JP4082142B2 - 溶液測定用微小電極、電気化学測定用装置、電極の製造方法、及び溶液測定方法 - Google Patents
溶液測定用微小電極、電気化学測定用装置、電極の製造方法、及び溶液測定方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法に係り、特に、医学、薬学、生物学、化学、食品学等の諸分野において、酸化還元反応を利用して生理活性物質の微量測定に用いる溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アンペロメトリック型電気化学測定方法の１つとして、電流シグナルを検出するために基板上に櫛歯型電極を平面的に配置し、陽極と陰極の電極を独立して電位制御することで酸化還元物質（酸化型と還元型が可逆的に生じる酸化還元物質）の電気的な検出信号を増幅させ、シングル電極に比較して約５倍から１０倍の電流シグナルを得ていた（Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． １９９３、６５、１５５９−１５６３）。
【０００３】
図１５の断面図に示す従来の溶液測定用電極は、平面的な二つの櫛歯形電極がかみあった構造を有している。この電極に接触する被検液中のレドックス活性基は、アノード電極４にレドックス活性基（Ｒ）が酸化するような電位を印加し、カソード電極３に酸化されたレドックス活性基（ｏ）が還元されてもとに戻るような電位を印加する。この電位状態を保持し、アノード電極４とカソード電極３の間でレドックス活性基が拡散移動することで酸化と還元のサイクルを繰り返し、化学増幅効果（レドックスサイクリング）によって被検液中のレドックス活性基を検出していた（Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． １９９３、６５、１５５９−１５６３）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の如く、従来の溶液測定用電極は、平面状の櫛歯形電極が噛みあった構造であるから、レドックス活性基が電極と接触する接触領域が櫛歯形アノード電極４と櫛歯形カソード電極３の平面上に制限されている。また、サンプル量や櫛歯形電極が微小になると絶対的な電気信号のレベルが下がり感度が低くなるという問題が存在する。
【０００５】
そのため、電気化学測定において、平面櫛歯電極表面近傍の被検液下層に存在するレドックス活性基の検出が可能であるとしても、被検液の中層又は上層のレドックス活性基の検出に一定の限界が生じていた。
【０００６】
本発明は、斯かる実情に鑑み、電気化学測定を行う際に高感度な電流シグナルを得る溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様にかかる溶液測定用微小電極は、例えば、図１に示すように、被測定溶液を受容する、絶縁材料で形成された基板１０と、基板１０上に基板面から所定の高さを有する三次元的に複数枚に形成された第１の作用電極１６と、基板１０上に基板面から所定の高さを有する三次元的に複数枚に形成された第２の作用電極１８と、基板１０上に形成された参照電極１２と、基板１０上に形成された対向電極１４とを備え、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８とを互い違いに平行に配置するように構成する。ここで三次元的に形成とは、作用電極１６及び１８の高さは１μｍ以上のことを言う。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第２の態様は、第１の態様の溶液測定用微小電極において、例えば、図７に示すように、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８の断面幅が各々独立して０．１μｍから１００μｍであり、第１の作用電極１６及び第２の作用電極１８との対面距離が０．１μｍから１００μｍに構成する。
【０００９】
このように構成すると、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８との間に受容された被測定溶液の測定感度を向上させることができる。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の溶液測定用微小電極において、例えば、図１に示すように、第１及び第２の作用電極１６、１８の高さは、各々１μｍから１０００μｍに構成する。
【００１１】
このように構成すると、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８との間に受容された被測定溶液の測定感度を向上させることができる。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第４の態様の溶液測定用微小電極の製造方法は、第１の態様の溶液測定用微小電極の製造において、例えば、図８から図１１に示すように、透明材料製の平面基板１０上に金属５４の電極パターンを形成する工程（ｃ）と、電極パターンが形成された基板１０を絶縁材料５５でコーティングする工程（ｄ）と、コーティングされた絶縁材料５５を、少なくとも電極を形成する領域から選択的に除去する工程（ｆ）と、絶縁材料５５が電極を形成する領域から除去された基板１０に厚膜型のネガ型フォトレジスト５６をコーティングする工程（ｇ）と、基板１０の裏面から露光５２した後に、ネガ型フォトレジスト５６を現像してパターニングする工程（ｉ）と、基板１０上にパターニングしたネガ型フォトレジスト５６を鋳型として金属６３を堆積させ電極を形成する工程（ｊ）と、金属６３を堆積させた後に、ネガ型フォトレジスト５６を剥離する工程（ｋ）とを備える。なお、電極を形成する手段としては、電解メッキ法、無電解メッキ法、蒸着などの種々の金属堆積手段から選択することができる。電極の材質としては、例えば金が好ましく、白金、カーボン、あるいはニッケル、ニッケル基合金を基体として表面を金メッキ或いは白金メッキをした材料等をあげることができる。
【００１３】
このように構成すると、基板１０上にパターニングしたネガ型フォトレジスト５６を鋳型として金属６３を堆積させ電極を形成する工程（ｊ）と、金属６３を堆積させた後に、ネガ型フォトレジスト５６を剥離する工程（ｋ）とを備えるので、高アスペクト比の溶液測定用微小電極を製造することができる。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の第５の態様の電気化学測定用装置は、例えば、図１及び図１２に示すように、第１乃至第３の何れかの態様の溶液測定用微小電極１６、１８と、一方の作用電極（１６）の電位と他方の作用電極（１８）の電位を各々独立に制御し、少なくとも一方の電極に流れる電流値を測定する装置７２とを備える。
【００１５】
このような構成に基づけば、一方の作用電極（１６）の電位と他方の作用電極（１８）の電位を各々独立に制御し、少なくとも一方の電極に流れる電流値を測定する装置７２とを備えるので、本発明の微小電極の優位点を生かした溶液の電気化学測定ができる。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の第６の態様の溶液測定方法は、例えば、図１３に示すように、第１乃至第３の何れかの態様の溶液測定用微小電極を使用した溶液測定をすることができる。
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の第７の態様の溶液測定方法は、例えば、図１３に示すように、第１乃至第３の何れかの態様の溶液測定用微小電極による、酸化還元物質の電気化学的溶液測定をすることができる。
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の第８の態様は、第７の態様の溶液測定方法において、例えば、図１３に示すように、抗原又は抗体に標識した酵素により生産される酸化還元物質の測定をすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図１から図１４は発明を実施する形態の一例であって、図中、図と同一または類似の符号を付した部分は同一物または相当物を表わし、重複した説明は省略する。
【００２０】
図１は、本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置１の一部破断斜視図である。溶液測定装置１は、紫外線光を透過する透明な絶縁材料で形成された基板１０と、この基板１０の中央領域上に１μｍから１０００μｍの所定の高さを有する三次元的に形成された複数の第１の作用電極１６と、この第１の作用電極１６と互い違いに平行に配置され、基板１０の中央領域上に１μｍから１０００μｍの所定の高さを有する三次元的に形成された複数の第２の作用電極１８と、基板１０上に形成され、第２の作用電極１８と電気的に接続された引出配線２０と、この引出配線２０に隣接し第２の作用電極１８と間隔を置いて基板１０上に形成された参照電極１２と、基板１０上に形成され、第１の作用電極１６と電気的に接続された引出配線２２と、この引出配線２２に隣接し第１の作用電極１６と間隔を置いて基板１０上に形成された対向電極１４とを備える。なお、説明の便宜上、少なくとも引出配線２０、２２の表面を被覆する絶縁層を剥がした状態を示している。
【００２１】
また、溶液測定装置１は、矢印２６及び矢印２８で示す方向に被測定溶液を流すチャンネル領域を確定させるシリコンラバー製のチャンネル側壁２４を設け、幅ｗと高さｈのチャンネルを形成している。このチャンネルを流れる被測定溶液は、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８とを互い違いに平行に配置する領域を通過し、例えば、免疫反応及び酵素反応により生じた酸化還元物質ｐ−アミノフェノール（以下、ＰＡＰ）を含む反応溶液を被測定溶液として受容する。第１の作用電極１６と第２の作用電極１８の配置は、図示するように被測定溶液の流れる方向に沿って平行に並べ、被測定溶液の流れを妨げることなく電気化学測定を行うことができる。但し、被測定溶液を流すことなく溶液測定装置１内で受容し電気化学測定を実施する場合は、チャンネルの長手方向に対して直角に配置してもよい。
【００２２】
上記チャンネルは、例えば、幅ｗを２０００μｍ、高さｈを三次元の作用電極の高さと同等の高さに設定し被測定溶液を受容し、流すことができる。また、三次元に形成した作用電極１６と作用電極１８は、例えば、断面幅を約０．１μｍから１００μｍの間で任意に選択することができ、好ましくは０．１から１０μｍの断面幅に設定する。
【００２３】
作用電極１６、１８の高さは、１μｍ以上であればよく、１μｍから１０００μｍの間で任意に選択することができ、好ましくは１０μｍから１０００μｍ、さらに好ましくは３０μｍから１０００μｍの高さｈに設定する。
【００２４】
さらに、第１と第２の作用電極の間隔、すなわち、両電極の対面距離が０．１μｍから１００μｍの間で任意に選択することができ、好ましくは０．１μｍから１０μｍ、さらに好ましくは０．１μｍから５μｍの対面距離に設定する。
【００２５】
このように作用電極１６と１８の断面幅、高さ、間隔を各々設定することにより、被測定溶液を受容する領域を確保することができる。
【００２６】
図２は、本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置１の模式的な平面図である。溶液測定装置１は、基板１０の略中央領域上に所定の高さを有する三次元的に形成された複数本の第１の作用電極１６と、この第１の作用電極１６と互い違いに平行に配置され、基板１０の略中央領域上に所定の高さを有する三次元的に形成された複数本の第２の作用電極１８と、基板１０上に形成され、第２の作用電極１８の左端部と電気的に接続された引出配線２０と、この引出配線２０の左に隣接し間隔を置いて基板１０上に形成された参照電極１２と、基板１０上に形成され、第１の作用電極１６の右端部と電気的に接続された引出配線２２と、この引出配線２２の右に隣接し間隔を置いて基板１０上に形成された対向電極１４とを備える。本発明による第１の実施の形態における作用電極の高さは５０μｍ、幅は５μｍ、第１の作用電極と第２の作用電極との間隔は５μｍ、電極数は第１の作用電極が９０本、第２の作用電極が９０本、合計１８０本（９０対）である。
【００２７】
引出配線２０は、第２の作用電極１８との電気的なコンタクト領域から溶液測定装置１の左縁部まで延在し、その先端に外部から電気的接続を許容するコネクティングパッド２０ａを設けている。
【００２８】
引出配線２２は、第１の作用電極１６との電気的なコンタクト領域から溶液測定装置１の左縁部まで延在し、その先端に外部から電気的接続を許容するコネクティングパッド２２ａを設けている。
【００２９】
参照電極１２は、引出配線２０と平行して溶液測定装置１の左縁部まで延在し、その先端に外部から電気的接続を許容するコネクティングパッド１２ａを設けている。
【００３０】
対向電極１４は、引出配線２２と平行して溶液測定装置１の左縁部まで延在し、その先端に外部から電気的接続を許容するコネクティングパッド１４ａを設けている。
【００３１】
また、溶液測定装置１は、左縁部と右縁部に挟まれた本体領域に配置された基板１０、引出配線２０、引出配線２２、参照電極１２、及び対向電極１４の表面を被覆する絶縁層３６を備える。この絶縁層３６には、基板１０の略中央領域に配置された櫛歯形の三次元作用電極１６、１８を露出する開口部３２と、作用電極１６の近傍に配置された対向電極１４の一部を露出する開口部３４と、作用電極１８の近傍に配置された参照電極１２の一部を露出する開口部３０と、を有している。
【００３２】
さらに、矢印２８で示す方向に流れる被測定溶液は、開口部３０内の参照電極１２と接触し、開口部３２内の作用電極１６、１８と接触し、開口部３４内の対向電極１４と接触するように構成されている。
【００３３】
図３は、本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置の概略図である。図上部の（ａ）に示す平面図を参照して溶液測定装置の構成を説明する。溶液測定装置は、コネクティングパッド１２ａ、コネクティングパッド１４ａ、コネクティングパッド２０ａ、及びコネクティングパッド２２ａを露出するように、基板１０上を被覆するシリコンラバー製の封止材３８によりパッケージングされている。
【００３４】
溶液測定装置は、図中破線で囲まれた基板中心領域に被測定溶液を流す縦長の流路４０が中空状態に形成されている。この流路４０の一端部（コネクティングパッド群側）には外部に通じる貫通口４２が設けられ、被測定溶液をチャンネルとしての流路４０内部に流入させることができる。一方、流路４０の他端部には外部に通じる貫通口４４が設けられ、被測定溶液を外部に排出することができる。
【００３５】
図下部の（ｂ）に示す断面図を参照して溶液測定装置の構成を説明する。溶液測定装置は、基板１０上に形成された作用電極１６と作用電極１８を有し、この作用電極１６、１８を囲むように封止材３８によりパッケージングされている。
【００３６】
図４の経路図を参照して、本発明の実施の形態である溶液測定方法を説明する。測定材料のサンプルは、ヒト血清又は標準液としてのヒト血清中に存在するαフェトプロテイン（ＡＦＰ）溶液を用い、固相抗体は、抗ＡＦＰ抗体固定化磁性体粒子を用い、標識抗体は、アルカリフォスファターゼ標識抗ＡＦＰ抗体を用い、基質は、ｐ−アミノフェニルリン酸塩（以下、ＰＡＰＰ）を０．１ＭのＴｒｉｓ−ＨＣｌ（ｐＨ９．０）による緩衝液で溶解する。
【００３７】
第１ステップは、抗ＡＦＰ抗体固定化磁性体粒子溶液にサンプル溶液（ヒト血清又はＡＦＰ標準溶液）を混合し、免疫反応を行う。サンプル溶液中のＡＦＰは磁性粒子に固定化されている抗ＡＦＰ抗体と特異的に結合させる。
【００３８】
第２ステップは、免疫反応後の磁性粒子に対して磁石を用いて磁性粒子を固定させ、洗浄液により洗浄処理を施しサンプル溶液中の不純物成分を除去する。
【００３９】
第３ステップは、洗浄後の磁性粒子に対して過剰量のアルカリフォスファターゼ標識抗ＡＦＰ抗体溶液を加え免疫反応を行い、アルカリフォスファターゼ標識抗ＡＦＰ抗体と磁性粒子に免疫結合しているＡＦＰを特異的に結合させる。
【００４０】
第４ステップは、免疫反応後の磁性粒子に対して磁石を用いて磁性粒子を固定させた状態で、洗浄液により洗浄処理を施し反応液中の未結合アルカリフォスファターゼ標識抗ＡＦＰ抗体を除去する。
【００４１】
第５ステップは、引き続き、十分な量のＰＡＰＰ溶液（０．１Ｍ Ｔｒｉｓ−Ｃｌ緩衝液に溶解）を反応させ、アルカリフォスファターゼによる酵素反応によりＰＡＰＰの燐酸基が加水分解され遊離する結果、ＰＡＰを産生させる。
【００４２】
このＰＡＰの産生量は、アルカリフォスファターゼの濃度（量）に比例し、またアルカリフォスファターゼの濃度（量）は免疫反応におけるサンプル中の目的物質（ＡＦＰ）の濃度（量）に比例するため、ＰＡＰ濃度の定量をすることにより目的物質（ＡＦＰ）の定量が可能となる。
【００４３】
第６ステップは、一方の作用電極にＰＡＰが酸化するような電位を印加し、他方の作用電極に酸化されたＰＡＰすなわちｐ−キノンイミン（以下、ＰＱＩ）が還元されてＰＡＰに戻るような電位を印加する。この電位状態を保持することで酸化と還元のサイクルを繰り返し、化学増幅効果（レドックスサイクリング）を生じさせ、各々の作用電極に流れる電流値を測定しＰＡＰの定量を行うことができる。
【００４４】
このＰＡＰの測定は、酵素反応によって生じたＰＡＰの電気化学測定により実施するため作用電極を用いて行うが、他の第１から第５ステップまでの処理は、溶液測定装置の外部で遂行してから、これら反応により得られたＰＡＰを溶液測定装置の参照電極、作用電極、対向電極に滴下して電気化学測定を実施してもよく、ＰＡＰを参照電極、作用電極、対向電極を囲むチャンネルに流して電気化学測定を実施もよい。
【００４５】
また、上記第１から第５ステップまでの処理を溶液測定装置のチャンネルの中で遂行することができる。この場合、抗体固定化磁性粒子の位置を磁石によって制御することで任意の場所を固相場（反応場）として利用することができる。
【００４６】
さらに、固相場として磁性体を用いずにチャンネルの表面（内壁）やその他の材料表面に予め抗体を固定化し、上記第２から第６ステップまでの処理を溶液測定装置のチャンネルの中で遂行することができる。この場合も、第６ステップによるＰＡＰの電気化学測定以外の処理は、溶液測定装置の外部で第１から第５ステップを遂行することもできる。
【００４７】
上記第１から第５ステップまでの処理において、免疫反応から酵素反応を遂行する反応方法として、溶液測定装置の外部で反応処理をする方法と、参照電極、作用電極、対向電極に到達する前のチャンネルの中で反応処理をする方法と、参照電極、作用電極、対向電極の配置されている位置で反応処理をする方法の何れの方法をも適用することができる。
【００４８】
図５は、本発明による実施の形態である溶液測定装置の模式的斜視図である。溶液測定装置は、基板１０の第１の作用電極１６と第２の作用電極１８の間に受容する溶液の酸化還元反応を繰り返すように構成する。
【００４９】
溶液は、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８の間で複数の酸化と還元を繰り返す。図示した酸化還元反応は基板１０の近傍と、チャンネルの中間と、チャンネルの上方で酸化還元反応を繰り返すように構成されている。
【００５０】
溶液測定装置は、基板１０上に作用電極としての陰極１６（Ｃａｔｈｏｄｅ）と作用電極としての陽極１８（Ａｎｏｄｅ）を備え、陰極１６と陽極１８は、レドックス活性基（Ｒ）としてのＰＡＰの電気化学測定に用いられる。レドックス活性基（Ｒ）は種類に限定はなく、例えば、ＰＡＰの他にフェノチアジンやフェロセロン等の可逆的に酸化還元反応する活性基を用いることができる。
【００５１】
陽極１８（Ａｎｏｄｅ）にＰＡＰが酸化する電位を印加すると陽極１８表面でＰＡＰが酸化されＰＱＩが生じる。このとき陽極１８で生じた電流値を酸化電流値として検出できる。また同時に陰極１６（Ｃａｔｈｏｄｅ）にＰＱＩが還元する電位を印加しておくと、酸化反応によって生じたＰＱＩが陰極１６表面で還元されＰＡＰが生じる。このとき陰極１６で生じた電流値を還元電流値として検出できる。
【００５２】
このように陽極及び陰極の電位をＰＡＰの酸化電位及びＰＱＩの還元電位に保持することにより酸化還元反応が繰り返され、陽極１８と陰極１６に流れる電流値を測定できる。各々の測定電流値は酸化還元物質の濃度に比例するのでＰＡＰ及びＰＱＩの定量が可能となる。
【００５３】
図６は、本発明による第２の実施の形態である溶液測定装置の模式的な平面図である。溶液測定装置は、第１の実施の形態の電極と配線のパターンを変更し、同様の溶液測定を実施することができる。基板は、幅（図中縦方向）約２０ｍｍ、長さ（図中横方向）約３０ｍｍの透明部材で形成され、基板上に参照電極１２、対向電極１４、第１の作用電極１６、第２の作用電極１８、引出配線２０、及び引出配線２２を形成している。第１と第２の作用電極の構造は上述した実施の形態と同等であり、重複する説明を省略する。
【００５４】
参照電極１２は、図中右から左へ長手方向に形成された幅が約２０００μｍのチャンネル４０の略中央領域から装置右縁部まで延材し端部にコネクティングパッド１２ａを備え、この参照電極１２の線幅ルールは約４００μｍで形成されている。
【００５５】
引出配線２０は、参照電極１２の右に隣接し、チャンネル４０の略中央領域から装置右縁部まで延材し端部にコネクティングパッド２０ａを備え、この引出配線２０の線幅ルールは約４００μｍで形成されている。
【００５６】
引出配線２２は、作用電極を引出配線２０と挟むようにチャンネル４０の略中央領域から装置右縁部まで延材し端部にコネクティングパッド２２ａを備え、この引出配線２２の線幅ルールは約４００μｍで形成されている。
【００５７】
対向電極１４は、引出配線２２の右に隣接し、チャンネル４０の略中央領域から装置右縁部まで延材し端部にコネクティングパッド１４ａを備え、この対向電極１４の線幅ルールは約４００μｍで形成されている。
【００５８】
チャンネル４０は、溶液の流路を形成し、図中左の参照電極１２側から右の対向電極１４側へ溶液を順次流すことができる。すなわち、矢印２６で示す溶液流入方向から矢印２８で示す溶液排出方向へ溶液を流す。
【００５９】
上記チャンネル４０内に配置された参照電極１２と隣接する引出配線２０との間隔ａは約４００μｍ、同様に、対向電極１４と隣接する引出配線２２との間隔ｂは約４００μｍに設定されている。
【００６０】
また、各コネクティングパッド１２ａ、１４ａ、２０ａ、２２ａは、縦２０００μｍ、横２０００μｍに設定されている。
【００６１】
図７は、本発明による第２の実施の形態である溶液測定装置に用いる第１と第２の作用電極の模式的な平面図である。平行に形成された引出配線２０と２２の間に互い違いに平行に三次元立体構造の第１の作用電極１６と第２の作用電極１８が形成されている。
【００６２】
第１の作用電極１６は、引出配線２２と電気的に接続され、図中左側に配置した引出配線２２から右水平方向に延材するように形成されている。一方、第２の作用電極１８は、引出配線２０と電気的に接続され、図中右側に配置した引出配線２０から左水平方向に延材するように形成されている。
【００６３】
第１と第２の作用電極が互い違いに平行に配置する領域には、矩形状の開口部３２が形成され、第１と第２の作用電極が溶液と接触することを可能にしている。この開口部３２の上方縁部と隣接する第１の作用電極１６との間隔ｇは、約５０μｍに設定し、この作用電極１６と開口部３２の下方縁部に隣接する第２の作用電極１８との距離ｄは、１８００μｍに設定し、開口部３２の縦方向の長さは、距離ｃの約２０００μｍ以内の範囲で距離ｉの約５０μｍを上部と下部から差し引いた約１９００μｍに設定している。
【００６４】
また、引出配線２０と引出配線２２との対向距離ｅは、約２２００μｍに設定し、引出配線２０と２２との間に配置する開口部３２の横方向の長さｆは、約２２００μｍ未満であって約２０００μｍ以上の範囲から任意に選択することができる。
【００６５】
上記開口部３２の中に配置される作用電極１６、１８は、例えば、線幅を各々２μｍ、５μｍ、１０μｍ等の何れか１つのルールを採用し、作用電極間の距離（間隔）を２μｍ、５μｍ、１０μｍ等の何れか１つのルールを採用することができる。
【００６６】
図８は、本発明による実施の形態である溶液測定用微小電極の製造工程図である。図示した（ａ）工程は、出発材料である透明材料製の基板１０上にポジ型フォトレジスト５０をスピンコートにより塗布し、フォトマスク５１を介して紫外線光５２を表面から基板１０に向けて露光する。基板１０は、例えば、石英ガラスやサファイアガラス等を使用することができ、本発明はこのガラスに限定するものではなく、他の透明材料を用いてもよい。
【００６７】
（ｂ）工程は、フォトリソグラフィ処理により、パターニングしたポジ型フォトレジスト５０と基板１０の表面にクロム５３（Ｃｒ）と金５４（Ａｕ）を順にデポジションする。堆積したクロム５３の膜厚は１００Å、金５４の膜厚は１０００Åに設定する。
【００６８】
（ｃ）工程は、基板１０上のポジ型フォトレジスト５０を、例えばアセトンにより溶解しリフトオフ法により除去することにより、クロム５３と金５４の下地電極をパターニングする。
【００６９】
この下地電極のリフトオフ工程に本発明は限定されることはなく、例えば、基板１０の全面にクロム５３と金５４を順次堆積させた後にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ処理によってレジストをパターニングしてからクロム５３と金５４をエッチングし下地電極をパターニングすることができる。
【００７０】
（ｄ）工程は、下地電極を形成した基板１０上にフッ素樹脂（ＣＹＴＯＰ、登録商標、旭硝子）の絶縁膜５５をコーティングする工程である。フッ素樹脂に代えてシリコン酸化膜ＳｉＯ２等を絶縁膜として使用することができる。
【００７１】
図９は、本発明による実施の形態である溶液測定用微小電極の製造工程図である。図示した（ｅ）工程は、絶縁膜（ＣＹＴＯＰ）をコーティングした基板１０上にポジ型フォトレジスト５０ａをコーティングし、フォトマスク５７を介して基板１０の表面から紫外線光で露光し、ポジ型フォトレジスト５０ａをパターニングし図２に示した作用電極１６、１８、開口部３２、参照電極１２、開口部３０、対向電極１４、開口部３４、及びコネクティングパッド１２ａ、１４ａ、２０ａ、２２を露出するためのマスクを形成する工程断面図である。
【００７２】
（ｆ）工程は、ドライエッチング（Ｏ２アッシング）により、絶縁膜５５を選択的に除去して図２に示した作用電極１６、１８、開口部３２、参照電極１２、開口部３０、対向電極１４、開口部３４、及びコネクティングパッド１２ａ、１４ａ、２０ａ、２２を露出してから、残存する絶縁膜５５上のポジ型フォトレジスト５０ａをアセトンにより除去する工程である。
【００７３】
（ｇ）工程は、基板１０上に約５０μｍの厚さの厚膜メッキ用ネガ型フォトレジスト５６を塗布し、紫外線光５２を基板１０の裏面から照射して電極パターン上以外のレジストを基板裏面より露光するセルフアライメントによる露光工程である。
【００７４】
（ｈ）工程は、基板１０表面からフォトマスク５７ａを介して紫外線光５２を照射し、作用電極領域、及び、コネクティングパット上以外の領域に塗布したネガ型フォトレジスト５６を露光する工程である。
【００７５】
（ｉ）工程は、紫外線光５２により露光したネガ型フォトレジスト５６をフォトリソグラフィ工程により現像し、作用電極の下地電極、コネクティングパッドを露出する工程である。
【００７６】
図１０は、本発明による実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。図示した（ｊ）工程は、ネガ型フォトレジスト５６の開口部に形成された作用電極を包囲する領域５８をメッキ用浴に浸漬させ、コネクティングパットをメッキ浴水面上から離して引出配線から作用電極の下地電極へ負の電位を印加し、ネガ型フォトレジスト５６を鋳型として用い、作用電極の下地電極上にニッケル６３（Ｎｉ）を堆積させる電解メッキを施す工程である。
【００７７】
この電解メッキ工程では、メッキ処理時の電流密度を制御することにより、ニッケル６３の堆積速度をコントロールし、ポジ型フォトレジスト５６層の高さを超えないレベルでメッキ処理を停止させる。仮に、ニッケル６３がネガ型フォトレジスト５６層の高さを超えオーバハング状態に至った場合には、基板１０の表面側からポリッシング処理を施し、ニッケル層の平坦性を確保することができる。
【００７８】
（ｋ）工程は、基板１０上のネガ型フォトレジスト５６層をレジスト剥離液で剥離した工程である。図示したように、基板１０上には、パターニングした絶縁膜５５と、クロム５３、金５４の二層の電極及び配線層、クロム５３、金５４、ニッケル６３の三層構造の作用電極が形成されている。このニッケル６３の電極をＳＥＭで観察した結果、幅が１０μｍ、高さが３０μｍ、ニッケル電極間の間隔が１０μｍであることを確認することができた。
【００７９】
（ｌ）工程は、電解メッキ法又は無電解メッキ法により領域５９中のニッケル６３の露出面に金６０（Ａｕ）をコーティングする工程である。上記工程を大別すると、鋼性が高く寸法精度や高速形成性に優れるニッケルで基体となる構造を形成する工程と、その表面を電気化学的特性や表面修飾性に優れた金でコーティングする。この金コーティング処理に引き続き、参照電極３０部分に硝酸銀溶液を浸しコネクティングパッドを通し負の電位を印加し参照電極３０の表面にＡｇを電解メッキし、その後塩酸水溶液を浸しコネクティングパッドを通し正の電位を印加し参照電極の表面に被着したＡｇ層の一部をＡｇＣｌ化することによりＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極を形成することができる。
【００８０】
図１１は、本発明による他の実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。図示した（ｍ）工程は、ネガ型フォトレジスト５６の開口部に形成された作用電極を包囲する領域６１をメッキ用浴に浸漬させ、コネクティングパッドをメッキ浴水面上から離して引出配線から作用電極の下地電極へ負の電位を印加し、ネガ型フォトレジスト５６を鋳型として作用電極の下地電極上に金６２（Ａｕ）を堆積させる電解メッキを施す工程である。
【００８１】
（ｎ）工程は、ネガ型フォトレジスト５６からオバーハングした金６２を基板１０の表面側からポリッシング処理を施し、金６２上部の平坦性を確保する工程である。
【００８２】
引き続き、（ｏ）工程で基板１０上のネガ型フォトレジスト５６層をレジスト剥離液で剥離し、基板１０上に、パターニングした絶縁膜５５と、クロム５３、金５４の二層の電極及び配線層と、クロム５３、金５４、金６２の二層構造の作用電極が形成される。この金メッキ処理に引き続き、参照電極３０部分に硝酸銀溶液を浸しコネクティングパッドを通し参照電極部に負の電位を印加し参照電極部の表面にＡｇを電解メッキし、その後塩酸水溶液を浸しコネクティングパッドを通し正の電位を印加し参照電極の表面に被着したＡｇ層の一部をＡｇＣｌ化することによりＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極を形成することができる。
【００８３】
図１２は、本発明による実施の形態である溶液測定装置のブロック図である。封止材３８によりパッケージングされた溶液測定装置は、貫通口４２から溶液を注入し、貫通口４４から溶液を排出する。溶液測定装置はコネクタ７０を挿入しポテンショスタット７２と電気的に接続される。
【００８４】
コネクタ７０は、ポテンショスタット７２とライン１４ｂ、ライン２２ｂ、ライン１２ｂ、ライン２０ｂを介して電気信号を伝送し、溶液測定装置中の溶液の電気化学測定をするように構成されている。ポテンショスタット７２はスイーパー７４により酸化還元反応の増加領域を探索し、Ｘ−Ｙレコーダ７６へ作用電極に流れる電流の測定値を記憶するように構成されている。
【００８５】
図１３は、本発明による実施の形態である溶液測定装置において得られるサイクリックボルタモグラムである。縦軸に各々の電極における電流値を示し、横軸にアノード電極の電位を示す。溶液を注入した溶液測定装置のカソード電極をレドックス活性物質が還元する電位に保持しておき、アノード電極の電位を掃引したときのアノード電極における電流値７８，７９及びカソード電極における電流値８０、８１を測定することで酸化還元物質の測定が可能となる。
【００８６】
図１４は、本発明による他の実施の形態である溶液測定装置の概略図である。図上部の（ａ）に示す平面図を参照して溶液測定装置の構成は、上述した実施の形態と同等であり重複する説明を省略する。溶液測定装置は、コネクティングパッド１２ａ、コネクティングパッド１４ａ、コネクティングパッド２０ａ、及びコネクティングパッド２２ａを露出するように、基板１０上を被覆するシリコンラバー製の封止材３８によりパッケージングされている。
【００８７】
図下部の（ｂ）に示す断面図を参照して溶液測定装置の構成を説明する。溶液測定装置は、基板１０上に形成された作用電極１６と作用電極１８を有し、この作用電極１６、１８の頂部と底部を挟むようにチャンネルが形成され封止材３８によりパッケージングされている。被測定溶液は、この頂部と底部に挟まれた第１の作用電極１６と第２の作用電極１８の間で受容され、電気化学測定を実施する。
【００８８】
尚、本発明の溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００８９】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の請求項１から請求項８に記載の溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法によれば、電気化学測定を行う際に高感度な電流シグナルを得る溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法を提供するという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置１の一部破断斜視図である。
【図２】本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置１の模式的な平面図である。
【図３】本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置の概略図である。
【図４】本発明の実施の形態である溶液測定方法を説明する経路図である。
【図５】本発明の実施の形態である溶液測定装置の模式的斜視図である。
【図６】本発明による第２の実施の形態である溶液測定装置の模式的な平面図である。
【図７】本発明による第２の実施の形態である溶液測定装置に用いる櫛歯形電極の模式的な平面図である。
【図８】本発明による実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。
【図９】本発明による実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。
【図１０】本発明による実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。
【図１１】本発明による実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。
【図１２】本発明による実施の形態である溶液測定装置のブロック図である。
【図１３】本発明による実施の形態である溶液測定装置の電気化学測定結果の電圧対電流値の関係図である。
【図１４】本発明による他の実施の形態である溶液測定装置の概略図である。
【図１５】従来の溶液測定装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 溶液測定装置
１０ 基板
１２ 参照電極
１４ 対向電極
１６ 第１の作用電極
１８ 第２の作用電極
２０ 引出配線
２２ 引出配線
２４ チャンネル側壁
３４ 対向電極（開口部）
３６ 絶縁層
４０ チャンネル
４６ チャンネル
５０ ポジ型フォトレジスト
５０ａ ポジ型フォトレジスト
５３ クロム
５４ 金
５５ 絶縁膜
５６ ネガ型フォトレジスト
６０ 金
６３ ニッケル
７０ コネクタ
７２ ポテンショスタット
７４ スイーパー
７６ Ｘ−Ｙレコーダ
【発明の属する技術分野】
本発明は溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法に係り、特に、医学、薬学、生物学、化学、食品学等の諸分野において、酸化還元反応を利用して生理活性物質の微量測定に用いる溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アンペロメトリック型電気化学測定方法の１つとして、電流シグナルを検出するために基板上に櫛歯型電極を平面的に配置し、陽極と陰極の電極を独立して電位制御することで酸化還元物質（酸化型と還元型が可逆的に生じる酸化還元物質）の電気的な検出信号を増幅させ、シングル電極に比較して約５倍から１０倍の電流シグナルを得ていた（Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． １９９３、６５、１５５９−１５６３）。
【０００３】
図１５の断面図に示す従来の溶液測定用電極は、平面的な二つの櫛歯形電極がかみあった構造を有している。この電極に接触する被検液中のレドックス活性基は、アノード電極４にレドックス活性基（Ｒ）が酸化するような電位を印加し、カソード電極３に酸化されたレドックス活性基（ｏ）が還元されてもとに戻るような電位を印加する。この電位状態を保持し、アノード電極４とカソード電極３の間でレドックス活性基が拡散移動することで酸化と還元のサイクルを繰り返し、化学増幅効果（レドックスサイクリング）によって被検液中のレドックス活性基を検出していた（Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． １９９３、６５、１５５９−１５６３）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の如く、従来の溶液測定用電極は、平面状の櫛歯形電極が噛みあった構造であるから、レドックス活性基が電極と接触する接触領域が櫛歯形アノード電極４と櫛歯形カソード電極３の平面上に制限されている。また、サンプル量や櫛歯形電極が微小になると絶対的な電気信号のレベルが下がり感度が低くなるという問題が存在する。
【０００５】
そのため、電気化学測定において、平面櫛歯電極表面近傍の被検液下層に存在するレドックス活性基の検出が可能であるとしても、被検液の中層又は上層のレドックス活性基の検出に一定の限界が生じていた。
【０００６】
本発明は、斯かる実情に鑑み、電気化学測定を行う際に高感度な電流シグナルを得る溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様にかかる溶液測定用微小電極は、例えば、図１に示すように、被測定溶液を受容する、絶縁材料で形成された基板１０と、基板１０上に基板面から所定の高さを有する三次元的に複数枚に形成された第１の作用電極１６と、基板１０上に基板面から所定の高さを有する三次元的に複数枚に形成された第２の作用電極１８と、基板１０上に形成された参照電極１２と、基板１０上に形成された対向電極１４とを備え、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８とを互い違いに平行に配置するように構成する。ここで三次元的に形成とは、作用電極１６及び１８の高さは１μｍ以上のことを言う。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第２の態様は、第１の態様の溶液測定用微小電極において、例えば、図７に示すように、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８の断面幅が各々独立して０．１μｍから１００μｍであり、第１の作用電極１６及び第２の作用電極１８との対面距離が０．１μｍから１００μｍに構成する。
【０００９】
このように構成すると、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８との間に受容された被測定溶液の測定感度を向上させることができる。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の溶液測定用微小電極において、例えば、図１に示すように、第１及び第２の作用電極１６、１８の高さは、各々１μｍから１０００μｍに構成する。
【００１１】
このように構成すると、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８との間に受容された被測定溶液の測定感度を向上させることができる。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第４の態様の溶液測定用微小電極の製造方法は、第１の態様の溶液測定用微小電極の製造において、例えば、図８から図１１に示すように、透明材料製の平面基板１０上に金属５４の電極パターンを形成する工程（ｃ）と、電極パターンが形成された基板１０を絶縁材料５５でコーティングする工程（ｄ）と、コーティングされた絶縁材料５５を、少なくとも電極を形成する領域から選択的に除去する工程（ｆ）と、絶縁材料５５が電極を形成する領域から除去された基板１０に厚膜型のネガ型フォトレジスト５６をコーティングする工程（ｇ）と、基板１０の裏面から露光５２した後に、ネガ型フォトレジスト５６を現像してパターニングする工程（ｉ）と、基板１０上にパターニングしたネガ型フォトレジスト５６を鋳型として金属６３を堆積させ電極を形成する工程（ｊ）と、金属６３を堆積させた後に、ネガ型フォトレジスト５６を剥離する工程（ｋ）とを備える。なお、電極を形成する手段としては、電解メッキ法、無電解メッキ法、蒸着などの種々の金属堆積手段から選択することができる。電極の材質としては、例えば金が好ましく、白金、カーボン、あるいはニッケル、ニッケル基合金を基体として表面を金メッキ或いは白金メッキをした材料等をあげることができる。
【００１３】
このように構成すると、基板１０上にパターニングしたネガ型フォトレジスト５６を鋳型として金属６３を堆積させ電極を形成する工程（ｊ）と、金属６３を堆積させた後に、ネガ型フォトレジスト５６を剥離する工程（ｋ）とを備えるので、高アスペクト比の溶液測定用微小電極を製造することができる。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の第５の態様の電気化学測定用装置は、例えば、図１及び図１２に示すように、第１乃至第３の何れかの態様の溶液測定用微小電極１６、１８と、一方の作用電極（１６）の電位と他方の作用電極（１８）の電位を各々独立に制御し、少なくとも一方の電極に流れる電流値を測定する装置７２とを備える。
【００１５】
このような構成に基づけば、一方の作用電極（１６）の電位と他方の作用電極（１８）の電位を各々独立に制御し、少なくとも一方の電極に流れる電流値を測定する装置７２とを備えるので、本発明の微小電極の優位点を生かした溶液の電気化学測定ができる。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の第６の態様の溶液測定方法は、例えば、図１３に示すように、第１乃至第３の何れかの態様の溶液測定用微小電極を使用した溶液測定をすることができる。
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の第７の態様の溶液測定方法は、例えば、図１３に示すように、第１乃至第３の何れかの態様の溶液測定用微小電極による、酸化還元物質の電気化学的溶液測定をすることができる。
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の第８の態様は、第７の態様の溶液測定方法において、例えば、図１３に示すように、抗原又は抗体に標識した酵素により生産される酸化還元物質の測定をすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図１から図１４は発明を実施する形態の一例であって、図中、図と同一または類似の符号を付した部分は同一物または相当物を表わし、重複した説明は省略する。
【００２０】
図１は、本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置１の一部破断斜視図である。溶液測定装置１は、紫外線光を透過する透明な絶縁材料で形成された基板１０と、この基板１０の中央領域上に１μｍから１０００μｍの所定の高さを有する三次元的に形成された複数の第１の作用電極１６と、この第１の作用電極１６と互い違いに平行に配置され、基板１０の中央領域上に１μｍから１０００μｍの所定の高さを有する三次元的に形成された複数の第２の作用電極１８と、基板１０上に形成され、第２の作用電極１８と電気的に接続された引出配線２０と、この引出配線２０に隣接し第２の作用電極１８と間隔を置いて基板１０上に形成された参照電極１２と、基板１０上に形成され、第１の作用電極１６と電気的に接続された引出配線２２と、この引出配線２２に隣接し第１の作用電極１６と間隔を置いて基板１０上に形成された対向電極１４とを備える。なお、説明の便宜上、少なくとも引出配線２０、２２の表面を被覆する絶縁層を剥がした状態を示している。
【００２１】
また、溶液測定装置１は、矢印２６及び矢印２８で示す方向に被測定溶液を流すチャンネル領域を確定させるシリコンラバー製のチャンネル側壁２４を設け、幅ｗと高さｈのチャンネルを形成している。このチャンネルを流れる被測定溶液は、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８とを互い違いに平行に配置する領域を通過し、例えば、免疫反応及び酵素反応により生じた酸化還元物質ｐ−アミノフェノール（以下、ＰＡＰ）を含む反応溶液を被測定溶液として受容する。第１の作用電極１６と第２の作用電極１８の配置は、図示するように被測定溶液の流れる方向に沿って平行に並べ、被測定溶液の流れを妨げることなく電気化学測定を行うことができる。但し、被測定溶液を流すことなく溶液測定装置１内で受容し電気化学測定を実施する場合は、チャンネルの長手方向に対して直角に配置してもよい。
【００２２】
上記チャンネルは、例えば、幅ｗを２０００μｍ、高さｈを三次元の作用電極の高さと同等の高さに設定し被測定溶液を受容し、流すことができる。また、三次元に形成した作用電極１６と作用電極１８は、例えば、断面幅を約０．１μｍから１００μｍの間で任意に選択することができ、好ましくは０．１から１０μｍの断面幅に設定する。
【００２３】
作用電極１６、１８の高さは、１μｍ以上であればよく、１μｍから１０００μｍの間で任意に選択することができ、好ましくは１０μｍから１０００μｍ、さらに好ましくは３０μｍから１０００μｍの高さｈに設定する。
【００２４】
さらに、第１と第２の作用電極の間隔、すなわち、両電極の対面距離が０．１μｍから１００μｍの間で任意に選択することができ、好ましくは０．１μｍから１０μｍ、さらに好ましくは０．１μｍから５μｍの対面距離に設定する。
【００２５】
このように作用電極１６と１８の断面幅、高さ、間隔を各々設定することにより、被測定溶液を受容する領域を確保することができる。
【００２６】
図２は、本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置１の模式的な平面図である。溶液測定装置１は、基板１０の略中央領域上に所定の高さを有する三次元的に形成された複数本の第１の作用電極１６と、この第１の作用電極１６と互い違いに平行に配置され、基板１０の略中央領域上に所定の高さを有する三次元的に形成された複数本の第２の作用電極１８と、基板１０上に形成され、第２の作用電極１８の左端部と電気的に接続された引出配線２０と、この引出配線２０の左に隣接し間隔を置いて基板１０上に形成された参照電極１２と、基板１０上に形成され、第１の作用電極１６の右端部と電気的に接続された引出配線２２と、この引出配線２２の右に隣接し間隔を置いて基板１０上に形成された対向電極１４とを備える。本発明による第１の実施の形態における作用電極の高さは５０μｍ、幅は５μｍ、第１の作用電極と第２の作用電極との間隔は５μｍ、電極数は第１の作用電極が９０本、第２の作用電極が９０本、合計１８０本（９０対）である。
【００２７】
引出配線２０は、第２の作用電極１８との電気的なコンタクト領域から溶液測定装置１の左縁部まで延在し、その先端に外部から電気的接続を許容するコネクティングパッド２０ａを設けている。
【００２８】
引出配線２２は、第１の作用電極１６との電気的なコンタクト領域から溶液測定装置１の左縁部まで延在し、その先端に外部から電気的接続を許容するコネクティングパッド２２ａを設けている。
【００２９】
参照電極１２は、引出配線２０と平行して溶液測定装置１の左縁部まで延在し、その先端に外部から電気的接続を許容するコネクティングパッド１２ａを設けている。
【００３０】
対向電極１４は、引出配線２２と平行して溶液測定装置１の左縁部まで延在し、その先端に外部から電気的接続を許容するコネクティングパッド１４ａを設けている。
【００３１】
また、溶液測定装置１は、左縁部と右縁部に挟まれた本体領域に配置された基板１０、引出配線２０、引出配線２２、参照電極１２、及び対向電極１４の表面を被覆する絶縁層３６を備える。この絶縁層３６には、基板１０の略中央領域に配置された櫛歯形の三次元作用電極１６、１８を露出する開口部３２と、作用電極１６の近傍に配置された対向電極１４の一部を露出する開口部３４と、作用電極１８の近傍に配置された参照電極１２の一部を露出する開口部３０と、を有している。
【００３２】
さらに、矢印２８で示す方向に流れる被測定溶液は、開口部３０内の参照電極１２と接触し、開口部３２内の作用電極１６、１８と接触し、開口部３４内の対向電極１４と接触するように構成されている。
【００３３】
図３は、本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置の概略図である。図上部の（ａ）に示す平面図を参照して溶液測定装置の構成を説明する。溶液測定装置は、コネクティングパッド１２ａ、コネクティングパッド１４ａ、コネクティングパッド２０ａ、及びコネクティングパッド２２ａを露出するように、基板１０上を被覆するシリコンラバー製の封止材３８によりパッケージングされている。
【００３４】
溶液測定装置は、図中破線で囲まれた基板中心領域に被測定溶液を流す縦長の流路４０が中空状態に形成されている。この流路４０の一端部（コネクティングパッド群側）には外部に通じる貫通口４２が設けられ、被測定溶液をチャンネルとしての流路４０内部に流入させることができる。一方、流路４０の他端部には外部に通じる貫通口４４が設けられ、被測定溶液を外部に排出することができる。
【００３５】
図下部の（ｂ）に示す断面図を参照して溶液測定装置の構成を説明する。溶液測定装置は、基板１０上に形成された作用電極１６と作用電極１８を有し、この作用電極１６、１８を囲むように封止材３８によりパッケージングされている。
【００３６】
図４の経路図を参照して、本発明の実施の形態である溶液測定方法を説明する。測定材料のサンプルは、ヒト血清又は標準液としてのヒト血清中に存在するαフェトプロテイン（ＡＦＰ）溶液を用い、固相抗体は、抗ＡＦＰ抗体固定化磁性体粒子を用い、標識抗体は、アルカリフォスファターゼ標識抗ＡＦＰ抗体を用い、基質は、ｐ−アミノフェニルリン酸塩（以下、ＰＡＰＰ）を０．１ＭのＴｒｉｓ−ＨＣｌ（ｐＨ９．０）による緩衝液で溶解する。
【００３７】
第１ステップは、抗ＡＦＰ抗体固定化磁性体粒子溶液にサンプル溶液（ヒト血清又はＡＦＰ標準溶液）を混合し、免疫反応を行う。サンプル溶液中のＡＦＰは磁性粒子に固定化されている抗ＡＦＰ抗体と特異的に結合させる。
【００３８】
第２ステップは、免疫反応後の磁性粒子に対して磁石を用いて磁性粒子を固定させ、洗浄液により洗浄処理を施しサンプル溶液中の不純物成分を除去する。
【００３９】
第３ステップは、洗浄後の磁性粒子に対して過剰量のアルカリフォスファターゼ標識抗ＡＦＰ抗体溶液を加え免疫反応を行い、アルカリフォスファターゼ標識抗ＡＦＰ抗体と磁性粒子に免疫結合しているＡＦＰを特異的に結合させる。
【００４０】
第４ステップは、免疫反応後の磁性粒子に対して磁石を用いて磁性粒子を固定させた状態で、洗浄液により洗浄処理を施し反応液中の未結合アルカリフォスファターゼ標識抗ＡＦＰ抗体を除去する。
【００４１】
第５ステップは、引き続き、十分な量のＰＡＰＰ溶液（０．１Ｍ Ｔｒｉｓ−Ｃｌ緩衝液に溶解）を反応させ、アルカリフォスファターゼによる酵素反応によりＰＡＰＰの燐酸基が加水分解され遊離する結果、ＰＡＰを産生させる。
【００４２】
このＰＡＰの産生量は、アルカリフォスファターゼの濃度（量）に比例し、またアルカリフォスファターゼの濃度（量）は免疫反応におけるサンプル中の目的物質（ＡＦＰ）の濃度（量）に比例するため、ＰＡＰ濃度の定量をすることにより目的物質（ＡＦＰ）の定量が可能となる。
【００４３】
第６ステップは、一方の作用電極にＰＡＰが酸化するような電位を印加し、他方の作用電極に酸化されたＰＡＰすなわちｐ−キノンイミン（以下、ＰＱＩ）が還元されてＰＡＰに戻るような電位を印加する。この電位状態を保持することで酸化と還元のサイクルを繰り返し、化学増幅効果（レドックスサイクリング）を生じさせ、各々の作用電極に流れる電流値を測定しＰＡＰの定量を行うことができる。
【００４４】
このＰＡＰの測定は、酵素反応によって生じたＰＡＰの電気化学測定により実施するため作用電極を用いて行うが、他の第１から第５ステップまでの処理は、溶液測定装置の外部で遂行してから、これら反応により得られたＰＡＰを溶液測定装置の参照電極、作用電極、対向電極に滴下して電気化学測定を実施してもよく、ＰＡＰを参照電極、作用電極、対向電極を囲むチャンネルに流して電気化学測定を実施もよい。
【００４５】
また、上記第１から第５ステップまでの処理を溶液測定装置のチャンネルの中で遂行することができる。この場合、抗体固定化磁性粒子の位置を磁石によって制御することで任意の場所を固相場（反応場）として利用することができる。
【００４６】
さらに、固相場として磁性体を用いずにチャンネルの表面（内壁）やその他の材料表面に予め抗体を固定化し、上記第２から第６ステップまでの処理を溶液測定装置のチャンネルの中で遂行することができる。この場合も、第６ステップによるＰＡＰの電気化学測定以外の処理は、溶液測定装置の外部で第１から第５ステップを遂行することもできる。
【００４７】
上記第１から第５ステップまでの処理において、免疫反応から酵素反応を遂行する反応方法として、溶液測定装置の外部で反応処理をする方法と、参照電極、作用電極、対向電極に到達する前のチャンネルの中で反応処理をする方法と、参照電極、作用電極、対向電極の配置されている位置で反応処理をする方法の何れの方法をも適用することができる。
【００４８】
図５は、本発明による実施の形態である溶液測定装置の模式的斜視図である。溶液測定装置は、基板１０の第１の作用電極１６と第２の作用電極１８の間に受容する溶液の酸化還元反応を繰り返すように構成する。
【００４９】
溶液は、第１の作用電極１６と第２の作用電極１８の間で複数の酸化と還元を繰り返す。図示した酸化還元反応は基板１０の近傍と、チャンネルの中間と、チャンネルの上方で酸化還元反応を繰り返すように構成されている。
【００５０】
溶液測定装置は、基板１０上に作用電極としての陰極１６（Ｃａｔｈｏｄｅ）と作用電極としての陽極１８（Ａｎｏｄｅ）を備え、陰極１６と陽極１８は、レドックス活性基（Ｒ）としてのＰＡＰの電気化学測定に用いられる。レドックス活性基（Ｒ）は種類に限定はなく、例えば、ＰＡＰの他にフェノチアジンやフェロセロン等の可逆的に酸化還元反応する活性基を用いることができる。
【００５１】
陽極１８（Ａｎｏｄｅ）にＰＡＰが酸化する電位を印加すると陽極１８表面でＰＡＰが酸化されＰＱＩが生じる。このとき陽極１８で生じた電流値を酸化電流値として検出できる。また同時に陰極１６（Ｃａｔｈｏｄｅ）にＰＱＩが還元する電位を印加しておくと、酸化反応によって生じたＰＱＩが陰極１６表面で還元されＰＡＰが生じる。このとき陰極１６で生じた電流値を還元電流値として検出できる。
【００５２】
このように陽極及び陰極の電位をＰＡＰの酸化電位及びＰＱＩの還元電位に保持することにより酸化還元反応が繰り返され、陽極１８と陰極１６に流れる電流値を測定できる。各々の測定電流値は酸化還元物質の濃度に比例するのでＰＡＰ及びＰＱＩの定量が可能となる。
【００５３】
図６は、本発明による第２の実施の形態である溶液測定装置の模式的な平面図である。溶液測定装置は、第１の実施の形態の電極と配線のパターンを変更し、同様の溶液測定を実施することができる。基板は、幅（図中縦方向）約２０ｍｍ、長さ（図中横方向）約３０ｍｍの透明部材で形成され、基板上に参照電極１２、対向電極１４、第１の作用電極１６、第２の作用電極１８、引出配線２０、及び引出配線２２を形成している。第１と第２の作用電極の構造は上述した実施の形態と同等であり、重複する説明を省略する。
【００５４】
参照電極１２は、図中右から左へ長手方向に形成された幅が約２０００μｍのチャンネル４０の略中央領域から装置右縁部まで延材し端部にコネクティングパッド１２ａを備え、この参照電極１２の線幅ルールは約４００μｍで形成されている。
【００５５】
引出配線２０は、参照電極１２の右に隣接し、チャンネル４０の略中央領域から装置右縁部まで延材し端部にコネクティングパッド２０ａを備え、この引出配線２０の線幅ルールは約４００μｍで形成されている。
【００５６】
引出配線２２は、作用電極を引出配線２０と挟むようにチャンネル４０の略中央領域から装置右縁部まで延材し端部にコネクティングパッド２２ａを備え、この引出配線２２の線幅ルールは約４００μｍで形成されている。
【００５７】
対向電極１４は、引出配線２２の右に隣接し、チャンネル４０の略中央領域から装置右縁部まで延材し端部にコネクティングパッド１４ａを備え、この対向電極１４の線幅ルールは約４００μｍで形成されている。
【００５８】
チャンネル４０は、溶液の流路を形成し、図中左の参照電極１２側から右の対向電極１４側へ溶液を順次流すことができる。すなわち、矢印２６で示す溶液流入方向から矢印２８で示す溶液排出方向へ溶液を流す。
【００５９】
上記チャンネル４０内に配置された参照電極１２と隣接する引出配線２０との間隔ａは約４００μｍ、同様に、対向電極１４と隣接する引出配線２２との間隔ｂは約４００μｍに設定されている。
【００６０】
また、各コネクティングパッド１２ａ、１４ａ、２０ａ、２２ａは、縦２０００μｍ、横２０００μｍに設定されている。
【００６１】
図７は、本発明による第２の実施の形態である溶液測定装置に用いる第１と第２の作用電極の模式的な平面図である。平行に形成された引出配線２０と２２の間に互い違いに平行に三次元立体構造の第１の作用電極１６と第２の作用電極１８が形成されている。
【００６２】
第１の作用電極１６は、引出配線２２と電気的に接続され、図中左側に配置した引出配線２２から右水平方向に延材するように形成されている。一方、第２の作用電極１８は、引出配線２０と電気的に接続され、図中右側に配置した引出配線２０から左水平方向に延材するように形成されている。
【００６３】
第１と第２の作用電極が互い違いに平行に配置する領域には、矩形状の開口部３２が形成され、第１と第２の作用電極が溶液と接触することを可能にしている。この開口部３２の上方縁部と隣接する第１の作用電極１６との間隔ｇは、約５０μｍに設定し、この作用電極１６と開口部３２の下方縁部に隣接する第２の作用電極１８との距離ｄは、１８００μｍに設定し、開口部３２の縦方向の長さは、距離ｃの約２０００μｍ以内の範囲で距離ｉの約５０μｍを上部と下部から差し引いた約１９００μｍに設定している。
【００６４】
また、引出配線２０と引出配線２２との対向距離ｅは、約２２００μｍに設定し、引出配線２０と２２との間に配置する開口部３２の横方向の長さｆは、約２２００μｍ未満であって約２０００μｍ以上の範囲から任意に選択することができる。
【００６５】
上記開口部３２の中に配置される作用電極１６、１８は、例えば、線幅を各々２μｍ、５μｍ、１０μｍ等の何れか１つのルールを採用し、作用電極間の距離（間隔）を２μｍ、５μｍ、１０μｍ等の何れか１つのルールを採用することができる。
【００６６】
図８は、本発明による実施の形態である溶液測定用微小電極の製造工程図である。図示した（ａ）工程は、出発材料である透明材料製の基板１０上にポジ型フォトレジスト５０をスピンコートにより塗布し、フォトマスク５１を介して紫外線光５２を表面から基板１０に向けて露光する。基板１０は、例えば、石英ガラスやサファイアガラス等を使用することができ、本発明はこのガラスに限定するものではなく、他の透明材料を用いてもよい。
【００６７】
（ｂ）工程は、フォトリソグラフィ処理により、パターニングしたポジ型フォトレジスト５０と基板１０の表面にクロム５３（Ｃｒ）と金５４（Ａｕ）を順にデポジションする。堆積したクロム５３の膜厚は１００Å、金５４の膜厚は１０００Åに設定する。
【００６８】
（ｃ）工程は、基板１０上のポジ型フォトレジスト５０を、例えばアセトンにより溶解しリフトオフ法により除去することにより、クロム５３と金５４の下地電極をパターニングする。
【００６９】
この下地電極のリフトオフ工程に本発明は限定されることはなく、例えば、基板１０の全面にクロム５３と金５４を順次堆積させた後にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ処理によってレジストをパターニングしてからクロム５３と金５４をエッチングし下地電極をパターニングすることができる。
【００７０】
（ｄ）工程は、下地電極を形成した基板１０上にフッ素樹脂（ＣＹＴＯＰ、登録商標、旭硝子）の絶縁膜５５をコーティングする工程である。フッ素樹脂に代えてシリコン酸化膜ＳｉＯ２等を絶縁膜として使用することができる。
【００７１】
図９は、本発明による実施の形態である溶液測定用微小電極の製造工程図である。図示した（ｅ）工程は、絶縁膜（ＣＹＴＯＰ）をコーティングした基板１０上にポジ型フォトレジスト５０ａをコーティングし、フォトマスク５７を介して基板１０の表面から紫外線光で露光し、ポジ型フォトレジスト５０ａをパターニングし図２に示した作用電極１６、１８、開口部３２、参照電極１２、開口部３０、対向電極１４、開口部３４、及びコネクティングパッド１２ａ、１４ａ、２０ａ、２２を露出するためのマスクを形成する工程断面図である。
【００７２】
（ｆ）工程は、ドライエッチング（Ｏ２アッシング）により、絶縁膜５５を選択的に除去して図２に示した作用電極１６、１８、開口部３２、参照電極１２、開口部３０、対向電極１４、開口部３４、及びコネクティングパッド１２ａ、１４ａ、２０ａ、２２を露出してから、残存する絶縁膜５５上のポジ型フォトレジスト５０ａをアセトンにより除去する工程である。
【００７３】
（ｇ）工程は、基板１０上に約５０μｍの厚さの厚膜メッキ用ネガ型フォトレジスト５６を塗布し、紫外線光５２を基板１０の裏面から照射して電極パターン上以外のレジストを基板裏面より露光するセルフアライメントによる露光工程である。
【００７４】
（ｈ）工程は、基板１０表面からフォトマスク５７ａを介して紫外線光５２を照射し、作用電極領域、及び、コネクティングパット上以外の領域に塗布したネガ型フォトレジスト５６を露光する工程である。
【００７５】
（ｉ）工程は、紫外線光５２により露光したネガ型フォトレジスト５６をフォトリソグラフィ工程により現像し、作用電極の下地電極、コネクティングパッドを露出する工程である。
【００７６】
図１０は、本発明による実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。図示した（ｊ）工程は、ネガ型フォトレジスト５６の開口部に形成された作用電極を包囲する領域５８をメッキ用浴に浸漬させ、コネクティングパットをメッキ浴水面上から離して引出配線から作用電極の下地電極へ負の電位を印加し、ネガ型フォトレジスト５６を鋳型として用い、作用電極の下地電極上にニッケル６３（Ｎｉ）を堆積させる電解メッキを施す工程である。
【００７７】
この電解メッキ工程では、メッキ処理時の電流密度を制御することにより、ニッケル６３の堆積速度をコントロールし、ポジ型フォトレジスト５６層の高さを超えないレベルでメッキ処理を停止させる。仮に、ニッケル６３がネガ型フォトレジスト５６層の高さを超えオーバハング状態に至った場合には、基板１０の表面側からポリッシング処理を施し、ニッケル層の平坦性を確保することができる。
【００７８】
（ｋ）工程は、基板１０上のネガ型フォトレジスト５６層をレジスト剥離液で剥離した工程である。図示したように、基板１０上には、パターニングした絶縁膜５５と、クロム５３、金５４の二層の電極及び配線層、クロム５３、金５４、ニッケル６３の三層構造の作用電極が形成されている。このニッケル６３の電極をＳＥＭで観察した結果、幅が１０μｍ、高さが３０μｍ、ニッケル電極間の間隔が１０μｍであることを確認することができた。
【００７９】
（ｌ）工程は、電解メッキ法又は無電解メッキ法により領域５９中のニッケル６３の露出面に金６０（Ａｕ）をコーティングする工程である。上記工程を大別すると、鋼性が高く寸法精度や高速形成性に優れるニッケルで基体となる構造を形成する工程と、その表面を電気化学的特性や表面修飾性に優れた金でコーティングする。この金コーティング処理に引き続き、参照電極３０部分に硝酸銀溶液を浸しコネクティングパッドを通し負の電位を印加し参照電極３０の表面にＡｇを電解メッキし、その後塩酸水溶液を浸しコネクティングパッドを通し正の電位を印加し参照電極の表面に被着したＡｇ層の一部をＡｇＣｌ化することによりＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極を形成することができる。
【００８０】
図１１は、本発明による他の実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。図示した（ｍ）工程は、ネガ型フォトレジスト５６の開口部に形成された作用電極を包囲する領域６１をメッキ用浴に浸漬させ、コネクティングパッドをメッキ浴水面上から離して引出配線から作用電極の下地電極へ負の電位を印加し、ネガ型フォトレジスト５６を鋳型として作用電極の下地電極上に金６２（Ａｕ）を堆積させる電解メッキを施す工程である。
【００８１】
（ｎ）工程は、ネガ型フォトレジスト５６からオバーハングした金６２を基板１０の表面側からポリッシング処理を施し、金６２上部の平坦性を確保する工程である。
【００８２】
引き続き、（ｏ）工程で基板１０上のネガ型フォトレジスト５６層をレジスト剥離液で剥離し、基板１０上に、パターニングした絶縁膜５５と、クロム５３、金５４の二層の電極及び配線層と、クロム５３、金５４、金６２の二層構造の作用電極が形成される。この金メッキ処理に引き続き、参照電極３０部分に硝酸銀溶液を浸しコネクティングパッドを通し参照電極部に負の電位を印加し参照電極部の表面にＡｇを電解メッキし、その後塩酸水溶液を浸しコネクティングパッドを通し正の電位を印加し参照電極の表面に被着したＡｇ層の一部をＡｇＣｌ化することによりＡｇ／ＡｇＣｌ参照電極を形成することができる。
【００８３】
図１２は、本発明による実施の形態である溶液測定装置のブロック図である。封止材３８によりパッケージングされた溶液測定装置は、貫通口４２から溶液を注入し、貫通口４４から溶液を排出する。溶液測定装置はコネクタ７０を挿入しポテンショスタット７２と電気的に接続される。
【００８４】
コネクタ７０は、ポテンショスタット７２とライン１４ｂ、ライン２２ｂ、ライン１２ｂ、ライン２０ｂを介して電気信号を伝送し、溶液測定装置中の溶液の電気化学測定をするように構成されている。ポテンショスタット７２はスイーパー７４により酸化還元反応の増加領域を探索し、Ｘ−Ｙレコーダ７６へ作用電極に流れる電流の測定値を記憶するように構成されている。
【００８５】
図１３は、本発明による実施の形態である溶液測定装置において得られるサイクリックボルタモグラムである。縦軸に各々の電極における電流値を示し、横軸にアノード電極の電位を示す。溶液を注入した溶液測定装置のカソード電極をレドックス活性物質が還元する電位に保持しておき、アノード電極の電位を掃引したときのアノード電極における電流値７８，７９及びカソード電極における電流値８０、８１を測定することで酸化還元物質の測定が可能となる。
【００８６】
図１４は、本発明による他の実施の形態である溶液測定装置の概略図である。図上部の（ａ）に示す平面図を参照して溶液測定装置の構成は、上述した実施の形態と同等であり重複する説明を省略する。溶液測定装置は、コネクティングパッド１２ａ、コネクティングパッド１４ａ、コネクティングパッド２０ａ、及びコネクティングパッド２２ａを露出するように、基板１０上を被覆するシリコンラバー製の封止材３８によりパッケージングされている。
【００８７】
図下部の（ｂ）に示す断面図を参照して溶液測定装置の構成を説明する。溶液測定装置は、基板１０上に形成された作用電極１６と作用電極１８を有し、この作用電極１６、１８の頂部と底部を挟むようにチャンネルが形成され封止材３８によりパッケージングされている。被測定溶液は、この頂部と底部に挟まれた第１の作用電極１６と第２の作用電極１８の間で受容され、電気化学測定を実施する。
【００８８】
尚、本発明の溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００８９】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の請求項１から請求項８に記載の溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法によれば、電気化学測定を行う際に高感度な電流シグナルを得る溶液測定用微小電極、電極の製造方法、及び溶液測定方法を提供するという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置１の一部破断斜視図である。
【図２】本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置１の模式的な平面図である。
【図３】本発明による第１の実施の形態である溶液測定装置の概略図である。
【図４】本発明の実施の形態である溶液測定方法を説明する経路図である。
【図５】本発明の実施の形態である溶液測定装置の模式的斜視図である。
【図６】本発明による第２の実施の形態である溶液測定装置の模式的な平面図である。
【図７】本発明による第２の実施の形態である溶液測定装置に用いる櫛歯形電極の模式的な平面図である。
【図８】本発明による実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。
【図９】本発明による実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。
【図１０】本発明による実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。
【図１１】本発明による実施の形態である溶液測定装置の製造工程図である。
【図１２】本発明による実施の形態である溶液測定装置のブロック図である。
【図１３】本発明による実施の形態である溶液測定装置の電気化学測定結果の電圧対電流値の関係図である。
【図１４】本発明による他の実施の形態である溶液測定装置の概略図である。
【図１５】従来の溶液測定装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 溶液測定装置
１０ 基板
１２ 参照電極
１４ 対向電極
１６ 第１の作用電極
１８ 第２の作用電極
２０ 引出配線
２２ 引出配線
２４ チャンネル側壁
３４ 対向電極（開口部）
３６ 絶縁層
４０ チャンネル
４６ チャンネル
５０ ポジ型フォトレジスト
５０ａ ポジ型フォトレジスト
５３ クロム
５４ 金
５５ 絶縁膜
５６ ネガ型フォトレジスト
６０ 金
６３ ニッケル
７０ コネクタ
７２ ポテンショスタット
７４ スイーパー
７６ Ｘ−Ｙレコーダ
Claims (7)
- 被測定溶液を受容する、絶縁材料で形成された基板と；
前記基板上に該基板面から所定の高さを有する三次元的に複数枚に形成された第１の作用電極と；
前記基板上に該基板面から所定の高さを有する三次元的に複数枚に形成された第２の作用電極と；
前記基板上に形成された参照電極と；
前記基板上に形成された対向電極と、を備え；
前記第１の作用電極と前記第２の作用電極とを互い違いに平行に配置する溶液測定用微小電極であって；
前記第１の作用電極と第２の作用電極の断面幅が各々独立して０．１μｍから１００μｍであり、前記第１の作用電極及び第２の作用電極との対面距離が０．１μｍから１００μｍであり；
前記第１及び第２の作用電極の高さは、各々１０μｍから１０００μｍである；
溶液測定用微小電極。 - 前記請求項１に記載の微小電極の製造において；
透明材料製の平面基板上に金属の電極パターンを形成する工程と；
前記電極パターンが形成された前記基板を絶縁材料でコーティングする工程と；
前記コーティングされた絶縁材料を、少なくとも電極を形成する領域から選択的に除去する工程と；
前記絶縁材料が電極を形成する領域から除去された基板に厚膜型のネガ型フォトレジストをコーティングする工程と；
前記基板の裏面より露光した後に、前記ネガ型フォトレジストを現像してパターニングする工程と；
前記基板上にパターニングしたネガ型フォトレジストを鋳型として金属を堆積させ電極を形成する工程と；
前記金属を堆積させた後に、前記ネガ型フォトレジストを剥離する工程と；
を備える溶液測定用微小電極の製造方法。 - 請求項１に記載の溶液測定用微小電極と；
一方の作用電極の電位と他方の作用電極の電位を各々独立に制御し、少なくとも一方の電極に流れる電流値を測定する装置と；
を備える電気化学測定用装置。 - 前記第１の作用電極と前記第２の作用電極の頂部と底部を挟むようにチャンネルが形成され封止材によりパッケージングされている；
請求項３に記載の電気化学測定用装置。 - 請求項１に記載の溶液測定用微小電極を使用した溶液測定方法。
- 請求項１に記載の溶液測定用微小電極による、酸化還元物質の電気化学的溶液測定方法。
- 請求項６に記載の溶液測定方法であって、抗原又は抗体に標識した酵素により生産される酸化還元物質の測定方法。
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