(57)【要約】【課題】  電気化学計測用の対極として用いられる電極において電極全体にＡｇ／ＡｇＣｌの参照極を設けると、出力が不安定となる。また、公害防止の観点からもＡｇ／ＡｇＣｌの使用量は少ないことが望ましい。【解決手段】  対極上に、Ａｇ／ＡｇＣｌの参照極を設けるに際し、Ａｇ／ＡｇＣｌと対極のオーミックコンタクトの面積を対極の面積より少ないようにする。それにより、安定した出力が得られると共に、Ａｇ／ＡｇＣｌの使用量を減らすことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学測定の対極として用いられる電極であって、
導電性物質、又は絶縁体基材上に導電性物質で形成した対極と、
前記対極上に形成されたＡｇ／ＡｇＣｌの参照極とを備え、
前記対極と、参照極の一部又は全部はオーミックコンタクトを形成しており、
前記オーミックコンタクトの面積は、対極の面積より小さいことを特徴とする電気化学計測用電極。
【請求項２】
絶縁体の基板、
前記基板上に導電物質で形成された作用極、
前記作用極に近接して前記基板上に導電物質で形成された対極、
前記対極上に、対極とオーミックコンタクトを形成するようにＡｇ／ＡｇＣｌによって形成された参照極、とを備える電気化学計測用センサにおいて、
前記オーミックコンタクトの面積は、対極の面積より小さいことを特徴とする電気化学計測用センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験溶液の電気化学反応を検出する為に使用する電極、及び当該電極を用いた二電極系の電気化学反応測定用センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
作用極、及び参照用電極と対極を兼ねる電極で構成される二電極系のセンサで対極の導電性物質上に参照極として作用するＡｇ／ＡｇＣｌのペーストを全面に亘り付与する方法は一般に知られている。
【特許文献１】特許公開公報  特開２００１−２４２１１５
【非特許文献１】Ａｎａｌｙｔｉｃａ  Ｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ  ４３３（２００１）８１頁〜８８頁
【非特許文献２】表面科学Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．１１．２００３．９頁〜１４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記文献に見られるように、対極の原型となる導電性材料の上に、ペースト状のＡｇ／ＡｇＣｌを全面に付与した電極、及びそれに作用極を組み合わせたセンサを用いて試験溶液の電気化学計測を行なう方法は一般的に知られているが、このような電極或いはセンサを用いて計測を行なうと、出力に大きなばらつきが生じ、安定した測定結果が得られ難い。
【０００４】
電気化学計測においては、試験溶液の量が微量な場合が多く、且つ反応も微弱で、外部環境からの電気的雑音の影響を受け易いので、僅かな出力の変動やばらつきが、検出結果の信頼性を著しく損なう。
また、例えばＤＮＡ反応の検出では、同一電極、及び当該センサで、複数回の計測が行なえないとされているが、この場合には出力値のばらつきは検出結果の信頼性に致命的な影響を与える。
【０００５】
電気化学反応検出用電極、或いはそれを用いたセンサは、使い捨て型として用いられることも多く、腐食性の高いＡｇ／ＡｇＣｌの使用量は、環境負荷への観点からも出来るだけ少ないことが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、対極の作用をする導電物質に、参照極の作用をするＡｇ／ＡｇＣｌ混合体をオーミックコンタクトをもたせ重層構造とした電極、及びこれを用いた二電極系のセンサにおいて、対極を構成する導電物質表面上に、その面積よりも少ない面積でＡｇ／ＡｇＣｌをオーミックコンタクトさせるように配置することにより、上記課題を解決しようとするものである。
【発明の効果】
【０００７】
Ａｇ／ＡｇＣｌと対極が、オーミックコンタクトを形成する面積を、対極の面積より小さくなるようにＡｇ／ＡｇＣｌを配置することにより、対極の原型となる導電性材料上全面に亘ってＡｇ／ＡｇＣｌを配置した場合に比べ、出力のばらつきが少なくなり、しかも、出力の大きさには影響を及ぼさない。
また、比較的高価なＡｇ／ＡｇＣｌの使用量を節減させることが可能となるので、生産コストの削減を計ることができる。
また、この種電極及びこれを用いたセンサは使い捨て型で使用されることも多く、腐食性の高いＡｇ／ＡｇＣｌの使用量が抑制できることは公害の防止上の効果もある。
更に本発明の電極又はセンサは複数回の使用にも耐えるという実験結果も得られている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
電気化学計測に用いられる一般的なセンサ及びそれを用いた計測方法について、図７に基づいて説明する。
図７において７１は反応セルで、反応セル７１は容器７２とセンサ７３から構成されている。センサ７３は、絶縁基板７３ａ上に、作用極７３ｂ、対極７３ｃが形成されたものから成っている。センサ７３は基部でソケット７４に挿し込まれ、ソケット７４に接続されたリード線７５によって外部計測装置に接続されている。
いま容器７２に試験溶液７６が満たされ、センサ７３が矢印の方向に試験溶液７６に浸漬されると、試験溶液７６の状況に応じた電気信号が検出できる。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明の電極を用いたセンサの例を示す平面図である。
１１は基板で、溶液中に成分が溶出せず、且つ絶縁性を有する素材、例えばガラスエポキシ、テフロン、ポリイミド、ＢＴレジン、マイラ、ＰＥＴ、セラミック等の材料を用いる。
基板１１の表面上には導電物質の作用極１２がエッチングや印刷など公知の方法で形成されている。
作用極１２の外側には、作用極１２を取り囲むように、対極１３が同様の方法で形成されている。
対極１３は、必ずしも作用極１２を取り囲むような形状である必要はなく、例えば平行電極、櫛型電極であっても構わないが、図示の例のように、作用極を取り囲むように、例えば作用極が円形であればそれを取り囲む円弧状に形成したほうが、電気的ノイズ耐性に強く安定した出力が得られることが知られている。
なお、試験溶液によっては、ノイズ耐性の観点から、作用極と対極の配置が図１と逆になることもある、
【００１０】
１４は作用極１２の外部接続用配線、１５は対極１３の外部接続用配線であり、作用極１２、対極１３と同じように、基板１１上に導電物質で形成されている。
夫々の外部接続用配線１４，１５は、一端が作用極１２や対極１３と接続され、他端が基板の端部１４ａ、１５ａまで延長されており、端部１４ａ、１５ａをソケット（図示せず）のプラス電極、マイナス電極に夫々差し込むことによって外部回路と接続できるようになっている。
【００１１】
この基板１１全体を、或いは電極の形成されている面を、作用極１２、対極１３及び外部接続用配線の端部１４ａ、１５ａ付近などの指定された部分を除いて、絶縁膜１６（網みかけ部）で覆うことにより、試験溶液に浸漬したとき作用極１２、対極１３のみが液に露出するようになっている。
【００１２】
本発明のセンサにおいては、対極１３の表面の一部に、オーミックコンタクトを有するようにＡｇ／ＡｇＣｌのペーストによって参照極１７を形成する。
参照極１７を形成する位置は、対極表面に露出した状態であれば、対極上のどこでも良いがオーミックコンタクトを有する部分の面積が対極の面積より少ないことが重要である。
またオーミックコンタクトをしている部分の形状はどのような形でもよく、方形、円形や格子状であっても構わない。
【００１３】
図６は、対極の表面の一部に、Ａｇ／ＡｇＣｌの参照極を、オーミックコンタクトをもたせるように形成する例を示す図である。
図６ａ乃至図６ｃに於いて、６４は絶縁物の基板、６３は基板６４上に形成された導電物質の対極、６１は絶縁膜、６２はＡｇ／ＡｇＣｌの参照極を示す。
【００１４】
図６ａの例は、対極６３の絶縁膜６１で覆われていない部分に、直接Ａｇ／ＡｇＣｌを塗布した例である。
この場合、参照極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）６２が対極６３と接している部分の面積がそのままオーミックコンタクトを形成している。
【００１５】
図６ｂの例では、参照極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）６２が一部絶縁膜６１上に重なるように塗布されているので、参照極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）６２が対極６３にオーミックコンタクトを形成するのは対極６３に直接接している部分の面積となる。
【００１６】
図６ｃの例は、絶縁膜６１に予め隙間を設けておき、その上に参照極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）を塗布した例である。
この場合も参照極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）６２が対極６３にオーミックコンタクトを形成しているのは、対極１３に接した面積に限定される。
【実施例２】
【００１７】
図１に示す本発明のセンサに於いて、本発明の特徴をもっともよく表わすのは、対極１３、即ちその表面に、対極１３の面積より少ない面積でオーミックコンタクトを形成するように、Ａｇ／ＡｇＣｌの参照極１７を設けた、対極１３の部分である。
したがって、作用極と対極は必ずしも同一基板上に形成する必要はなく、基板を作用極部分と対極部分に切り離しても十分にその効果を発揮することは当然である。
また、対極の面積及びその上に形成されたＡｇ／ＡｇＣｌの参照極のオーミックコンタクトの面積が前記条件を満たす限り、作用極、対極の形状は平板状である必要もないことも明らかである。
【００１８】
図２に作用極と分離した形で形成された対極の例を示す。
図２において、２１は対極を示す。対極２１はカーボン、銀などの導電材料、又は絶縁体上にカーボン、銀等の導電材料を塗布して作られている。
２２はソケット又は把手で、対極２１の一端側に設けられており、対極を保持するとともに、その出力をリード線２３によって外部計測装置（図示せず）に接続するようになっている。
２４は接続境界用の絶縁層で、試験溶液液面に、この部位まで浸漬させるのが適当であることを示す指標となる。
【００１９】
本発明の電極においては、対極２１の表面に、対極２１の表面積より少ない面積でオーミックコンタクトを形成するようにＡｇ／ＡｇＣｌの参照電極２５を塗布したものである。
図２は対極の先端部に参照極２５を取り付けた例を示すが、その位置は先端部に限られるものではない。
【００２０】
上記構成の対極を試験溶液に浸漬し、一方適当な形状の作用極を同時に試験溶液に浸漬することによっても、実施例１に記載のセンサと同様の作用効果を得ることができる。
【００２１】
参照極の、対極にオーミックコンタクトを有している面積が、対極の面積より少ないことが重要である理由について図面に基づいて説明する。
図３は図１に示すような電極を持つセンサにおいて、対極面積に占めるＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極のオーミックコンタクト面積の比率を０％から１００％まで段階的に変化させた電極センサを使用し、出力電流のピーク値をリニアスイープボルタンメトリー（以下、ＬＳＶという）計測で得た例である。
ただし、二電極系で参照極と対極がオーミックコンタクトを持たない場合には、試験溶液等に存在する水分子に数十秒以上接触すると、適正な計測出力が得られなくなるため、０％は対象から外してある。
この図よりオーミックコンタクト面積比（以下面積比という）は出力値に影響を与えていないことがわかる。
また、個々の電極によるばらつきもあるので、図３は各面積比のサンプルを夫々複数個（Ｎ＝５０）用意し、夫々の面積比出力の平均値で表わしている。
【００２２】
図４は図３と同じ条件下で、Ａｇ／ＡｇＣｌの面積比によるピーク電流値のばらつきを表したものである。この図から相関関数は０．５８となり面積が小さくなるほど、出力のばらつきが小さくなる傾向にあることが分かる。
【００２３】
図８は、対極に対するオーミックコンタクトの面積比２５％の電極Ａを利用し、酵素の活性を測定した結果である。図９に測定に使用した電極Ａを示す。電極Ａは、基板９１の表面に対極９２と作用極９３と平行に設けたタイプであり、対極９２の表面には平行方向の一辺に沿って参照極９４が設けられている。対極９２と参照極９４とのオーミックコンタクトの面積比は対極９２の面積の２５％である。酵素はアルカリフォスファターゼ（ＡＬＰ）（ヒト胎盤由来）３８００ＫＡ／ｍＬ、基質はｐ−ｐｈｅｎｙｌ  ｐｈｏｓｐｈａｔｅ  １ｍｇ／ｍＬ、緩衝液は５０ｍＭ  Ｔｒｉｓ−ＨＣｌ，ｐＨ８．０を使用した。測定温度を２１℃と３６℃とし、各々の測定温度下において、ＡＬＰと基質溶液混合から２分ごとにピーク電流値を測定した。個々の電極によるばらつきを考慮し、測定温度２１℃、３６℃の夫々につきサンプルを複数個（ｎ＝３）用意して測定し、平均値をピーク電流値としている。図８から分かるように、各測定点（Ｘ軸：時間）におけるピーク電流値のばらつきは最大で５．７％程度であり、測定温度２１℃と３６℃の双方で良好な検量線が得られている。
【００２４】
例えばオーミックコンタクトの面積比を１００％とした電極(従来の電極)を用いて同様の測定を行った場合、図４の結果から電極は８％程度の測定誤差を生じることになるので、図８の２１℃の検量線を得ることが困難になると考えられる。本発明の電極は測定誤差が従来の電極よりも小さいため、測定誤差が大きな影響を与える低温領域での測定においても有効である。このようにピーク電流値のばらつきを低下させることは、バイオセンサなどの測定において非常に重要であり、本発明により従来行うことが困難であった物質も測定することが可能となる。
【００２５】
つぎに、対極に対するオーミックコンタクトの面積比が３％の電極Ｂを用いて性能評価を行なった。図１０は、電極Ｂを用いたセンサの例である。センサは図１と同様のタイプであり、オーミックコンタクト面積比が３％となるように対極１３表面にＡｇ／ＡｇＣｌの参照極１７を印刷したものを用いた。図１０の符号は図１の符号と同じである。電気化学測定は、６０μＭ−Ｈｏｅｃｈｓｔ  ３３２５８を用い、掃引速度１００ｍＶ／ｓｅｃのリニアスイープボルタンメトリー（ＬＳＶ）法にて行なった。
【００２６】
図１１及び表１にその測定結果を示す。対極に対するオーミックコンタクトの面積比が３％の電極Ｂを用いた場合、ピーク電流値が高く（図１１参照）、良好な電気化学応答が得られた。さらに、ピーク電流値のばらつきを算出したところ（ｎ＝１１）、ばらつきは２．７％と非常に小さい値が得られた（表１参照）。以上より、面積比３％の電極Ｂは、ピーク電流値及びばらつきのいずれについても良好な値を示し、非常に性能の良い電極であることがわかる。なお、Ａｇ／ＡｇＣｌの表面積比が０％の電極を用いた場合、良好なピーク電流値を得ることはできなかった。このことから、Ａｇ／ＡｇＣｌの参照電極は対極にごく僅かな面積であってもオーミックコンタクトをしていれば十分に測定が可能であり、さらに、従来のような対極の全面をＡｇ／ＡｇＣｌで覆っていたタイプの電極に比べ、性能（分解能または感度）が向上していると言える。
【表１】
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【００２７】
つぎに、図１０と同一タイプで、対極に対するオーミックコンタクトの面積比を０％以上６％以下の範囲で段階的に異ならせた電極を複数準備し、各々の電極を用いて各オーミックコンタクトの面積比における出力電流およびピークポテンシャルを測定した。参照極は対極表面にＡｇ／ＡｇＣｌを印刷することにより形成した。測定は、６０μＭ−Ｈｏｅｃｈｓｔ  ３３２５８を用い、掃引速度１００ｍＶ／ｓｅｃのリニアスイープボルタンメトリー（ＬＳＶ）法にて行なった。
【００２８】
図１２および図１３にその測定結果を示す。いずれの面積比の電極においても、十分な出力電流値を示し、ピークポテンシャルにおいて電位が安定傾向にあり、十分な電気応答反応が得られた。また、面積比１％以上の電極については、面積比１％未満の電極と比較して、出力電流値が高く、ピークポテンシャルにおいて電位が安定傾向を示し、好ましいことがわかる。さらに、面積比２％以上の電極については、面積比２％未満の電極と比較して、出力電流値が高く、ピークポテンシャルにおいても電位が安定的であり、良好な電気応答反応が得られた。なお、Ａｇ／ＡｇＣｌの表面積比が０％の電極を用いた場合、良好なピーク電流値を得ることはできなかった。以上の測定結果から、オーミックコンタクトの面積比は０よりも大であれば、従来のような対極の全面をＡｇ／ＡｇＣｌで覆っていたタイプの電極に比べ、性能（分解能または感度）が向上していると言える。さらに、今回用いた図１０と同一タイプの電極においては、１％以上、更に好ましくは２％以上であるといえる。
【００２９】
これらの結果から、Ａｇ／ＡｇＣｌの参照極は対象電極にごく僅かな面積であってもオーミックコンタクトをしていれば十分に測定可能であり、従来のような対極の全表面をＡｇ／ＡｇＣｌの参照極で覆っていた電極や、Ａｇ／ＡｇＣｌを対極として用いていた電極と比較すると、性能（分解能または感度）が良好であるといえる。さらに、対極に対するオーミックコンタクトの面積比が小さくなるほど性能が向上するが、対極に対するオーミックコンタクトの面積比が２％以下の範囲においては、若干の性能の低下が見られたことから、今回使用した電極に置いては、印刷したＡｇ／ＡｇＣｌが参照極として十分に機能することの出来る面積比は２％前後までであるといえる。以上の結果と電極製造の歩留り等を考慮すると、面積比が２％以上の範囲でより小さく形成することが好ましいことがわかる。補足するが、面積比が０％より大であり２％未満の範囲においては、面積比２％よりも性能は劣るものの、従来のような面積比１００％の電極等と比較すると性能は良好であり、Ａｇ／ＡｇＣｌ使用量の削減に伴う生産コストの低廉化や公害防止の効果は高いといえる。
【００３０】
補足するが、Ａｇ／ＡｇＣｌが全く存在しない（オーミックコンタクトの面積比が０％、つまり始めからＡｇ／ＡｇＣｌを印刷していない）場合においては、参照電極のない測定系を意味し、そもそもピーク電流値を得ることが出来ない。
【００３１】
さらに付け加えると、最適なオーミックコンタクトの面積比は、測定対象や条件により異なることは言うまでもなく、本発明はその面積を限定するものではない。
例えば、図８において３６℃の検量線を得たい場合は、従来の電極（オーミックコンタクトの面積比１００％）や表面積比が高い電極であっても測定可能である。また、図８では、オーミックコンタクトの面積比２５％を利用して実施例を示したが、実際にバイオセンサなどを開発・販売する場合、電極作製に伴う工程数やコスト、要求される性能（分解能または感度）などを考慮する必要があり、常にＡｇ／ＡｇＣｌの表面積比を小さくした電極が有効であるとは言い難い。つまり本出願は、Ａｇ／ＡｇＣｌの表面積比が小さくなるにつれて電極の性能（分解能または感度）が向上することについての発明であり、その面積比を限定するものではない。
【００３２】
図５ａのグラフは加工時熱履歴が多少過剰な場合のＬＳＶ計測出力波形の一例で、横軸をスイープ電圧（Ｖ）、縦軸を出力電流（μＡ）で表わしている。
図５ｂは、図５ａのグラフにおける立ち上がり部（楕円部分）を拡大して表示したものである。
【００３３】
一般にこの種の測定では、出力変化の立ち上がりは、その部分の傾きが連続的に変化するが、図５の例では電極作成時の熱履歴により、立ち上がり部の傾きが連続的でなくなり、約０．４〜０．５５ｖの範囲で不安定な領域があることを示している。
同時に面積比によりその状況が変化している。
即ち１００％（実線）のものは緩慢で変動のある立ち上がりを示すが、１０％（点線）では急峻となり、立ち上がり部の傾きも連続傾向を持つようになる。
これは印刷されたペースト素材の加工時熱履歴に起因する歪み、拡散等により、電極が潜在的に持つノイズ要因がＡｇ／ＡｇＣｌの面積を小さくすることで軽減される傾向を持つことを示している。
このグラフからＡｇ／ＡｇＣｌのオーミックコンタクト部面積は小さいことが好ましいが、８０％の場合でも１００％の場合に比すると、はるかに優れていることがわかる。また２０％程度以下が好ましいことがわかる。
【００３４】
参照電極を構成するＡｇ／ＡｇＣｌの、対極とのオーミックコンタクト面積が対極の面積と同じ（１００％）の場合、出力電流のばらつきが多く、好ましくない理由は必ずしも明確ではないが、おおよそ次ぎの理由によるものと思われる。
本来Ａｇ／ＡｇＣｌは参照電極として基準電位を与える作用をするが、それ以外に加工上の熱履歴によりＡｇ／ＡｇＣｌ内での拡散・分散、対極との拡散等の影響を受け、また、同様に対極、作用極も熱履歴の影響を受け、潜在的にノイズの発生源を有していて、電圧印加時に電子の移動に影響を及ぼす。
電気化学計測のように微小電流を扱う上では、このノイズ状の影響は無視できない。
図４で示された傾向は、Ａｇ／ＡｇＣｌのオーミックコンタクト面積を小さくすることで、出力ばらつきを大きくする大きな要因を減少させることができることを示している。
以下の結果から、面積比は小さければ小さいほど良いことになる。
図５から、面積比は約２０％程度以下が好ましいが、電極の形成工程及び完成した電極の再現性などを考慮した範囲で選定することになる。
例えば、対極面積が小さい場合、更に小さなＡｇ／ＡｇＣｌを印刷することには限界がるが、この場合、図６ｂのように印刷可能な大きさのＡｇ／ＡｇＣｌパターンの位置をずらして、所定の面積比になるように印刷することも可能である。
また、図６ｃのように、絶縁膜を用いて対極に微細な空隙を作り、これを用いてＡｇ／ＡｇＣｌと対極のオーミックコンタクトをもたせることも可能である。
一般にＤＮＡ反応の検出で、電極及びセンサは一度の計測にのみ耐え得るとされているが、本発明の電極及び当該センサでは、複数回の使用に耐えるという知見も得られている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のセンサの例を示す平面図。
【図２】本発明の電極の例を示す模式図。
【図３】電極の出力を表わしたグラフ。
【図４】オーミックコンタクトの面積と出力の関係を表わした図。
【図５ａ】ＬＳＶ計測を行なったときの出力波形の一例を表わす図。
【図５ｂ】図５ａの（楕円部分）を拡大して表示した図
【図６】オーミックコンタクトを形成する例を示す図。
【図７】電気化学計測用センサの一般的な構造を表わす図。
【図８】オーミックコンタクトの面積比を２５％とした電極を利用して性能評価を行なった結果をグラフ化した図。
【図９】上記測定に使用したオーミックコンタクトの面積比が２５％の電極を示す図。
【図１０】オーミックコンタクトの面積比を３％としたときの電極の性能評価において利用した電極を示す図。
【図１１】上記面積比３％の電極の性能評価の結果をグラフ化した図。
【図１２】オーミックコンタクトの面積比と出力電流との関係をグラフ化した図。
【図１３】オーミックコンタクトの面積比とピークポテンシャルとの関係をグラフ化した図。
【符号の説明】
【００３６】
１１    基板
１２    作用極
１３    対極
１４    作用極の外部接続用配線
１４ａ  基板の端部
１５    対極の外部接続用配線
１５ａ  基板の端部
１６    絶縁膜
１７    参照電極
７１    反応セル
７２    容器
７３    センサ
７３ａ  基板
７３ｂ  作用極
７３ｃ  対極
７４    ソケット
７５    リード線
７６    試験溶液
９２    対極
９３    作用極
９４    参照極
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006023291.tif 000012
【図９】
2006023291.tif 000013
【図１０】
2006023291.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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