(57)【要約】【課題】電気化学測定法のうちでも広く行なわれているアンペロメトリックな測定に用いる電気化学測定用電極に関し、特に簡便な構成で電極間の応答値の再現性に優れた測定用電極を提供することを目的とする。【解決手段】絶縁性基板１と、該絶縁性基板上に設けられる導電性膜２，３と、前記導電性膜の少なくとも一部を内部の領域に包含するように、絶縁性基板上および導電性膜上に環形粘着剤薄膜５を介して設けられる、実質的に環形に閉じた環形高分子膜４と、前記環形高分子膜の内部の領域にある絶縁性基板及び導電性膜の表面を全面的に被覆し、縁部を前記環形高分子膜と接し、前記環形粘着剤薄膜と融合する機能性膜７と、を有し、機能性膜７が環形粘着剤薄膜５に極めて安定に接合する。【選択図】図１
2005003593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板と、
該絶縁性基板上に設けられる導電性膜と、
前記導電性膜の少なくとも一部を内部の領域に包含するように、絶縁性基板上および導電性膜上に環形粘着剤薄膜を介して設けられる、実質的に環形に閉じた環形高分子膜と、
前記環形高分子膜の内部の領域にある絶縁性基板及び導電性膜の表面を全面的に被覆し、縁部を前記環形高分子膜と接し、前記環形粘着剤薄膜と融合する機能性膜と、
を有する電気化学測定用電極。
【請求項２】
前記機能性膜が、低分子化合物を選択的に透過する機能を有する選択透過膜である請求項１記載の電気化学測定用電極。
【請求項３】
前記機能性膜が、セルロースを基材とし、官能基として酢酸、プロピオン酸、酢酸基の少なくともひとつがエステル結合で導入されたセルロース誘導体を含む選択透過膜である請求項２記載の電気化学測定用電極。
【請求項４】
前記環形高分子膜が、ケトン系またはエーテル系溶剤に溶解しない成分からなる環形高分子膜である請求項３記載の電気化学測定用電極。
。
【請求項５】
前記粘着剤の薄膜が、天然ゴム系、アクリル系およびシリコン系から選択される少なくとも一つの粘着剤を主成分とする薄膜である請求項３の電気化学測定用電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気化学測定用電極に関し、更に詳しくは平板型電極上に再現性よく選択透過能を有する機能性膜を形成した電気化学測定用電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気化学測定法は光学的測定等の従来分析法に比べて試料マトリックスの影響が少なく比較的簡単な装置構成で高感度測定が可能な分析方法として注目されており、分析化学的手法として多用されている。中でも作用電極に流れる電流量を観察するアンペロメトリックな測定法は、試料溶液中の電気化学的に活性な物質の検出に広く用いられている。例えば、飽和カロメル電極等の参照電極に対して一定の電位に保たれた作用電極に流れる電流量から試料溶液中の過酸化水素や酸素など電気化学的に活性な物質の濃度を求めることは広くおこなわれている。
【０００３】
一方で、従来行われてきたアンペロメトリックな測定法は一定電圧で電解反応を実施するため電極反応自体に選択性に乏しいという欠点があった。近年、酵素・抗体・微生物菌体など生理活性物質の利用技術の進展にともない、これらの生理活性物質が示す生化学反応と電気化学分析を組み合せ、選択性が良く高感度な分析が可能となってきた。このような電極を利用したいわゆるバイオセンサは、臨床分析や発酵制御等の広範な分野に応用されている。
【０００４】
しかし、小型で安価な固定化酵素電極等の電気化学測定電極を再現性良く大量生産する技術の基礎となる機能性膜を形成する技術はいまだに汎用性に乏しく、簡便な手法が少なく、その確立が望まれている。
電極自体の大量生産方法としては、絶縁性基板上に膜状の電極を形成する方法が注目されている。このような平板状の電極に選択透過膜や酵素膜などの機能性膜を形成する方法がさまざま提案されている。この構成で電極全体を簡易化・小型化することにより、方式の異なる複数のセンサを一体に構成することも容易となり、今後発展が期待される。
【０００５】
基本的に絶縁性基板上に通常半導体製造時に用いられる、リフトオフ法・フォトエッチング法・マスク蒸着法・スクリーン印刷法・メッキ法などの加工技術を応用して板状または膜状に形成された導電性膜を形成し、その少なくとも作用電極部分を被覆するように選択透過膜や酵素膜等の機能性膜を設ける。このような平板状の電極の表面に選択透過膜や酵素膜等の機能性膜を形成する場合には、溶液状に調整した膜材を塗布し製膜する方法が簡便であるためによく用いられている。
【０００６】
すなわち、選択透過膜や固定化酵素膜を作成する場合を例示すれば、選択透過膜の膜材、または酵素と必要に応じて保護タンパク質などを共存させたおのおの適した溶媒に溶解した膜材溶液を塗布し、さらに必要ならば多官能基アルデヒド類等の架橋剤、あるいは必要ならばスチルバゾリウム基・ジアゾ基等の官能基を含む光架橋性重合体などの架橋剤と反応せしめ選択透過膜や固定化酵素膜などの機能性膜となす方法である。
【０００７】
これらの方法で、電極形状が平板状に形成されているために膜材溶液を電極基板面上に滴下しても不定形に溶液が広がり、膜厚と膜面積を規制し再現性のある機能性膜を形成することが困難であるため、検出部分となる作用電極表面上に再現性よく機能性膜を形成し、電極応答値の電極間での作成時のばらつきを小さくするためには複雑な工程と装置が必要であった。
同時に、絶縁性基板および導電性膜と機能性膜の密着性は必ずしもよくない場合が多く、膜の剥がれ等による不良品発生を減らす必要性がある。
【０００８】
まず塗布面の面積を規制する考え方として、絶縁基板上の機能性膜形成部分に枠体を設けて膜材溶液を一様に塗布して製膜することにより、機能性膜の製造再現性を向上する方法が紹介されている。例えば  特許文献１参照。
【０００９】
【特許文献１】
特開平２−６１５４８号公報（請求項１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように絶縁基板上の機能性膜形成部分に枠体を設けて膜材溶液を一様に塗布して製膜すれば、スピンコート法・スプレー法またはディップコート法などより機能性膜形成の再現性は向上する。ところがこの方法をとっても枠体部分境界で機能性膜材が枠体によりはじかれることにより薄くなったり、逆に枠体に機能性膜材溶液が乗り上げてしまったりすることにより膜の面積と厚みがばらつき、製造再現性が低下することがあった。同様に枠体と形成された機能性膜の付着強度が弱い場合には機能性膜の破壊の原因となり性能低下をもたらすことがあった。このような場合は、機能性膜の膜材溶液と絶縁性基板上に設けられた枠体はただ単に接触して互いに付着しているだけの状態であり、膜材溶液の蒸発が進行し製膜が進むに伴って接触部には機能性膜からの張力がかかることとなる。この張力が付着力より大きくなれば、膜材溶液または製膜された機能性膜と枠体との接続部に空隙が生じてしまい形成される機能性膜の面積と厚みがばらつき、製造再現性が低下することとなることが分かった。
【００１１】
すなわち従来行われてきた方法では、平板型電極上に機能性膜を再現性良く形成し、製造時における電極間の応答値のばらつきを小さくした電極を製造することは困難であった。特に機能性膜が選択透過膜の場合、ほんのわずかな空隙が生じたたけでも、本来除去されるべき物質が透過してしまうと同時に、目的物質の透過量が増大して異常な高感度を示すために結果的に再現精度が低下するなど望ましくない影響がある。
【００１２】
本発明は、電気化学測定法に用いる機能性膜を備えた平板型電極に関し、特に簡便な構成で電極間の応答値の再現性に優れた測定用電極を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電気化学測定用電極は、絶縁性基板と、該絶縁性基板上に設けられる導電性膜と、前記導電性膜の少なくとも一部を内部の領域に包含するように、絶縁性基板上および導電性膜上に環形粘着剤薄膜を介して設けられる、実質的に環形に閉じた環形高分子膜と、前記環形高分子膜の内部の領域にある絶縁性基板及び導電性膜の表面を全面的に被覆し、縁部を前記環形高分子膜と接し、前記環形粘着剤薄膜と融合する機能性膜と、を有する。
更に、機能性膜が、低分子化合物を選択的に透過する機能を有する選択透過膜であることが好ましい。
また、機能性膜が、セルロースを基材とし、官能基として酢酸、プロピオン酸、酢酸基の少なくともひとつがエステル結合で導入されたセルロース誘導体を含む選択透過膜であることが好ましい。
また、環形高分子膜が、ケトン系またはエーテル系溶剤に溶解しない成分からなる環形高分子膜であることが好ましい。
。
また、粘着剤の薄膜が、天然ゴム系、アクリル系およびシリコン系から選択される少なくとも一つの粘着剤を主成分とすることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の電気化学測定用電極の一例を図１及び２に示した。図１は本発明に係る電気化学測定用電極の平面図、図２は同図のＡＡ’断面図である。以下図について説明する。
【００１５】
絶縁性基板１は測定に用いる溶液に浸漬した時に必要な絶縁性を有する材料であればよい。よく測定対象になる溶液として水溶液を考えると、アクリル樹脂、フッ素樹脂、塩化ビニル等のプラスチック、セラミック、ガラス等の一般的な絶縁体を用いることが可能である。この絶縁性基板１上に、板状または膜状に形成する導電性膜２，３に用いる材料としては、金・銀・白金等の貴金属、あるいはカーボンなどを用いることが可能である。
【００１６】
導電性材料を用いて導電性膜を絶縁性基板上に形成する方法としては、蒸着法、スクリーン印刷法、および前記の方法と電気メッキを組み合せた方法など公知のものを利用できる。
セラミック等の焼成絶縁体の場合は、焼成前の絶縁性基板材料の表面に予め導電体微粒子を含むインク等で導電性膜のパターンを印刷等の手法で形成しておいてから焼成することにより、絶縁性基板と導電性膜の形成を同時に行うことも可能である。絶縁性基板に複数の導電性膜を設ける場合には必ずしも同一の材料である必要はなく、例えば白金と銀の組み合せのように異なる素材を用いることも可能である。また複数の板状または導電性膜の形成は同時である必要はなく、個別に行なうこともできる。
【００１７】
電極は、作用電極・対極より構成される２電極系、または作用電極・参照電極・対極より構成される３電極系を例示することができる。
【００１８】
このように絶縁性基板上に設けられた前記の導電性膜の少なくとも一部を内部の領域に包含するように、環形に閉じた環形高分子膜４を設置する。環形の具体的形状としては、方形状、円形状等、後に形成される機能性膜の表面を規定するのに好適な形状を選択する。用いることのできる環形高分子膜の種類は特に限定はしないがセルロース系フィルム、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタート、ナイロン、フッ素樹脂などの樹脂、またクロロプレンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴムなどのゴム系素材等の高分子素材を用いることができる。基本的に環形高分子膜の役割は機能性膜の形状を規定するわけであるから、機能性膜を溶解する溶剤に溶解しないことが望ましい。その点において各種溶剤に対する相溶性が低い点でフッ素樹脂系の膜が好適である。
【００１９】
環形高分子膜に粘着剤を塗布したものを用意し、絶縁性基板上に設けられた導電性膜の少なくとも一部を内部の領域に包含するように粘着剤層を密着させる。この際に粘着剤層も環形高分子膜に準じて必然的に環形になるので、環形粘着剤薄膜５となるわけである。これらの環形膜の内部の領域に機能性膜の膜材溶液を一定容量塗布し、溶媒を蒸発させて機能性膜を形成する。
【００２０】
このように膜材溶液に不溶の環形高分子膜で確保された一定の面積に対して、一定の濃度の機能性膜の膜材溶液を一定容量塗布して機能性膜を形成することにより、簡単に再現性の良い機能性膜を得ることができる。またこの時、機能性膜材溶液の溶媒として環形高分子膜を溶解せず、かつ粘着剤と親和性を有するものを利用すると、機能性膜と環形高分子膜の境界領域で機能性膜と粘着剤薄膜が融合することが可能となる。換言すれば粘着剤と機能性膜が反発せず、お互いに相溶または混合する状態である。粘着剤が必ずしも機能性膜溶液の溶剤に溶け込む必要はないが、少なくとも溶剤が粘着剤内部に浸透し、粘着剤と機能性膜が完全に接することが必要である。
【００２１】
上記の粘着剤と機能性膜溶液に用いる溶剤の組み合わせとしては、溶剤が水の場合、デンプン系糊、ポリビニルアルコール系粘着剤を挙げることができる。溶剤がアルコールのように極性の高いものの場合は前記のポリビニルアルコール系および酢酸ビニル系粘着剤を組み合わせることができる。ヘキサンなどの無極性溶剤の場合はネオプレンなどの合成ゴム系粘着剤が比較的好適に用いられる。また比較的極性を有する機能性膜剤を溶解しやすい溶剤であるケトン、エーテル系などは天然ゴム系、アクリル系、シリコン系粘着剤と組み合わせることが望ましい。
【００２２】
機能性膜の中の選択透過膜の中でもいわゆるバイオセンサによく用いられるのは酸素と過酸化水素の選択透過膜である。酸素選択透過膜としては、フッ素系およびシリコーン系の薄膜が主に用いられ、これらの膜剤はエマルジョン状態の水もしくはアルコール分散液の形で塗布される場合が多い。この用途では粘着剤としてデンプン、ポリビニルアルコール、酢酸ビニル系の粘着剤を用いる。
【００２３】
過酸化水素選択透過膜としては、スルフォン化フッ素樹脂（商品名「ナフィオン」など）のアルコール分散液を塗布乾燥したものや、酢酸セルロースなどのセルロース誘導体の溶液を塗布乾燥したもの、牛血清アルブミン水溶液にグルタルアルデヒドを加え乾燥の際に架橋することにより用いることができる。アルコール分散液や水溶液の場合は前記のとおりの組み合わせで粘着剤を用いればよい。
【００２４】
選択透過膜の中でもセルロース誘導体は選択性能が高く、強固な膜が得やすいために多用される。セルロース誘導体の例としては、酢酸セルロース、酢酸・プロピオン酸セルロース、酢酸・酪酸セルロース、などが挙げられる。その溶剤としては、酢酸ブチル、酢酸アミル、酢酸エチルなどの酢酸エステル系溶剤、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶剤、ジオキサン、ジメチルエーテルなどのエーテル系溶剤、トルエン、ベンゼンなどの芳香族系溶剤、四塩化炭素、クロロホルムなどのハロゲン系溶剤がある。この中で常温での塗布作業時に適度の蒸発特性を有するものとしてアセトン、ジオキサンなどが好適に用いられる。
【００２５】
前記のとおりこの場合の環形高分子膜としてはフッ素樹脂で構成され粘着剤として天然ゴム系、アクリル系、シリコン系の粘着剤と組み合わせることが望ましい。これらの粘着剤はアセトン、ジオキサンにより膨潤し、中でもアクリル系、シリコン系粘着剤は一部溶解する。
【００２６】
また、環形高分子膜の内部の領域に順次複数の機能性膜を積層して形成することも可能である。
【００２７】
【実施例】
以下に実施例を挙げて、本発明の内容をさらに詳細に説明するが、もちろん本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２８】
〔実施例１〕
本発明の電気化学測定用電極の一例を図１及び２に示した。図１は本発明に係る電気化学測定用電極の平面図、図２は同図のＡＡ’断面図である。図１に示す様に、絶縁性基板１として１２ｍｍ×１８ｍｍのアルミナ系セラミック板を用いてその表面上に白金を用いて巾１．２７ｍｍ、長さ１７．５ｍｍの導電性膜２、３として２本形成し電極板とした。
【００２９】
１．環形高分子膜の設置
テトラフルオロエチレン薄膜とシリコン系粘着剤薄膜を備えた粘着シート（中興化成工業社製、商品名「チューコーフロー」粘着テープ  ＡＳＦ−１１０）を、１１ｍｍ×１３ｍｍ  にカットする。さらにその外周を幅１．５ｍｍ残すように、内部を８ｍｍ×１０ｍｍの大きさで切り抜き環形に閉じた環形高分子膜４と環形粘着剤薄膜５により構成される環形部材６を作成し、電極板上にその内部の領域に膜状導電性部の一部を包含するように貼り付けた。
【００３０】
２．機能性膜材溶液の塗布
環形高分子膜４の内側の領域に１００ｍＬオートピペットを用いて、酢酸セルロース３００ｍｇ  を１，４−ジオキサン２０ｍＬに溶解して調整した機能性膜材溶液２０μＬを塗布し、内部の領域全体にまんべんなく広げた。
【００３１】
３．乾燥
室温（２０℃）で１５分間風乾し１，４−ジオキサンを蒸発させ、機能性膜７となる酢酸セルロース膜を製膜した。
製膜後、環形高分子膜の内側の領域の面積に対する機能性膜の被覆度を目視判定した。
【００３２】
４．測定装置
図３に示した如く電極を配置したフロー型測定装置を用いた。図３は本発明の電気化学測定用電極の性能測定に用いたフロー型測定装置の系統図である。
このフロー型測定装置は、高速液体クロマトグラフィ用のインジェクタ８と、上述した電気化学測定用電極を取り付けた測定用セル９が内径０．５ｍｍ、長さ１．０ｍのフッ素樹脂製配管１０で接続されている。
【００３３】
これらは、恒温槽１１の内部に設置され、槽内の温度は３７℃±  ０．２℃に保持されている。
白金電極板部分にはポテンシオスタット１２によって白金電極板部分に対して＋０．６Ｖの電圧が印加され、過酸化水素をアンペロメトリック測定の対象として検出するようにした。検出信号はＡ／Ｄ変換器１３、通信ケーブル１４を介してコンピュータ１５に転送してデータ処理を行った。
緩衝液リザーバ１６からの緩衝液の送液には、コンピュータによって送液ポンプ１７を制御し、１．０ｍｌ／ｍｉｎの流量で送液されるように設定されている。
緩衝液は、１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ６）を用いた。測定を終えた緩衝液は、廃液リザーバ１８で捕捉される。
【００３４】
５．測定方法
恒温槽温度が平衡に達した後、過酸化水素標準液をインジェクタ８から５μｌ注入した。
１０ｍＭの濃度まで検出値と濃度に比例関係が成立しているのを確認したのち、５ｍＭの濃度の過酸化水素を注入した。さらに妨害物の代表例として５０ｍＭのアスコルビン酸溶液を同様に注入し、過酸化水素の単位ｍＭ当たりの感度に対するアスコルビン酸の応答値の比をとり、選択透過能力を比較した。
【００３５】
６．結果
測定結果を以下の表１に示す。
【００３６】
【表１】
2005003593.tif 000003
【００３７】
［評価］
５個の電極の測定値の平均変動率（ＣＶ％）は１８．５０％であった。
またいずれの電極も環形高分子膜と機能性膜の接合部に空隙は無かった。選択比も全て良好であった。
【００３８】
〔比較例１〕
本発明の電気化学測定用電極の比較例の一例を図４及び５に示した。図４は電気化学測定用電極の比較例の一例の平面図、図５は同図のＢＢ’断面図である。図４に示すように、平板状電極は実施例１と同様の電極を用いた。
【００３９】
１．機能性膜材溶液の塗布
電極表面上にシリコン樹脂を塗布・乾燥し、実施例１の環形高分子膜と同じ大きさの枠体１９を形成した。その枠体の内部に、酢酸セルロース３００ｍｇ  を１，４−ジオキサン２０ｍＬに溶解した溶液を塗布した。
【００４０】
２．乾燥
室温（  ２０℃）で１５分間風乾し１，４ジオキサンを蒸発させ、酢酸セルロース膜７を製膜する。製膜後、環形高分子膜の内側の領域の面積に対する機能性膜の被覆率を測定した。同様の方法で選択透過膜付き電極を５個作成し、Ｂ−１〜Ｂ−５までの電極番号を付加した。
【００４１】
３．測定装置
実施例１と同じ装置を使用した。
４．測定方法
実施例１と同じ方法により測定を行った。
５．結果
測定結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
2005003593.tif 000004
【００４３】
［評価］
５個の電極の測定値の平均変動率（ＣＶ％）は３８．８％であった。環形の枠体１９と酢酸セルロース膜の境界面が完全に密着しておらず被覆の程度が不良になるものが多くなる。同時に選択性が良好な場合と不良な場合で著しく異なることがわかる。不良の電極は図４に見られるような密着不良個所が観察された。
【発明の効果】
本発明の電気化学測定用電極は簡便な構成で電極間の応答値の再現性に優れた安定した機能性膜を持つ電極である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で作製した過酸化水素電極の概略図である。
【図２】図１の過酸化水素電極のＡ−Ａ‘部の断面図である。
【図３】実施例１、比較例１で用いたフロー型測定装置の系統図。
【図４】比較例１で作製した不良の過酸化水素電極の概略図である。
【図５】図４の過酸化水素電極のＢ−Ｂ‘部の断面図である。
【符号の説明】
１・・・絶縁性基板
２，３・導電性膜
４・・・環形粘着剤薄膜
５・・・環形高分子膜
７・・・機能性膜
【図１】
2005003593.tif 000005
【図２】
2005003593.tif 000006
【図３】
2005003593.tif 000007
【図４】
2005003593.tif 000008
【図５】
2005003593.tif 000009