(57)【要約】【課題】作用電極素子の貴金属膜下地である密着層が露出し、測定溶液と接触して溶液測定時の電位変動要因となることを防止する構造を提供すること。【解決手段】作用電極素子に用いる金属膜を第一の金属膜と第二の金属膜の構成とし、第一の金属膜を形成後、露出する第一の金属膜表面に対してピンホールの無い第二の金属膜を被膜する。続いて、第二の金属膜表面にフェロセン誘導体等の酸化還元物質を固定化することによって電位差式センサ用の作用電極素子を完成させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成した第一の金属膜と、第一の金属膜表面に形成した第二の金属膜を備え、該第二の金属膜が第一の金属膜の露出する表面全体を覆う構造を備えたことを特徴とする電位差式センサ。
【請求項２】
請求項１記載の電位差式センサにおいて、
前記第一の金属膜表面と第二の金属膜表面の距離が５０ｎｍ以上であることを特徴とする電位差式センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電位差式センサにおいて、
前記第二の金属膜材料が、金，白金，銀から選択される貴金属を含むことを特徴とする電位差式センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の電位差式センサにおいて、
前記第一の金属膜材料が、前記基板および前記第二の金属膜と密着性が高い導電性の材料からなることを特徴とする電位差式センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の電位差式センサにおいて、
前記第一の金属膜材料がチタニウム，ニッケル，クロムから選択される金属を含むことを特徴とする電位差式センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の電位差式センサにおいて、
前記基板材料の、少なくとも第一の金属膜が形成される面が絶縁体であることを特徴とする電位差式センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の電位差式センサにおいて、
前記基板材料が、ガラス，表面酸化膜付きのシリコン，樹脂から選択される材料を含むことを特徴とする電位差式センサ。
【請求項８】
請求項３に記載の電位差式センサにおいて、
前記第二の金属膜表面に酸化還元性の化合物が固定化されていることを特徴とする電位差式センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の電位差式センサにおいて、
前記酸化還元性の化合物がフェロセン誘導体であることを特徴とする電位差式センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の電位差式センサにおいて、
前記測定溶液が、血清，血漿，尿等の生体試料を含む溶液であることを特徴とする電位差式センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電位差式センサにおいて、
前記測定溶液が、血清，血漿，尿等の生体試料と測定試薬とが反応を生じた後の混合溶液であることを特徴とする電位差式センサ。
【請求項１２】
測定対象となる溶液を導入する測定容器と、測定溶液と接触する参照電極と、作用電極素子と参照電極との間の電位差を測定する電位差計とを備えた電位差計測装置において、
請求項１〜１１のいずれかに記載の電位差式センサを備えることを特徴とする電位差計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、血液，尿などの生体試料中の測定対象成分の分析を行う電位差式センサ、及びそれを用いた電位差計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
臨床検査において、血液や尿などの生体試料中の成分を測定する分析方法は、測定試料と測定試薬を反応させた反応液の吸光度変化を測定する吸光光度法が主流であり、臨床検査においてはこの方式を自動化した生化学自動分析装置が主に用いられている。一方、光学系を利用しない測定法としては、電極を利用して検体試料中の測定対象物濃度を測定する電気化学的な測定方法があり、特に糖尿病患者の自己血糖測定装置のような、小型で患者自らが利用できる装置において採用されている。電気化学的測定法には、測定対象物と試薬の反応の結果、作用電極素子に流れる電流値を測定する電流計測方式と、測定対象物と試薬の反応の結果、変化する作用電極と参照電極間の電位の変化を計測する電位差計測方式がある。例えば、特許文献１に、このような電位差計測方式が記載されている。
【０００３】
近年、作用電極基板上の電極パターンを微細化することで、使用する検体量の微量化を図り、複数の電極を一枚の基板上に集積することで多項目の同時測定に対応したセンサが開発されている。微細な電極パターンが形成可能な金属薄膜の形成手法として、スパッタリングや、蒸着といった手法が利用されているが、絶縁材料を基板とし、貴金属電極を成膜する場合、通常は絶縁材料となる基板と貴金属電極の層間に、チタニウムやニッケル等の下地層を導入するのが一般的である。スパッタリングや蒸着では、成膜時および成膜終了後の温度差によって生じる膜応力で貴金属電極膜が剥離するのを防ぐためである。またメッキではシード層となる金属膜が必要となるためである。電極素子の信頼性確保のため、この様な下地層は不可欠である。
【０００４】
しかしながら、密着層上に金属薄膜を形成後、金属被膜をエッチングして任意の構造に成形した場合、金属薄膜の端部から密着層が露出し、測定液と接触することにより貴金属電極表面で計測される電位に加えて、密着層電極の表面と溶液間で生じた電位が加算されることになり、電位測定値に誤差が生じ、測定対象物の濃度測定値の誤差要因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１２８８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記方法で電極形成した場合に、下地膜が測定対象の液体と接触することを防ぐ方法として、電極電位に影響を及ぼさないような絶縁体によって下地膜露出部をカバーし、貴金属膜部分のみを露出させる方法がある。
【０００７】
パターニングされた下地膜および貴金属膜をポリイミド等の有機絶縁膜によって保護し、その後、貴金属膜表面の任意の位置をドライエッチングやウエットエッチングによって除去し、電極表面を剥き出しにする方法が考えられる。この方法によって表面を剥き出しにする場合、電極表面の面積を規定することも同時に可能となる。
【０００８】
しかしながら、有機絶縁膜形成プロセスを新たに追加することによって生じる材料コストや、プロセスコストの増加は免れることはできない。この様な材料コストやプロセスコストの増加は最終的に電極コスト増加に反映されることになってしまう。また作用電極を剥き出しにするエッチングプロセスの際に、電極表面がダメージを受けてしまうことも課題の一つとなる。
【０００９】
本発明の目的は、実際の電位測定で問題となる電位変動影響因子を軽減することが可能な電極素子構造を形成するとともに、可能な限り単純なプロセスで電極素子を形成し、安価な電極センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明では、作用電極素子の下地層である第一の金属膜表面を一定膜厚の第二の金属膜で完全に覆う構造とし、下地層と測定溶液との接触を防止する。その後、第二の金属膜表面にフェロセン誘導体等の酸化還元物質を固定化することによって、電位差式センサ用の作用電極素子を形成することによって解決をはかるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば，測定溶液の電位測定で問題となる電位変動影響因子を軽減することが可能な電極素子構造を形成するとともに、可能な限り単純なプロセスで電極素子を形成し、安価な電極センサを提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明における、作用電極素子構造の望ましい形態を示した図である。
【図２】本発明における、作用電極素子の製造工程の一形態を示した図である。
【図３】本発明の実施例である電位差式センサ用作用電極素子のボルタモグラムを示した図である。
【図４】本発明を適用した電位差式センサ構成の一実施形態を示した図である。
【図５】第二の金属膜の膜厚が不十分なため、第一の金属膜の一部が露出した作用電極素子の構造の一例である。
【図６】第二の金属膜側面部の膜厚が不十分なため、第一の金属膜の一部が露出した作用電極素子の構造の一例である。
【図７】第二の金属膜角部の膜厚が不十分なため、第一の金属膜の一部が露出した作用電極素子の構造の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の開示する電位差式センサの作用電極素子の最も望ましい実施形態を図１に示す。
【００１４】
最も望ましい実施形態では、作用電極素子は、基板１０１上に形成された第一の金属膜１０２の表面全体に第二の金属膜１０３が形成されており、溶液測定時には第一の金属膜は測定溶液と接触しない構造をとる。
【００１５】
基板１０１は、耐水性が高く、湿度や温度の影響による形状の変化が小さく、測定溶液と化学的に反応を生じない材料であれば良い。なお本実施例では、コーニング１７３７をガラス基板として用いたが、表面に絶縁性の熱酸化膜を形成したシリコン基板や樹脂などを用いても良い。
【００１６】
第一の金属膜材料は、基板材料および第二の金属膜の双方との相性を考慮して決定すれば良い。ここでの相性とは、例えば、第二の電極をスパッタリングや蒸着で形成する場合には、プロセス前後の温度差によって生じた熱応力によっても、膜はがれが発生しないことを指し、また第二の電極をメッキプロセスで形成する場合には、メッキのシード層になる材料を選択することを指す。
【００１７】
本実施例では、第二の電極材料として、チタニウムを利用した例を示しているが、上記に述べた理由によって、ニッケル，クロムなどの金属を用いても良い。
【００１８】
第二の金属膜材料は、測定対象物の検出部位となる化合物の修飾が可能な金属であればよく、チオール化合物と結合できる金属である金が望ましい。
【００１９】
また、第二の金属膜１０３の膜厚は、第一の金属膜１０２まで貫通するピンホールが生じない膜厚であれば良い。本実施例で述べるように、コーニング１７３７ガラス基板上に第一の金属膜１０２をスパッタリングや蒸着方式によって成膜した場合、第一の金属膜１０２表面の平均自乗粗さ１０４は通常５ｎｍ以下となるが、部分的には最大で２０〜３０ｎｍ程度の突起１０５が生じる場合がある。
【００２０】
図５に示すように、突起５０４が生じた箇所の上部には第二の金属膜５０３を成膜する際に十分な膜が形成されない場合があるため、少なくとも、想定される突起高さよりも厚い膜を成膜することで対処するのが望ましい。
【００２１】
発明者らの成膜実験によって、第一と第二の金属膜表面の距離を少なくとも５０ｎｍ以上とすることにより、第一の金属膜上に突起があっても、第二の基板にピンホールなどの不良が生じないことが判明した。
【００２２】
図２に作用電極素子の製造方法について望ましい形態を示す。
【００２３】
初めに、基板２０１上に第一の金属膜２０２を成膜する（図２−（１））。本実施例では金属薄膜の成膜方式として一般的なスパッタリング方式を用いてチタニウム膜を形成しているが、電子ビーム蒸着等を用いて成膜してもよい。
【００２４】
続いて、フォトリソグラフィ工程，エッチング工程により第一の金属膜２０２に対してパターン形成を行う（図２−（２））。本実施例で用いたチタニウム成膜のエッチングは、例えば、燐酸，酢酸，硝酸の混合水溶液を用いたウエットエッチングによって行われる。エッチング工程後、第一の金属膜２０３ができ、上部のレジスト膜を除去する。
【００２５】
次に、第一の金属膜２０３の表面に第二の金属膜２０４を成膜する（図２−（３））。成膜方法は、第一の金属膜２０３の表面と第二の金属膜２０４表面の距離が５０ｎｍ以上となるように、第二の金属膜２０４で覆うことが可能な製造方法であれば良い。
【００２６】
ここで重要なのは、第二の金属膜２０４を第一の金属膜２０３の上面だけでなく側面や端部に対しても一定の膜厚で成膜がすることである。なぜならば、図６に示すように、第一の金属膜６０２の上面部のみに金薄膜が集中し、側面の膜厚が十分でない構造の場合、側面部の突起６０４表面を、第二の金属膜６０３で覆いきれず、欠陥が生じて電位変動要因となる場合があるためである。また、別の例として、図７のように第一の金属膜７０２の角部の膜厚が十分でない場合に、第一の金属膜の露出部７０４が生じて欠陥となる可能性が高いためである。
【００２７】
なお本実施例ではメッキ法を用いて第二の金属膜を形成しているが、成膜時に試料を回転させながら、スパッタリング，蒸着を用いて形成しても良い。
【００２８】
以下、本実施例で用いた電解メッキについて述べる。
【００２９】
第一の金属膜であるチタニウム膜表面に対して、第二の金属膜である金の成膜を電解メッキ法により行う場合は、メッキ工程前にチタニウム膜の前処理を行う。前処理工程は、脱脂，水洗，酸洗浄，活性化処理などの工程から成る。脱脂工程においては、水素脆化を避けるため、水素発生を伴う電解脱脂よりも、例えば水酸化ナトリウムを含む組成の液に浸水するなどの浸漬脱脂により行うことが望ましい。活性化処理工程としては、不動体被膜除去の点で、フッ素系処理液を用いることが望ましい。
【００３０】
メッキ条件は、基板や下地膜の種類，メッキを行う面積等により異なるが、一般的な金メッキを行う条件は、印加電圧２〜５Ｖ、電流密度は０.２〜１Ａ／dm2の条件下、シアン浴中で行う。シアン浴は比較的メッキが容易で得られるメッキの質が高いことから現在の主流となっているが、毒性が高いため非シアン化浴が用いられる場合がある。また、電流効率向上のため、浴中にピロリン酸カリウムや硫酸ヒドラジン，Ｌ−アスコルビン酸などを添加する場合や、膜厚の均一性向上のためニトロソ三酢酸やトリエチレンテトラミンなどを添加する場合もある。
【００３１】
なお本実施例では、メッキ法として電解メッキを用いた方法について記載したが、無電解メッキを用いて、同様の第二の金属膜を成膜することも可能である。
【００３２】
第二の金属膜の成膜後、酸化還元物質２０５を第二の金属膜表面に修飾することで、電位差式センサの作用電極素子構造が完成となる（図２−（４））。酸化還元物質はフェロセン誘導体を用い、本実施例においては、１１−フェロセニル−１−ウンデンカチオール（１１−ＦＵＴ）を用いた。
【００３３】
図３に、本実施例の方法で製作した作用電極素子に対し修飾したフェロセン誘導体の酸化還元挙動をサイクリックボルタンメトリで評価した結果３０１、と、第一の金属膜が露出した形状の作用電極素子に対し修飾したフェロセン誘導体の酸化還元挙動をサイクリックボルタンメトリで評価した結果３０２を示す。本実施例の方法で製作した作用電極素子（図１，図２のような素子）では、０.３Ｖ付近にフェロセン誘導体の酸化還元電位とほぼ一致するピークが表れているが、第一の金属膜が露出した作用電極素子（図５，図６，図７のような素子）では、本来０.３Ｖ付近にピークが生じるべきところ、実測では、０.２Ｖ付近から過大電流が生じ、酸化還元電位のピークが大きくずれて、目的とするフェロセン誘導体以外の物質の酸化還元反応が生じていることが判明した。目的の物質以外の酸化還元反応が生じると、測定時の電位変動要因となる。また、−０.２Ｖ〜０.７Ｖ間を３回電圧掃引した結果、第一の金属膜が露出した形状の作用電極素子では、一回目の電圧掃引の結果３０３と二回目の結果３０４と三回目の結果３０５で、電圧掃引の度に測定値が変化し、実際に使用する際にも測定の度に測定電位が変化してしまう可能性があることが判明した。このような問題があることから、可能な限り単純なプロセスで第一の金属膜の露出を防いだ形状の電極素子を形成する必要があった。本発明の実施例によると、第一の金属膜表面を第二の金属膜により保護することで、フェロセン誘導体に由来する酸化還元反応のみを計測することができ、第二の金属膜に由来する電位変動を抑制できることが判明した。
【００３４】
なお、サイクリックボルタンメトリ測定条件は以下の条件において実施した。
測定液：１Ｍ過塩素酸水溶液
参照電極：銀／塩化銀参照電極
対極：Ｐｔ電極
印加電圧：−０.２〜０.７Ｖ（同電圧間を三回計測）
掃引速度：０.１Ｖ／秒
【００３５】
図４に本発明の作用電極素子を適用した電位差式センサの一実施例を示す。
【００３６】
本実施例では、本発明の作用電極素子を適用した電位差式センサ構造は、測定溶液を添加する測定容器と、測定溶液と接触する作用電極素子および参照電極と、作用電極素子と参照電極との間の電位差を測定する電位差計から成る。
【００３７】
電圧計に接続された作用電極素子および参照電極は、測定容器内に固定され、一定量の測定溶液が導入されると作用電極素子と参照電極と接触し導通することで電位差計測が可能となる。
【００３８】
測定容器は、一定量の測定溶液を保持できる形状であればよく、カップ状であっても（図４−（ａ））、フィルタなどの多孔質材料に測定溶液を含浸させる構造であっても良い（図４−（ｂ））。
【００３９】
参照電極は、測定用液の組成に因らず一定の電位を安定して保つことのできる電極であれば良く、銀塩化銀電極，カロメル電極などの電極を用いることができる。本実施例では、内部液として飽和塩化カリウム水溶液を用いた銀塩化銀電極を使用した。
【００４０】
測定溶液は、血清，血漿，および尿などの生体試料を含む溶液であれば良く、測定対象項目に応じた組成の測定試薬と混合し反応を生じた混合溶液であっても良い。
【００４１】
測定試薬と試料は、測定容器内で混合しても、別途容器中で試薬と試料を混合し、反応を生じた後に測定容器に導入しても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１０１，２０１，５０１，６０１，７０１  基板
１０２，５０２，６０２，７０２  第一の金属膜
１０３，２０４  第二の金属膜
１０４  第一の金属膜表面の平均的な凹凸（５ｎｍ程度）
１０５  第一の金属膜表面の突起物
２０２  電極パターン形成前の第一の金属膜
２０３  電極パターン形成後の第一の金属膜
２０５  第二の金属膜表面に修飾したフェロセン誘導体
３０１  本発明の構造により第一の金属膜の露出を保護した作用電極素子のサイクリックボルタモグラム
３０２  第一の金属膜が露出した作用電極素子のサイクリックボルタモグラム
３０３  第一の金属膜が露出した作用電極素子の掃引回数１回目のサイクリックボルタモグラム
３０４  第一の金属膜が露出した作用電極素子の掃引回数２回目のサイクリックボルタモグラム
３０５  第一の金属膜が露出した作用電極素子の掃引回数３回目のサイクリックボルタモグラム
４０１  電圧計
４０２  作用電極素子
４０３  参照電極
４０４  測定容器
５０３  膜厚が十分でない第二の金属膜
５０４，６０４  露出した第一の金属膜表面の突起物
６０３  第一の金属膜の側面部の膜厚が十分でない第二の金属膜
７０３  第一の金属膜の角部の膜厚が十分でない第二の金属膜
７０４  露出した第一の金属膜
【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】
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【図６】
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【図７】
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