(57)【要約】      （修正有）【課題】ポンプを必要としないバッチ式での測定が可能であり、かつ、微小櫛形電極のような難易度の高い加工法を用いることなく容易に製造することが可能な、電気化学測定用マイクロチップを提供すること。【解決手段】電気化学測定用マイクロチップは、基板本体12,14と、該基板本体12,14内部に設けられた試料室10と、試料室10を挟んで互いに対向し、試料室10内面に露出する第１及び第２の作用電極18,20と、前記基板本体12,14に設けられ、前記試料室10内部に露出する参照電極22と、前記基板本体12,14に設けられ、前記試料室10内部に露出する対向電極24とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板本体と、該基板本体内部に設けられた試料室と、試料室を挟んで互いに対向し、試料室内面に露出する第１及び第２の作用電極と、前記基板本体に設けられ、前記試料室内部に露出する参照電極と、前記基板本体に設けられ、前記試料室内部に露出する対向電極とを具備する、電気化学測定用マイクロチップ。
【請求項２】
前記基板本体が、下部基板と上部基板から構成され、前記試料室は、該下部基板と上部基板の界面に設けられた細長い通路状の形状を有する請求項１記載のマイクロチップ。
【請求項３】
前記試料室は、断面が矩形であり、前記第１及び第２の作用電極は、該試料室の底面の一部及び天井面の一部を構成する請求項１又は２記載のマイクロチップ。
【請求項４】
前記第１及び第２の作用電極、参照電極並びに対向電極は、前記下部基板又は上部基板の表面上に形成された導電層から成る請求項２又は３記載のマイクロチップ。
【請求項５】
前記下部基板と、該下部基板の上面に形成された導電層から成る前記第１の作用電極と、両側面を感光性有機材料で形成され、前記第１の作用電極を底面の一部とする前記試料室と、前記上部基板と、該上部基板の下面に形成された導電層から成る前記第２の作用電極とを具備し、該第２の作用電極が前記試料室の天井面の一部を構成する請求項３又は４記載のマイクロチップ。
【請求項６】
前記参照電極及び前記対向電極が、下部基板の上面に形成された導電層から成る請求項５記載のマイクロチップ。
【請求項７】
酸化還元反応を行なう物質の溶液濃度を測定するためのものである請求項１ないし６のいずれか１項に記載のマイクロチップ。
【請求項８】
前記下部基板の上面上に、前記試料室の底面の一部を構成する前記第１の作用電極となる金属層を形成する工程と、前記下部基板の上面上に、フォトリソグラフィーにより前記試料室の両側面の下部部分を構成する感光性有機材料層を形成する工程と、一方、前記上部基板の下面上に、前記試料室の天井面の一部を構成する前記第２の作用電極となる金属層を形成する工程と、前記上部基板の下面上に、フォトリソグラフィーにより前記試料室の両側面の上部部分を構成する感光性有機材料層を形成する工程と、前記下部基板上に形成された前記感光性有機材料層の上面と、前記上部基板上に形成された前記感光性有機材料層の下面とを接着剤により張り合わせる工程とを含む、請求項５記載のマイクロチップの製造方法。
【請求項９】
前記下部基板の上面に、前記参照電極となる金属層を形成する工程と、前記対向電極となる金属層を形成する工程とをさらに含む、請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化還元反応を行なう物質の溶液濃度の測定等に用いられる電気化学測定用マクロチップ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学分析、生化学分析のための反応場を微小化することにより反応に要する時間を減少させる技術が注目されている。目的である物質の定量には光学的検出手法や電気化学的手法が取り入れられている。物質の定量を簡便で高感度に測定を行える技術が安全かつ低価格で実現できることが望まれている。
【０００３】
電気化学的手法を用いた測定では、測定物質に対してラベル化を行うことなく測定が行える上に、装置自体を小型化することが容易なために、持ち運び可能な検出システムを作製することが可能である。測定手法には、送液を伴う場合（フロー式）と伴わない場合（バッチ式）の２種類に分類される。フロー式においては連続測定が可能であるが微少量の液体を低速度で送液可能であるポンプが必要となり装置の小型化が難しい。一方、バッチ式の場合にはポンプが必要でないために持ち運び式の測定に適している。なお、分析装置に導入する、検査用のプレートはマイクロチップと呼ばれ、分析する液体を流すためにガラスやプラスチックに非常に細い溝が形成されている。
【０００４】
反応場が微小化されていない場合には、電極を微小化することで電極での電気化学反応が拡散律速し、限界電流が生じる。この限界電流値から物質の濃度を測定することが可能であることは広く知られている。しかしながら、微小化された反応場においては、電極を微小化することによっても上記のような限界電流を得ることができないという報告がされているために、送液を伴わないバッチ式の測定においては物質の定量を行うことが困難であった。
【０００５】
従来電気化学的な検出をマイクロチップで行う際には、例えば特開2000-121590のように電極が平面基板上に２次元的に形成されていた。このような場合には、バッチ式では上記理由から限界電流を形成することができないため定量的な測定が難しい。また、特開平05-223722のように二次元的な電極を櫛形状に並べて測定物質の酸化還元反応を利用することで反応に伴う電流を大幅に増大させる技術が存在するが、電極幅および電極間の距離を数μｍに制御する必要があるために加工が難しい。電気化学的な反応に伴う電流値は電極の面積に依存する。高感度の測定を可能にするためには電極面積を大きくする必要があるが、微小化された反応場においては、電気的な抵抗が大きくなるため電極面積を増大するには限界があった。平行平板型電極を配置したセルについては、特開平10-135540の例があるが、これは、参照電極、対向電極を有していないため、電位の制御を行うには問題があるため分析に用いるには適していない。
【０００６】
【特許文献１】特開2000-121590号公報
【特許文献２】特開平05-223722号公報
【特許文献３】特開平10-135540号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のような従来技術では、微小化された反応場において電気化学反応を利用して測定物質の濃度を測定するには微小櫛形電極のような難易度の高い加工法を導入しなければならず、生産効率が落ちるという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、ポンプを必要としないバッチ式での測定が可能であり、かつ、微小櫛形電極のような難易度の高い加工法を用いることなく容易に製造することが可能な、電気化学測定用マイクロチップ及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明者らは、鋭意研究の結果、電気化学反応を行なう試料室内の、作用電極に対向する面に第２の作用電極を設けることにより、バッチ式の測定でも電流の定常状態を作出することができ、これにより微小加工技術を用いることなく作製可能な電気化学測定用マイクロチップを提供できることに想到し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明は、基板本体と、該基板本体内部に設けられた試料室と、試料室を挟んで互いに対向し、試料室内面に露出する第１及び第２の作用電極と、前記基板本体に設けられ、前記試料室内部に露出する参照電極と、前記基板本体に設けられ、前記試料室内部に露出する対向電極とを具備する、電気化学測定用マイクロチップを提供する。また、本発明は、下部基板の上面上に、前記試料室の底面の一部を構成する前記第１の作用電極となる金属層を形成する工程と、下部基板の上面上に、フォトリソグラフィーにより前記試料室の両側面の下部部分を構成する感光性有機材料層を形成する工程と、一方、上部基板の下面上に、前記試料室の天井面の一部を構成する前記第２の作用電極となる金属層を形成する工程と、前記上部基板の下面上に、フォトリソグラフィーにより前記試料室の両側面の上部部分を構成する感光性有機材料層を形成する工程と、前記下部基板上に形成された前記感光性有機材料層の上面と、前記上部基板上に形成された前記感光性有機材料層の下面とを接着剤により張り合わせる工程とを含む、本発明のマイクロチップの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、ポンプを必要としないバッチ式での測定が可能であり、かつ、微小櫛形電極のような難易度の高い加工法を用いることなく容易に製造することが可能な、電気化学測定用マイクロチップが初めて提供された。本発明のマクロチップによれば、測定物質の濃度を簡便に短時間で測定することができる。また、ポンプを必要としないので、装置全体の小型化が可能であり、携帯して試料の採取場所において測定が可能である。したがって、本発明のマイクロチップは、各種臨床試験や環境調査等における化学分析や生化学分析等に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を、図面に基づいてさらに詳細に説明する。図１は、本発明のマイクロチップの好ましい１実施例の分解斜視図であり、図２は図１における破線で切断した断面図である。
【００１３】
本発明のマイクロチップは、基板本体と、該基板本体内部に設けられた試料室１０とを具備する。基板本体は、製造の容易さから、下部基板１２と上部基板１４とから構成されていることが好ましい。そして、試料室１０は、図１に示すように、下部基板と上部基板の界面に設けられた、両端が開口する細長い通路状の形状を有することが好ましい。図１及び図２に示す実施例では、試料室１０の側面（図２に示す断面の側面）は、下部基板１２と上部基板１４の間に設けられる感光性有機材料層１６（後述）により構成されていることが好ましい。なお、後述のように、試料室１０は、感光性有機材料層１６のフォトリソグラフィーにより形成することができる。試料室１０の対向する面上には、それぞれ第１の作用電極１８と第２の作用電極２０が形成されている。図示のように、試料室１０の断面が矩形であり、第１の作用電極１８が試料室１０の底面の一部を構成し、第２の作用電極２０が試料室１０の天井面の一部を構成することが好ましい。なお、第１の作用電極１８上で生成する酸化体（後述）をできるだけ多く捕らえるため、第２の作用電極２０は、第１の作用電極よりも長い（試料室１０の長手方向に長い）ことが好ましい。さらに、試料室１０の内部に露出する参照電極２２と、試料室１０内部に露出する対向電極２４とが形成されている。参照電極２２及び対向電極２４は、図１に示すように、下部基板１２の上面上に形成され、試料室１０の底面の一部をそれぞれ構成することが好ましい。各電極は、金属層のような導電層から成ることが好ましい。図示の例では、第１の作用電極１８、第２の作用電極２０、参照電極２２及び対向電極２４は、試料室１０の底面又は天井面の一部をそれぞれ構成するものであるが、配線を容易にするために、各電極にはそれぞれ端子領域１８ａ、２０ａ、２２ａ、２４ａが形成されていることが好ましい。各端子領域は、リード領域を介して試料室１０に露出する各電極に接続されている。また、試料室１０の両端の開口部の下側の下部基板１２には、切欠き部２６、２８を設けて、試料室１０への試料の注入及び試料室１０からの試料の排出を容易にすることが好ましい。
【００１４】
図１に示すマイクロチップは、例えば次のようにして製造することができる。試料室１０の両端開口部の下側に位置する下部基板１２の部分に、ダイシングソーにより切欠き２６及び２８を形成する。次いで、下部基板１２上に、第１の作用電極１８、参照電極２２及び対向電極２４を形成する（いずれの電極も端子領域及びリード領域を同時に形成する）。これらの電極は、下部基板１２の全面に金属層を真空蒸着した後、フォトリソグラフィーによりパターニングすることにより容易に形成することができる。なお、第１の作用電極１８及び対向電極２４は金で形成することが好ましく、参照電極２２は銀で形成することが好ましいので、この場合には、真空蒸着及びパターニングをそれぞれの金属について行なう。次いで、感光性有機材料（フォトレジスト）１６ａ（図２参照）を、試料室１０を形成する領域に塗布し、フォトリソグラフィーにより溝を形成する。溝は、その底面に第１の作用電極１８、参照電極２２及び対向電極２４が露出する位置に形成する。
【００１５】
一方、上部基板１４上に、金属の真空蒸着及びフォトリソグラフィーにより、第２の作用電極２０（端子領域２０ａ及びリード領域も）を形成する。第２の作用電極も金で形成することが好ましい。次いで、感光性有機材料（フォトレジスト）１６ｂ（図２参照）を、試料室１０を形成する領域に塗布し、フォトリソグラフィーにより溝を形成する。溝は、その底面（試料室１０の天井面になる）に第２の作用電極２０が露出する位置に形成する。
【００１６】
次いで、上記のように各電極を形成し、フォトレジストで溝を形成した下部基板１２と上部基板１４を接着剤で張り合わせる。この際、図２に示すように、下部基板１２上に形成された感光性有機材料層１６ａの上面と、前記上部基板上に形成された前記感光性有機材料層１６ｂの下面とが、丁度重なるように位置あわせを行い、これらを接着剤３０（図２参照）により張り合わせる。以上の工程により、図１及び図２に示すように、上下を下部基板１２と上部基板１４、側面を感光性有機材料層で囲まれた、細長い通路状の試料室１０が形成され、上記各電極は、この試料室１０の内部に露出している、本発明の好ましい実施例であるマイクロチップを製造することができる。
【００１７】
測定時の状態を模式的に図３に示す。測定時には、試料室１０内に、試料溶液を充填する。試料溶液は、通常、酸化還元反応を可逆的に行なう物質の溶液である。上記各電極の端子領域を、市販のデュアルポテンショスタット測定装置の所定の端子に接続し、周知のサイクリックボルタンメトリー(CV)又はクロノアンペロメトリー(CA)により測定を行うことができる。参照電極２２は、電位の基準となる。CVでは、例えば、第２の作用電極２に還元電位をかけ、一方、第１の作用電極１８には、掃引電位（すなわち、一定の速度で電位を変化させる）をかける。そうすると、図３に示すように、第１の作用電極１８と第２の作用電極２０の間で酸化還元反応が起きると共に、図３に示すように電流が流れる。この時の、第１の作用電極１８及び第２の作用電極２０に流れる電流（出力電流）の大きさをデュアルポテンショスタット測定装置で測定する。CAでは、第１の作用電極１８にも一定の電位をかける。CV及びCAにおける時間と電位の関係の１例をそれぞれ図４及び図５に示す。出力電流は、第１の作用電極１８と第２の作用電極２０の間で起きる酸化還元反応に影響を受け、測定物質の濃度が大きくなるほど出力電流が大きくなるので、出力電流を測定することにより、試料溶液の濃度を測定することができる。
【００１８】
以下、実施例に基づき本発明をより具体的に説明する。もっとも、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
実施例１    マイクロチップの作製
下部基板１２、上部基板１４ともに、長さ25 mm、厚さ0.5 mmのパイレックス（登録商標）ガラスを用いた。下部基板１２には分析する試料液体の導入口および排出口となる切欠き２６及び２８をダイシングソー（基板精密加工装置）により形成した（幅３００μｍ、深さ３００μｍ）。続いて下部基板１２上に金薄膜を真空蒸着法により形成し（金膜厚：約１００nm）、フォトリソグラフ技術により電極のパターニングを行った。この際、金はガラス基板への接着力が弱いためにクロム薄膜（クロム膜厚：約２０nm）を密着増強層として金薄膜を形成する前に真空蒸着法により形成した。金薄膜のパターニングにより、下部基板１２上に第１の作用電極１８（幅0.25 mm、長さ1 mm)及び対向電極２４（幅0.25 mm、長さ5 mm)を形成した。なお、図１に示す端子領域１８ａ及び２４ａ並びにそれらを各電極に接続するリード領域も各電極と一体に同時形成した。続いて、下部基板１２には参照電極２２となる銀電極（幅0.25 mm、長さ1 mm、銀膜厚：約１００nm）を金電極同様にクロム薄膜を密着増強層として使用し、真空蒸着法とフォトリソグラフ技術を利用して形成した。一方、上部基板１４上にも、下部基板１２の場合と同様な方法により金薄膜で第２の作用電極２０（幅0.25 mm、長さ5 mm)を形成した。端子領域２０ａ及びリード領域も一体に同時形成した。各電極を形成した下部基板１２および上部基板１４のぞれぞれに、厚膜フォトレジストをスピンコート法により均一に塗布し、選択露光により、試料室１０となる溝を形成した（幅２５０μｍ、深さ１５μｍ）。膜厚はフォトレジストの粘度及びスピン速度をコントロールすることで変化させることが可能である。これら２つの基板を溝が一致し、かつ、第１及び第２の作用極の中心が一致するように合わせた後に感光性接着剤３０を用いて接着させた。これにより、深さ３０μｍ、幅２５０μｍ、長さ２５mmの細長い通路状の試料室１０をもつマイクロチップを作製した。
【実施例２】
【００２０】
実施例２    測定
５００ｍＭの硫酸ナトリウム水溶液中にフェロシアン化カリウムを１０ｍＭの濃度に溶解した水溶液を調製した。この水溶液を実施例１で作製したマイクロチップの試料室に注入し、図３に示すように市販のデュアルポテンショスタット測定装置に接続し、CVを行い出力電流を測定した。第２の作用電極には、参照電極を基準として-0.1Vの電位を印加し、第１の作用電極は10 mV/sの速度で、参照電極に対し0Vから0.4Vまで、次いで0.4Vから0Vまで掃引した。
【００２１】
結果を図６に示す。図６中、Ｇは第１の作用電極を流れる出力電流、Ｃは第２の作用電極を流れる出力電流を表す。第１の作用電極に印加した電位が0.3V以上の場合、出力電流はほぼ一定となり、定常状態が実現された。したがって、試料溶液の濃度測定を正確に行うことができる。
【００２２】
比較例１    第２の作用電極なしの測定
実施例２において、第２の作用電極をデュアルポテンショスタット測定装置に接続しないことを除き、実施例２と同様な操作を行なった。なお、掃引速度は種々変化させた。結果を図７に示す。図７に示すように、出力電流には酸化還元ピークが現れて一定せず、試料溶液の濃度測定が困難であることがわかる。このように、第２の作用電極を用いない、従来のマイクロチップでは、バッチ式で、かつ、微細な櫛形電極を用いない場合には、正確な測定が困難であることがわかる。
【実施例３】
【００２３】
フェロシアン化カリウムの濃度が異なる複数の溶液を試料溶液として用い、実施例２と同じ操作を行い、定常状態時の出力電流を測定した。結果を図８に示す。図８に示すように、フェロシアン化カリウムの濃度の対数を横軸に、出力電流の対数を縦軸にとると、測定結果が直線上にきれいに並んだ。これにより、本発明のマイクロチップを用いて試料溶液の濃度が正確に測定可能であることが明らかになった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のマイクロチップの好ましい１実施例の分解斜視図である。
【図２】図１に示す破線で切断した断面図である。
【図３】本発明のマイクロチップを用いた測定方法及び動作原理を模式的に示す図である。
【図４】本発明のマイクロチップを用いてサイクリックボルタンメトリーを行なう場合の、時間と、第１の作用電極に印加する電位との関係の１例を示す図である。
【図５】本発明のマイクロチップを用いてクロノアンペロメトリーを行なう場合の、時間と、第１の作用電極に印加する電位との関係の１例を示す図である。
【図６】本発明の実施例において行なった、サイクリックボルタンメトリーの測定結果を示す図である。
【図７】比較例において行なった、第２の作用電極をデュアルポテンショスタット測定装置に接続することなく測定した、サイクリックボルタンメトリーの測定結果を示す図である。
【図８】本発明の実施例において、種々の濃度の試料溶液について測定した、濃度と出力電流の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０    試料室
１２    下部基板
１４    上部基板
１６    感光性有機材料層
１８    第１の作用電極
２０    第２の作用電極
２２    参照電極
２４    対向電極
２６    切欠き
２８    切欠き
３０    接着剤層
【図１】
2005172668.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005172668.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005172668.tif 000009
【図８】
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