶縁性基板であるポリエチレンテレフタレート（Ｐｏｌｙ  Ｅｔｈｙ−ｌｅｎｅ  Ｔｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ：ＰＥＴ  以下、ＰＥＴと記述する）上に厚さ２００ｕｍの銀箔を貼り合せ、規定の形状にパターニングし、作用極と対極と参照極の電極となる領域のみ銀箔を残す。
この場合の銀箔は、配線材料として下地に用いる。
【００２０】
次に、作用極と対極の領域を残し、それ以外の領域にレジスト材などを用いてマスクし、カーボン微粒子とバインダーと溶剤からなるカーボンペーストを作用極と対極の領域にスクリーン印刷法によって印刷する。
カーボンペーストは、カーボン微粒子とアクリル、ポリエステル、フェノールなどのバインダーとブチルアセテートなどの溶剤とから構成されている。
【００２１】
次に参照極の領域を残し、それ以外の領域にレジスト材などを用いてマスクし、銀ペーストをスクリーン印刷法によって印刷する。
銀ペーストもカーボンペーストと同様に銀微粒子とバインダーと溶剤とから構成されている。
銀ペーストの代わりに、銀と塩化銀の微粒子が任意割合で配合された銀塩化銀ペーストを用いても良い。
【００２２】
次に電気化学センサからの信号を取得するために、配線端領域として接続端子を設け、その接続端子領域と作用極と対極と参照極の配線以外の領域にレジスト材などで被覆する。
【００２３】
次に銀層の表面を塩化銀化させ、銀層との積層構造の参照極を作製する方法について説明する。
まず塩溶液または生理的塩溶液などを用意するがここでは、リン酸緩衝食塩水（Ｐ−ｈｏｓｐｈａｔｅ  Ｂｕｆｆｅｒｅｄ  Ｓａｌｉｎｅ：ＰＢＳ  以下、ＰＢＳと記述する）を用いる。
ここで用いるＰＢＳは、リン酸９．６ｍＭ、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）４５．７ｍＭ、塩化カリウム（ＫＣｌ）２．７ｍＭの混合水溶液を用いた。
【００２４】
適当なガラス容器に調合したＰＢＳを適量用意し、電気化学センサの作用極と対極と参照極が浸漬するようにする。
さらに、外部参照極としてガラス柱内の飽和塩化カリウム水溶液に封入された銀塩化銀電極を電気化学センサが浸漬されているＰＢＳ内に浸漬する。
この外部参照極は、電気化学測定の参照極として一般的に用いられるもので、ガラス柱先端にガラスフィルターがありイオン応答ができるようにしたものである。
飽和塩化カリウム水溶液に浸漬された銀塩化銀は、銀線を塩酸中でアノード分極して表面を銀塩化銀させたもので信頼性も高い。
【００２５】
図２は、前述した電気化学センサの参照極表面を塩化銀で被覆するための製造方法を示した図である。
図１と同じものには、同一符合を付けてある。
２１は外部参照極、２２は電圧計、２３は電流計、２４は電源である。
対極３は、電気化学センサの対極３の領域を用いて、外部参照極２１に対して、電気化学センサの参照極４に＋１００ｍＶの正電位を２分間程度印加する。
この時、電気化学センサの参照極４領域と対極３間に電解反応で発生した電流が流れることになる。電気化学センサの作用極２は開放状態とする。
【００２６】
この接続関係で電位をかけると電気化学センサの参照極は、ＰＢＳ中で以下の電解反応が起こる。
【数１】
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電気化学センサの参照極４は、塩素イオンを含むＰＢＳ中で銀層が表面に露出しており
定電位電解反応によって数１の右向きの反応が起こっている。
この反応による電流は、電気化学センサの参照極４と対極３との間に流れ、参照極４表面の銀層と塩素イオンとの電解反応が進むにつれて流れる電流は減少していく。
【００２７】
数１の反応は、次のネルンストの式から標準酸化還元電位Ｅ０が０．２２２３Ｖと計算される。
【数２】
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ここで、Ｔは熱力学的温度で２９８．１５Ｋ、［ＡｇＣｌ］酸化体と［Ａｇ］と［Ｃｌ−］還元体は各々の活量で１、Ｆはファラデー定数で９６４８５、ｎは酸化還元反応の電子数で１、Ｒは気体定数で８．３１４とした。
ここで計算された０．２２２３Ｖは、ｐＨ０の水溶液に白金を入れて、１ａｔｍのＨ２を入れた標準水素電極に対しての値で、参照極である銀塩化銀の電位は標準水素電極に対して＋２００ｍＶとなる。
【００２８】
つまり、本実施例の塩化銀層を作製する工程では、外部参照極２１の銀塩化銀電極に対して電気化学センサの参照極４に＋１００ｍＶ印加しているので、数１に示す酸化還元反応が十分に起こる電位に設定されていることが判る。
【００２９】
図５および図３は、定電位電解反応前後での電気化学センサの参照極表面の走査型電子顕微鏡による回折像を示したものである。
図３は定電位電解後の表面状態を示したもので、図５は定電位電解前の表面状態を示したものある。
定電位電解前は従来例、定電位電解後は本発明の実施例に対応する。
加速電圧は１０ｋＶ、倍率は３０００倍である。
図５に示すように定電位電解反応前は、フレーク状の銀ペースト材が積層されていることが観察できる。
一方、図３に示すように定電位電解後は、元のフレーク状態も見て取れるが、全面を球状の物質で覆われたことが観察できる。
明らかに、定電位電解反応前後で表面状態が変化したことが判る。
次に、この表面状態の変化をエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザーを用いて、成分分析を行った結果について説明する。
【００３０】
図６および図４は、定電位電解反応前後での電気化学センサの参照極表面に対してエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザを用いて、成分分析を行った結果を示したものである。
図４は定電位電解後の表面状態の成分分析結果を示したもので、図６は定電位電解前の成分分析結果を示したものである。
定電位電解前は従来例、定電位電解後は本発明の実施例に対応する。
走査範囲は１００μｍ、加速電圧は１０ｋＶ、分析した特性Ｘ線のエネルギー範囲は０から１０ＫｅＶまでとした。
図４および図６の横軸は、特性Ｘ線のエネルギーを示し、縦軸は、特性Ｘ線の強度を示しており、シンチレーションカウンタで計測したＸ線強度である。
シンチレーションとは、蛍光物質に放射線のような荷電粒子があたると発光する現象で、このシンチレーションの数を計測するのがシンチレーションカウンタである。
このＸ線強度は、分析時間を長くすると積算されていくものでありＸ線強度としては任意単位となる。
特性Ｘ線は、物質固有のもので特性Ｘ線のエネルギーとその信号強度から分析対象物の成分の同定と成分の相対値を求めることができる。
【００３１】
図６に示すように定電位電解前は、主に２．９５ＫｅＶ、３．１２ＫｅＶ付近に銀のピークのみが観測されている。
一方、図４に示すように定電位電解後は、２．９５ＫｅＶ、３．１２ＫｅＶ付近の銀のピークとともに２．６１ＫｅＶ付近に定電位電解前には観測されなかった塩素のピークが現れていることが判る。
【００３２】
このように、走査型電子顕微鏡による観察と特性Ｘ線による成分分析と酸化還元電位から定電位電解後に電気化学センサの参照極表面が塩化銀化したと判断することができる。
【００３３】
このようにして作製した参照極を有する電気化学センサと参照極に銀と塩化銀微粒子が任意割合で混在したペーストを用いた従来の電気化学センサとの初期特性を測定した。
電気化学センサの作用極と対極と参照極を覆うように３０μｌのＰＢＳを滴下して、参照極に対して＋１００ｍＶを作用極に約１分間印加して、作用極と対極間に流れる電流の時間変化を測定した。
【００３４】
その結果、試料数各々１０個に対して標準偏差を平均値で除して１００倍した値であるＣＶ値を求めると、銀と塩化銀微粒子が任意割合で混在したペーストの参照極を有する従来の電気化学センサでは７％、本発明の処理を施した参照極を有する電気化学センサでは２％と初期偏差の小さいセンサが作製できた。
初期特性のばらつきを小さくすることは、実際の検出誤差を小さくする上で重要である。
【００３５】
参照極の長期安定性についても、本発明の処理を施した参照極を有する電気化学センサの方がより変動幅が小さいことが判った。
【００３６】
本実施例では、絶縁性基板にＰＥＴ、作用極と対極にカーボンペーストを用いた例を説明したが、絶縁性基板にポリイミド、ガラスなど他の基板を用いても良い。
また、作用極と対極にＡｕを代表とする金属を用いても良い。
但し、カーボンペーストに代表される有機材料を用いた印刷材料では、特に強酸水溶液を使用せずとも安定した参照極を作製できるという点で優れている。
もちろん、作用極と対極に金属材料を使用する場合でも廃液処理にもとづく環境負荷低減にも効果が高く、さらに安全に製造できる点も評価できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、強酸水溶液を用いることなく信頼性が高く安定した参照極を絶縁性基板上に作用極と対極とを合わせて作製することができる。
特に、作用極と対極にカーボンペーストなどの有機材料を用いる場合に効果が高く、電極の劣化がなく参照極を作製することができる。
したがって、水溶液中や血液などに代表される生体成分を検出する電気化学センサの初期特性の偏差を最小限に抑えることができる。
特に製造方法に関して環境負荷が低く、安全に製造できる点で本発明を用いることの効
果は非常に高い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の電気化学センサを示す平面図および断面図である。
【図２】本発明の電気化学センサの製造方法を示す図である。
【図３】本発明の電気化学センサの参照極表面のＳＥＭ像を示す説明図である。
【図４】本発明の電気化学センサの参照極の成分分析結果を示す図である。
【図５】従来の電気化学センサの参照極表面のＳＥＭ像を示す説明図である。
【図６】従来の電気化学センサの参照極の成分分析結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    絶縁性基板
２    作用極
３    対極
４    参照極
５    接続端子
１０  銀箔
１１  カーボンペースト
１２  銀ペースト
１３  塩化銀層
１４  絶縁材
２１  外部参照極
２２  電圧計
２３  電流計
２４  電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006275711.tif 000009
【図６】
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