JP5814173B2 - 電気化学測定用カーボン電極およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学的な測定で用いられる電気化学測定用カーボン電極およびその製造方法に関する。

電気化学測定は、溶液中の水素イオン濃度，微量金属イオン検出，生体中の微量成分などの検出に利用されている。電気化学測定法に基づく分析やバイオセンサーにおいては、より低濃度の目的物質を高感度に測定する技術が重要である。高感度な測定を行う技術として、μｍオーダのパターンから構成された微小電極があり、フローインジェクションやクロマトグラフィの検出電極としても注目されている。

例えば、作用電極をμｍオーダで近設して構成した２つの電極（ジェネレータ電極とコレクター電極）から構成する技術では、電気化学的な酸化還元サイクルを電極上に発生させ、１つの検出目的分子から繰り返し酸化還元電流を取り出すことで、見かけ上の電流値を増大させ、高感度な測定を可能としている（特許文献１、非特許文献１参照）。

このような微小電極構造を用いることで、高感度な電気化学検出が可能であり、また、これを利用した高感度バイオセンサーの実現が可能となる。この微小電極の応答挙動は、電極形状に依存し、電極サイズが減少するに従って応答が速くなるため、種々の電極形状や電極の微細化が検討されている。

測定に使用される電極材料としては、広い電位範囲における測定が可能であることが重要である。測定可能な電位範囲（電位窓）は、電極，溶媒，支持電解質により異なり、電位窓の範囲内では電極は理想分極する。最も一般的な水溶液系の場合、電解質の種類が同一である場合は、（１）水素過電圧（実際の水素発生電位と理論的平衡電位との差）が大きいもの、（２）酸素過電圧（実際の酸素の発生電位と理論的平衡電位との差）が大きいもの、および（３）電極の溶解電位が高いものが、電位窓の広い電極材料となる。

電極材料としては金，白金，パラジウムなど貴金属、水銀、ＳｎＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₂などの半導体、グラッシーカーボン、結晶性カーボンなどの半金属が使用されている。これらの材料の中、貴金属類は、酸素過電圧が高く酸化溶解し難いため、酸化側では広い電位範囲内において測定用電極として使用可能である。しかしながら、金電極では、ハロゲンイオンやシアンなどを含有する溶液中では錯体を形成して溶解が生起し易く、測定可能の電位範囲は小さくなる。また、貴金属は水素過電圧が小さいために還元側の測定に使用し難い欠点もあり使用が限定される。

また、水銀電極では、水素過電圧が大きく還元側の測定には適するが、酸化側では溶解が生じるため酸化反応の測定には使用できない。ＳｎＯ₂およびＩｎ₂Ｏ₂は、透明電極として使用され、測定可能の電位範囲も相当に広いが、還元側では、電極が錫やインジウムに還元される欠点がある。

一方、カーボン電極は、耐蝕性が強く、酸化側および還元側ともに電位窓が広いために幅広い電位における物質検出が可能であり、センサーなどの検出器として、最も広く利用されている（非特許文献２参照）。このため、炭素材料を電極に用いる技術が、微小電極構造を用いる高感度な電気化学測定が、重要となる。

また、電極に用いられるグラッシーカーボン，結晶性カーボンなどの炭素材料には一般的には細孔構造が存在する。細孔にイオン種などを吸着することにより、例えば、キャパシタ特性を向上させることが可能になる（非特許文献３参照）。この特性を用い、センシングにおいても、吸着特性が高い物質においては、応答電流を増加させ、高感度に検出を行うことが可能である（非特許文献４参照）。

特開平０１−２７２９５８号公報

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ところで、上述したように、μｍオーダのパターンから構成される微小電極の応答挙動は、電極形状に依存し、電極サイズが減少するに従って応答が速くなるため、種々の電極形状や電極の微細化が検討されている。例えば、μｍオーダで接近させた対となる２つの電極を用いてより高感度な検出を行うためには、目的物質を枯渇させることなく酸化還元サイクルを電極上に発生させることが重要である。例えば、ジェネレータ電極で反応した中間物質が拡散や輸送によってコレクター電極に到達する前に不活性化すると、十分な酸化還元サイクルが発生できず、高感度化がはかれない。

この高感度化の度合いは、（還元電流値）／（酸化電流値）×１００であらわされる捕捉率が指標とされている。この値が高ければ、ジェネレータ電極で反応した中間物質が電気化学活性を保ったままコレクター電極に到達し、酸化還元サイクルによって見かけ上の電流値が増大する。捕捉率を高めるには、電極幅をより微小にし、電極間隔をより近づけることで、目的物質や中間物質の拡散距離を短くすることが有効である（非特許文献５参照）。

しかしながら、より微細な電極パターンの形成は容易ではなく、最先端の高度な製造技術が必要となる。また、電極パターンの微細化により、再現性よく寸法の揃った電極を得ることが難しくなる。当然ながら、電極パターンの微細化には限界がある。このように、電極パターンの微細化による高感度化は、容易ではないという問題がある。

また、炭素材料に一般的に存在する細孔構造は、キャパシタ特性や吸着性能に大きく影響する。また、望むイオン種以外の吸着による妨害も起こる。よって、これらの性質をうまく利用するには、細孔構造自体の精密制御が必要であるほか、妨害となるイオン種の吸着を制御する必要がある。このため、炭素材料は、取り扱いが容易ではないという問題がある。さらに、センサーに用い、繰り返し測定を行う場合は、劣化によって細孔構造が変化するため、定量精度の低下が大きな問題となる（非特許文献６参照）。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、炭素材料からなる接近させた２つの電極を用いる電気化学的測定で、電極パターンをあまり微細化することなく、高感度化ができるようにすることを目的とする。

本発明に係る電気化学測定用カーボン電極の製造方法は、絶縁層の上に導電性カーボン層を形成する工程と、導電性カーボン層の上にグラフェンからなる炭素層を形成する工程と、導電性カーボン層および炭素層をパターニングし、交互に入り込んで対向配置された２つの櫛形電極を形成する工程とを少なくとも備える。

上記電気化学測定用カーボン電極の製造方法において、酸化グラフェン還元体からなる複数の小片を分散させて炭素層を形成すればよい。例えば、酸化グラフェンからなる複数の小片が分散した分散溶液を導電性カーボン層の上に塗布して導電性カーボン層の上に酸化グラフェンからなる複数の小片を分散させ、導電性カーボン層の上に分散させた酸化グラフェンからなる複数の小片を還元することで、酸化グラフェン還元体からなる複数の小片を分散させて炭素層を形成すればよい。

また、炭素層は、化学的気相成長法により金属基板上に形成したグラフェンを導電性カーボン層に転写することで形成してもよい。また、炭素層は、ＳｉＣ基板を加熱することでＳｉＣ基板の表面に形成したグラフェンを導電性カーボン層に転写してもよい。

本発明に係る電気化学測定用カーボン電極は、導電性カーボン層と導電性カーボン層の上に形成されたグラフェンからなる炭素層とから構成され、絶縁層の上に形成されて交互に入り込んで対向配置された２つの櫛形電極を備える。

以上説明したように、本発明によれば、導電性カーボン層とグラフェンからなる炭素層とから構成したので、炭素材料からなる接近させた２つの電極を用いる電気化学的測定で、電極パターンをあまり微細化することなく、高感度化ができるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における電気化学測定用カーボン電極の製造方法を説明するフローチャートである。 図２Ａは、本発明の実施の形態における電気化学測定用カーボン電極の製造方法を説明するための各工程における電気化学測定用カーボン電極の構成を模式的に示す断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態における電気化学測定用カーボン電極の製造方法を説明するための各工程における電気化学測定用カーボン電極の構成を模式的に示す断面図である。 図２Ｃは、本発明の実施の形態における電気化学測定用カーボン電極の製造方法を説明するための各工程における電気化学測定用カーボン電極の構成を模式的に示す断面図である。 図２Ｄは、本発明の実施の形態における電気化学測定用カーボン電極の製造方法を説明するための各工程における電気化学測定用カーボン電極の構成を模式的に示す断面図である。 図２Ｅは、本発明の実施の形態における電気化学測定用カーボン電極の製造方法を説明するための各工程における電気化学測定用カーボン電極の構成を模式的に示す断面図である。 図２Ｅは本発明の実施の形態における電気化学測定用カーボン電極の製造方法を説明するための各工程における電気化学測定用カーボン電極の一部構成を示す平面図である。 図３は、電気化学測定用カーボン電極のチップの構成を示す構成図である。 図４は、電気化学測定用カーボン電極のチップの構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における電気化学測定用カーボン電極の製造方法を説明するフローチャートである。この製造方法は、まず、ステップＳ１０１で、絶縁層の上に導電性カーボン層を形成する。絶縁層は、絶縁基板であればよい。また、Ｓｉ基板などの半導体基板の上に形成されている絶縁層であってもよい。

次に、ステップＳ１０２で、グラフェンからなる炭素層を形成する。グラフェンは、よく知られているように、炭素原子がｓｐ²結合しているシート状の構造体である。例えば、グラファイトは、多数のグラフェンのシートが積層されたものである。次に、ステップＳ１０３で、導電性カーボン層および炭素層をパターニングし、交互に入り込んで対向配置されて対となる２つの櫛形電極を形成する。

この製造方法によれば、電気化学測定で用いる櫛形電極が、導電性カーボン層と、導電性カーボン層の上に形成されたグラフェンからなる炭素層とから構成されて形成されるようになり、電極表面にグラフェンが配置された状態となる。これにより、より微細化するなど、櫛形電極の寸法などを変更することなく、炭素材料からなる電極で高感度化ができるようになる。また、細孔を持たないグラフェンが導電性カーボン層表面を覆うため、炭素材料に存在する細孔径や形状の制御、経時変化によるセンシングの不安定性を伴わず、グラフェンに対する吸着特性が高い物質においては、選択的な検出の高感度化ができるという効果が得られる。

以下、本実施の形態における製造方法について、図２Ａ〜図２Ｆを用いてより詳細に説明する。図２Ａ〜図２Ｅは、本発明の実施の形態における電気化学測定用カーボン電極の製造方法を説明するための各工程における電気化学測定用カーボン電極の構成を模式的に示す断面図である。また、図２Ｆは、電気化学測定用カーボン電極の一部構成を示す平面図である。

まず、図２Ａに示すように、絶縁基板（絶縁層）２０１の上に導電性カーボン層２０２を形成する。例えば、絶縁基板２０１の上にスピンコート法、電解重合法、またはキャスト法により高分子薄膜を形成し、形成した高分子薄膜を加熱により炭化させることで、導電性カーボン層２０２が形成できる。

次に、図２Ｂに示すように、導電性カーボン層２０２の上にグラフェンからなる炭素層２０３を形成する。例えば、酸化グラフェンの小片が分散した分散溶液を塗布した後、ヒドラジン蒸気に暴露することにより酸化グラフェン膜を還元すれば、酸化グラフェン還元体からなる炭素層２０３が形成できる。酸化グラフェン還元体は、一部が酸化されているグラフェンも含まれている。ここでは、このような状態や、後述する〜４層程度積層された複数層グラフェンも含めて、グラフェンとする。

また、ＣＶＤ法によって銅またはニッケルなどの触媒金属の基板上に作製したグラフェンを、導電性カーボン層２０２に転写することにより、炭素層２０３を形成してもよい。また、ＳｉＣ基板を加熱することでＳｉＣ基板の表面に形成したグラフェンを導電性カーボン層２０２に転写することで、炭素層２０３を形成してもよい。

ここで、炭素層２０３の形成について、より詳細に説明する。はじめに、酸化グラフェンを用いる方法について例示すると、まず、導電性カーボン層２０２の上に、酸化グラフェンからなる複数の小片が分散した分散溶液を塗布し、導電性カーボン層２０２の上に酸化グラフェンからなる複数の小片を分散させる。次いで、導電性カーボン層２０２の上に分散させた酸化グラフェンからなる複数の小片を、ヒドラジン蒸気に暴露することにより還元すれば、酸化グラフェン還元体からなる複数の小片が分散した炭素層２０３が形成できる。また、このようにして櫛形電極を形成した後、後述するように負電荷を印加することによって、酸化グラフェン還元体の還元をさらに進行させるようにしてもよい。なお、酸化グラフェンからなる複数の小片は、後述する電極のパターンより小さい寸法とされているとよい。

次に、ＣＶＤ法によりグラフェンを形成する方法について説明する。まず、触媒金属からなる金属基板上に、よく知られたＣＶＤによりグラフェンを成長した後、金属基板の表面の金属を溶解させ、この後、形成されているグラフェンを、導電性カーボン層２０２に転写すれば、炭素層２０３が形成できる。

ＣｕやＮｉの金属基板を触媒として、適切な圧力・温度下でＣＨ₄などのガスやエタノールなどの低分子アルコールを分解させることで、グラフェンのＣＶＤ成長が実施できる。使用する金属基板としては、表面に金属を電子線蒸着した絶縁体基板や半導体基板を用いればよい。また、金属箔を用いるようにしてもよい。安価かつ手軽に入手可能なものを選択する場合は、ＣｕやＮｉなどの市販の金属箔が最適である。金属箔の厚さは、ＣｕまたはＮｉにおいては、５μｍ〜１００μｍ程度とすればよい。より望ましくは、厚さ２０μｍの金属箔を用いればよい。

また、絶縁体や半導体などのダミー基板上に金属層を電子線蒸着して用いる場合、成長条件や金属膜圧の条件最適化によりグラフェンのドメインサイズなどを制御できる。金属層を形成した基板をアセトンやイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等の有機溶媒を用いて洗浄した後、ＣＶＤ用の加熱炉に設置する。加熱炉には、２〜２０ｓｃｃｍの流量のＨ₂ガスを、グラフェンが成長した後に金属基板を加熱炉から取り出すまで連続して流しておく。ｓｃｃｍは流量の単位であり、０℃・１０１３ｈＰａの流体が１分間に１ｃｍ³流れることを示す。

また、圧力５３．３２８８Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）程度下で、約３０分かけて室温から８００〜１０００℃（望ましくは９３０℃）まで加熱し、この後、３０分程度、金属基板表面をＨ₂流量下で基板の上に形成されている金属層の表面をクリーニングする。次に、圧力６６．６６１Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）下で、ＣＨ₄ガスを３５ｓｃｃｍ程度の流量で所定の時間（３０秒から４０分）流し、基板上の金属層表面にグラフェンの成長を行う。グラフェン成長時の圧力は、Ａｒなどの不活性ガスを用いて圧力を調整することも可能である。最後に２時間ほどかけて１００℃前後まで冷却し、ＣＨ₄，Ｈ₂雰囲気をＡｒに置換した後、加熱炉から取り出す。以上の方法により、金属基板上に一原子層から数層のグラフェンを作製することができる。

次に、以上に説明したようにＣＶＤ法により成長したグラフェンを、導電性カーボン層２０２へ転写する方法について説明する。

グラフェンを成長させた金属基板を、希薄酸溶液（Ｆｅ（ＮＯ₃）₃およびＦｅＣｌ₂を０．０５ｇ／ｍｌ濃度で溶かした溶液）に浸漬し、数時間から１２時間程度かけて金属を溶解し、グラフェンを単離する。この処理では、希硝酸を用いて短時間で金属を溶解させるようにしてもよいが、グラフェンの破断を防ぐため、長時間かけて行うほうがよい。単離したグラフェンは、目視で溶液中に存在するのが確認できる。なお、このようにして形成されるグラフェンは、〜４層程度積層された複数層グラフェンの場合もある。この溶液中のグラフェンの下に、導電性カーボン層２０２を形成した絶縁基板２０１を入れてピンセットなどで保持し、溶液中のグラフェンをすくい上げる。このことにより、導電性カーボン層２０２の上に、グラフェンまたは複数層グラフェンからなる炭素層２０３が形成できる。

また、ＣＶＤ法により形成した１層のグラフェンを、導電性カーボン層２０２へ転写する方法について説明する。まず、金属基板上に成長したグラフェンの上に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの樹脂を塗布し、１７０℃程度で加熱しＰＭＭＡを固化させる。次に、ＰＭＭＡ／グラフェン／金属基板を希薄酸溶液（例えばＦｅ（ＮＯ₃）₃ およびＦｅＣｌ₂を０．０５ｇ／ｍｌ濃度で溶かした溶液もしくは希硝酸）中に浸漬し、数時間から１２時間程度かけて金属を溶解する。この処理により、ＰＭＭＡからなる樹脂層で支持されたグラフェンが得られる。

この樹脂層／グラフェンを、ピンセットなどを用いて溶液から取り出し、純水中に浸漬して酸を除去した後、導電性カーボン層２０２の上に載置する。また、酸を除去するために用いた純水中に導電性カーボン層２０２を形成した絶縁基板２０１を入れ、純水中の樹脂層／グラフェンを、導電性カーボン層２０２の上にすくい上げてもよい。

次いで、大気中で短時間の加熱を行い、水分を蒸発させた後に、樹脂層を除去すれば、導電性カーボン層２０２の上に炭素層２０３が形成できる。樹脂層の除去は、ＰＭＭＡリムーバーを用い、ＰＭＭＡを選択的に溶解させればよい。適切な、ＰＭＭＡリムーバーとして、アセトンやＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）などがあり、室温（２３℃）または５０℃以下に加熱して用いればよい。なお、樹脂層を除去した後、導電性カーボン層２０２および炭素層２０３が形成された絶縁基板２０１をＩＰＡに浸して洗浄し、この後、自然乾燥もしくは窒素乾燥を行うとよい。または、ＰＭＭＡの除去は、水素雰囲気で３５０℃から４５０℃で加熱することでも行える。

また、炭素原料として気体を用いるＣＶＤグラフェンの代わりにポリマーなどの固体原料から生成したグラフェンを用いてもよい。例えば、板厚３００ｎｍのＮｉやＣｏ多結晶基板上にスピンコート法によりポリスチレンを塗布して厚さ２〜１００ｎｍ程度の塗布膜を形成する。この基板を、１×１０^-4Ｐａ程度の真空中で、１０分で９００℃まで加熱する。この後、５００℃まで毎分２０℃ずつ降温し、５００℃より室温近くまで自然に冷却する。転写は上述のＣＶＤグラフェンと同様に行えばよい。ポリスチレンの代わりにポリアニリンなど他のポリマーを用いてもよい。

また、炭素層は、ＳｉＣ基板を加熱することでＳｉＣ基板の表面に形成したグラフェンを用いてもよい。例えば、真空中またはＡｒ雰囲気中などで、ＳｉＣを１０００℃以上の高温に加熱すると、ＳｉＣの表面で熱分解が起き、シリコン原子が蒸発して炭素原子が表面に残り、残った炭素原子が整ったＳｉＣ表面の原子配列に影響を受けてエピタキシャルにグラフェンが形成される。このようにして形成したグラフェンを、導電性カーボン層２０２の上に例えば転写すれば、炭素層２０３が形成できる。

以上のようにして、導電性カーボン層２０２の上に炭素層２０３を形成したら、図２Ｃに示すように、炭素層２０３の上にレジストパターン層２０４を形成する。レジストパターン層２０４は、後述する櫛形電極を形成する箇所にパターン部を備えている。例えば、波長３６５ｎｍの紫外線に感光性を持つフォトレジストを塗布して塗布膜を形成し、形成した塗布膜に、上記パターンに対応して露光を行い、現像をすることで、レジストパターン層２０４が形成できる。

次に、レジストパターン層２０４をマスクとし、炭素層２０３および導電性カーボン層２０２を選択的にエッチング除去し、図２Ｄに示すように、交互に入り込んで対向配置されて対となる櫛形電極２０５，櫛形電極２０６を形成する。櫛形電極２０５，櫛形電極２０６の上層（表面）は、グラフェンからなる炭素層２０７が設けられた状態となる。例えば、レジストパターン層２０４をマスクとし、反応性イオンエッチングやアルゴンミリングなどにより、炭素層２０３および導電性カーボン層２０２を選択的にエッチングすればよい。

この後、有機溶媒を用いてレジストパターン層２０４を除去すれば、図２Ｅに示すように、上面に炭素層２０７を備えた状態で、櫛形電極２０５，櫛形電極２０６が形成できる。櫛形電極２０５および櫛形電極２０６は、図２Ｆの平面図に示すように、交互に入り込んで対向配置されている。

次に、実施例を用いてより詳細に説明する。

［実施例１］
以下、実施例１について説明する。はじめに、電極形成について説明する。まず、板厚０．５ｍｍの石英基板を用意する。石英基板は絶縁材料からなる基板である。この石英基板の上に、高分子薄膜をスピンコート法により塗布し、高温処理を行い、高分子薄膜より導電性カーボン膜を形成する。例えば、表面抵抗１００Ω以下、厚さ１．２−１．３μｍの導電性カーボン膜を、石英基板の上に形成する。

次に、上述した導電性カーボンの上に酸化グラフェンの小片が分散した分散溶液を塗布する。酸化グラフェンは、例えばグラファイトを化学的に酸化することで形成したものである。より詳細に説明すると、まず、ボールミルで粉砕した天然グラファイト（１ｇ）と濃硫酸（３４．５ｍｌ）とを混合し、撹拌しながらこの混合物中に硝酸ナトリウム（０．７５ｇ）を加える。これらの混合物を氷冷下におき、さらに、過マンガン酸カリウム（４．５ｇ）を徐々に加え、撹拌を２時間継続する。この後、混合物を室温に戻し、さらに、５日間撹拌を続ける。この結果、濃灰色の生成物が得られる。

次に、得られた生成物に、５％希硫酸（１００ｍｌ）、過酸化水素水（３ｍｌ）を加え撹拌して液状とした後、これをさらに過剰量の硫酸（３％）／過酸化水素水（０．５％）混合溶液中に分散し、遠心分離により沈殿物を分取する。引き続き、沈殿物に純水を加えて分散し、遠心分離により沈殿物を分取する。これらのことにより、最終生成物として、濃褐色の油状物質として酸化グラフェンが得られる。

以上のようにして得られた酸化グラフェンを、純水に加えて撹拌することで、炭素材料（酸化グラフェン）が分散した分散溶液（均一分散水溶液）が得られる。この分散溶液中には、大きさが約１μｍから１００μｍ四方の様々な酸化グラフェンの小片が混在している。これに対し、例えば超音波処理を行うことにより、比較的大きな小片を粉砕することで、約１μｍ四方の小片のみが分散した分散溶液を得ることができる。また、遠心分離によって小片サイズを分離することにより、約５μｍ四方より小さい小片のみが分散した分散溶液を得ることができる。得られた分散水溶液は、茶褐色となる。

この分散溶液中の物質は、原子間力顕微鏡観察およびラマン分光分析から、単層〜３層の酸化グラフェンの小片（膜片）が主要成分であることが確認されている。ここで、分散溶液における酸化グラフェンの濃度は、０．０１〜０．１ｗｔ％程度とすればよい。

この酸化グラフェン分散溶液（約０．１ｗｔ％水溶液）を、導電性カーボン層を形成してある石英基板に塗布する方法としては、例えば、スピンコート法、キャスト法があげられる。分散溶液中の酸化グラフェンの小片は、速やかに導電性カーボン層に吸着するため、余分な酸化グラフェン分散溶液を水洗により除去してもよい。この塗布により、分散されていた酸化グラフェン小片が導電性カーボン層の上に付着して固定され、導電性カーボン層の上には、単層〜３層程度の酸化グラフェンの小片からなる層が均一に形成できる。

次に、導電性カーボン層および酸化グラフェンの小片からなる層を形成した石英基板を、３５％ヒドラジン水溶液および２８％アンモニア水溶液を体積比７：１０で混合して作製した溶液とともに密閉容器に封入する。これにより、酸化グラフェン層が、ヒドラジン／アンモニア蒸気に晒される状態となる。この状態を９５℃で１時間静置することで、酸化グラフェンを還元することができる。この還元により、導電性カーボン層の上にグラフェンからなる炭素層が形成された状態が得られる。この場合、炭素層は、単層〜３層程度の酸化グラフェンを還元したグラフェンから構成されることになる。このようなグラフェンは、酸化グラフェン還元体と呼ばれるが、一部が酸化されているグラフェンも存在する。

上述したことにより作製した導電性カーボン膜の上に炭素層（グラフェン）が形成されている石英基板に、レジストを塗布し、層厚１μｍのレジスト層を形成する。次に、レジスト層を形成した石英基板を、９０℃・９０秒の加熱条件によりプリベークする。この加熱は、例えば、オーブンを用いて行えばよい。上記加熱は、ホットプレートを用いて行ってもよい。

次に、プリベークしたレジスト層を、露光する。まず、上記石英基板を紫外線露光装置の露光室に搬入し、櫛形電極を形成する箇所以外に開口が形成される形状のパターンを露光する。この露光を行った後、現像処理を行い、レジストパターン層を形成する。形成したレジストパターン層は、長さ２ｍｍ，幅１０ｍｍの複数の櫛歯部が、交互に入り込んで対向配置されて対となる櫛形電極の形状のパターン部を有する。なお、対向配置される櫛歯間の間隔（電極間隔）は、０．５μｍとした。

次に、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングによって、導電性カーボン層およびこの上に形成した炭素層を、上記レジストパターン層により選択的にエッチングし、電極パターンを形成する。

以上のように導電性カーボン層およびこの上に形成した炭素層をパターニングした後、石英基板を有機溶剤中に浸漬し、レジストパターン層を剥離する。この剥離により、導電性カーボン層およびこの上に形成した炭素層から構成される、１対の櫛形電極が形成できる。なお、

次いで、石英基板の上に、スピンコート法により紫外線感光レジストを塗布してレジスト層を形成し、９０℃・９０秒の加熱条件によりプリベークする。次に、プリベークしたレジスト層を、紫外線リソグラフィー技術でパターニングする。まず、上記石英基板を紫外線露光装置の露光室に搬入し、露光する。また、露光の後に現像を行い、レジストパターン層を形成する。このレジストパターン層により、上述した櫛形電極および石英基板上の他の領域に形成した参照電極の一部、対向電極の一部が、被覆された状態とする。この状態で、レジストパターン層を加熱硬化すれば、上述した被覆領域が熱硬化した樹脂により絶縁保護された状態となる。

上述のことにより、図３に示す電気化学測定用電極のチップ（電極チップ３０４）を形成した。電極チップ３０４は、櫛歯部で対向する２つの櫛形電極からなる作用電極３０１、対向電極３０２、および参照電極３０３を備える。ここで、櫛形電極である作用電極３０１に、０．１ｍｏｌ／Ｌのリン酸二水素カリウム水溶液中または０．１ｍｏｌ／Ｌのリン酸緩衝液中で、参照電極３０３を基準として−０．６Ｖ〜−０．８Ｖの負電位を印加し、１００から３００秒程度の還元処理を行えば、表面の炭素層を構成する還元グラフェンの還元をさらに進行させ、より完全なグラフェンに近い特性を付与することができる。

次に、電極チップ３０４を用いた測定について、図３を用いて説明する。電極チップ３０４は、櫛歯部で対向する２つの櫛形電極からなる作用電極３０１、対向電極３０２、および参照電極３０３を備える。各電極は、ポテンシオスタット３０５およびクーロメータ３０６に接続されている。また、ポテンシオスタット３０５およびクーロメータ３０６は、レコーダ３０７に接続されている。ポテンシオスタット３０５により、作用電極３０１と参照電極３０３との間の電圧が設定した値となるように、作用電極３０１と対向電極３０２に流れる電流を制御し、クーロメータ３０６で、作用電極３０１に流れる電流を測定する。

電極チップ３０４は、例えば、図４の斜視図に示すように、板厚０．５ｍｍで１２×２０（ｍｍ）の基板３００の上に、作用電極３０１、対向電極３０２、および参照電極３０３が配置されている。例えば、図４の斜視図に示すように、ビュレット４０１より、作用電極３０１の櫛歯部で対向する２つの櫛形電極の部分に試料を滴下する。また、作用電極３０１には、電極端子３０１ａおよび電極端子３０１ｂが接続し、対向電極３０２には、電極端子３０２ａが接続し、参照電極３０３には電極端子３０３ａが接続している。

上述した電極チップを用い、酵素反応により得られる電気化学活性種の電気化学検出を行った。酵素にはアルカリフォスファターゼ（ＡＬＰ）を用い、基質としてｐ−アミノフェニルホスフェート（ｐＡＰＰ）を反応させ、反応生成物であるｐ−アミノフェノール（ｐＡＰ）の酸化還元反応を作用電極３０１上で検出した。リード線を介して各電極端子をバイポテンシオスタット（ポテンシオスタット３０５）に接続し、参照電極３０３を基準として、一方の作用電極３０１に電位を印加し、−０．３Ｖから０．３Ｖまで５０ｍＶ／ｓｅｃの電位走査し、電極の応答電流を測定した。

作用電極３０１において、ｐＡＰの酸化還元反応を示す電流変化が観測された。ピーク電流値の大きさは、グラフェンからなる炭素層がない同形の導電性カーボン櫛形電極を用いた場合と比較して、約３倍に増加した。ここで、π共役分子であるｐＡＰは、電極表面の炭素層とのπ電子相互作用により、電極表面に選択的に吸着濃縮される。

参照として、同じ電極チップを用い、フェリシアンイオンの検出を行った。参照電極３０３を基準として、一方の作用電極３０１に電位を印加し、０Ｖから０．６Ｖまで５０ｍＶ／ｓｅｃの電位走査し、電極の応答電流を測定した。

作用電極３０１において、フェリシアンイオンの酸化還元反応を示す電流変化が観測された。ピーク電流値の大きさは、炭素層がない同形の導電性カーボン櫛形電極を用いた場合と比較し、約０．９倍に減少した。π共役分子ではないフェリシアンイオンは、電極表面の炭素層とのπ電子相互作用により、電極表面に選択的に吸着濃縮されることはないが、炭素層がない同形の導電性カーボン層にある細孔に少量吸着するため、炭素層がない同形の導電性カーボン電極を用いた場合の電流値のほうが大きくなる。

従って、この実施例１によれば、接近させた２つの電極を用いる電気化学的測定で、電極パターンをあまり微細化することなく、ｐＡＰ検出の高感度化という優れた効果が得られることが示された。さらに、細孔を持たない炭素層で導電性カーボン層表面を覆うため、炭素材料に存在する細孔径や形状の制御、経時変化によるセンシングの不安定性を伴わず、グラフェンからなる炭素層に対する吸着特性が高いｐＡＰにおいては、選択的な検出の高感度化ができるという効果が得られることが示された。

［実施例２］
次に、実施例２について説明する。はじめに、電極形成について説明する。実施例２においても、上述した実施例１と同様に、板厚０．５ｍｍの石英基板上に導電性カーボン層を形成した。次に、この導電性カーボン層の上に、ＣＶＤ法により作製したグラフェンを転写する。ＣＶＤ法によるグラフェンの作製は、次のように行った。

市販のＣｕ金属箔をアセトン等で洗浄した後、ＣＶＤ加熱炉に設置した。このＣＶＤ加熱炉内に、まず、Ｈ₂を導入し、圧力５３．３２８８Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）程度とし、３０分程度かけて９３０℃の高温に加熱した後、３０分ほどかけてＨ₂流量下でＣｕ金属箔表面をクリーニングする。次に、圧力６６．６６１Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）程度でＣＨ₄のガスを３５ｓｃｃｍで３０分流し、Ｃｕ金属箔表面にグラフェンの成長を行った。最後に２時間ほどかけて１００℃前後まで冷却した。ＣＨ₄，Ｈ₂雰囲気をＡｒに置換した後、グラフェンを成長したＣｕ金属箔を加熱炉から取り出した。

次に、Ｃｕ金属箔表面に作製したグラフェンを、あらかじめ作製した導電性カーボン膜上に転写した。転写のためには、グラフェン／Ｃｕ金属箔からＣｕ金属箔を除去する必要があるが、このプロセス時にグラフェンの破断を防ぐため、ＰＭＭＡなどを用いてグラフェン支持層を作製するのが有効である。ここでは、グラフェン／Ｃｕ金属箔にＰＭＭＡを塗布し、加熱によりＰＭＭＡを硬化した。

次に、ＰＭＭＡ／グラフェン／Ｃｕ金属箔を、Ｆｅ（ＮＯ₃）₃およびＦｅＣｌ₂を０．０５ｇ／ｍｌ濃度で溶かした希酸の溶液に投入し、Ｃｕ金属箔を除去し、ＰＭＭＡ層で支持されたグラフェンを得た。このとき、グラフェンの破断を防ぐため、低濃度の酸を用いて、長時間かけてＣｕ金属箔を除去するのが有効である。次に、得られたＰＭＭＡ／グラフェンをピンセットで保持しつつ、純水に浸して希酸を除去した後、導電性カーボン膜を形成した基板上に設置し、水分を除去するために乾かした。

次に、５０℃以下程度に温めたアセトンおよびＮＭＰをＰＭＭＡリムーバーとして用い、この中にＰＭＭＡ／グラフェン／導電性カーボン膜が形成されている基板を浸漬し、ＰＭＭＡを除去した。この後、この基板をアセトンおよびＮＭＰから取り出し、次いでＩＰＡに浸漬して取り出した後、自然乾燥もしくは窒素乾燥を行った。このようにして、導電性カーボン膜の上にグラフェンを形成した。

次に、導電性カーボン膜の上にグラフェンが形成されている基板に、前述した実施例１と同様の方法で電極のパターニングおよび絶縁保護膜の形成を行い、図３に示す電気化学測定用電極のチップ（電極チップ３０４）を形成した。

この電極チップ３０４を用いて以下に示す測定を行った。

まず、ドーパミン塩酸塩（ＤＡ）の酸化還元反応を作用電極３０１上で検出した。リード線を介して各電極端子をバイポテンシオスタット（ポテンシオスタット３０５）に接続し、ＤＡ溶液中に含浸した。溶液を撹拌しながら一定時間、ＤＡを電極に吸着させた後、撹拌をとめて溶液を５秒静止させた。この後、速やかに、参照電極３０３を基準とし、一方の作用電極３０１に１．０Ｖ、他方の作用電極３０１に０．３Ｖの電位を印加し、それぞれの電極の応答電流を測定した。

１．０Ｖを印加した作用電極３０１においては、ＤＡの酸化反応を示す電流が観測され、０．３Ｖを印加した作用電極３０１においては、ＤＡの還元反応を示す電流が観測された。電流値の大きさは、グラフェンがない同形の導電性カーボン櫛形電極を用いた場合と比較して、酸化反応の電流値は約３倍、還元反応の電流値は約２倍に増加した。ここで、π共役分子であるＤＡは、電極表面のグラフェンとのπ電子相互作用により、電極表面に選択的に吸着濃縮される。

参照として、同じ電極チップを用い、硫酸鉄アンモニウムの検出を同様にして行った。溶液を撹拌しながら一定時間、硫酸鉄アンモニウムを電極に吸着させた後、撹拌をとめて溶液を５秒静止させた。この後、速やかに、参照電極３０３を基準とし、一方の作用電極３０１に１．２Ｖ、他方の作用電極３０１に０Ｖの電位を印加し、各々の電極の応答電流を測定した。１．０Ｖを印加した作用電極３０１においては、硫酸鉄アンモニウムの酸化反応を示す電流が観測され、０．３Ｖを印加した作用電極３０１においては、硫酸鉄アンモニウムの還元反応を示す電流が観測された。

上述した電流値の大きさは、グラフェンがない同形の導電性カーボン櫛形電極を用いた場合と比較して、酸化反応、還元反応とも約０．９倍に減少した。π共役分子ではない硫酸鉄アンモニウムは、電極表面のグラフェンとのπ電子相互作用により、電極表面に選択的に吸着濃縮されることはない。これに対し、硫酸鉄アンモニウムは、グラフェンがない同形の導電性カーボン層にある細孔に少量吸着するため、グラフェンがない同形の導電性カーボン電極を用いた場合の電流値のほうが大きくなる。

従って、実施例２によれば、接近させた２つの電極を用いる電気化学的測定で、電極パターンをあまり微細化することなく、ＤＡ検出の高感度化という優れた効果が得られることが示された。さらに、細孔を持たないグラフェンで導電性カーボン層表面を覆うため、炭素材料に存在する細孔径や形状の制御、経時変化によるセンシングの不安定性を伴わず、グラフェンに対する吸着特性が高いＤＡにおいては、選択的な検出の高感度化ができるという効果が得られることが示された。

以上に説明したように、本発明によれば、導電性カーボン層とこの上に形成したグラフェンからなる炭素層との２層構造により交互に入り込んで対向配置された２つの櫛形電極を構成したので、炭素材料からなる接近させた２つの電極を用いる電気化学的測定で、電極パターンをあまり微細化することなく、高感度化ができるようになる。また、炭素材料に存在する細孔径や形状の制御、経時変化によるセンシングの不安定性を伴わず、高感度化が実現できる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、グラフェンの形成は、次に示すようにしてもよい。例えば、ＳｉＯ₂基板に高周波マグネトロンスパッタリング法により３００ｎｍ厚のＮｉ多結晶を堆積する。このＮｉ薄膜上にスピンコート法によりポリスチレンを２〜１００ｎｍ塗布する。この基板を１×１０^-4Ｐａ程度の真空中で９００℃に１０分加熱する。この後、５００℃まで毎分２０℃ずつ降温し、５００℃になったら室温近くまで自然に冷却する。これにより、Ｎｉ上に１〜数層のグラフェンを得ることができる。

転写は、上述のＣＶＤグラフェンと同様に行えばよい。このときポリスチレンの代わりにポリアニリンなど他のポリマーを用いてもよい。またＮｉ薄膜の代わりにＣｏ薄膜を用いてもよい。

２０１…絶縁基板（絶縁層）、２０２…導電性カーボン層、２０３…炭素層、２０４…レジストパターン層、２０５，２０６…櫛形電極、２０７…炭素層。

Claims (6)

1. 絶縁層の上に導電性カーボン層を形成する工程と、
   前記導電性カーボン層の上にグラフェンからなる炭素層を形成する工程と、
   前記導電性カーボン層および前記炭素層をパターニングし、交互に入り込んで対向配置された２つの櫛形電極を形成する工程と
   を少なくとも備えることを特徴とする電気化学測定用カーボン電極の製造方法。
2. 請求項１記載の電気化学測定用カーボン電極の製造方法において、
   酸化グラフェン還元体からなる複数の小片を分散させて前記炭素層を形成することを特徴とする電気化学測定用カーボン電極の製造方法。
3. 請求項２記載の電気化学測定用カーボン電極の製造方法において、
   酸化グラフェンからなる複数の小片が分散した分散溶液を前記導電性カーボン層の上に塗布して前記導電性カーボン層の上に酸化グラフェンからなる複数の小片を分散させる工程と、
   前記導電性カーボン層の上に分散させた酸化グラフェンからなる複数の小片を還元することで、酸化グラフェン還元体からなる複数の小片を分散させて前記炭素層を形成する工程と
   を備えることを特徴とする電気化学測定用カーボン電極の製造方法。
4. 請求項１記載の電気化学測定用カーボン電極の製造方法において、
   前記炭素層は、化学的気相成長法により金属基板上に形成したグラフェンを前記導電性カーボン層に転写することで形成することを特徴とする電気化学測定用カーボン電極の製造方法。
5. 請求項１記載の電気化学測定用カーボン電極の製造方法において、
   前記炭素層は、ＳｉＣ基板を加熱することで前記ＳｉＣ基板の表面に形成したグラフェンを前記導電性カーボン層に転写することで形成することを特徴とする電気化学測定用カーボン電極の製造方法。
6. 導電性カーボン層と、前記導電性カーボン層の上に形成されたグラフェンからなる炭素層とから構成され、絶縁層の上に形成されて交互に入り込んで対向配置された２つの櫛形電極を備えることを特徴とする電気化学測定用カーボン電極。