(57)【要約】  電極としての金でコートされた天然繊維およびそれの調製のための工程。本発明は、金のワイヤーおよび天然繊維から形作られた電極に関係する。特に、コイヤー繊維、ジュート繊維、サイザル繊維、バナナ繊維、および人毛のような微細な天然繊維は、それらが機械的に強いかつ柔軟なものであるが、それの上に金の８０−２００ｎｍの層がスパッタコーティングによってコートされた鋳型として使用された。複合材料は、低い電気抵抗率を有することが示され、かつ、サイクリック・ボルタンメトリーおよびアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリーのような従来の電気化学的な用途において通常は電極として機能した。本発明が単繊維および金のコーティングの使用に排他的に焦点を合わせたとはいえ、天然に整列した繊維の束および金以外の金属のコーティングは、発明の論理的な延長である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
金でコートされた天然繊維の電極材料であって、
５−７％（重量／重量）の金および９５−９７％（重量／重量）の天然繊維
を備え、
前記天然繊維は、コイヤー繊維、ジュート繊維、バナナ繊維、サイザル繊維、および人毛を備える、
金でコートされた天然繊維の電極材料。
【請求項２】
請求項１に記載の金でコートされた天然繊維であって、
前記天然繊維の厚さは、２−２００μｍの範囲にあるものである、
金でコートされた天然繊維。
【請求項３】
請求項１に記載の金でコートされた天然繊維であって、
前記繊維における前記金の厚さは、８０−２００ｎｍの範囲にあるものである、
金でコートされた天然繊維。
【請求項４】
請求項１に記載の金でコートされた天然繊維であって、
前記天然繊維の電極の電気抵抗率は、２０−３０℃で２×１０−５−４×１０−４オームｃｍの範囲にあるものである、
金でコートされた天然繊維。
【請求項５】
請求項１に記載の金でコートされた天然繊維であって、
金でコートされた天然繊維の電極のヤング率は、２−３０ＧＰａの範囲にある、かつ、破壊点における％ひずみは、１−４０の範囲にあるものである、
金でコートされた天然繊維。
【請求項６】
請求項１に記載の金でコートされた天然繊維であって、
前記金でコートされた天然繊維の電極の熱的安定性は、１９０−２５０℃の範囲にあるものである、
金でコートされた天然繊維。
【請求項７】
請求項１に記載の金でコートされた天然繊維であって、
上記の電極材料は、水性のおよび非水性の媒質におけるサイクリック・ボルタンメトリー、それぞれ６９ｐｐｂ、１２ｐｐｂ、および４０ｐｐｂの検出限界での鉛［Ｐｂ（ＩＩ）］、ヒ素［Ａｓ（ＩＩＩ）］、および水銀［Ｈｇ（ＩＩ）］の検出のためのアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリー、および、Ｈ２Ｏ２のアンペロメトリック検出を含む電気化学的な用途における作用電極として有用なものである、
金でコートされた天然繊維。
【請求項８】
請求項１に記載の金でコートされた天然繊維であって、
上記の繊維は、それらの有用性を拡大するために導電性高分子でさらにコートされたまたは他の形態の変性にさらされたものであることができる、
金でコートされた天然繊維。
【請求項９】
請求項１−８に記載の導電性天然繊維であって、
それは、それらの電気伝導度、柔軟性、機械的安定性、およびミクロンレベルの厚さのおかげでマイクロエレクトロニクスにおいて用いられることができる、
導電性の天然繊維。
【請求項１０】
請求項１−９に記載の導電性天然繊維であって、
それは、また、ジュート繊維または人毛の天然に整列した束の形態におけるもののような整列された繊維として容易に得られたものであることができる、
導電性の天然繊維。
【請求項１１】
請求項１−１０に記載の導電性天然繊維であって、
前記金でコートされた繊維は、前記金を回収すると共に再生利用するためにか焼されたものであることができる、
導電性の天然繊維。
【請求項１２】
導電性の天然繊維の調製のための工程であって、
ｉ．熟したココナッツ、バナナの茎、ジュートの樹皮、サイザル麻の葉、および頭いっぱいの毛のような源から個々の繊維を採取すること、
ｉｉ．もしも要求された場合には前記繊維を洗浄することおよび乾燥すること、
ｉｉｉ．あるいは、整列を保つためにゴムバンドまたはクリップまたは接着剤の使用を通じて一方の末端に留められたものである天然に整列した繊維の束を収集すること、
ｉｖ．従来のスパッタコーターに前記繊維を置くことおよび５０−２００ｎｍの範囲における厚さを有する繊維を得るために３０−９０分の間７−８Ｐａの圧力、３−４ｍＡの適用されたプラズマ電流、および２０−３０℃の温度で金のコーティングを実行すること
ｖ．作用電極としてのそれらの機能のためにオーミック接触を調製すること
：のステップを備える、工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然繊維および金を備える電極材料としての金でコートされた天然繊維に関係する。特に、本発明は、電極の調製のための費用効率が良い、柔軟な、機械的に強い、かつワイヤー形状のコイヤー繊維、ジュート繊維、バナナ繊維、サイザル繊維、および人毛の利用に関係する。より詳しくは、天然繊維の電極材料は、異なる天然繊維の表面における薄い層状の金のスパッタコーティングを通じて得られた。さらにより詳しくは、発明は、（ｉ）導電性のワイヤー、（ｉｉ）水性のおよび非水性の媒質の両方におけるかつまた酸性の電解質の存在における異なる酸化還元対のサイクリック・ボルタモグラムの研究のための作用電極の材料、（ｉｉｉ）過酸化水素のアンペロメトリック・センシングのための電極、および（ｉｖ）毒性の重金属イオンの検出および定量化のためのアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリーとしての金でコートされた天然繊維の電極の使用に関係する。
【背景技術】
【０００２】
液体金属Ｈｇ、ＰｔおよびＡｕのような数個の金属性の固体、およびグラファイトのような他の導電性の基質は、良く知られた電極材料である。半導体の材料は、また、光電気化学的な工程における電極として良く研究されたものである。電気化学的な工程は、裸の電極の表面で、または、直接的な化学的な機能化のような様々なタイプの変性の後に、または、導電性高分子、粘土、ゼオライト、シリカ、およびグラファイトのコーティングを通じて、行われる。非導電性の基質より上の導電性のコーティング、例えば、光学的に透明な電極として役に立つものであるガラス上の酸化スズインジウムのコーティングは、また報告されたものである。グラファイトおよびカーボンペーストのような炭素電極が良く知られたものであるとはいえ、そのような炭素は、鉱物資源または石油コークスのいずれかから誘導されたものである。廃棄された生物資源の価値の付加への関心の高まりとともに、生体材料から作製された注文仕立ての電極材料は、需要が増加することになる。織ることが可能な繊維は、スーパーキャパシターに使用された電気活性な繊維製品へと変質させられてきたものである。色素増感太陽電池における作用および対電極のねじりの構成は、また研究されてきたものである。電極材料としての生物資源の使用についての報告は、乏しいものである。
【０００３】
ＪＡＣＳ，１９８３，１０５，５６９１−５６９３におけるＧｈｏｓｈ等による論文が参照されることがあるが、それには粘土で変性された電極の作製が開示されている。
【０００４】
Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．，Ｉｎｔ．Ｅｄ．２０１３，５２，７５４５−７５４８におけるＹａｎｇ等による論文が参照されることがあるが、それには８．４５％のエネルギー変換効率を達成するグラファイト複合繊維から誘導された光起電性のワイヤーが報告されている。
【０００５】
ＡＣＳ  Ｎａｎｏ  ２０１３，７，６０３７−６０４６におけるＧｕｉ等が参照されることがあるが、それにはスーパーキャパシター用の基質としての天然セルロース繊維が開示されている。
【０００６】
Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｒｅｖ．２０１３，４２，５０３１−５０４１におけるＣｈｅｎ等が参照されることがあるが、それにはワイヤー形式における新規な太陽電池が概説されている。
【０００７】
Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ  ＆  Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，２５，１１４３−１１４８におけるＫｏｚａｎ等による論文が参照されることがあるが、それにはココナッツ繊維に天然に固定化されたペルオキシダーゼを備えた炭素ペースト電極を使用する医薬製剤における過酸化ベンゾイルのアンペロメトリック検出が開示されている。
【０００８】
Ａｎａｌｙｔｉｃａ  Ｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ，２００７，５９１，２００−２０７におけるＫｏｚａｎ等による論文が参照されることがあるが、それにはココナッツ（Ｃｏｃｕｓ  ｎｕｃｉｆｅｒａ  Ｌ．）繊維に天然に固定化されたペルオキシダーゼを含有する炭素ペースト電極を利用することで過酸化水素をバイオセンシングすることが開示されている。
【０００９】
Ｈｉｒａｍａｔｓｕ等による２００４年１０月０７日付けのＪＰ２００４２７７８４７Ａが参照されることがあるが、それには金属でコートされたココナッツ繊維および電気めっきによるそれらの製造が開示されている。
【００１０】
Ｌｅｅ等による２００４年４月２８日付けのＫＲ２００４０３４６３１Ａが参照されることがあるが、それには電気二重層キャパシター用の電極およびそれを製造するための方法が開示されている。
【００１１】
１９８８年０４月２２日付けのＪＰ６３０９１９５３Ａが参照されることがあるが、それには電極およびそれらの調製が開示されている。合成のまたは天然のまたは再生された繊維と混合された導電性繊維の織物のまたは不織の布および芳香族化合物の高分子の複合物は、電極に使用されたものである。
【００１２】
Ｉｗａｋｏｓｈｉ等による２００２年０８月２３日付けのＪＰ２００２２３７３７４Ａが参照されることがあるが、それには導電性繊維で作られたかつある一定の点に電極が備え付けられた織物の、編物の、または不織の布が請求されている。
【００１３】
導電性繊維は、合成繊維または天然繊維とのそれらの混合物の表面における金属の無電解のまたは電気のめっきによって得られたものであると共に、電極は、繊維上にそれの上に金属の細いワイヤーを縫い付けることによって形成されたものである。
【００１４】
Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００５，４７，５８９６−５８９８におけるＢｒｕｎｏ等による論文が参照されることがあるが、それには天然繊維から複製された多孔質の炭素−炭素複合物が開示されている。
【００１５】
特許ＵＳ００５２９８０４８Ａが参照されることがあるが、それには熱処理可能なスパッタコートされたガラスシステムが開示されている。
【００１６】
Ｇｒｅｅｎ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００１，３，１００−１０７におけるＢｉｓｍａｒｋ等による論文が参照されることがあるが、それには天然繊維の表面の特徴付け、変性されたサイザルおよびコイヤー繊維の表面の性質および水の摂取の挙動が開示されている。
【００１７】
ＳＣＡＮＮＩＮＧ  ＶＯＬ．２２，３１０−３１８（２０００）におけるＳｗｉｆｔ等による論文が参照されることがあるが、それにおいては人毛の表面形態が原子力顕微鏡法（ＡＭＦ）によって調査された。
【００１８】
Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４，３５１−３６３（１９９９）における総説が参照されることがあるが、それにおいては天然繊維に基づいた高分子複合物が文書化されてきたものである。
【００１９】
“Ｄｅｓｉｇｎ，Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｃｏａｔｅｄ  Ｃｏｉｒ  Ｆｉｂｅｒ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”と題されたインド国のＫｏｔｔａｙａｎの“Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｃｏｉｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ”で進行しているプロジェクトが参照されることがあるが、それにおいてはコイヤー繊維が小さい小片へと切断され、かつ二時間の間に１３００−１５００℃の温度まで加熱された。それは、次に、電子工学の用途において使用するために粉末化されかつペレット化されかつ銀でコートされた。［２０１４年９月１０日におけるようなｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｃｒｉｉｎｄｉａ．ｏｒｇ／ｔｈｉｎ＿ｆｉｌｍ．ｈｔｍｌ］
【００２０】
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ２０１３，１６（４），９０３−９２３における論文が参照されることがあるが、それにおいて著者は、ＳＥＭイメージングのプロトコルとしてＳＥＭイメージを取るためにコイヤー繊維を金でコートしてきた。コーティングは、過剰に薄いものであると共に、電極の用途において使用されることができないものである。
【００２１】
Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  １１（２００９）７６４−７６７における論文が参照されることがあるが、それにおいて著者は、多重のステップにおいて化学的な液体堆積方法を通じて金の微小電極を作製した。導電性の表面は、約２日を取る１０−２０サイクルの連続的な堆積の後に達成された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００４−２７７８４７号公報
【特許文献２】韓国特許出願公開第２００４０３４６３１号
【特許文献３】特開昭６３−０９１９５３号公報
【特許文献４】特開２００２−２３７３７４号公報
【特許文献５】米国特許第００５２９８０４８号
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Ｇｈｏｓｈ  ｅｔ  ａｌ．，ＪＡＣＳ，１９８３，１０５，５６９１−５６９３
【非特許文献２】Ｙａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．，Ｉｎｔ．Ｅｄ．２０１３，５２，７５４５−７５４８
【非特許文献３】Ｇｕｉ  ｅｔ  ａｌ．，ＡＣＳ  Ｎａｎｏ  ２０１３，７，６０３７−６０４６
【非特許文献４】Ｃｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｒｅｖ．２０１３，４２，５０３１−５０４１
【非特許文献５】Ｋｏｚａｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ  ＆  Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，２５，１１４３−１１４８
【非特許文献６】Ｋｏｚａｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｎａｌｙｔｉｃａ  Ｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ，２００７，５９１，２００−２０７
【非特許文献７】Ｂｒｕｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００５，４７，５８９６−５８９８
【非特許文献８】Ｂｉｓｍａｒｋ  ｅｔ  ａｌ．，Ｇｒｅｅｎ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００１，３，１００−１０７
【非特許文献９】Ｓｗｉｆｔ  ｅｔ  ａｌ．，ＳＣＡＮＮＩＮＧ  ＶＯＬ．２２，３１０−３１８（２０００）
【非特許文献１０】Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．４，３５１−３６３（１９９９）
【非特許文献１１】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｃｒｉｉｎｄｉａ．ｏｒｇ／ｔｈｉｎ＿ｆｉｌｍ．ｈｔｍｌ；１０  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２０１４
【非特許文献１２】Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ２０１３，１６（４），９０３−９２３
【非特許文献１３】Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  １１（２００９）７６４−７６７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の主要な目的は、電極材料としての金でコートされた天然繊維を提供することである。
【００２５】
本発明の別の目的は、従来のかつ合成の電極材料に対する代替品として使用されることができるものである天然に生ずるワイヤー形状の繊維状のかつ柔軟な材料から単純な方式を通じて持続可能なかつ生分解性の電極材料の調製のための工程を提供することである。
【００２６】
本発明のさらに別の目的は、電極作製のための非導電性の基質として機械的に強いコイヤー繊維、ジュート繊維、サイザル繊維、バナナ繊維、および人毛を使用することである。
【００２７】
本発明のさらに別の目的は、天然繊維の表面におけるコーティングの目的のために貴金属としての金を使用することである。
【００２８】
本発明のさらに別の目的は、天然繊維の表面における金のコーティングのために単純なスパッタコーティングのテクニックを使用することである。
【００２９】
本発明のさらに別の目的は、天然繊維の電極の伝導度を上昇させると共に異なる電気化学的な工程について繊維に価値を追加するためにコーティング時間を微細に調整することである。
【００３０】
本発明のさらに別の目的は、水性のおよび非水性の媒質の両方におけるサイクリック・ボルタンメトリーの研究のための作用電極としての天然繊維の電極材料の適合性をチェックすることである。
【００３１】
本発明のさらに別の目的は、例としてアニリンを挙げる電気重合の工程を通じたさらなる表面変性のための天然繊維の電極材料の適合性を検証することである。
【００３２】
本発明のさらに別の目的は、アノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリーを通じた水性の溶液に存在する毒性の重金属イオンの検出および定量化に関して天然繊維の電極の適合性を証明することである。
【００３３】
本発明のさらに別の目的は、例として過酸化水素を使用するアンペロメトリックセンシングのためのこれらの繊維の電極の適合性をチェックすることである。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
それに応じて、本発明は、５−７％（重量／重量）の金および９５−９７％（重量／重量）の天然繊維を備える金でコートされた天然繊維の電極材料を提供するが、それにおいて天然繊維は、コイヤー繊維、ジュート繊維、バナナ繊維、サイザル繊維、および人毛を備える。
【００３５】
本発明のある実施形態において、天然繊維の厚さは、２−２００μｍの範囲にあるものである。
【００３６】
本発明の別の実施形態において、繊維における金の厚さは、８０−２００ｎｍの範囲にあるものである。
【００３７】
本発明のさらに別の実施形態において、天然繊維の電極の電気抵抗率は、２０−３０℃で２×１０−５−４×１０−４オームｃｍの範囲にあるものである。
【００３８】
本発明のさらに別の実施形態において、金でコートされた天然繊維の電極のヤング率は、２−３０ＧＰａの範囲にある、かつ、破壊点における％ひずみは、１−４０の範囲にあるものである。
【００３９】
本発明のさらに別の実施形態において、金でコートされた天然繊維の電極の熱的安定性は、１９０−２５０℃の範囲にあるものである。
【００４０】
本発明のさらに別の実施形態において、上記の電極材料は、水性のおよび非水性の媒質におけるサイクリック・ボルタンメトリー、それぞれ６９ｐｐｂ、１２ｐｐｂ、および４０ｐｐｂの検出限界での鉛［Ｐｂ（ＩＩ）］、ヒ素［Ａｓ（ＩＩＩ）］、および水銀［Ｈｇ（ＩＩ）］の検出のためのアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリー、および、Ｈ２Ｏ２のアンペロメトリック検出を含む電気化学的な用途における作用電極として有用なものである。
【００４１】
本発明のさらに別の実施形態において、上記の繊維は、それらの有用性を拡大するために導電性高分子でさらにコートされたまたは他の形態の変性にさらされたものであることができる。
【００４２】
本発明のさらに別の実施形態において、それは、それらの電気伝導度、柔軟性、機械的安定性、およびミクロンレベルの厚さのおかげでマイクロエレクトロニクスにおいて用いられたものであることができる。
【００４３】
本発明のさらに別の実施形態において、それは、また、ジュート繊維または人毛の天然に整列した束の形態におけるもののような整列された繊維として容易に得られたものであることができる。
【００４４】
本発明のさらに別の実施形態において、金でコートされた繊維は、金を回収すると共に再生利用するためにか焼されたものであることができる。
【００４５】
さらに別の実施形態において、本発明は、
ｉ．熟したココナッツ、バナナの茎、ジュートの樹皮、サイザル麻の葉、および頭いっぱいの毛のような源から個々の繊維を採取すること、
ｉｉ．もしも要求されたとすれば繊維を洗浄することおよび乾燥すること、
ｉｉｉ．あるいは、整列を保つためにゴムバンドまたはクリップまたは接着剤の使用を通じて一方の末端に留められたものである天然に整列した繊維の束を収集すること、
ｉｖ．従来のスパッタコーターに繊維を置くことおよび５０−２００ｎｍの範囲における厚さを有する繊維を得るために３０−９０分にわたって７−８Ｐａの圧力、３−４ｍＡの適用されたプラズマ電流、および２０−３０℃の温度で金のコーティングを実行すること、
ｖ．作用電極としてのそれらの機能のためにオーミック接触を調製すること
のステップを備える、導電性の天然繊維の調製のための工程を提供する。
【発明の効果】
【００４６】
本発明の利点は、
（ｉ）導電性のワイヤーおよび電極の作製のための持続可能な資源のような幾つかの場合における繊維の束の高い強さ、柔軟性、および天然の整列のような優れた性質が授けられた安価な天然繊維の使用、
（ｉｉ）金のスパッタコーティングを通じたそのような導電性の天然のワイヤーおよび電極の調製の容易さ、
（ｉｉｉ）真の複合電極、それにおいては、電気伝導度が貴重な金から引き出されるのに対して、柔軟性、機械的な強さ、微細さのような有用な性質が安価な天然繊維から引き出されると共に、結果として従来の金の電極と比較した際に総重量の５−７％のみまで金の要件を最小限にすること、
（ｉｖ）金でコートされた天然繊維の電極がバルクの金のワイヤーと比べてより低い通電容量を有すると思われるとはいえ、そのような電極が、低い電流密度が要求されるものである電気化学的なセンシングの用途において適度に目的を果たすことを認識すること、
（ｖ）天然繊維を燃焼させた後に金を再生利用すると共に再使用することができること
である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、例１において得られたような金でコートされたコイヤー繊維の電極のＥＤＸを表す。
【図２】図２は、スキャン速度＝５０ｍＶ／秒でのＡｕでコートされた人毛の電極（赤色）、および、裸の金の電極（黒色）における０．５Ｍの硫酸のサイクリック・ボルタモグラムを表す。
【図３】図３は、１００μＭのＨ２Ｏ２の初期の濃度に対する０．０５ＭのＨ２Ｏ２の１００μＬの継続的な追加についてＡｇ／ＡｇＣｌの電位対−０．６Ｖで記録されたクロノアンペロメトリック応答を表す。［挿し込み図：Ｈ２Ｏ２の濃度対限界電流の較正曲線］。詳細は、例５に与えられたものである。
【図４】図４は、例６において記載されたようなＰｂ（ＩＩ）の異なる濃度で較正プロットと一緒にＡｓ（ＩＩＩ）についてのアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリー（ＡＳＶ）のトレースを表す。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
発明は、金のスパッタコーティングを通じて天然繊維、すなわち、コイヤー繊維、ジュート繊維、バナナ繊維、サイザル繊維、および人毛から作製された費用効率が良いかつ使い捨てできる電極材料に関係する。発明は、異なる生物資源から誘導された天然繊維が数個の有用な性質、例を挙げると、ワイヤーと同様の外観、柔軟性、高い機械的な強さ、および粗い表面、を備えることを認識した。適切な方法を対象にする際に、発明は、スパッタコーティングのテクニックの容易さを認識し、かつ、それに応じて適合させられた。金は、それの貴の本性およびスパッタコーティングに関する単純さを認識することでコーティング金属として選ばれた。金のスパッタコーティングの時間を適切に調整することによって、天然繊維に基づいた複合物の電極は、作製されたが、それらは、より低い電気抵抗率を呈する。次には複合繊維の電極を利用することによって、サイクリック・ボルタンメトリーおよび電気化学的な重合のような一般的に使用された電気化学的な工程は、試験された。複合繊維の電極は、水性のおよび非水性の溶媒の両方において評価された。作用電極として複合繊維を使用するＨ２Ｏ２のアンペロメトリックセンシングおよびアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリーによる毒性の金属イオンの検出はまた実証された。
【００４９】
それに応じて、費用効率が良いかつ柔軟な天然繊維に基づいた複合電極材料は、開示される。金でコートされた天然繊維の電極の調製は、
（ｉ）熟したココナッツから個々のコイヤー繊維ストランド、先行技術に教示されたような化学的に処理されたバナナの茎からバナナ繊維、物理的に処理されたジュートの樹皮からジュート繊維、サイザルの葉からサイザル繊維、および、頭いっぱいの毛から人毛を物理的に採取すること、
（ｉｉ）要求されたときはいつでも、使用される前に繊維を洗浄することおよび乾燥させること、
（ｉｉｉ）あるいは、整列を保つために留められたまたは接着されたものである天然に整列されたジュート繊維または人毛の束を収集すること、
（ｉｖ）従来のスパッタコーターに天然繊維の束を置くことおよび金のコーティングを実行すること、
（ｖ）スパッタコーターチャンバーから金でコートされた天然繊維を取り除くことおよび電極材料としてのそれらの機能のためにオーミック接触を保証すること、
（ｖｉ）最後に、サイクリック・ボルタンメトリー、アニリンの電気重合のような良く知られた電気化学的な実験のために複合繊維の電極の試験をすること、
（ｖｉｉ）Ｈ２Ｏ２のアンペロメトリック検出およびアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリーによる毒性の重金属イオンの検出に関して天然繊維の電極の適合性を試験すること
を備える。
【００５０】
用語“元の状態の”は、得られたような原料に使用されたものである。
【００５１】
本発明に関係付けられた新規の発明の段階は、後に続くようなものである。
１．低い費用の、柔軟な、高い機械的な強さの、ワイヤー形状の天然繊維が、導電性のワイヤーおよび電極の作製のための理想的な持続可能な資源であることを認識すること。
２．ジュート繊維のような天然繊維のいくつかが極めて微細なものであると共にこれらから作られたワイヤーがマイクロエレクトロニクスにおいてかなり有用なものであることがあることを認識すること。
３．そのような繊維が、多数の場合において、頭いっぱいのまっすぐな毛のような、天然に整列されたものであると共に天然に整列された材料の電極に利用されることができることをさらに認識すること。
４．特に、典型的には低い電流密度に遭遇するものであるセンシングおよび検出の用途において、金の電極としてのそれらの機能のために、そのような導電性ワイヤーを作り出すために天然繊維の表面に金を簡単にスパッタコートすることができることを認識すること。
５．金がコートすることが簡単なものであるだけではなく金の電極はそれの不活性な本性のおかげで電極としての多数の有用な用途を有することを認識すること。
６．８０−２００ｎｍの金のコーティングがこの目的に十分であると共にこれが複合電極の総重量の５−７％になることをさらに認識すること。
７．サイクリック・ボルタンメトリーにおける電気抵抗率およびピークとピークとの間の分離が関心のあるものである限りにおいてジュート繊維および人毛での最良の性能をさらに実証すること。
８．ｐｐｂレベルの検出を備えたアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリーにおいて人毛から作られた電極の有用性をさらに実証すること。
【実施例】
【００５２】
後に続く例は、実例の方式によって与えられたものであると共に、発明の範囲を限定するものと解されるべきものではない。
【００５３】
材料および方法
ヤング率５−７ＧＰａおよびひずみ７−１１％を有する均一な直径（１５０−２００μｍ）の乾燥したコイヤー繊維は、十分に熟成されたココナッツの果実（Ｐｒｅｒｎａ  Ｓｔｏｒｅｓ，Ｗａｇｈａｗａｄｉ  Ｒｏａｄ，Ｂｈａｖｎａｇａｒ，Ｇｕｊａｒａｔ−３６４００２，Ｉｎｄｉａ）から物理的に採取され、かつ、いずれの化学的な前処理もなしに研究のために選択された。バナナ繊維（Ｐｒｅｒｎａ  Ｓｔｏｒｅｓ，Ｗａｇｈａｗａｄｉ  Ｒｏａｄ，Ｂｈａｖｎａｇａｒ，Ｇｕｊａｒａｔ−３６４００２，Ｉｎｄｉａ）は、化学的な前処理の知られた方法によって抽出された。このように得られたバナナ繊維は、厚さ１０−３０μｍ、ヤング率７−１０ＧＰａ、およびひずみ２−４％を有した。本発明において使用された、それぞれ２−１０μｍおよび４０−８０μｍの厚さを備えたジュートおよびサイザル繊維（Ｐｒｅｒｎａ  Ｓｔｏｒｅｓ，Ｗａｇｈａｗａｄｉ  Ｒｏａｄ，Ｂｈａｖｎａｇａｒ，Ｇｕｊａｒａｔ−３６４００２，Ｉｎｄｉａ）は、それぞれヤング率２５−２６ＧＰａおよび２０−２５ＧＰａおよびそれぞれひずみ１−３％および８−１２％を有した。本発明において使用された人毛は、厚さ３０−５０μｍおよびヤング率２−３ＧＰａ、ひずみ３５−４０％を有した。この例は、本発明において使用されたものであった異なる天然繊維の抽出／源およびそれらの化学的な性質を教示する。引っ張り強さを試験することは、汎用の試験機械（Ｚｗｉｃｋ  Ｒｏｅｌｌ，ｔｙｐｅ  Ｘ  ｆｏｒｃｅ  Ｐ，Ｓ／Ｎ  ７５６３２４）を使用することで実行された。ヤング率（Ｙ）は、応力−ひずみ曲線の弾性領域における回帰の傾きから決定された。コイヤー繊維のＡｕコーティングは、８パスカルの圧力でＰｏｌａｒｏｎ  ＳＣ７６２０ミニスパッタを使用することで行われた。繊維の表面におけるＡｕのコーティングの厚さは、後に続く等式
ｄ＝ＫＩＶｔ          （１）
を使用することで決定されたが、ここでｄは、オングストロームにおけるコーティングの厚さであると共に、Ｋは、実験的に決定された定数（空気と共に使用されたＡｕについては、おおよそＫ＝０．０７）であると共に、Ｉは、ｍＡにおけるプラズマ電流（本発明においては５ｍＡ）であると共に、Ｖは、ｋＶにおけるバイアス電圧（本発明においては１ｋＶ）であると共に、ｔは、秒におけるスパッタリング時間（本発明においては３６００秒）である。電流−電圧（Ｉ−Ｖ）測定は、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  ２６３５Ａソースメーターユニット（ＳＭＵ）を使用することで行われた。Ｉ−Ｖ特性の測定のための天然繊維の電極における接触は、導電性銀ペーストおよび銅線を使用することでなされた。銅線は、ワニ口クリップでソースメーターユニット（ＳＭＵ）に接続された。±１．０ｍＡのバイアス電流は、適用され、かつ、対応する電圧は、測定された。掃引は、機器によって発生させられ、かつ、３２個の測定されたデータ点は、自動的に平均された。平均されたかつ記憶されたデータは、Ｉ−Ｖ曲線を得るために収集され、かつ、プロットされた。天然繊維の電極の電気抵抗は、曲線の傾きから計算された。コーティングの比抵抗は、それをシートとして考慮することおよび等式を適用することで計算された。比抵抗ρ＝Ｒ×（Ｗ×Ｌ）／Ｈであるが、ここで、Ｗは、シートの幅（コーティングの厚さ）であると共に、Ｌは、シートの長さ（コーティングの外周、即ち、２πｒ）であると共に、Ｈは、高さ（二つの接触の間における繊維の長さ）であると共に、Ｒは、（Ｉ−Ｖ曲線の傾きからの）測定された抵抗である。電気化学的な実験は、室温（２４±２℃）でＰｒｉｎｃｅｔｏｎ応用研究ポテンシオスタット（ＰＡＲ−ＳＴＡＴ  ２２７３）を使用することで行われた。三つの電極の組立品は、全ての測定に使用されたが、それらにおいて、白金箔およびＡｇ／ＡｇＣｌ（飽和ＫＣｌ）が、それぞれ、補助および参照電極として使用された一方で、Ａｕでコートされたコイヤー繊維または（対照実験における）Ａｕワイヤーは、作用電極として使用された。作用電極における接触は、バネが装着されたクリップを通じてなされたが、それは、適切に変更された。
【００５４】
例１
Ａｕのコーティングのために、材料および方法の節に記載されたようなコイヤー繊維（７５個から１００個まで）の束は、スパッタコーター（１００ｍｍの直径×１００ｍｍの高さ）のチャンバー内へと置かれた。金の蒸気圧は、チャンバー内で均一に維持されたが、それは、均一なコーティングを容易にした。６０分のコーティングの後に、繊維は、コーターから取り除かれ、かつ、特徴付けられた。異なる繊維の物理的な性質についてのデータは、表１に提供されたものであると共に、金でコートされたコイヤー繊維のＥＤＸは、図１として与えられたものである。
【００５５】
この例は、天然繊維のヤング率および破壊点におけるひずみが、２−３０ＧＰａおよび１−４０％の範囲にあるものであったことを教示する。この例は、破壊点における最大のひずみが人毛の場合に３５−４０％であったことをさらに教示する。この例は、天然繊維にコートされた金の量が５−７％（重量／重量）であったことおよび比抵抗が４ｅ−４から２ｅ−５Ωｃｍまでの範囲にあるものであったことをもまた教示する。さらにこの例は、最低の抵抗率がそれぞれ２Ｂおよび４Ｂで得られたことを教示する。全ての試料についての金のコーティングの厚さは、８０−２００ｎｍの範囲にあるものであった。
【００５６】
表１：コートされてないおよび金でコートされた天然繊維の電極の異なる物理的な性質。
【００５７】
【表１】
2016536569.tif 000002
【００５８】
ＮＤ＝決定されなかった、１Ａ＝コートされてないコイヤー繊維、１Ｂ＝Ａｕでコートされたコイヤー繊維、２Ａ＝コートされてない人毛、２Ｂ＝Ａｕでコートされた人毛、３Ａ＝コートされてないサイザル繊維、３Ｂ＝Ａｕでコートされたサイザル繊維、４Ａ＝コートされてないジュート繊維、４Ｂ＝Ａｕでコートされたジュート繊維、５Ａ＝コートされてないバナナ繊維、および５Ｂ＝Ａｕでコートされたバナナ繊維
【００５９】
例２
０．５Ｍの硫酸のサイクリック・ボルタモグラムは、１０ｍＬのオープンセルにおいて記録されたが、そこでは、白金箔およびＡｇ／ＡｇＣｌ（飽和ＫＣｌ）がそれぞれ対および参照電極として用いられた一方で、金でコートされた人毛および裸の金が作用電極として作用する。スキャン速度５０ｍＶ／秒および電位の範囲−０．２Ｖから１．６Ｖまでは、この実験について選ばれた。サイクリック・ボルタモグラムは、図２に提供されたものである。
【００６０】
この例は、酸の媒質における金でコートされた天然繊維の安定度および清浄度ならびに純金のものとのＣＶの類似性を教示する。金でコートされた人毛は、清浄な表面および酸性の媒質において安定なものを有した。
【００６１】
例３
フェロシアン化物／フェリシアン化物の酸化還元対のサイクリック・ボルタンメトリー（ＣＶ）は、作用電極として金でコートされたコイヤー繊維、サイザル繊維、ジュート繊維、バナナ繊維、および人毛を使用することで、０．１ＭのＫＣｌ中に１０ｍＭのフェロシアン化カリウムを有する溶液において１００ｍＶ／秒のスキャン速度で記録された。比較は、また、従来の金のワイヤー電極となされた。ピークとピークとの間の分離についてのデータは、表２に提供されたものである。
【００６２】
アセトニトリル媒質中のサイクリック・ボルタンメトリーの研究は、作用電極としてＡｕでコートされた天然繊維を使用することで実行された。ＣＶは、気密のセル中でＮ２雰囲気の下で記録された。［Ｒｕ（ｂｐｙ）３］Ｃｌ２の１ｍＭの溶液は、０．１Ｍのテトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム（支持電解質）の存在における乾燥したアセトニトリル中で調製された。Ｎ２は、実験の開始の前に１０分の間パージされた。ＣＶは、いずれの撹拌もなしに３５０ｍＶ／秒のスキャン速度で記録された。ピークとピークとの間の分離についてのデータは、表２に与えられたものである。
【００６３】
表２：異なる天然繊維の電極についての水性のおよび非水性の媒質におけるピークとピークとの間の分離。
【００６４】
【表２】
2016536569.tif 000003
【００６５】
１Ｂ＝Ａｕでコートされたコイヤー繊維、２Ｂ＝Ａｕでコートされた人毛、３Ｂ＝Ａｕでコートされたサイザル繊維、４Ｂ＝Ａｕでコートされたジュート繊維、および５Ｂ＝Ａｕでコートされたバナナ繊維。
【００６６】
この例は、水性のおよび非水性の媒質におけるピークとピークとの間の分離が、表１に述べられたような比抵抗の傾向を反映したことを教示するが、それら分離はジュート繊維および人毛について最小のものである。比較のために、従来の金のワイヤーの電極について記録されたピークとピークとの間の分離はまた表に示される。
【００６７】
例４
天然繊維の電極の表面上に電気化学的にポリアニリンをコートするための試みはなされた。硫酸アニリニウムの単量体は、６分間の超音波処理が後に続けられた０．５ＭのＨ２ＳＯ４中に０．１Ｍのアニリンを溶解させることによって調製された。電気重合は、１０ｍＬの新たに調製された単量体を使用することでオープンガラスセルにおいて実行された。合計で５−３５の動電位のサイクルは、Ａｇ／ＡｇＣｌ対−０．２から０．８Ｖまでの電位窓において実行された。全ての天然繊維の電極は、この様式でコートされることができた。
【００６８】
この例は、天然繊維の電極の表面が電気重合を通じてさらに変性させられることができることを教示する。
【００６９】
例５
過酸化水素は、Ａｕでコートされたコイヤー繊維の電極を使用することで検出された。アンペロメトリック測定は、連続的なかきまぜの下で０．１Ｍのリン酸塩緩衝剤（ｐＨ５．２）中に１０ｍＬのＨ２Ｏ２（１００μＭ）を含有するオープンガラスセルにおいてされた。指示電極（コイヤー電極）は、Ａｇ／ＡｇＣｌ対−０．６Ｖで定電位にされた。［０．１Ｍのリン酸塩緩衝材（ｐＨ５．２）の中で調製された］０．０５ＭのＨ２Ｏ２の１００μＬのアリコートは、連続して追加され、かつ、限界電流は、応答が瞬間的なものであったとはいえ、２分後に測定された。Ｈ２Ｏ２のセンシングについてのデータは、図３に与えられたものである。
【００７０】
この例は、過酸化水素のアンペロメトリック検出がコイヤー繊維の電極を使用することでされることができることを教示する。応答は、瞬間的なものと見出されたが、コイヤー電極を通じた効率的な電子移動を示すものである。検出限界は、６×１０−４Ｍであることが見出された。
【００７１】
例６
重金属イオン［Ｐｂ（ＩＩ）、Ｈｇ（ＩＩ）、およびＡｓ（ＩＩＩ）］のアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリー（ＡＳＶ）の検出は、作用電極として使用されたＡｕでコートされた人毛について試みられた。Ｐｔ箔およびＡｇ／ＡｇＣｌ（飽和のＫＣｌ）は、それぞれ、対および参照電極として使用された。ｐＨ４．０の０．１Ｍの酢酸塩緩衝剤は、電解質として使用された。Ｐｂ（ＩＩ）のＡＳＶのために、２５ｐｐｍの原液（原液の濃度は、ＩＣＰ分析によって照合された）は、ＰｂＣｌ２の１０００ｐｐｍから調製された。初期に、（いずれの分析物もなしの）ブランク実験は、バックグラウンド電流をチェックするために実行された。それの後で、ある一定の体積（１０−４０μＬ）のＰｂ（ＩＩ）の原液は、１０ｍＬの酢酸塩緩衝剤を含有するセルに連続して追加された。電極の位置は、かきまぜの条件の下で１０分間に−０．８Ｖを適用することによって実行された。その後、方形波のボルタンメトリー波形は、１０ミリ秒の間に２５ｍＶのパルス幅およびステップ高２ｍＶを維持するストリッピング・ボルタモグラムを得るために−０．３から０．３Ｖまでの範囲において適用された。電極は、１０分の間ブランク電解質において０．８Ｖの電位を適用することによって、各々の実験の後で洗浄された。完全な洗浄を保証するために、工程は、数回繰り返され、かつ、そこにあるとすれば、いずれの酸化のピークについてもチェックされた。ピーク電流値は、ブランクスキャンと関連させられたバックグラウンド電流から補正された。ピーク電流および濃度の補正された値は、較正プロットを描くために使用された。Ｈｇ（ＩＩ）のＡＳＶのために、Ｈｇ（ＩＩ）の２５ｐｐｍの原液は、ＨｇＣｌ２の１０００ｐｐｍの溶液から調製された。スキャンする電位の範囲は、−０．６から０．７Ｖまでであった。他の実験の条件は、上に述べられたものと同じであった。Ａｓ（ＩＩＩ）のＡＳＶのためには、Ａｓ（ＩＩＩ）の２５ｐｐｍの原液は、Ａｓ２Ｏ３の１０００ｐｐｍの溶液から調製された。スキャンする電位の範囲は、−０．５から１．０Ｖまでであった。他の実験の条件は、上に述べられたものと同じであった。図４は、較正プロットと一緒にＡｓ（ＩＩＩ）についてのＡＳＶのトレースを示す。表３は、Ｐｂ（ＩＩ）、Ｈｇ（ＩＩ）、およびＡｓ（ＩＩＩ）の検出限界についてのデータを提供する。
【００７２】
表３：作用電極としての金でコートされた人毛についてのアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリーによって得られたようなＰｂ（ＩＩ）、Ｈｇ（ＩＩ）、およびＡｓ（ＩＩＩ）の検出下限についてのデータ
【００７３】
【表３】
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【００７４】
この例は、ＡＳＶによる水中における毒性の重金属およびＡｓ（ＩＩＩ）のｐｐｂレベルの検出および定量化のための人毛の電極の使用を教示する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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