Electrochemistry
The Electrochemical Society of Japan
Technological Report

Received: December 14, 2016
Accepted: March 14, 2017
Published: June 5, 2017
http://dx.doi.org/10.5796/electrochemistry.85.319

Electrochemistry, 85(6), 319–326 (2017)

超高解像度電気化学顕微鏡の創成と応用
松岡 涼,a 青柳 重夫,a,* 松本 尚志,a 松平 昌昭,a 高橋 康史,b,c 熊谷 明哉,d,e
井田 大貴,d 棟方 裕一,f 飯田 克彦,g 珠玖 仁,h 金村 聖志,f 末永 智一 d,e,h
北斗電工株式会社（〒 243-0801 神奈川県厚木市上依知上の原 3028）
金沢大学理工学研究域電子情報学系（〒 920-1192 石川県金沢市角門町）
c
JST さきがけ（〒 332-0012 埼玉県川口市本町 4-1-8）d
東北大学大学院環境科学研究科（〒 980-8579 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-11）e
東北大学原子分子材料科学高等研究機構（〒 980-8577 宮城県仙台市青葉区片平 2-1-1）
f
首都大学東京大学院都市環境科学研究科（〒 192-0397 東京都八王子市南大沢 1-1）g
株式会社ナノコントロール（〒 176-0012 東京都練馬区豊玉北 4-11-10）h
東北大学大学院工学研究科（〒 980-8579 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-11）abAdvanced Scanning Electrochemical Microscope System
for High-Resolution imaging and Electrochemical Applications
Ryo MATSUOKA,a Shigeo AOYAGI,a,* Naoshi MATSUMOTO,a Masaaki MATSUDAIRA,aYasufumi TAKAHASHI,b,c Akichika KUMATANI,d,e Hiroki IDA,d Hirokazu MUNAKATA,f
Katsuhiko IIDA,g Hitoshi SHIKU,h Kiyoshi KANAMURA,f and Tomokazu MATSUEd,e,ha

Hokuto Denko, 3028 Kamiechi Uenohara, Atsugi, Kanagawa 243-0801, Japan
Division of Electrical and Computer Engineering, Kanazawa University,
Kakuma, Kanazawa, Ishikawa 920-1192, Japanc
PRESTO, JST, 4-1-8 Hon, Kawaguchi, Saitama 332-0012, Japand
Graduate School of Environmental Stadies, Tohoku University,
6-6-11 Aramaki, Aoba-ku, Sendai, Miyagi 980-8579, Japane
WPI-Advanced Institute for Materials Research, Tohoku University,
2-1-1 Katahira, Aoba-ku, Sendai, Miyagi 980-8577, Japanf
Graduate School of Urban Environmental Sciences, Tokyo Metropolitan University,
1-1 Minami-Ohsawa, Hachioji, Tokyo 192-0397, Japang
Nano Control, 4-11-10 Toyotama-kita, Nerima-ku, Tokyo 176-0012, JapanhGraduate School of Engineering, Tohoku University,
6-6-11 Aramaki, Aoba-ku, Sendai, Miyagi 980-8579, Japanb* Corresponding author: aoyagi@hokuto-denko.co.jp
ABSTRACTWe developed three modes of high resolution scanning probe microscope system based on electrochemical
principles, scanning ion conductance microscopy (SICM), scanning electrochemical microscopy-scanning ion
conductance microscopy (SECM-SICM), and scanning electrochemical cell microscopy (SECCM). Firstly, adeveloped SICM system was constructed with a nanopipette ﬁlled with electrolyte solution as a probe. High
resolution topographic images of NanoCulture®Plate with hexagonal chambers with 2 µm-width banks, electrodeposited PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophane)) ﬁlm, and ﬁxed human squamous cell carcinoma were
captured by the SICM. Second, SECM-SICM was performed with a double-barrel carbon nanoprobe. The one barrelof the nanoprobe was ﬁlled with carbon and used for SECM apparatus, the other barrel was ﬁlled with electrolyte for
SICM conﬁgurations. Using the SECM-SICM system, simultaneous topographic and electrochemical images of
micro-band electrodes with 10 µm-width line and space, and a cathode site of corrosion in the aluminum die gustowith submicron spatial resolution were obtained. Thirdly, the SECCM featuring a nanopipette probe ﬁlled with LiClelectrolyte was applied for obtaining topographies and images of current activity of a LiFePO4 electrode.
© The Electrochemical Society of Japan, All rights reserved.

Keywords : Scanning Ion Conductance Microscopy,
Electrochemical Cell Microscopy, Nanoprobe

Scanning

1. 諸 言ることも可能となった．STM の関連技術である走査型電気化学顕微鏡 (scanning electrochemical microscopy: SECM)
は，STM や原子間力顕微鏡 (atomic force microscopy: AFM)と比較すると ① 試料局所領域の化学反応に関する定量的な情報を in situ で与える，② 局所領域に化学反応を誘起できる，という特徴を有している．

1982 年 に 走 査 型 ト ン ネ ル 顕 微 鏡 (scanning tunnelingmicroscopy: STM) が IBM チューリッヒ研究所の Binning とRohrer により発明されて以来1，この技術は急速な進歩をとげ，今では原子を観測するだけではなく，原子 1 個を操Electrochemical

Microscopy,

Scanning

319

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STM では，電圧を印加した微小電極と電子伝導体である試料が 1 nm 程度近づくと，トンネル電流が流れ始める．
トンネル電流が一定になるように微小電極を試料表面上で走査することにより，試料表面の凹凸や原子像を観測できる．STM がトンネル電流を検出するのに対し，
SECM では電気化学反応を微小な電極表面で進行させ，電極–試料間に存在する電気化学活性種の検出を可能とする点で異なる．
SECM のプローブ電流は微小電極直下の試料部位の電気化学活性種（導電性，絶縁性）を反映する．よって，
SECM では，試料表面が平坦な場合には，電極間距離を一定に保持しながら微小電極を面方向に走査すると，試料表面の電極反応活性の分布を与える電流像を得ることができる．
SECM の局所領域の測定例としては，細胞2，初期胚3,4，DNA5，腐食6,7 等が挙げられる．従来の SECM の解像度は微小電極の電極径により決まるので，STM や AFM より解像度が悪いことが課題である．解像度の向上には，電極の微細化と電極–試料間距離の制御が求められている8．
解像度の向上を目的として，サブミクロンオーダの電極も報告されている9,10．また，電極–試料間距離を一定に保つ制御システムとして，原子間力顕微鏡 (AFM) 11,12，シア
ホース13–15，インピーダンス16,17 による電極の位置を制御する方式が報告されている．
今回開発した解像度の向上を目指した超高解像走査型度電気化学顕微鏡は，従来報告してきた SECM と次の点で異なる．(i) 我々が報告してきた SECM の画像は，距離制御機構を用いずに高さ一定モードでの報告が多かったが，超高解像走査型電気化学顕微鏡は，イオン電流のフィードバック制御による距離制御機構を採用した (Fig. 1)．(ii)
我々が SECM の報告に用いてきた微小電極の電極径は 5–
20 µm の白金等であったが，本論文ではカーボンナノ電極とナノピペットから成る複合ナノプローブを用いた．超高解像度走査型電気化学顕微鏡にイオン電流の制御機構とカーボンナノ電極を用いることで，従来の SECM の解像
度のミクロンオーダと比較して，サブミクロンオーダの高解像度な電気化学イメージングを目指した．

Ag/AgClcell

RP : Nanopipette Resistance
RAC : Access Resistance
Figure 1. (Color online) Schematic view of scanning ion conductance microscopy (SICM).
320

生細胞表面の微小構造や化学物質の濃度変化が，生細胞の生理学的に重要な役割を果たしている．そのため，生細胞表面の微小構造の形状測定は，細胞機能を理解する上で重要である18．一般的な光学顕微鏡では，細胞を生理的条件下で観察することが可能であるが，200 nm 程度の空間分解能である．電子顕微鏡はナノメートルスケールの空間分解能で観察が可能であるが，生理的条件下での観察ができない18．ナノピペットを用いた非接触計測法である走査型イオンコンダクタンス顕微鏡 (scanning ion conductancemicroscopy: SICM) を用いると，光学顕微鏡より高い空間分解能でかつ生理的条件下での観察が可能である．
SICM は，ナノピペットに挿入した Ag/ AgCl 線と，測定液中に配置した Ag/ AgCl 電極間に電圧を印加することにより発生するイオン電流を測定する (Fig. 1) 19,20．イオ
ン電流は，ナノピペット先端を移動するイオン量に依存する2．Figure 1 に示すように，ナノピペットが細胞に近接すると空間的に移動するイオン量が阻害されてイオン電流が減少する2,18．SICM では，開口径は 10–100 nm のナノピペットを用いているので，50 nm 程度の空間分解能を有する高解像度イメージングが可能である．また，SICMのイオン電流の距離制御機構には，ホッピングモードを採用した21,22．ホッピングモードでは，ナノピペットを試料の接近によるイオン電流の減少が起こらない地点からアプローチさせ，電流値が 0.5–1% 減少した基準値に達した位置の Z 座標を記録後，任意の高さまでナノピペットを引き上げ，次の X，Y 座標の決 定を繰り返すことで，細胞の形状イメージを得ることができる8．このホッピン
グモードを採用することで，ナノピペットを試料と接触することなく，接近させることができるので，細胞を生理的条件下で観察することが可能となる．
SICM の測定例としては，生細胞（Hela 細胞，CHO 細胞，MCF-7 細胞，C2C12 細胞）の表面形状測定22，ヒト
扁平上皮癌細胞 (A431) へ細胞分裂等の形態変化を付与す
る上皮成長因子 (Epidermal Growth Factor: EGF) を添加後の連続した形態測定23，ウイルス様粒子と細胞表面の相互作用の評価24 等が挙げられる．
従来の電気化学測定法では，試料全体を電解液に浸漬する必要がある．SECM では，金属電極を µm オーダに微細化したプローブを用いることで，局所領域における電気化学反応が測定可能である．しかし，試料全体が浸漬しているために，電気化学反応に寄与する電気化学
活性種が半球状に拡散し，試料表面で起こる反応性を定
量的に切り出して測定することは困難である25．そこで，Unwin らは，プローブとして参照極と電解液を充填したガラスキャピラリーを用い，試料表面とプローブ表面で形成されるメニスカス（電気化学セル）を介して試料表面における局所的な電気化学反応を捉えることができる
走査型電気化学セル顕微鏡 (scanning electrochemical cell
microscopy: SECCM) を開発した．SECCM により試料全体を測定液に浸すことなく測定が可能となり，メニスカス
を介することにより，電気化学種の拡散を抑えることが可能となった．SECCM を用いて，Al 合金の電気化学活性の 不 均 一 性 の 評 価26， 高 配 向 熱 分 解 黒 鉛 HOPG (Highly
Oriented Pyrolytic Graphite) の酸化被膜の測定27，Pt ナノ粒子の結晶方位による反応速度の相違の評価28 が報告されている．

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Unwin らの SECCM に用いたガラスキャピラーの開口径
は 300 nm–1 µm であった．一方，我々は，SECCM の更なる高解像度化を実現するために，ガラスキャピラリーを尖鋭化し，電解液を充填した開口径が 10–100 nm のナノピ
ペットをプローブとして利用し，リチウムイオン 2 電池の電極表面でおこるイオンの挿入・脱離過程を，メニスカスを介して評価可能なナノ電気化学セル顕微鏡(nanoSECCM) の開発に成功した25,29．Figure 2 に示すように，メニスカス部分に電解液が存在し，試料基板の局所領域の電気化学反応を観測できることが nanoSECCM の特徴である．nanoSECCM では，電解液を充填した開口径が100 nm のナノピペットと試料の間に測定液のメニスカスを形成し，リチウムイオンの挿入脱離に伴う局所的な各測定点の電流測定が可能となった29．また，このとき，作用極として供試した LiFePO4 合剤電極は導電性である．
本論文では，以下に開発した 3 機種の超高解像度走査型電気化学顕微鏡の概要及びその応用について記す．
① SICM では，プローブに電解液を充填したナノピペッ
トを用いたイオン電流のフィードバックシグナルによる試料の高解像度の形状イメージングを行った．
② SECM-SICM では，SECM 測定のカーボンナノ電極とSICM 測 定 の ナ ノ ピ ペ ッ ト か ら 構 成 さ れ る 複 合 ナ ノ プ
ローブ（ダブルバレル型ナノプローブ）を作製し，電気
化学イメージと形状イメージを同時取得可能な SECM-

SICM システムを開発した．
③ nanoSECCM では，局所形状とリチウムイオンの脱挿入の同時イメージングを行った．

2. 実 験
2.1 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡 (SICM)
2.1.1 電気化学セル
ナノピペットは，ポリシリケイトガラスキャピラリー
（外径 1.0 mm，内径 0.58 mm Harvard Apparatus 30-0020) をCO2 レーザープラー (Sutter P-2000) により加熱しながら伸ばして作製した．開口径 100 nm 程度のナノピペット2 内に Ag/ AgCl 線を挿入後，電解液 (0.1 mol / L KCl) を充填し，このプローブをイメージングに用いた．
Figure 1 に示すようにナノピペットに挿入された Ag/
AgCl 線 と セ ル 内 に Ag/ AgCl 電 極 を 配 置 し た． ナ ノ ピ
ペット外の Ag/ AgCl 電極に対してナノピペット内の Ag/
AgCl 線に 0.2 V の電位を印加し，SICM の測定を行った．
SICM の 形 状 イ メ ー ジ 試 料 と し て は， ピ ッ チ 幅 2 µm
NanoCultureμPlate (JSR Life Sciences NCP-L-MH)， ITO 電
極上に重合させた導電性特性を有する PEDOT(poly(3,4ethylenedioxythiophane)) 電解重合膜，ヒト扁平上皮癌細胞(A431) を選定した．
PEDOT 電解重合膜の重合条件を次に記す．作用極：ITO 電極，対極：Pt，参照極：Ag/ AgNO3，モノマー：
0.1 mol / L EDOT(3,4-ethylenedioxythiophene)，支持電解質：
0.1 mol / L (TEA(triethanolamine))ClO4，溶媒：アセトニト
リル，電流密度：1 mA/ cm2，電解時間：5 分．

2.1.2 装置構成

ȭQP

Figure 2. (Color online) Schematic view of nano scanning electrochemical cell microscopy (nano SECCM).

SICM の装置構成を Fig. 3 に示す．高速応答で微小電流測定及び電位制御を行う SICM-IV コンバータ（北斗電工製），ナノメートルレベルでナノピペットのアプローチを行う Z 軸ピエゾステージ（ナノコントロール ストロー
ク：20 µm），XY 方向に試料を走査する XY 軸ピエゾス
テージ（ナノコントロール ストローク：30 µm），粗動でナノピペットの位置制御を行う Z 軸ステッピングモー
タ（神津精機 XA10F-RI-R：移動範囲«12.5 mm）から構成
されている．

Figure 3. (Color online) Schematic view of scanning ion conductance microscopy.
321Electrochemistry, 85(6), 319–326 (2017)

料間距離に依存する．SECM では，微小電極直下の試料
IV コンバータ，ピエゾステージ及びステッピングモー
タの制御，プローブのフィードバック制御，データ収集は， 部位の電気化学活性種（導電性，絶縁性）によりプローブ電流が増減するため，電極–試料間の距離制御は困難でFPGA (ﬁeld programmable gate array) ボード (National Instruments NI-7841) を搭載したパソコン（エプソン AT992E） ある．一方，SICM から得られるイオン電流からナノピにより行った．除振台（明立精機 AYN-1007K4）の上に， ペットと試料との正確な位置情報が得られる．そこで，
SICM を収納したシールドケース（北斗電工 HS-103）を設 「2.1.3 ナノピペットのアプローチと走査」で記したナノピ
置した．
ペットのイオン電流の減少に基づくアプローチ法で複合ナノプローブを試料に最接近させる．その後，カーボン
2.1.3 ナノピペットのアプローチと走査ナノ電極により，電気化学測定を行う．この距離制御技
Z 軸ステッピングモータの稼働面に Z 軸ピエゾステージ
術を基に，複合ナノプローブを XY 方向に走査することで，を固定することにより，ステッピングモータとピエゾス
テージの同時稼働を可能とした．ナノピペットのアプ
試料の電気化学イメージと形状イメージを同時に得るこ
ローチを次に記す2,20．(i) Z 軸ステッピングモータを用いて， とができる．
ナノピペットを試料近傍に近接させる．(ii) イオン電流が0.5–1% の減少を観測後，Z 軸ピエゾステージによりナノピ
2.3 ナノ電気化学セル顕微鏡 (nanoSECCM)
ペットを上昇させ，試料の近接によるイオン電流の減少が2.3.1 電気化学セル及び装置構成
起こらない位置まで戻す．(iii) 20 nm / ms の速度で，ナノnanoSECCM のプローブであるナノピペットは，SICM
ピペットを試料へアプローチし，イオン電流の減少が 0.5–と同じ方法で作製した．開口径 100 nm 程度のナノピペッ
1% に達した地点の Z 座標を記録する，(iv) ナノピペットを
ト内に Ag/ AgCl 線を挿入後，電解液 (3 mol / L LiCl) を充填し，このナノピペットを nanoSECCM による局所的な電任意の高さまで引き上げ，X 方向へピエゾステージにより
試 料 を 230 nm 移 動 さ せ る． そ の と き の 移 動 速 度 は， 池材料表面の充放電特性の評価に用いた29．
39 µm/ s となる．測定点ごとに (i)–(iii) を繰り返すことで，
Figure 2 に示すように，ナノピペットを試料の LiFePO4
非接触で，試料の形状イメージを得ることができる．
合剤電極29 と接触させて形成したメニスカスを電気化学
セルとして利用した．ナノピペット内の Ag/ AgCl 電極に対して LiFePO4 合剤電極に 0.65 V vs. Ag/ AgCl を印加する
2.2 走査型電気化学イオンコンダクタンス顕微鏡とメニスカスを形成している電解液 (3 mol / L LiCl) から Li(SECM-SICM)
イオンを LiFePO4 合剤電極へ挿入することができる．こ2.2.1 電気化学セル及び装置構成のことにより，nanoSECCM による電極材料表面での充放H 型クオーツピペットの片方を SECM 測定用のカーボン
電特性と形状イメージを同時に得ることができる．
ナノ電極，もう一方を SICM 測定用のナノピペットとした
nanoSECCM の装置構成では，Fig. 3 の装置構成の IV コ
複合ナノプローブ（ダブルバレル型ナノプローブ）を
SECM-SICM に用いた．複合ナノプローブの作製法を記す2． ンバータの代替としてパッチクランプ用の電流増幅器(i) H 型 ク オ ー ツ ガ ラ ス 管 （外 径 1.2 mm， 内 径 0.9 mm， (Axon Instruments MultiClamp700B) を用いた．
SUTTER QT120-90-7.5）を CO2 レーザープラーにより細尖2.3.2 ナノピペットのアプローチ
化し，H 型クオーツピペットを作製した．(ii) H 型クオーツ
ナノピペット内の Ag/ AgCl 電極に対して 0.65 V の電圧
ピペットの片側に，ブタンガスを注入しながら先端部を加を印加した LiFePO4 合剤電極に 20 nm / ms でナノピペット
熱し，焼成カーボンを形成後，Ag 線を挿入し焼成カーボを近接させた．Figure 2 に示すように，LiFePO4 合剤電極
ンとの導通を確保したカーボンナノ電極を作製した．このとナノピペットのメニスカスを介した接触により観測さプローブを SECM の電気化学イメージグに用いた．(iii) もれる容量電流をトリガーシグナルとして，ナノピペット
う一方のナノピペット内に Ag/ AgCl 線を挿入後，電解液のアプローチを停止した．この地点の Z 座標を記録する．
を充填し，このナノピペットを形状イメージグに用いた．
容量電流が収まるまで待った後に，リチウムイオンの挿SECM の 測 定 で は， 電 解 液 に メ デ ィ エ ー タ と し て， 入に起因する電流を測定した29．次に，ナノピペットをフェロセンメタノール (FMA) (Aldrich) が 1.0 mmol/ L とな
20 nm/ ms，4 µm 引き上げ，次の測定点（パラメータとしるように調整した．セル内に複合ナノプローブと Ag/て指定した X または Y 方向の移動距離）における電流を
AgCl 電極を配置した．Ag/ AgCl 電極に対してカーボンナ同様に計測した．このアルゴリズムに基づき，ナノピ
ノ電極に 0.5 V vs. Ag/ AgCl の電位を印加して SECM の測
ペットを XY 方向に走査することで，LiFePO4 合剤電極の定を，ナノピペット外の Ag/ AgCl 電極に対してナノピ
局所的な酸化電流イメージを得ることができる．また，接ペ ッ ト 内 の Ag/ AgCl 線 に 0.2 V vs. Ag/ AgCl を 印 加 し， 触により観測される容量電流をトリガーシグナルとして，
ナノピペットのアプローチが停止した Z 座標を記録するこ
SICM の測定を同時に行った．
とにより，形状イメージを同時に得ることができる．
SECM-SICM の 試 料 と し て は， Dropsens 製 ピ ッ チ 幅
10 µm Au 櫛形電極（材質：ガラス），アルミダイカスト
12 (ADC12)（Al，Cu，Si，Mg 等を含む），Hela 細胞を選3. 結果及び考察
定した．
SECM-SICM の 装 置 構 成 で は， Fig. 3 の 装 置 構 成 に
3.1 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡 (SICM)
SECM-IV コンバータを付加した．
Au スパッタ 1 分，高速真空モード，加速電圧 500 kV の条件で，日本電子製 JSM-6510LV により，撮影したピッチ
2.2.2 複合ナノプローブのアプローチと走査
幅 2 µm NanoCultureμPlate の SEM 写 真 を Fig. 4(a) に 示 す．
SECM は試料表面の電気化学特性を評価できる測定法である．SECM の解像度は，プローブの電極径と電極–試
電解液 0.1 mol / L KCl，ナノピペット内の Ag/ AgCl 電極に
322

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0.2 V vs. Ag/AgCl を印加した条件での，走査範囲 5 µm ©
5 µm 及 び 2 µm © 2 µm に 拡 大 し た SICM に よ る NanoCultureμPlate の 形 状 イ メ ー ジ を Figs. 4(b)， (c) に 示 す．
SEM による写真とほぼ同一のピッチ幅 2 µm マイクロハニ
カムの形状の正確なイメージ画像を SICM により得ること
ができた．
(a)

今 回 開 発 し た SICM に よ り， 走 査 範 囲 30 µm © 30 µm，10 µm © 10 µm，5 µm © 5 µm の順次拡大した PEDOT 電解
重合膜の形状イメージを Fig. 5 に示す．SICM により，測定溶液中で試料に非接触で PEDOT 電解重合膜の形状を評価することが可能であった．
また，ヒト扁平上皮癌細胞 (A431) の光学顕微鏡写真をFig. 6(a) に，SICM による走査範囲 30 µm © 30 µm の A431
細胞の形状イメージを Fig. 6(b) に示す．光学顕微鏡写真と比較して，SICM の方が A431 細胞の 3 次元形状を高い精度で明確にイメージングすることができた．

3.2 走査型電気化学イオンコンダクタンス顕微鏡(SECM-SICM)(b)(c)
13.0 μm12.2 μm11.7 μm10.7 μm

Image size 5 × 5 μm

Image size

2 × 2 μm

Figure 4. Scanning electron micrograph (a), SICM topography
image (b), (c) of NanoCultureμPlate with hexagonal chambers with
2Lm-width banks. Image sizes are 5 µm © 5 µm (b), 2 µm © 2 µm(c). SICM electrode was held at 0.2 V versus a reference Ag/AgClelectrode in 0.1 mol/L KCl.

(a)

SECM-SICM で用いた複合ナノプローブのデジタル写真
及び SEM 写真（日本電子製 Neoscope JCM-6000）を Fig. 7に示す．Au スパッタ 1 分，高速真空モード，加速電圧
15 kV の条件で，複合ナノプローブの SEM 写真を撮影した． 複 合 ナ ノ プ ロ ー ブ の 外 径 は ほ ぼ 200 nm で あ っ た(Fig. 7(b))．
SECM-SICM の 基 本 性 能 を ピ ッ チ 幅 10 µm の Au 櫛 形電極で検証した．複合ナノプローブのナノピペット内の Ag/ AgCl 電極とセル内の Ag/ AgCl 電極間に 0.2 V vs.
Ag/ AgCl を印加して得た SICM による Au 櫛形電極の形状イメージを Fig. 8(a) に，カーボンナノ電極に 0.5 V vs.
Ag/ AgCl を印加して得た SECM の電気化学イメージをFig. 8(b) に示す．メディエータは 1.0 mmol/ L FMA を用いた．導電体の Au 上のメディエータの酸化還元によるプ
ローブ電流の増加及び絶縁性のガラス基板上のプローブ電(b)

Image size 30 × 30 μm(c)Image size 10 × 10 μm

Image size 5 × 5 μm

Figure 5. SICM topography images of electrodeposited PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophane)) ﬁlm in 0.1 mol/L KCl. Image sizes are
30 µm © 30 µm (a), 10 µm © 10 µm (b), 5 µm © 5 µm (c). SICM electrode was held at 0.2 V versus a reference Ag/AgCl electrode.

(a)

(b)

(a)

(b)

20.1 μm

3.0 μmImage size 30 × 30 μm

Figure 6. (Color online) (a) Photograph, SICM topography images of A431 cell in PBS. Scan ranges are 20 µm © 20 µm (b),
SICM electrode was held at 0.2 V versus a reference Ag/AgClelectrode.

Figure 7. SECM-SICM probe. Digital photography (a), scanningelectron micrograph (b).

323

Electrochemistry, 85(6), 319–326 (2017)

(a)

(b)

Figure 8. Micro-band electrodes with 10 µm-width line and spacein topography (a), electrochemical image (b) in 1.0 mmol/L
FcCH2OH + 0.1 mol/L KCl. Scan ranges are 30 µm © 30 µm. The
SECM and SICM probes were held at 0.5 and 0.2 V versus areference Ag/AgCl electrode.
Figure 9. Schematic view of corrosion reaction.

(a)

(b)

5 ȣm

Figure 10. Aluminum die gusto in topography (a), electrochemical (b) image after dipping in 1.0 mmol/L FMA+2.67% AlCl3. Scan ranges
are 5 µm © 5 µm. The SECM and SICM probes were held at 0.5 and 0.2 V versus a reference Ag/AgCl electrode.

流の減少が観測された．よって，作製したカーボンナノ電
極が SECM プローブとして機能していることが明らかとなった．また，SECM-SICM により，試料の電気化学イ
メージと形状イメージを同時に得ることを確認できた．
SECM-SICM により，アルミダイカスト (ADC12) の腐食 特 性 を 検 証 し た． 腐 食 反 応 の 概 要 を Fig. 9 に 示 す．
ADC12 表面に局部腐食が生じると，アノードサイトでは Al ¼ Al3+ + 3e¹の反応により Al が溶解する．電子は，周 辺 の カ ソ ー ド サ イ ト に 移 動 し， O2 + 2H2O + 4e¹ ¼
4OH¹の反応により，酸素が還元される．メディエータのFMA が測定液に含まれている場合，複合ナノプローブのカーボンナノ電極に 0.5 V vs. Ag/ AgCl を印加されている
ので，カーボンナノ電極では，FMA ¼ FMA+ + e¹の酸化反応が，カソードサイトでは，FMA+ + e¹ ¼ FMA の還元反応が起きフィードバックにより，プローブ電流が増加する．よって，ADC12 上のカソード反応活性を検出できる．ADC12 を 1.0 mmol/ L FMA を含む 2.67% AlCl3 測定
液に 4, 4.5, 5, 6, 7 時間浸漬後の走査範囲 5 © 5 µm の SICMによる形状イメージを Fig. 10(a) に，SECM による電気化
学イメージを Fig. 10(b) に示す．4 時間と 7 時間浸漬後の324

ADC12 の SICM の形状イメージ (Fig. 10(a)) を比較すると，
アノードサイトの Al ¼ Al3+ + 3e¹ の溶解に伴い凹部が増加した．一方，4 時間と 7 時間浸漬後の ADC12 の SECMの電気化学イメージ (Fig. 10(b)) を比較すると，カソード
サイトの形状イメージはほとんど変化しなかったが，カソードサイトでは，FMA+ + e¹ ¼ FMA の還元反応と共役 し て 起 き る FMA ¼ FMA+ + e¹の 酸 化 反 応 に よ る プ
ローブ電流の増加を観測することができた．SECM-SICM
によって，ADC12 のサブミクロンオーダのカソードサイ
トの検出が可能であった．
4% パラホルムアルデヒドで固定した HeLa 細胞の SICMによる形状イメージを Fig. 11(a) に，SECM による電気化
学イメージを Fig. 11(b) に示す．メディエータとして用いた疎水性の FMA は細胞膜を透過可能であり，電極が細胞表面上にあるとき，基板よりもブロッキング効果が弱い．
そのため Hela 細胞上では基板上よりも高いプローブ電流となり，SECM-SICM により，Hela 細胞の形状と電気化学
イメージ画像を同時に得ることができた．
以上の結果より，複合ナノプローブのナノピペット(SICM) から得られるイオン電流を用いて，ナノピペット

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(a)

(b)

(a)

(b)

Figure 11. Hela cell in topography (a), electrochemical (b) image
in 1.0 mmol/L FcCH2OH + PBS. Scan ranges are 30 µm © 30 µm.
The SECM and SICM probes were held at 0.5 and 0.2 V versus areference Ag/AgCl electrode.

Figure 12. (Color online) Topography and current activity of a
LiFePO4 electrode. Simultaneous SECCM topography (a), current(b) images. Scan ranges are 10 µm © 10 µm. The substrate potential
was +0.65 V versus Ag/AgCl quasi-reference counter electrode.

と試料間の距離制御を行うと同時に試料の形状イメージを得ることができた．また，複合ナノプローブのカーボ
ンナノ電極 (SECM) により得られるプローブ電流により，
電気化学イメージも同時に得ることができた．

が遮断された二次粒子を形状として観測している，イオンの脱離反応は起こっているものの伝導経路が内部抵抗により低い電流応答として観測されているなどの要因が考えられる．このように，nanoSECCM を用いることで，電極表面での活物質反応の不均一性を可視化が可能となり，均一な応答を示す電極試料の評価につながることが期待できる．

3.3 ナノ電気化学セル顕微鏡 (nanoSECCM)
リチウムイオン 2 次電池の高性能化（高速充放電特性と長期のサイクル安定性）を実現する上で，エネルギー
密度が高くかつ反応性が均一な電極を作製する必要がある．そのための知見として，ナノメートルスケールでリチウムイオンの脱離・挿入に起因する電流応答を直接に評価する方法が求められている．nanoSECCM は，ナノピ
ペットの先端と試料表面で形成される微小電気化学セル構造を用いることで，局所的な電池の反応性を評価することが可能である．また，ナノピペットを走査することで得られる電流応答をマッピングすることで電極表面のリチウムイオンの脱離・挿入に関する電流応答分布イ
メージを取得できる．このイメージング技術を用いることで，電極表面の充放電反応の均一性を評価できることが期待されている．
電極表面の電流分布イメージング例として，リチウムイオン 2 次電池の正極として用いられる LiFePO4 合剤電極の評価を行った．合剤電極は，Al や銅箔などの集電体に，電極活性物質 (LiFePO4)，活性物質を固定するためのバイ
ンダー，電子伝導性を補助する導電助剤が混合されたスラリーを塗布し，乾燥させることで作製する．nanoSECCMで取得した LiFePO4 合剤電極の形状 (a) と電流応答 (b) のイ
メージを Fig. 12 に示す．形状イメージ (a) から，試料表面に粒子の点在が確認された．この結果は，過去の文献29と一致しており，観測された粒子は LiFePO4 の二次粒子であり，その周りを導電助剤とバインダーが覆っているものと 考 え ら れ る． ま た， nanoSECCM の 電 流 応 答 像 は，
LiFePO4 からリチウムイオンが脱離する電位 (0.65 V vs.
Ag/ AgCl) を印加し，得られた電流応答を画像化したものであり，電流応答が高い領域はリチウムイオンの脱離がおこり，そのイオン伝導の経路が集電体まで確保されていることを示唆している．形状イメージ (a) の右下部分でリチ
ウムイオンの脱離応答に起因する電流が捉えていることか
ら，この粒子は試料表面でリチウムイオンの脱離が起こり，電流値が観測されている．一方，中央部の形状イメージから確認される粒子は，電流応答をほぼ示していないことから，電極内部に存在している二次粒子もしくは，伝導経路

4. まとめ
本論文では，以下に開発した 3 機種の超高解像度走査型電気化学顕微鏡を検証した結果をまとめる．
1) 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡 (SICM) を用いて，次に示す試料の高解像の形状イメージングが可能であった．(i) ピッチ幅 2 µm NanoCultureμPlate の 1 µm 程度のハニ
カム格子，(ii) 測定溶液中で試料に非接触条件での導電特性を有する PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophane)) 電解重合膜，(iii) ヒト扁平上皮癌細胞 (A431)．
2) 走査型電気化学イオンコンダクタンス顕微鏡 (SECMSICM) を用いて，次に示す試料の SECM のカーボンナノ
電極と SICM 測定のナノピペットから構成される複合ナノプローブにより試料の電気化学イメージングと形状イ
メージングが可能であった．
(i) ピッチ幅 10 µm の Au 櫛形電極，(ii) アルミダイカストの浸漬時間の経過ともに凹部とプローブ電流が増加する
腐食の進行，及びアルミダイカストのサブミクロンオー
ダのカソードサイトの検出，(iii) メディエータとして用いた疎水性フェロセンメタノールの HeLa 細胞の細胞膜透過性及び形状．
3) ナノ電気化学セル顕微鏡 (nanoSECCM) を用いて，LiFePO4 合剤電極の形状イメージとリチウムイオンの挿入に伴う酸化電流イメージが同時に得られること．

謝 辞
本開発成果は，平成 24 年度より科学技術振興機構 (JST)
先端計測分析技術・機器開発プログラム（平成 27 年度より日本医療研究開発機構 (AMED) が実施する医療分野研究成果展開事業 先端計測分析技術・機器開発プログラ
ムに移行），先端的低炭素化技術開発 ALCA：蓄電デバイ
ス， JST さ き が け， 及 び 科 学 研 究 費 補 助 金 (16H06042,
15H03542, 16H00885, 15H05422, 15K13263, 16H00885)，の一環として推進されました．
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