电化学测定用电极板、和具有该电化学测定用电极板的电化学测定装置、以及用该电化学...的制作方法

专利名称：电化学测定用电极板、和具有该电化学测定用电极板的电化学测定装置、以及用该电化学 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及高灵敏度地检测和定量在生物体内微量地包含的物质 的电化学测定用电极板。
背景技术：
近年来，正在开发使酶所具有的特别的催化作用和具有电极反应活性的电子介体(mediator)组合，对血液中包含的蔗糖(sucrose)、 葡萄糖等的糖类进行定量的电化学测定用电极板。在这种电化学测定用电极板中，通过在使糖类和酶之间发生反应 后，对电子介体进行电化学测定，经电子介体间接地对试样液中包含 的糖类进行定量。因为该方法对糖类的奇异性高，操作时的温度的影响小，定量装 置的结构也简单，所以通过使用该方法，普通人能够在家庭等中简便 地对糖类进行定量。电化学测定用电极板适合于对生物体中包含的微量溶液样品的分 析。因此，尝试将电化学测定用电极板与各种各样的有机材料或者无 机材料相组合应用于传感器等。因为电化学测定用电极板的电极应答 速度，随着电化学测定用电极板所具有的微小电极的面积减少而提高， 所以正在对各种电极形状、电极的细微化进行研讨。但是，伴随着电极面积的减少，得到的电流值减少。例如，当使 电极面积细微化至大约数百pm2时，能够检测出的电流值降低至数十 数nA量级。因此，在测定时发生噪声应答的增加和灵敏度降低。所以， 为了消除这些不良情况，在专利文献1 4中研讨了集成有多个微小电 极的电化学测定用电极板。在专利文献1 4中，提出了再现性良好地在基板上制作大量与邻 接的微小电极之间的距离保持一定的微小电极的方法。图17表示专利文献1中记载的现有技术的电化学测定用电极板的 结构的整体图(图17 (a))和部分放大图(图17 (b))。该电化学测 定用电极板200，叠层有绝缘性基板201、作为氧化电极起作用的下部 电极体202、绝缘层203、作为还原电极起作用的表面电极204。在表 面电极204的表面形成有大量圆筒形的细微孔5，在该细微孔5中露出 下部电极体202的膜面。绝缘性基板201，例如由在硅基板201a的主表面覆盖有氧化膜 201b的所谓的附着氧化膜的硅基板构成。下部电极体202是在基板201 上的氧化膜201b的表面(即，绝缘体的表面)由金属、半金属、碳材 料或半导体形成的氧化电极。表面电极204，是在绝缘层203上与下部 电极体202同样，由金属、半金属或半导体形成的还原电极。由从下 部电极体202的细微孔5露出的部分(以下，作为氧化电极202)和表 面电极204构成作用电极对。即，氧化电极202a和表面电极204均作 为作用电极起作用，更详细地说，如上所述的那样，下部电极体202 的露出部作为氧化电极起作用，表面电极204作为还原电极起作用。 此外，在图17中，207是为了使外部引线与下部电极体202的一个端 部连接而开口的电极引出用开口部。这里细微孔205指的是完全贯通 绝缘层203和表面电极204，到达下部电极体202表面的孔。在使用如上所述的电化学测定用电极板的电化学测定装置中，为 了得到电流应答，对下部电极体202和表面电极204施加电位。当电 化学测定装置由氧化电极202a、表面电极204、对极(未图示)这3 个电极构成时，设对极在试样溶液中所示的电位为零，在氧化电极体 202a—对极之间，表面电极204—对极之间施加电位。此外，当电化学 测定装置由氧化电极体202a、表面电极204、参照电极(未图示)、补 助电极(未图示)这4个电极构成时，设参照电极在试样溶液中表示 的电位为零，对氧化电极202a—参照电极之间，表面电极204—参照 电极之间施加电位。在专利文献4和非专利文献1中，提出取圆筒形的细微孔205的 间隔比它的直径大的电化学测定用电极板的方案，报告了使用该电极 板的电化学测定结果。在这些文献中，作为大(macro)电极的表面电 极204具有比作为微小电极的集合体的下部电极大的面积。当测定时，分别在氧化电极202a上施加能够引起氧化反应的电位，并且在表面电 极204上施加能够引起还原反应的电位。由此，报告了在氧化电极202a 和表面电极204之间发现自感应氧化还原循环，表观上能够得到高的 电流应答的情况。这样一来，经存在于试样液中的电子介体，对糖类等的目标物质 进行定量。此外，即便对氧化电极202a施加引起还原反应的电位，对表面电 极204施加引起氧化反应的电位，也发现同样的自感应氧化还原循环。这里，使用图18说明在专利文献4、非专利文献1和2中记载的 自感应氧化还原循环。图18中的自感应氧化还原循环在2个作用电极，即微小电极221 和大电极222上进行。在微小电极221的表面，通过发生还原体224的氧化反应生成氧 化体225，在微小电极221流通氧化电流。通过在大电极222中接近微小电极221的部分222a的表面，使氧 化体225被还原成为还原体226，由此在大电极222流通还原电流。进一步通过还原体225扩散到达微小电极221的表面，再次引起 从还原体224到氧化体225的氧化反应，在微小电极221流通氧化电 流。结果，通过在大电极222a的表面将从微小电极221生成的氧化体 225还原形成还原体226,能够将还原体224供给微小电极221的表面。因此，在微小电极221和大电极222a之间产生氧化反应和还原反 应循环的所谓的氧化还原循环反应，结果在微小电极221稳定地流通 电流，能够检测出在试样液中微量地包含的目标物质并对其进行定量。而且为了提高高灵敏度测定的有效性，在基板上形成更多的微小 电极221，尽可能多地形成进行氧化还原循环的由氧化电极和还原电极 构成的电极对。专利文献l:日本第2556993号专利公报(第6页，第一图) 专利文献2:日本第2564030号专利公报(第7页，第2图) 专利文献3:日本特幵2006-78404号专利公报(第25页，图1) 专利文献4:日本第3289059号公报(第16页，图5) 专利文献5:日本特开2007-010429号公报(图3，图4)10非专利文献l: J.Electrochem. Soc.， 138巻，12号，3551页非专利文献2:青木幸一等著"使用微小电极的电化学测定法" (公司)电子信息通信学会编平成10年2月10日发行48-49， 70-71页发明内容如图17所示，当作为还原电极起作用的表面电极204的面积比氧 化电极202a的面积大得多时，产生下面那样的问题。在大电极222a上生成的还原体226扩散，但是它不仅到达微小电 极221 (与图17中的氧化电极202a相当)，而且如图18的右侧所示， 它的一部分也到达大电极222 (与图17中的表面电极204相当)中远 离微小电极221的部分222b上。这种还原体227通过氧化反应形成氧 化体228。即，在大电极222上也发生氧化反应(也参照日本特开平 3-246460号专利公报的第4图)。接着，该氧化体228扩散，到达大电极222中接近微小电极221 的部分222a上。在那里通过还原反应，形成还原体226。还原体226 扩散到达微小电极221的表面再次被氧化形成氧化体225 (或者，再次 到达大电极222中远离微小电极221的部分222b)。艮P，在图17的表面电极204上同时发生氧化反应和还原反应。结 果，想要在氧化电极202a检测出的还原体的氧化也同时在表面电极204 上发生。因此，在表面电极204产生的还原体并没有在氧化电极202a上高 效率地氧化，在高灵敏度化方面产生问题。此外，由于表面电极204作为大电极起作用而施加电位时的充电 电流较大。因此，也产生了与作为微小电极的氧化电极202a相比反应 达到稳定状态的时间变长的课题。本发明是为了解决上述课题而提出的，本发明的目的是提供能够 经电子介体而高精度并且高灵敏度地定性测定或定量测定试样液中包 含的糖类等的目标物质的浓度的电化学测定用电极板。为了解决上述课题，本发明的电化学测定用电极板，包括由绝 缘体构成的基板；设置在上述基板上表面的由绝缘体构成的上层；设置在上述基板下表面的由绝缘体构成的下层；夹在上述基板上表面和 上述上层之间的第一电极体；和夹在上述基板下表面和上述下层之间 的第二电极体，上述上层具有多个上层贯通孔，上述第一电极体，具 有由上述第一电极体中的、经上述上层贯通孔从上述上层的上表面露 出的部分构成的多个第一电极，上述基板具有多个基板贯通孔，上述 第二电极体，具有由上述第二电极体中的、经上述上层贯通孔和上述 基板贯通孔从上述上层的上表面露出的部分构成的多个第二电极，在 俯视观察时，上述多个基板贯通孔均不与上述第一电极体重合，在上 述各第一电极的周围，配置有与上述第一电极的中心间距离相等的4 个第二电极，在上述各第二电极的周围，配置有与上述第二电极的中 心间距离相等的4个第一电极，上述各第一电极的面积和上述各第二 电极的面积均实质上相同。在本发明的一个方式中，上述第一电极体，由形成以依次连结上 述第一电极的方式延伸设置的锯齿状的多个分支部、和连接上述多个 分支部的一端的主干部构成。在本发明的一个方式中，上述第二电极体，由形成以依次连结上 述第二电极的方式延伸设置的锯齿状的多个分支部、和连接上述多个 分支部的一端的主干部构成。在本发明的一个方式中，上述第一电极体由具有多个切除部的金 属板构成，上述多个切除部通过将比与上述多个基板贯通孔对应的区 域还大一圈的区域切除而成。在本发明的一个方式中，上述第二电极体，由全部包括上述多个 第二电极的金属板构成。在本发明的电化学测定用电极板中，优选上述各上层贯通孔的剖 面面积与上述各第一电极的面积实质上相同，上述各基板贯通孔的剖 面面积与上述各第二电极的面积实质上相同。在本发明的一个方式中，上述各上层贯通孔的剖面形状和上述各 基板贯通孔的剖面形状为正四边形。在本发明的一个方式中，上述各上层贯通孔的剖面形状和上述各 基板贯通孔的剖面形状为正六边形。又，上述电化学测定用电极板，与参照电极和辅助电极组合，或者与对极组合，构成电化学测定装置。该电化学测定装置也包括在本 发明的主旨中。而且，利用该电化学测定用装置进行的如下所述的对含有电子介 体的试样液中包含的目标物质进行定量的方法也包括在本发明的主旨 中。本发明的对目标物质进行定量的方法包括使上述参照电极、上 述辅助电极和上述电化学测定用电极板，或者上述对极和上述电化学 测定用电极板与上述试样液接触的接触工序；对上述第一电极体和上 述第二电极体的一方扫描正电位，对另一方施加负电位，或者对上述 第一电极体和上述第二电极体的一方施加正电位，对另一方扫描负电 位，测定在上述第一电极体和上述第二电极体之间流动的电流值的电 流测定工序；和根据在上述电流测定工序中得到的电流值计算上述目 标物质的量的计算工序。本发明的上述目的，其它目的，特征和优点，将从通过参照附图 对下面的优选实施方式进行的详细说明中清楚地了解。根据本发明，能够高精度并且高灵敏度地测定试样中包含的目标 物质的浓度。


图1是示意性表示第一实施方式的电化学测定用电极板的立体图。 图2是示意性表示第一实施方式的电化学测定用电极板的分解立 体图。图3是示意性表示氧化电极体和还原电极体的分支部的一部分形 状的平面图。图4是具有第一实施方式的电化学测定用电极板的电化学测定装 置的概略图。图5是表示检量线作成方法的一个例子的图。图6是示意性表示在第一实施方式的电化学测定用电极板形成有 参照电极和辅助电极的电极板的立体图。图7是示意性表示第二实施方式的电化学测定用电极板的分解立 体图。图8是表示图7的电化学测定用电极板中的上层贯通孔的排列的一部分的俯视图。图9是示意性表示第三实施方式的电化学测定用电极板的分解立 体图。图IO是示意性表示第四实施方式的电化学测定用电极板的分解立 体图。图11是示意性表示第五实施方式的电化学测定用电极板的分解立 体图。图12是示意性表示第六实施方式的电化学测定用电极板的分解立 体图。图13是示意性表示第七实施方式的电化学测定用电极板的分解立 体图。图14是表示实施例1的电化学测定用电极板的制造工序的剖面图。图15是表示比较例1的电化学测定用电极板的制造工序的剖面屈。图16是表示实施例3的电化学测定用电极板的制造工序的剖面图。图17是表示现有技术的电化学测定用电极板的结构的立体图。 图18是示意性表示在现有技术的电化学测定用电极板的电极上生 成的氧化还原反应的图。 符号说明1、 60、 70、 80、 81、 82、 83、 84 电化学测定用电极板3， 4切口部10 氧化电极设置层12 氧化电极体(第二电极体)12a 氧化电极体的分支部12b 氧化电极体的主干部12c 氧化电极引线12d 氧化电极21 电极的集合体22 参照电极23辅助电极24试样液容器25控制装置26记录器27电化学测定装置30还原电极设置层31基板33基板贯通孔32还原电极体(第一电极体)32a还原电极体的分支部32b还原电极体的主干部32c还原电极引线32d还原电极40上层41上层贯通孔41a露出氧化电极的上层贯通孔41b露出还原电极的上层贯通孔61参照电极62辅助电极具体实施方式
下面，参照

本发明的优选实施方式。 (第一实施方式)图1是示意性表示第一实施方式的电化学测定用电极板的立体图。电化学测定用电极板1的结构为从下侧顺次地叠层下层11、基板31、 上层40，在下层11和基板31之间夹有氧化电极体12，在基板31和 上层40之间夹有还原电极体32。在上层40，矩阵状地形成有多个上 层贯通孔41。更详细地说，形成有横方向8列，纵方向4行，合计32 个上层贯通孔41。各上层贯通孔41的剖面形状为正方形，在电化学测 定用电极板l的上表面使还原电极体32露出的上层贯通孔41b、和在 电化学测定用电极板1的上表面使氧化电极体12露出的上层贯通孔。上层贯通孔41a，经在图1中未表示的基 板31上的基板贯通孔在电化学测定用电极板1的上表面使氧化电极体 12露出。在俯视图上，令形成有上层贯通孔41的横方向的位置依次为 A、 B、 C、 D、 、 H，令纵方向的位置为a、 b、 c、 d。而且上层贯通孔41 (X， x)表示横方向的位置在X (X=A、 B、 C、 D、 、 H)，纵方向的位置在x (x=a、 b、 c、 d)的上层贯通孔41。电化学测定用电极板1，具有为了在端部近旁露出设置在氧化电极 体12的氧化电极引线12c而形成的切口部3、和为了在端部近旁露出 设置在还原电极体32的还原电极引线32c而形成的切口部4。图2是图1所示的电化学测定用电极板1的分解立体图。如图2 所示，第一实施方式的电化学测定用电极板l，从下侧依次叠层有氧化 电极设置层10、还原电极设置层30和上层40。氧化电极设置层10由 下层11和设置在下层11上表面的氧化电极体12构成。还原电极设置 层30由基板31和设置在基板31上表面的氧化电极体32构成。下层 11、基板31、上层40均为绝缘体。氧化电极体12如图2所示夹在下层11和基板31之间。同样，还 原电极体32夹在基板31和上层40之间。上层40具有多个上层贯通孔41。在图2中，设置有32个上层贯 通孔41。在32个上层贯通孔41中，从左上的上层贯通孔41a (a， A) 的横向的上层贯通孔41b (a， B)、和以该上层贯通孔41b作为基点在 纵方向和横方向上隔l个的贯通孔41b露出还原电极32的一部分。在 还原电极体32中，从各上层贯通孔41a露出的部分，g口，在图2中， 在氧化电极体32上画有斜线的部分，与试样液接触，作为还原电极32d 起作用。在图2中，设置有16个还原电极32d。在还原电极体32中， 形成有上层40的部分，即，在图2中在还原电极体32上没有画斜线， 空白地表示的部分，不与试样液接触。因此，该部分不作为还原电极 起作用。还原电极体32，由将从上层贯通孔41b露出的部分往返邻接 的2个列在纵方向上依次连结同时延伸设置的具有锯齿状形状的多个 分支部32a、和连接全部的分支部32a的一端的主干部32b构成。另外， 还原电极体32在该主干部32b的一端具有还原电极引线32c。基板31具有多个基板贯通孔33。在图2中，设置有16个基板贯通孔33。 16个基板贯通孔33，按照在上层贯通孔41中，位置和形状 与不露出还原电极体32的一部分的16个上层贯通孔41a —致并重叠 的方式被设置。在上层贯通孔41中，从不露出还原电极体32的一部 分的16个上层贯通孔41a，经基板贯通孔33露出氧化电极体12的一 部分。即，在图2中，在氧化电极体12上画有斜线的部分，与试样液 接触，作为氧化电极12d起作用。在图2中，设置有16个氧化电极12d。 在氧化电极体12中，形成有基板31的部分，即，在图2中，在氧化 电极体12上没有画斜线，空白地表示的部分，不与试样液接触。因此， 该部分不作为氧化电极起作用。氧化电极体12，由将从上层贯通孔41a 经基板贯通孔33露出的部分往返邻接的2个列在纵方向上顺次连结同 时延伸设置的具有锯齿状形状的多个分支部12a、和连接全部分支部 12a的一端的主干部12b构成。氧化电极体12在该主干部12b的一端 具有还原电极引线12c。使用图3更具体地说明本实施方式的电化学测定用电极板1中的 氧化电极体12和还原电极体32的形状。tf本实施方式中，各个分支 部12a和32a形成"锯齿状"。术语"锯齿状" 一般指直线向左右多次 曲折的形状或者周期地排列大致Z字型的配线的形状，在本说明书中 也是同样的。图3是示意性表示氧化电极体12和还原电极体32的分 支部12a和32a的一部分形状的平面图。如图3所示，本实施方式中 的"锯齿状"，是由沿长边方向延伸出来的长边方向延伸设置部51、 53.、 55、 57;和连接不同列上的最接近的长边方向延伸设置部，并且相对 于长边方向延伸设置部以角度R设置的连接部52、 54、 56构成的形状。 长边方向延伸设置部51、 53、 55、 57分别包括氧化电极12d或还原电 极32d。返回到图2，上层贯通孔41和基板贯通孔33均沿垂直方向贯通， 是在垂直方向实质上具有一定剖面形状和一定剖面面积的形状。各上 层贯通孔41的面积和各基板贯通孔33的面积实质上相同。其剖面形 状为正方形，其剖面面积例如为l|rni2 1000(Vm2。当超过1000(Him2 时，发生如图18的右侧所示的不希望有的反应，结果，在高灵敏度化 方面产生问题。下层11、基板31和上层40的厚度分别优选为5pm以 上lOOpm以下。还原电极32d的面积与上层贯通孔41b的剖面面积相同，氧化电极12d的面积与基板贯通孔33的剖面面积相同。能够分别独立地对氧化电极体12和还原电极体32施加电位，使 在各个电极上能够进行目标物质的电化学反应，更具体地说是进行氧 化反应和还原反应。通过在氧化电极12d的电化学反应产生的电信号 在氧化电极体12传送，能够经氧化电极引线12d由检流计等的计测器 进行定量。同样地通过在还原电极32d的电化学反应产生的电信号在 还原电极体32传送，能够经还原电极引线32d由检流计等的计测器进 行定量。在俯视图中，各氧化电极12d，与在上下和左右方向的4个方向上 中心间距离相同的4个还原电极32d邻接。同样，在俯视图中，各还 原电极32d，与在上下和左右方向的4个方向上中心间距离相同的4 个氧化电极12d邻接。即，各电极32d， 12d，是通过能够在电化学上 成对地起作用的4个电极32d、 12d相邻接，当使用本实施方式的电化 学测定用电极板1利用电化学法对试样溶液中的氧化还原物质进行定 量时，能够通过高效率的氧化还原循环高精度地对上述氧化还原物质 进行定量。下面具体地叙述构成本实施方式的电化学测定用电极板1的部件 的材料。作为下层11，使用表面或全体具有绝缘性的基板。例如，能 够使用在硅基板的表面覆盖有作为绝缘层的Si02膜的附氧化膜硅基 板；石英玻璃板；氧化铝基板；由聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚萘二 甲酸乙二醇酯膜、聚酰亚胺膜等的树脂材料等构成的基板。氧化电极体12和还原电极体32由金属、金属氧化物、半导体等 具有电导性的材料形成。作为具有电导性的材料，能够使用金、铂、 钯、银、铬、钛、镍等的金属，p和n型硅、p和n型锗、硫化镉、二 氧化钛、氧化锌、磷化镓、砷化镓、磷化铟、硒化镉、碲化镉、二砷 化钼，硒化钨，二氧化铜，氧化锡，氧化铟，铟锡氧化物等的半导体， 其它的科琴黑等的导电性碳。作为电极材料优选使用稳定的金、铂、 钯。基板31和上层40能够使用以Si02为代表的硅氧化物或氮化硅， 利用常压CVD、减压CVD、等离子体CVD、溅射等方法形成。另外， 能够通过旋转涂敷等将自旋玻璃(东京应用化学株式会社制)、Elastosil (工，7卜^少)(WACKER ASAHIKASEI SILICONE CO"LTD. 制)等的硅树脂；Kapton (DuPont-Toray/TDC (東k f 二求乂株式 会社)制)等的聚酰亚胺及其衍生物；JER (-工^ V —7—/V) (Japan Epoxy Resins Co., Ltd制)等的环氧树脂；Sumikon(7 $ 〕 y)(Sumitoma BakeliteCoppany Limited制)等的热硬化制树脂；PMER (匕。一工厶, 一7—少)(东京应用化学工业株式会社制)、SU-8 (工7弍一工^f卜) (化学药品Microchem株式会社制)等的光致抗蚀剂或感光性树脂等 的树脂材料涂敷，并进行烘烤，利用使基于电子线、紫外线的曝光、 显影工序等组合的方法而制作。从后述的孔形成工序的加工容易性出 发，优选使用硅氧化物、氮化硅、光致抗蚀剂材料或者感光性树脂。
另外，当制造电化学测定用电极板l时，应该在下层ll的上表面 形成氧化电极体12，在基板31的上表面形成还原电极体32，进行导 电性材料的图案形成。在电极的图案形成时，能够使用使蒸镀、溅射 等的成膜方法和蚀刻方法组合的方法；使成膜方法和金属掩模组合进 行的方法；使用光致抗蚀剂进行的提离法(lift-off);使用掩模的网板 印刷、激光熔蚀(laserabrasion)法；或者基于喷墨印刷法的直接描绘 方法。
关于在下层11上依次叠层，形成还原电极体32后，将光致抗蚀 剂或感光性树脂材料作为材料形成上层40的情形进行说明。在形成有 还原电极体32的基板31上涂敷在上层40的形成时使用的感光性树脂 的前体材料，并进行烘烤(baking)工序。在此重叠具有图案的图像掩 模，上述图案是正方形的具有同一面积的多个孔在横方向和纵方向上 以同一中心间距离排列而成，利用电子线、紫外线等对掩模图案进行 曝光、显影，将图案转印在基板上的光致抗蚀剂或感光性树脂材料之 后，进行显影、烘烤，由此能够得到具有上层贯通孔41的上层40。将 它作为掩模对基板31进行蚀刻，形成基板贯通孔33。或者也可以在叠 层上层40的工序之前形成基板贯通孔33。
如果用以上的制造方法，则能够容易地形成具有同一剖面形状和 同一剖面面积的上层贯通孔41和基板贯通孔33，由此容易使分别来自 氧化电极12d和还原电极32d的反应生成物浓度一致。另外，通过使 对电极的中心间距离一定能够使在各个对电极之间进行的氧化还原循环反应的速度相等。通过这些作用，能够极快地达到稳定状态。结果， 能够高精度地对试样液中包含的目标物质进行定量。
在本实施方式的电化学测定用电极板l中，因为上层贯通孔41、 基板贯通孔33成为试样液的通道，所以当试样液是水溶液时，优选上 层贯通孔41、基板贯通孔33的内壁为亲水性。因此，作为上层40和 基板31，优选选择硅基板、玻璃基板等的具有亲水性表面的基板，或 者由亲水性的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜或聚萘二甲酸乙二醇酯膜基板 等的聚脂材料构成的基板。当使用具有疏水性的基板时，优选使用乙 醇、异丙醇等对上层贯通孔41或基板贯通孔33的内壁实施亲水化处 理。
图4表示具有第一实施方式的电化学测定用电极板的电化学测定 装置(以下，简称为"测定装置")。
如图4所示，在测定装置27中，电化学测定用电极板l、参照电 极22和辅助电极23被浸在盛满试样容器24的试样液中。因此，这些 电极与试样液接触。另外，在电化学测定用电极板1的表面，在横方 向和纵方向上交替地形成多个氧化电极12d和还原电极32d，形成电极 的集合体21。参照电极22是作为对电化学测定用电极板1施加的电位 的基准的电极。使参照电极22在试样液中表示的电位为零，分别对氧 化电极12d、还原电极32d施加电位。
辅助电极23是为了在测定装置27中使安培定律成立，用于对电
流进行补偿的电极。控制装置25，经氧化电极引线12c和还原电极引
线32c与电化学测定用电极板l电连接，同样地也与参照电极22、辅
助电极23电连接。利用记录器26，记录从控制装置25输出的电流应 答。
下面，说明试样液中包含的电子介体的定量方法。 用循环伏安法(cyclic voltammetry)等的方法，预先调查电子介体 的氧化反应进行的电位和还原反应进行的电位，用于后面说明的氧化 电极的电位的值和还原电极的电位的值。此外，电位的基准是参照电 极22在试样液中显示的平衡电位。即，分别对氧化电极12d和还原电
20极32d施加的电位是当令参照电极22为0V时的相对电位。
在将氧化电极12d和还原电极32d的电位输入到控制装置25后， 开始测定。虽然将在后述的实施例中详细地进行说明，但是具体地说， 对氧化电极12d从0V开始缓慢地施加正电压。在后述的实施例中，使 对氧化电极12d施加的电压缓慢地从0V变化到+0.7V。而且，将其称 为"扫描"。即，在本说明书中使用的术语"扫描"是指使电位连续地 变化。与此相对照，在本说明书中使用的术语"施加"是指使电位急 剧地变化到预先决定的电位。
这时，优选继续对还原电极施加与参照电极相同的电位(在许多 情形中，为OV)。对氧化电极12d施加电压的速度(以下，称为"扫 描速度") 一般为5mV/秒以上500mV/秒以下。在后述的实施例中，为 100mV/秒。
此外，在上述说明中，对氧化电极12d扫描正电位，对还原电极 32d施加负电位。但是，也可以对氧化电极12d施加正电位，对还原电 极32d扫描负电位。
利用控制装置25经氧化电极引线12c检测在氧化电极12d的氧化 反应中得到的电流。同样地利用控制装置25经还原电极引线32c检测 在还原电极32d的还原反应中得到的电流。检测出的电流被输出到记 录器26，将所记录的氧化电流值和标准试样的氧化电流测定结果(后 述的检量线)进行比较，能够对试样液中的检测对象物质进行定量。
将记录在记录器26的还原电流值和标准试样的还原电流测定结果 进行比较，也能够对试样液中的检测对象物质进行定量。为此，优选 预先使用本实施方式的检测装置制作标准试样的检量线。
这里，关于使用检量线，定量试样液中的检测对象物质的方法， 即，计算试样液中的检测对象物质的浓度的方法进行说明。
首先，准备标准试样。在该标准试样中，包含有浓度已知的还原 型电子介体(这里，假定为亚铁氰化钾)。将该浓度已知的标准试样用 作试样液，通过如图4所示的电化学测定装置，将还原型电子介体的 浓度和利用电化学测定装置测定的反应电流值之间的关系画成曲线 图。在图5中表示了该曲线图的一个例子。
如图5上部的曲线图所示，画出反应电流值相对于亚铁氰化钾浓度的曲线，作成检量线。于是，如图5下部的曲线图所示，当关于某 个未知浓度的试样得到反应电流值为20pA时，因为根据已作成的检量 线可知亚铁氰化钾浓度为200pM，所以关于使用检量线的浓度未知的 试样，能够实现对亚铁氰化钾浓度的定量。
如图4所示，这里，假定当还原型电子介体的浓度为100pM时， 反应电流值为10pA，当还原型电子介体的浓度为300|iM时，反应电 流值为30|iA，当还原型电子介体的浓度为500iiM时，反应电流值为 50pA。将它们在曲线图上做曲线，画出检量线。通过这样做，根据浓 度已知的标准试样得到检量线。
下面，使用浓度未知的试样液，通过图4所示的电化学测定装置 得到反应电流值。当这里得到的反应电流值为20pA时，根据检量线能 够得知试样液中包含的还原型电子介体的浓度。根据该还原型电子介 体的浓度，计算出试样液中包含(或者已经包含)的目标物质的量。
此外，实际上，检量线的制作和目标物质的量的计算等都是用计 算机进行，这是不言而喻的。
Fe (CN) Fe (CN) 6'3+e-(公式1)
另一方面，在实施例1的电化学测定用电极板中，观测氧化电极 12d的电位也从+0.6至+0.7V时伴随亚铁氰化钾的氧化反应的稳定电 流。在+0.7V的值为39.1pA。观测到比在比较例1的电化学测定用电 极板中的值大的电流值，尝试应用图18的自感应氧化还原循环的说明 图思考，认为在比较例1中在表面电极204 (大电极222)被氧化的亚 铁氰化钾，在实施例1中在还原电极32d (微小电极221)上已被高效 率地氧化，因而氧化反应的电流值增加。像这样，可以认为在本实施 例的电化学测定用电极板中通过在基板上排列多个具有同一形状和面 积的微小电极对，使各个电极对彼此的反应面积一致，在两电极之间 进行高效率的氧化还原循环反应。
另外，评价对比较例1的氧化电极202a和实施例1的氧化电极12d， 急速地扫描电位至自然电位+0.4V而得到的氧化电流的时间依赖性。这 时，比较例1的表面电极204和实施例1的还原电极32d的电位保持 为0V。结果，比较例1的氧化电极202a的电流达到稳定状态需要26 秒钟，与此相对，实施例1的氧化电极12d的电流达到稳定状态只需 要6秒钟。可以认为比较例1的氧化电极202a需要表面电极204达到 稳定状态的时间，与此相对，实施例1的氧化电极12d在具有同一面 积和形状的电极对之间立即达到稳定状态。
从以上结果可知，在实施例1的电化学测定用电极板中，能够实 现高灵敏度、迅速的测定。
(实施例2的电化学测定用电极板)
在实施例2中，制造各孔的剖面形状为正六边形的第二实施方式 的电化学测定用电极板。制造方法与实施例1的不同仅为，在实施例1 中在基板31的形成中使用等离子体CVD法，但是在实施例2的制造方法中，代替等离子体CVD法而使用溅射法形成。
将形成有氧化电极体12的基板安装在溅射装置(ULVAC株式会 社制)内的规定位置，令氧气气体流量为5sccm，氩气体流量为5sccm， 压力为0.3Pa，功率为500W，阳极电流为0.35A，阳极电压为2.21kV， 靶(target)和基盘之间的距离为50mm，进行25分钟的堆积，形成基 板31。此后，经与实施例1同样的工序在形成有还原电极体32的基板 表面涂敷感光性树脂材料。接着经将具有正六边形的孔的图案的掩模 图案转印到感光性树脂材料，形成上层贯通孔41和基板贯通孔33的 工序，得到本实施例的电化学测定用电极板。令各孔的面积为21.7pm2， 露出还原电极32d的上层贯通孔41b和露出氧化电极12d的上层贯通 孔41a的个数共为10000个。以与4个上层贯通孔41b最接近的方式 形成上层贯通孔41a，使其中心间距离为15pm。同样，以与4个上层 贯通孔41a最接近的方式形成上层贯通孔41b，使其中心间距离为
(使用实施例2的电化学测定用电极板的电化学测定) 下面，在与实施例1同样的条件下构成使用实施例2的电化学测 定用电极板的电化学测定装置，进行亚铁氰化钾的氧化电流的测定， 与比较例1所示的电化学测定用电极板的测定相比较。在本实施例的 电化学测定用电极板中，当相对于银/氯化银参照电极从0至+0.7V扫 描下部电极12的电位时，观测从+0.6至+0.7V亚铁氰化钾的氧化反应 的稳定电流，在+0.7V的值为40.8^A。在本实施例的电化学测定用电 极板中，在反应开始IO秒钟后得到稳定状态电流。
从以上结果可知，在实施例2的电化学测定用电极板中，与实施 例1的电化学测定用电极板相同，也能够实现高灵敏度、迅速的测定。 (实施例3的电化学测定用电极板) 实施例3的电化学测定用电极板的结构与实施例1的电化学测定 用电极板的结构相同。当在实施例1中形成基板31时，使用了 Si02 层，但是代替它在本实施例中使用感光性树脂层，在这一点有所不同。 下面，说明本实施例的电化学测定用电极板的制造方法。图16是表示 实施例3的电化学测定用电极板的制造工序的剖面图。准备作为下层 11的基板(图16 (a))，用与实施例1同样的方法在下层11形成氧化
31电极体12 (图16 (b))，在该下层11涂敷感光性树脂材料(化学药品 Microchem株式会社制SU-8 2000)厚度为430nm，在70°C进行25 分钟的烘烤后，使用具有使氧化电极12d露出的基板贯通孔33的图案 的铬掩模，将掩模图案转印到树脂材料。在转印后，在显影液中在20。C 进行300秒钟的显影，并进行水洗、干燥形成具有基板贯通孔33 (100nm2， 1000个)的基板31 (图16 (c))。在其上涂敷与实施例1 同种的2pm厚的抗蚀剂，经过烘烤工序，使用具有还原电极体32的图 案的掩模，进行还原电极体32的图案的转印。此后经洗净，干燥工序， 形成具有还原电极体32的图案的抗蚀剂116 (图16 (d))。接着在与 实施例1同样的条件下形成钛、金的薄膜，得到基于提离法的还原电 极体32 (图16 (e))。在其上用旋转涂敷法涂敷厚度为lpm的与基板 31相同的感光性树脂材料，在70°C进行30分钟的烘烤形成上层40。 此后，使用具有使氧化电极12d露出的上层贯通孔41a和使还原电极 32d露出的上层贯通孔41b的图案的铬掩模进行60秒钟的密合曝光， 由此将掩模图案转印到树脂材料。在转印后，在显影液中在20。C进行 420秒钟的显影，并进行水洗、干燥而得到上层贯通孔41b (10(Him2， IOOOO个)。另外，通过在上层40形成上层贯通孔41a (100pm2， 10000 个)，并且在基板31形成同一形状的孔，而形成从上层40到基板31 连续的贯通孔。此外，使在纵方向和横方向上邻接的上层贯通孔41a 和上层贯通孔41b的中心间距离为15pm。从而得到本实施例的电化学 测定用电极板(图16 (f))。
(使用实施例3的电化学测定用电极板的电化学测定) 下面在与实施例1的测定同样的条件下构成使用实施例3的电化 学测定用电极板的电化学测定装置，进行亚铁氰化钾的氧化电流的测 定。在实施例3的电化学测定用电极板中当相对于银/氯化银参照电极 从0至+0.7V扫描氧化电极体12的电位时，观测从+0.6到+0.7V时亚 铁氰化钾的氧化反应的稳定电流，在+0.7V的值为39.1^A。在本实施 例的电化学测定用电极板中在反应开始7秒钟后得到稳定状态电流。 根据该结果，可知在实施例3的电化学测定用电极板中，与实施例1 的电化学测定用电极板相同，能够实现高灵敏度、迅速的测定。
作为从业者，可以从上述说明了解本发明的许多改良和其它的实施方式。所以，应该只将上述说明作为例示进行解释，它是为了指教 从业者而提供的实施本发明的最佳方式的说明。在不脱离本发明精神 的范围内，能够对本发明的构造和域功能的详细情况进行实质的变更。 能够将本发明的电化学测定用电极板用于对在蔗糖、葡萄糖等的 生物体试样中微量地包含的物质进行定量的电化学测定装置。另外， 也能够用于构成对在饮用水等中微量地包含的有害成分浓度进行定量 的电化学传感器、液体色层谱的检测器的电化学测定装置。
权利要求
1.一种电化学测定用电极板，其特征在于，包括由绝缘体构成的基板；设置在所述基板上表面的由绝缘体构成的上层；设置在所述基板下表面的由绝缘体构成的下层；夹在所述基板上表面和所述上层之间的第一电极体；和夹在所述基板下表面和所述下层之间的第二电极体，所述上层具有多个上层贯通孔，所述第一电极体，具有由所述第一电极体中的、经所述上层贯通孔从所述上层的上表面露出的部分构成的多个第一电极，所述基板具有多个基板贯通孔，所述第二电极体，具有由所述第二电极体中的、经所述上层贯通孔和所述基板贯通孔从所述上层的上表面露出的部分构成的多个第二电极，在俯视观察时，所述多个基板贯通孔均不与所述第一电极体重合，在所述各第一电极的周围，配置有与所述第一电极的中心间距离相等的4个第二电极，在所述各第二电极的周围，配置有与所述第二电极的中心间距离相等的4个第一电极，所述各第一电极的面积和所述各第二电极的面积均实质上相同。
2. 根据权利要求l所述的电化学测定用电极板，其特征在于 所述第一电极体，由形成以依次连结所述第一电极的方式延伸设置的锯齿状的多个分支部、和连接所述多个分支部的一端的主干部构 成。
3. 根据权利要求l所述的电化学测定用电极板，其特征在于-所述第二电极体，由形成以依次连结所述第二电极的方式延伸设置的锯齿状的多个分支部、和连接所述多个分支部的一端的主干部构成。
4. 根据权利要求l所述的电化学测定用电极板，其特征在于 所述第一电极体由具有多个切除部的金属板构成，所述多个切除部通过将比与所述多个基板贯通孔对应的区域还大一圈的区域切除而 成。
5. 根据权利要求l所述的电化学测定用电极板，其特征在于-所述第二电极体，由全部包括所述多个第二电极的金属板构成。
6. 根据权利要求l所述的电化学测定用电极板，其特征在于 所述各上层贯通孔的剖面面积与所述各第一电极的面积实质上相同，所述各基板贯通孔的剖面面积与所述各第二电极的面积实质上相 同。
7. 根据权利要求l所述的电化学测定用电极板，其特征在于 所述各上层贯通孔的剖面形状和所述各基板贯通孔的剖面形状为正四边形。
8. 根据权利要求l所述的电化学测定用电极板，其特征在于 所述各上层贯通孔的剖面形状和所述各基板贯通孔的剖面形状为正六边形。
9. 一种电化学测定装置，其由参照电极、辅助电极和电化学测定 用电极板，或者对极和电化学测定用电极板构成，其特征在于所述电化学测定用电极板包括 由绝缘体构成的基板；设置在所述基板上表面的由绝缘体构成的上层； 设置在所述基板下表面的由绝缘体构成的下层； 夹在所述基板上表面和所述上层之间的第一电极体；和 夹在所述基板下 面和所述下层之间的第二电极体， 所述上层具有多个上层贯通孔，所述第一电极体，具有由所述第一电极体中的、经所述上层贯通 孔从所述上层的上表面露出的部分构成的多个第一电极， 所述基板具有多个基板贯通孔，所述第二电极体，具有由所述第二电极体中的、经所述上层贯通 孔和所述基板贯通孔从所述上层的上表面露出的部分构成的多个第二 电极，在俯视观察时，所述多个基板贯通孔均不与所述第一电极体重合，在所述各第一电极的周围，配置有与所述第一电极的中心间距离相等的4个第二电极，在所述各第二电极的周围，配置有与所述第二电极的中心间距离 相等的4个第一电极，所述各第一电极的面积和所述各第二电极的面积均实质上相同。
10. 根据权利要求9所述的电化学测定装置，其特征在于 所述第一电极体，由形成以依次连结所述第一电极的方式延伸设置的锯齿状的多个分支部、和连接所述多个分支部的一端的主干部构 成。
11. 根据权利要求9所述的电化学测定装置，其特征在于 所述第二电极体，由形成以依次连结所述第二电极的方式延伸设置的锯齿状的多个分支部、和连接所述多个分支部的一端的主干部构 成。
12. 根据权利要求9所述的电化学测定装置，其特征在于 所述第一电极体由具有多个切除部的金属板构成，所述多个切除部通过将比与所述多个基板贯通孔对应的区域还大一圈的区域切除而 成。
13. 根据权利要求9所述的电化学测定装置，其特征在于 所述第二电极体由全部包括所述多个第二电极的金属板构成。
14. 根据权利要求9所述的电化学测定装置，其特征在于 所述各上层贯通孔的剖面面积与所述各第一电极的面积实质上相同，所述各基板贯通孔的剖面面积与所述各第二电极的面积实质上相 同。
15. 根据权利要求9所述的电化学测定装置，其特征在于-所述各上层贯通孔的剖面形状和所述各基板贯通孔的剖面形状为正四边形。
16. 根据权利要求9所述的电化学测定装置，其特征在于所述各上层贯通孔的剖面形状和所述各基板贯通孔的剖面形状为 正六边形。
17. —种对试样液中包含的目标物质进行定量的方法，其利用由参 照电极、辅助电极和电化学测定用电极板，或者对极和电化学测定用 电极板构成的电化学测定装置，对试样液中包含的目标物质进行定量， 该方法的特征在于-所述试样液包含电子介体， 所述电化学测定用电极板包括 由绝缘体构成的基板；设置在所述基板上表面的由绝缘体构成的上层； 设置在所述基板下表面的由绝缘体构成的下层； 夹在所述基板上表面和所述上层之间的第一电极体；和 夹在所述基板下表面和所述下层之间的第二电极体， 所述上层具有多个上层贯通孔，所述第一电极体，具有由所述第一电极体中的、经所述上层贯通 孔从所述上层的上表面露出的部分构成的多个第一电极， 所述基板具有多个基板贯通孔，所述第二电极体，具有由所述第二电极体中的、经所述上层贯通 孔和所述基板贯通孔从所述上层的上表面露出的部分构成的多个第二电极，在俯视观察时，所述多个基板贯通孔均不与所述第一电极体重合；在所述各第一电极的周围，配置有与所述第一电极的中心间距离 相等的4个第二电极，在所述各第二电极的周围，配置有与所述第二电极的中心间距离 相等的4个第一电极，所述各第一电极的面积和所述各第二电极的面积均实质上相同，所述方法包括下列工序使所述参照电极、所述辅助电极和所述电化学测定用电极板，或 者所述对极和所述电化学测定用电极板与所述试样液接触的接触工 序；电流测定工序，对所述第一电极体和所述第二电极体的一方扫描 正电位，对另一方施加负电位，或者对所述第一电极体和所述第二电 极体的一方施加正电位，对另一方扫描负电位，测定在所述第一电极 体和所述第二电极体之间流通的电流值；和根据在所述电流测定工序中得到的电流值计算所述目标物质的量 的计算工序。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于 所述第一电极体，由形成以依次连结所述第一电极的方式延伸设置的锯齿状的多个分支部、和连接所述多个分支部的一端的主干部构 成。
19. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述第二电极体，由形成以依次连结所述第二电极的方式延伸设 置的锯齿状的多个分支部、和连接所述多个分支部的一端的主干部构成。
20. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述第一电极体由具有多个切除部的金属板构成，所述多个切除部通过将比与所述多个基板贯通孔对应的区域还大一圈的区域切除而 成。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于 所述第二电极体由全部包括所述多个第二电极的金属板构成。
22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述各上层贯通孔的剖面面积与所述各第一电极的面积实质上相 同，所述各基板贯通孔的剖面面积与所述各第二电极的面积实质上相 同。
23. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述各上层贯通孔的剖面形状和所述各基板贯通孔的剖面形状为 正四边形。
24. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于-所述各上层贯通孔的剖面形状和所述各基板贯通孔的剖面形状为正六边形。
全文摘要
本发明提供能够高精度并且高灵敏度地测定试样液中包含的目标物质的浓度的电化学测定用电极板。本发明的电化学测定用电极板(1)包括基板(31)；设置在上述基板上表面的上层(40)；设置在上述基板下表面的下层(11)；夹在上述基板的上表面与上述上层之间的第一电极体(32)；和夹在上述基板下表面与上述下层之间的第二电极体(12)，上述上层具有多个上层，上述第一电极体具有由上述第一电极体中的、经上述上层贯通孔从上述上层的上表面露出的部分构成的多个第一电极(32d)，上述基板具有多个基板贯通孔(33)，上述第二电极体具有由上述第二电极体中的、经上述上层贯通孔和上述基板贯通孔从上述上层的上表面露出的部分构成的多个第二电极(12d)。
文档编号G01N27/30GK101627301SQ20088000752
公开日2010年1月13日 申请日期2008年9月17日 优先权日2007年11月1日
发明者佐佐木英弘, 冈弘章 申请人:松下电器产业株式会社