(57)【要約】      （修正有）【課題】  感度を向上することができる電気化学測定用電極と、この電気化学測定用電極を含む電気化学測定用装置と、この電気化学測定用装置を用いた電気化学測定方法とを提供する。【解決手段】  液体試料中の物質を電気的に検出する電気化学測定に用いられる電気化学測定用電極１であって、絶縁性基板２，７と、絶縁性基板２，７上に設置された作用電極１１，１２と、を含み、作用電極１１，１２の周縁の少なくとも一部に凹凸が形成されている電気化学測定用電極１である。また、絶縁性基板２，７と、絶縁性基板上２，７において互いに向かい合うようにして設置されている第１作用電極５，１８と第２作用電極６，１５とを含み、第１作用電極５，１８には第１作用電極５，１８を貫通して第２作用電極６，１５の表面を露出する孔が形成され、孔の周縁の少なくとも一部に凹凸が形成されている電気化学測定用電極１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体試料中の物質を電気的に検出する電気化学測定に用いられる電気化学測定用電極であって、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に設置された作用電極と、を含み、前記作用電極の周縁の少なくとも一部に凹凸が形成されていることを特徴とする、電気化学測定用電極。
【請求項２】
前記作用電極は第１作用電極と第２作用電極とを含み、前記第１作用電極と前記第２作用電極とにそれぞれ異なる電位を与えることによって、前記第１作用電極で前記物質を酸化または還元することができ、前記第１作用電極で酸化または還元された前記物質を前記第２作用電極で還元または酸化することができることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学測定用電極。
【請求項３】
前記第１作用電極と前記第２作用電極との間隔が２０ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気化学測定用電極。
【請求項４】
液体試料中の物質を電気的に検出する電気化学測定に用いられる電気化学測定用電極であって、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上において互いに向かい合うようにして設置されている第１作用電極と第２作用電極とを含み、前記第１作用電極には前記第１作用電極を貫通して前記第２作用電極の表面を露出する孔が形成され、前記孔の周縁の少なくとも一部に凹凸が形成されていることを特徴とする、電気化学測定用電極。
【請求項５】
前記第１作用電極と前記第２作用電極とにそれぞれ異なる電位を与えることによって、前記第１作用電極で前記物質を酸化または還元することができ、前記第１作用電極で酸化または還元された前記物質を前記第２作用電極で還元または酸化することができることを特徴とする、請求項４に記載の電気化学測定用電極。
【請求項６】
前記絶縁性基板上に参照電極および対向電極の少なくとも一方が設置されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の電気化学測定用電極。
【請求項７】
前記凹凸は、山形状、波形状および方形状からなる群のうち少なくとも１種の形状からなることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の電気化学測定用電極。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の電気化学測定用電極と、前記液体試料を収容するための容器と、を含む、電気化学測定用装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電気化学測定用装置を用いて前記液体試料中の前記物質を電気的に検出する工程を含む、電気化学測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学測定用電極、電気化学測定用装置および電気化学測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学測定法は、液体試料中に電気化学測定用電極を浸漬し、液体試料中の物質が電気化学測定用電極に接触したときに起こる酸化反応または還元反応の際に電気化学測定用電極に流れる電流をモニタすることによって、液体試料中の物質を電気的に検出する方法である。
【０００３】
従来から、電気化学測定法は、水中、有機溶媒中または生体中などに含まれるイオンや分子の定性分析などに用いられている。このような電気化学測定法に用いられる電気化学測定用電極が、たとえば特許文献１に開示されている。この電気化学測定用電極は、絶縁性基板上に形成された複数の帯状の作用電極、対向電極および参照電極を有している。
【０００４】
図６の模式的な拡大平面図に、従来の電気化学測定用電極の作用電極部分の一例を示す。この電気化学測定用電極においては、互いに平行な一対のリード部９、１０と、各リード部から他方のリード部に向かって延び、それぞれ互い平行に１本ずつ交互に形成されている複数の帯状の作用電極１１、１２とが絶縁性基板７上に形成されている。このような電気化学測定用電極は、フォトリソグラフィ技術を利用した微細加工技術によって形成することができる。
【０００５】
この電気化学測定用電極を液体試料中に浸し、作用電極１１と作用電極１２とにそれぞれ異なる電位を与えると、隣接する作用電極間で酸化還元サイクル（レドックスサイクル）が起こり、電流応答を電気的に増幅することができる。すなわち、液体試料中の物質が、たとえば作用電極１１で酸化された後に、その作用電極１１に隣接する作用電極１２で還元されるというサイクルが繰り返され、その結果、見かけの電流量を増大させることができる。したがって、電気化学測定用電極を用いた電気化学測定方法は、液体試料中の微量な物質の検出に好適に用いられる。
【０００６】
また、電気化学測定用電極を用いた電気化学測定方法には、液体試料を強制対流させることなく電気化学測定が可能、ＩＲドロップが小さいおよび反応速度の速い反応の分析が可能といった特徴がある。
【０００７】
さらに、電気化学測定用電極を用いた電気化学測定方法は、抗原や抗体といったタンパク質の測定にも応用されている。たとえば、微量の抗原を検出する際は、抗原をマイクロビーズや基板に固定化された一次抗体と反応させて固定化し、その固定化した抗原に酵素標識された二次抗体を反応させ固定化する。その際、固定化される二次抗体は抗原の量に比例する。さらに、二次抗体の標識酵素に基質を反応させレドックス種を生成し、その生成したレドックス種を、レドックスサイクルを利用して測定することで、抗原の濃度を間接的に測定する競合法が用いられている。
【０００８】
また、図８に、特許文献２に記載されている電気化学測定用電極の模式的な斜視図を示す。この電気化学測定用電極においては、シリコン基板１４上に形成された、酸化膜１３、第２作用電極１５、二酸化シリコン膜１７および第１作用電極１８がこの順序で形成されており、第１作用電極１８の表面には複数の円形状の孔２０が配列されている。これらの孔２０は第１作用電極１８および二酸化シリコン膜１７を貫通しており、孔２０からは第２作用電極１５の表面が露出している。
【特許文献１】特開平１−２７２９５８号公報
【特許文献２】特許第２５６６１７３号公報
【特許文献３】特開平３−２２１８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１および特許文献２に開示されている電気化学測定用電極においては感度が十分でないという問題があった。そこで、特許文献３においては、同一基板上に作用電極と作用電極電流増幅用のオペレーションアンプを形成することによって感度を向上させた電気化学測定用電極が開示されている。しかし、この電気化学測定用電極は、製造工程数が多いため、製造コストが高くなるという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、感度を向上することができる電気化学測定用電極と、この電気化学測定用電極を含む電気化学測定用装置と、この電気化学測定用装置を用いた電気化学測定方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、液体試料中の物質を電気的に検出する電気化学測定に用いられる電気化学測定用電極であって、絶縁性基板と、絶縁性基板上に設置された作用電極と、を含み、作用電極の周縁の少なくとも一部に凹凸が形成されていることを特徴とする電気化学測定用電極である。
【００１２】
ここで、本発明の電気化学測定用電極において、作用電極は第１作用電極と第２作用電極とを含み、第１作用電極と第２作用電極とにそれぞれ異なる電位を与えることによって、第１作用電極で物質を酸化または還元することができ、第１作用電極で酸化または還元された物質を第２作用電極で還元または酸化することができる。
【００１３】
また、本発明の電気化学測定用電極においては、第１作用電極と第２作用電極との間隔を２０ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
【００１４】
また、本発明は、液体試料中の物質を電気的に検出する電気化学測定に用いられる電気化学測定用電極であって、絶縁性基板と、絶縁性基板上において互いに向かい合うようにして設置されている第１作用電極と第２作用電極とを含み、第１作用電極には第１作用電極を貫通して第２作用電極の表面を露出する孔が形成され、孔の周縁の少なくとも一部に凹凸が形成されていることを特徴とする電気化学測定用電極である。
【００１５】
ここで、本発明の電気化学測定用電極においては、第１作用電極と第２作用電極とにそれぞれ異なる電位を与えることによって、第１作用電極で物質を酸化または還元することができ、第１作用電極で酸化または還元された物質を第２作用電極で還元または酸化することができる。
【００１６】
また、本発明の電気化学測定用電極においては、絶縁性基板上に参照電極および対向電極の少なくとも一方が設置されていてもよい。
【００１７】
また、本発明の電気化学測定用電極において、凹凸は、山形状、波形状および方形状からなる群のうち少なくとも１種の形状からなることができる。
【００１８】
また、本発明は、上記のいずれかの電気化学測定用電極と、液体試料を収容するための容器と、を含む、電気化学測定用装置である。
【００１９】
さらに、本発明は、上記の電気化学測定用装置を用いて液体試料中の物質を電気的に検出する工程を含む電気化学測定方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、感度を向上することができる電気化学測定用電極と、この電気化学測定用電極を含む電気化学測定用装置と、この電気化学測定用装置を用いた電気化学測定方法とを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２２】
図１に、本発明の電気化学測定用電極の好ましい一例の模式的な平面図を示す。本発明の電気化学測定用電極１は、絶縁性基板２上に形成された３本の帯状の第１作用電極５と３本の帯状の第２作用電極６とを含み、３本の第１作用電極５は導電性のリード部４によって電気的に接続され、３本の第２作用電極６は導電性のリード部３によって電気的に接続されている。そして、第１作用電極５の周縁の一部および第２作用電極６の周縁の一部にはそれぞれ凹凸が形成されている。第１作用電極５の長さＬ１と第２作用電極６の長さＬ１は、それぞれたとえば２０００μｍ以下とすることができる。また、第１作用電極５および第２作用電極６の形成本数は特に限定されず、第１作用電極５と第２作用電極６を１対としてたとえば５０対から１００対程度設置することもできる。また、第１作用電極５と第２作用電極６が形成された絶縁性基板と同一の絶縁性基板上に参照電極および対向電極の少なくとも一方を設置することもできる。
【００２３】
ここで、絶縁性基板２としては、たとえば表面に酸化膜などの絶縁性材料が形成されたシリコン基板、石英基板、酸化アルミニウム基板、ガラス基板またはプラスチック基板などを用いることができる。また、第１作用電極５および第２作用電極６は導電性材料から構成することができ、第１作用電極５および第２作用電極６を構成する導電性材料としては、たとえば金、白金、銀、クロム、チタンまたはステンレスなどを用いることができる。また、参照電極としては、たとえばＡｇ／ＡｇＣｌ電極、飽和カロメル電極または水素電極などを用いることができる。さらに、対向電極としては、たとえば白金電極またはカーボン電極などを用いることができる。
【００２４】
図３に、図１に示す本発明の電気化学測定用電極１を用いた電気化学測定用装置の模式的な構成図を示す。図３に示す電気化学測定用装置において、容器３０には液体試料３１が収容されており、液体試料３１中には参照電極２１、電気化学測定用電極１および対向電極２５がそれぞれ浸漬させられている。そして、電気化学測定用電極１の第１作用電極５はリード部４を介してデュアル用ポテンショスタット２２に接続され、第２作用電極６はリード部３を介してポテンショスタット２３に接続されている。また、参照電極２１はデュアル用ポテンショスタット２２およびポテンショスタット２３に接続されており、対向電極２５はポテンショスタット２３に接続されている。さらに、ポテンショスタット２３はファンクションジェネレータ２４に接続されている。
【００２５】
ここで、第１作用電極５と第２作用電極６とにそれぞれ異なる電位を与えることによって、電気化学測定用電極１の第１作用電極５と第２作用電極６との間で行なわれるレドックスサイクルを利用して液体試料３１中の物質を電気的に検出することができる。図３に示す電気化学測定装置においては、デュアル用ポテンショスタット２２によって第１作用電極５に与えられる電位を一定とし、ファンクションジェネレータ２４によって第２作用電極６に与えられる電位を変化させることによって、第１作用電極５と第２作用電極６とにそれぞれ異なる電位を与えることができる。
【００２６】
図７に、本発明の電気化学測定用電極におけるレドックスサイクルの一例を図解する模式的な断面図を示す。ここで、図７は図１のＶＩＩ−ＶＩＩに沿った模式的な断面図である。図７に示すように、たとえば液体試料中の物質であるＲｅｄは第１作用電極５によって酸化されてＯｘとなった後に第１作用電極５に隣接する第２作用電極６によって再度還元されて元のＲｅｄに戻る。このとき、第１作用電極５および第２作用電極６にそれぞれ電流が流れ、この電流によって液体試料中の物質が電気的に検知される。これは、液体試料中の物質が第１作用電極５によって還元された後に第１作用電極５に隣接する第２作用電極６によって酸化される場合も同様である。そして、単位時間当たりのレドックスサイクル数が多いほど、単位時間当たりに第１作用電極５および第２作用電極６に流れる電流量が増加するため感度が高くなる。
【００２７】
本発明においては、第１作用電極５および第２作用電極６のそれぞれの周縁に凹凸が形成されていることから、単位時間当たりのレドックスサイクル数を増加することができるため感度をより向上することができる。
【００２８】
すなわち、本発明においては、作用電極の周縁の少なくとも一部に凹凸を形成することによって、周縁に凹凸が形成されていない従来の作用電極と比べて液体試料中の物質の接触領域を広げることができるため、作用電極の周縁部でより多くの酸化物質または還元物質（レドックス種）を生成することができる。これにより、隣接する作用電極との間におけるレドックス種の濃度差をより大きなものとすることができるため、隣接する作用電極へのレドックス種の拡散をより促進することができる。さらに、本発明において、上記凹凸は隣接する作用電極への到達時間の最も短い作用電極の周縁に形成されている。したがって、本発明においては、作用電極の周縁の少なくとも一部に凹凸を形成することによって、隣接する作用電極へのレドックス種の拡散効率が向上し、単位時間当たりのレドックスサイクル数を従来よりも大幅に増加することができるため、感度を向上することができるのである。
【００２９】
図２に、図１の破線Ａで囲まれた部分の模式的な拡大平面図を示す。図２に示すように、第１作用電極５の周縁および第２作用電極６の周縁にはそれぞれ山形状の凹凸が形成されている。ここで、第１作用電極５と第２作用電極６との間隔Ｇ１が２０ｎｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。これは、本発明者が鋭意検討した結果、間隔Ｇ１が２０ｎｍ以上１０μｍ以下である場合には、第１作用電極５および第２作用電極６のそれぞれに流れる電流量が増加し、感度をより向上することができる傾向にあることを見出したことによるものである。ここで、図２に示す間隔Ｇ１は、第１作用電極５と第２作用電極６の隣接方向における、第１作用電極５の電極外側への最突出部と電極内側への最突出部との中点と、第２作用電極６の電極外側への最突出部と電極内側への最突出部との中点との間の距離を示している。また、感度をさらに高めることができ、第１作用電極５および第２作用電極６の形状を大きく変化させないという観点からは、第１作用電極５および第２作用電極６の凹凸の高さＷ２は第１作用電極５および第２作用電極６の幅Ｗ１の１／２以下とすることが好ましい。第１作用電極５および第２作用電極６の幅Ｗ１はたとえば２０ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。また、第１作用電極５および第２作用電極６の厚さはたとえば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。
【００３０】
また、第１作用電極５および第２作用電極６の凹凸の形状は、たとえば図４の模式的な拡大平面図を示すような波形状とすることもでき、たとえば図５の模式的な拡大平面図を示すような方形状とすることもできる。
【００３１】
図１に示す本発明の電気化学測定用電極１は、たとえばフォトリソグラフィ技術を利用して作製することができる。すなわち、たとえば、まず、絶縁性基板２上に、周縁に凹凸を有する第１作用電極５および第２作用電極６の形状に開口部が形成されたレジスト膜を設置する。次に、このレジスト膜の開口部に第１作用電極５および第２作用電極６を構成する導電性材料を堆積する。最後に、レジスト膜を除去することによって、図１に示す電気化学測定用電極１を作製することができる。
【００３２】
図１０に、本発明の電気化学測定用電極の好ましい一例の模式的な斜視図を示す。この電気化学測定用電極１においては、絶縁性基板２上には絶縁膜２６、第２作用電極６、絶縁膜２７および第１作用電極５がこの順序で形成されている。ここで、絶縁性基板２上において第１作用電極５と第２作用電極６とは互いに向かい合うようにして設置され、第１作用電極５には第１作用電極５を貫通して第２作用電極６の表面を露出する孔２０が形成されており、孔２０の周縁の少なくとも一部に凹凸が形成されていることに特徴がある。この場合にも、孔２０の周縁に形成されている凹凸よって液体試料中の物質の接触領域を広くすることができるため、孔２０の周縁部でより多くのレドックス種を生成することができ、第２作用電極６との間におけるレドックス種の濃度差をより大きなものとして隣接する第２作用電極６へのレドックス種の拡散をより促進することができる。したがって、この場合にも、レドックス種の拡散効率が向上し、単位時間当たりのレドックスサイクル数を従来よりも大幅に増加することができるため、感度を向上することができる。
【００３３】
図９に、図１０の破線Ｂで囲まれた部分の模式的な拡大平面図を示す。図９に示すように、孔２０の周縁にはそれぞれ山形状の凹凸が形成されている。ここで、孔２０の幅Ｗ１０は１０ｎｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。また、感度をさらに高めることができ、孔２０の形状を大きく変化させない観点から、凹凸の高さＷ１１および幅Ｗ１２は孔２０の幅Ｗ１０の１／１０以下とすることが好ましい。
【００３４】
図１０に示す本発明の電気化学測定用電極１も、たとえばフォトリソグラフィ技術を利用して作製することができる。すなわち、たとえば、まず、絶縁性基板２上に、絶縁膜２６、第２作用電極６、絶縁膜２７および第１作用電極５を構成する導電性材料をこの順序で形成する。次に、周縁に凹凸を有する孔２０の形状に開口部が形成されたレジスト膜を設置する。続いて、第１作用電極５を構成する導電性材料をレジスト膜の開口部の形状にエッチングして除去することによって、第２作用電極６の表面を露出させる。最後に、レジスト膜を除去することによって、図１０に示す電気化学測定用電極１を作製することができる。
【００３５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の電気化学測定用電極は、たとえばバイオセンサ、アレルゲンセンサ、ＤＮＡチップまたはμＴＡＳ（マイクロ総合分析システム）などに好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の電気化学測定用電極の好ましい一例の模式的な平面図である。
【図２】図１の破線Ａで囲まれた部分の模式的な拡大平面図である。
【図３】図１に示す本発明の電気化学測定用電極を用いた電気化学測定用装置の模式的な構成図である。
【図４】本発明の電気化学測定用電極の作用電極の凹凸の形状の他の好ましい一例を示す模式的な拡大平面図である。
【図５】本発明の電気化学測定用電極の作用電極の凹凸の形状のさらに他の好ましい一例を示す模式的な拡大平面図である。
【図６】従来の電気化学測定用電極の作用電極部分の一例を示す模式的な拡大平面図である。
【図７】本発明の電気化学測定用電極におけるレドックスサイクルの一例を図解する模式的な断面図である。
【図８】従来の電気化学測定用電極の模式的な斜視図である。
【図９】図１０の破線Ｂで囲まれた部分の模式的な拡大平面図である。
【図１０】本発明の電気化学測定用電極の好ましい一例の模式的な斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  電気化学測定用電極、２，７  絶縁性基板、３，４，９，１０  リード部、５，１８  第１作用電極、６，１５  第２作用電極、１１，１２  作用電極、１３  酸化膜、１４  シリコン基板、１７  二酸化シリコン膜、２０  孔、２１  参照電極、２２  デュアル用ポテンショスタット、２３  ポテンショスタット、２４  ファンクションジェネレータ、２５  対向電極、２６，２７  絶縁膜、３０  容器、３１  液体試料。
【図１】
2006250560.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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