JP5508312B2 - Method for producing electrode for electrochemical measurement - Google Patents
Method for producing electrode for electrochemical measurement Download PDFInfo
- Publication number
- JP5508312B2 JP5508312B2 JP2011043714A JP2011043714A JP5508312B2 JP 5508312 B2 JP5508312 B2 JP 5508312B2 JP 2011043714 A JP2011043714 A JP 2011043714A JP 2011043714 A JP2011043714 A JP 2011043714A JP 5508312 B2 JP5508312 B2 JP 5508312B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- layer
- comb
- carbon material
- electrodes
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
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電極の製造方法に関するものである。 The present invention relates to method for producing an electrochemical measurement electrodes used in electrochemical measurements.
電気化学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、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)から構成する技術がある(特許文献1,非特許文献1参照)。この技術では、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。このような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。 In the analysis and biosensor based on the electrochemical method, a technique for measuring a lower concentration target substance with high sensitivity is important. As a technique for performing high-sensitivity measurement, there is a technique that includes two electrodes (a generator electrode and a collector electrode) that are configured by arranging working electrodes close to each other on the order of μm (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In this technique, an electrochemical redox cycle is generated on the electrode, and the redox current is repeatedly extracted from one target molecule, thereby increasing the apparent current value and enabling highly sensitive measurement. . By using such an electrode structure, highly sensitive electrochemical detection is possible, and a highly sensitive biosensor using this can be realized.
ところで、上述したように、μmオーダで接近させた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。 By the way, as described above, in order to perform detection with higher sensitivity using two electrodes brought close to each other on the order of μm, it is important to generate a redox cycle on the electrodes without depleting the target substance. is there. For example, if the intermediate substance reacted at the generator electrode is inactivated before reaching the collector electrode by diffusion or transport, a sufficient redox cycle cannot be generated, and high sensitivity cannot be achieved.
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2参照)。 The degree of sensitivity increase is indicated by the capture rate represented by (reduction current value) / (oxidation current value) × 100. If this value is high, the intermediate substance reacted at the generator electrode reaches the collector electrode while maintaining the electrochemical activity, and the apparent current value increases due to the redox cycle. In order to increase the capture rate, it is effective to shorten the diffusion distance of the target substance or intermediate substance by making the electrode width smaller and making the electrode interval closer (see Non-Patent Document 2).
しかしながら、例えばμmオーダより小さいなど、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。 However, it is not easy to form a finer electrode pattern, for example, smaller than the μm order, and the most advanced manufacturing technology is required. Moreover, it becomes difficult to obtain an electrode having a uniform size with good reproducibility due to miniaturization of the electrode pattern. Of course, there is a limit to the miniaturization of the electrode pattern. Thus, there is a problem that high sensitivity by miniaturization of the electrode pattern is not easy.
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、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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can achieve high sensitivity without making the electrode pattern very small by electrochemical measurement using two electrodes brought close to each other. The purpose is to do so.
本発明に係る電気化学測定用電極の製造方法は、絶縁層の上にレジストパターン層を形成してからレジストパターン層の上に金属層を形成する第1工程と、酸化グラフェンからなる炭素材料の小片が分散した分散溶液を金属層の上に塗布して金属層の上に炭素材料からなる炭素層を形成する第2工程と、金属層の上に形成された炭素層を構成している酸化グラフェンを還元した後で、レジストパターン層を除去するリフトオフ法により金属層および炭素層をパターニングし、2つの電極の上に炭素材料の層が形成された状態とする第3工程とを少なくとも備える。 The method for producing an electrode for electrochemical measurement according to the present invention includes a first step of forming a metal layer on a resist pattern layer after forming a resist pattern layer on an insulating layer, and a carbon material made of graphene oxide . A second step of forming a carbon layer made of a carbon material on the metal layer by applying a dispersion solution in which small pieces are dispersed on the metal layer, and an oxidation constituting the carbon layer formed on the metal layer After reducing the graphene, at least a third step of patterning the metal layer and the carbon layer by a lift-off method for removing the resist pattern layer to form a carbon material layer on the two electrodes is provided.
上記電気化学測定用電極の製造方法において、2つの電極は、例えば、交互に入り込んで対向配置された2つの櫛形電極である。 In the method for producing an electrode for electrochemical measurement, the two electrodes are, for example, two comb-shaped electrodes that alternately enter and are opposed to each other.
以上説明したように、本発明によれば、炭素材料の小片が分散した分散溶液を用いて2つの電極の上に炭素材料の層を形成するので、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、高感度化ができるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, a carbon material layer is formed on two electrodes using a dispersion solution in which small pieces of carbon material are dispersed. In the measurement, it is possible to obtain an excellent effect that the sensitivity can be increased without making the electrode pattern very fine.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について説明する。図1は、本発明の実施の形態1における電気化学測定用電極の製造方法を説明するフローチャートである。以下では、2つの電極が交互に入り込んで対向配置された2つの櫛形電極で構成されている場合について説明する。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 1 is a flowchart for explaining a method for producing an electrode for electrochemical measurement according to Embodiment 1 of the present invention. In the following, a case will be described in which two electrodes are composed of two comb-shaped electrodes that alternately enter and face each other.
この製造方法は、まず、ステップS101で、絶縁層の上に金属層を形成する。次に、ステップS102で、炭素材料の小片が分散した分散溶液を金属層の上に塗布して金属層の上に炭素材料からなる炭素層を形成する。次に、ステップS103で、金属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つの櫛形電極の上に炭素材料の層が形成された状態とする。 In this manufacturing method, first, in step S101, a metal layer is formed on an insulating layer. Next, in step S102, a dispersion solution in which small pieces of carbon material are dispersed is applied onto the metal layer to form a carbon layer made of the carbon material on the metal layer. Next, in step S103, the metal layer and the carbon layer are patterned to form a state in which a carbon material layer is formed on the two comb-shaped electrodes that are alternately arranged and face each other.
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、この上に炭素材料の層を備えて形成されるようになる。炭素材料の層は、炭素材料の小片から構成されている。このように、櫛形電極の上に炭素材料の層を形成することで、櫛形電極の寸法などを変更(より微細化)することなく高感度化ができるようになる。 According to this manufacturing method, the comb-shaped electrode used in the electrochemical measurement is formed with a carbon material layer thereon. The layer of carbon material is composed of small pieces of carbon material. Thus, by forming the carbon material layer on the comb-shaped electrode, high sensitivity can be achieved without changing (more miniaturizing) the dimensions of the comb-shaped electrode.
単一の作用電極の上に、単層または2〜10層の多層グラフェン、グラファイト、これらの還元誘導体のいずれかの層を形成(固定化)することで、高感度化ができることについては報告されている(非特許文献3参照)。この技術では、上述した炭素材料を塗布することで形成している。しかしながら、μmオーダで接近させた構造を有する櫛形電極においては、上述したように炭素材料を塗布すると、電極部分の上に炭素材料の層が形成できるが、電極間にまたがるように炭素材料の層が形成され、電気化学的に短絡した状態となる。このように、2つの櫛形電極間が短絡しては、電気化学的な酸化還元サイクルを電極上に発生させることができず、高感度化は実現できない。 It has been reported that high sensitivity can be achieved by forming (immobilizing) any one of single layer or 2 to 10 layers of multilayer graphene, graphite, and their reduced derivatives on a single working electrode. (See Non-Patent Document 3). In this technique, the above-described carbon material is applied. However, in the comb-shaped electrode having a structure close to the order of μm, when the carbon material is applied as described above, a carbon material layer can be formed on the electrode portion. Is formed, and is electrochemically short-circuited. Thus, if the two comb electrodes are short-circuited, an electrochemical redox cycle cannot be generated on the electrodes, and high sensitivity cannot be realized.
これに対し、本実施の形態によれば、櫛形電極の部分に選択的に炭素材料の層が形成されるので、2つの櫛形電極間が短絡することがなく、電気化学的な酸化還元サイクルを電極上に発生させることができる。また、電極の上に炭素材料の層が形成されるので、櫛形電極を用いた電気化学的測定で、櫛形電極の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。 On the other hand, according to the present embodiment, a carbon material layer is selectively formed on the comb electrode portion, so that there is no short circuit between the two comb electrodes, and an electrochemical redox cycle is performed. It can be generated on the electrode. In addition, since the carbon material layer is formed on the electrode, high sensitivity can be achieved without reducing the size of the electrode pattern of the comb electrode by electrochemical measurement using the comb electrode.
以下、本実施の形態における製造方法について、図2A〜図2Eを用いてより詳細に説明する。図2A〜図2Dは、本発明の実施の形態1における電気化学測定用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電極の構成を模式的に示す断面図である。また、図2Eは、電気化学測定用電極の一部構成を示す平面図である。 Hereinafter, the manufacturing method in this Embodiment is demonstrated in detail using FIG. 2A-FIG. 2E. 2A to 2D are cross-sectional views schematically showing the configuration of the electrochemical measurement electrode in each step for explaining the method for producing the electrochemical measurement electrode in Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2E is a plan view showing a partial configuration of the electrode for electrochemical measurement.
まず、図2Aに示すように、絶縁層201の上にレジストパターン層202を形成する。レジストパターン層202は、後述する櫛形電極を形成する箇所に開口部を備えている。次に、レジストパターン層202の上より、例えばスパッタ法などの堆積法により金属を堆積することで、図2Bに示すように、絶縁層201およびレジストパターン202の上に金属層203を形成する。 First, as shown in FIG. 2A, a resist pattern layer 202 is formed on the insulating layer 201. The resist pattern layer 202 has an opening at a location where a comb electrode to be described later is formed. Next, a metal layer 203 is formed on the insulating layer 201 and the resist pattern 202 as shown in FIG. 2B by depositing a metal on the resist pattern layer 202 by a deposition method such as sputtering.
次に、炭素材料の小片が分散した分散溶液を塗布することで、図2Cに示すように、レジストパターン層202を覆って絶縁層201の上に形成されている金属層203の上に、炭素層204を形成する。この後、レジストパターン層202を除去することで、この上に形成されている金属層203および炭素層204を選択的に除去する。このリフトオフにより、図2Dおよび図2E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205,206の上に、炭素材料の層207が形成された状態が得られる。 Next, by applying a dispersion solution in which small pieces of carbon material are dispersed, the carbon layer 203 is formed on the insulating layer 201 so as to cover the resist pattern layer 202 as shown in FIG. 2C. Layer 204 is formed. Thereafter, by removing the resist pattern layer 202, the metal layer 203 and the carbon layer 204 formed thereon are selectively removed. By this lift-off, as shown in FIGS. 2D and 2E, a state is obtained in which a carbon material layer 207 is formed on the comb-shaped electrodes 205 and 206 which are alternately arranged and opposed to each other.
次に、実施例を用いてより詳細に説明する。 Next, it demonstrates in detail using an Example.
[実施例1]
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、電子線レジストを塗布し、層厚0.5mm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、80℃・60分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。
[Example 1]
First, a quartz substrate having a thickness of 0.5 mm is prepared. The quartz substrate is a substrate made of an insulating material. An electron beam resist is applied onto the quartz substrate to form a resist layer having a layer thickness of 0.5 mm. Next, the quartz substrate on which the resist layer is formed is pre-baked under heating conditions of 80 ° C. for 60 minutes. This heating may be performed using an oven, for example.
次に、プリベークしたレジスト層を、電子線リソグラフィー技術でパターニングする。まず、上記石英基板を電子線露光装置の露光室に搬入し、櫛形電極を形成する箇所に開口が形成される形状のパターンに露光する。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。形成したレジストパターン層のパターンの寸法は、例えば、櫛形電極の櫛歯の部分の長さを2mm、幅を10μmとした。また、交互に入り込んで対向配置されて対となる2つの櫛形電極パターンの対向する櫛歯の間隔(電極間隔)は、0.5μmとした。 Next, the pre-baked resist layer is patterned by an electron beam lithography technique. First, the quartz substrate is carried into an exposure chamber of an electron beam exposure apparatus and exposed to a pattern having a shape in which an opening is formed at a position where a comb electrode is formed. Further, after the exposure, development is performed to form a resist pattern layer. The dimension of the pattern of the formed resist pattern layer was set such that, for example, the length of the comb tooth portion of the comb-shaped electrode was 2 mm and the width was 10 μm. Further, the interval between the comb teeth (electrode interval) of two comb-shaped electrode patterns that are alternately arranged and opposed to each other is 0.5 μm.
次に、石英基板および形成したパターンの上に金属層を形成する。例えば、真空蒸着装置により、まず、層厚10nmのチタン層を形成し、この上に層厚100nmの金層を形成する。チタン層を介して金層を形成することで、金層の剥がれを抑止する。 Next, a metal layer is formed on the quartz substrate and the formed pattern. For example, a titanium layer having a thickness of 10 nm is first formed by a vacuum vapor deposition apparatus, and a gold layer having a thickness of 100 nm is formed thereon. By forming the gold layer via the titanium layer, peeling of the gold layer is suppressed.
次に、上述した金属層(金層)の上に炭素材料の小片が分散した分散溶液を塗布する。例えば、炭素材料としては、グラファイトを化学的に酸化することで形成した酸化グラフェンを用いる。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(34.5ミリリットル)とを混合し、撹拌子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。 Next, a dispersion solution in which small pieces of carbon material are dispersed is applied on the metal layer (gold layer) described above. For example, as the carbon material, graphene oxide formed by chemically oxidizing graphite is used. More specifically, first, natural graphite (1 g) pulverized by a ball mill and concentrated sulfuric acid (34.5 ml) are mixed, and sodium nitrate (0.75 g) is added to the mixture with a stirring bar. These mixtures are placed under ice cooling, and potassium permanganate (4.5 g) is gradually added, and stirring is continued for 2 hours. After this, the mixture is allowed to return to room temperature and stirring is continued for a further 5 days. This results in a dark gray product.
次に、得られた生成物に、5%希硫酸(100ミリリットル)、過酸化水素水(3ミリリットル)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。 Next, 5% dilute sulfuric acid (100 milliliters) and hydrogen peroxide (3 milliliters) were added to the resulting product and stirred to form a liquid, and this was further mixed with an excess amount of sulfuric acid (3%) / excess. Disperse it in a mixed solution of hydrogen oxide water (0.5%), and collect the precipitate by centrifugation. Subsequently, pure water is added to the precipitate for dispersion, and the precipitate is collected by centrifugation. These results in graphene oxide as a dark brown oily substance as the final product.
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。ここで、濃度は、0.01〜0.1wt%程度とすればよい。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。 The graphene oxide obtained as described above is added to pure water and stirred to obtain a dispersion solution (uniformly dispersed aqueous solution) in which the carbon material (graphene oxide) is dispersed. Here, the concentration may be about 0.01 to 0.1 wt%. The obtained dispersion aqueous solution becomes brown. From the atomic force microscope observation and the Raman spectroscopic analysis, it has been confirmed that the substance in this dispersion solution is a single-layer to three-layer graphene oxide piece (film piece) as a main component.
次に、分散溶液(約0.1wt%水溶液)を、レジストパターン層およびこの上に金属層を形成してある石英基板に、塗布する。例えば、スピンコート法により塗布すればよい。この塗布により、分散されていた炭素材料が金属層の上に付着して固定され、炭素層が形成できる。上述したように、炭素材料を酸化体としてあるので、分散溶液においては均一に炭素材料の小片が分散した状態が得られ、この分散溶液を塗布しているので、金属層の上には、炭素材料の小片からなる炭素層が均一に形成できる。 Next, the dispersion solution (about 0.1 wt% aqueous solution) is applied to the resist pattern layer and the quartz substrate on which the metal layer is formed. For example, it may be applied by spin coating. By this application, the dispersed carbon material adheres and is fixed on the metal layer, and a carbon layer can be formed. As described above, since the carbon material is used as an oxidant, a state in which small pieces of the carbon material are uniformly dispersed is obtained in the dispersion solution, and since this dispersion solution is applied, the carbon layer is formed on the metal layer. A carbon layer composed of small pieces of material can be formed uniformly.
次に、レジストパターン層,金属層,および炭素層を形成した石英基板を、35%ヒドラジン水溶液および28%アンモニア水溶液が体積比7:10で混合された溶液とともに密閉容器に封入する。これにより、炭素層がヒドラジン/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、金属層の表面に形成した炭素層の炭素材料を還元することができる。この還元により、炭素層は、単層〜3層の酸化グラフェンを還元したグラフェン(酸化グラフェン還元体)から構成されたものとなる。 Next, the quartz substrate on which the resist pattern layer, the metal layer, and the carbon layer are formed is sealed in a sealed container together with a solution in which a 35% hydrazine aqueous solution and a 28% ammonia aqueous solution are mixed at a volume ratio of 7:10. As a result, the carbon layer is exposed to hydrazine / ammonia vapor. By leaving this state at 95 ° C. for 1 hour, the carbon material of the carbon layer formed on the surface of the metal layer can be reduced. By this reduction, the carbon layer is composed of graphene (graphene oxide reductant) obtained by reducing single-layer to three-layer graphene oxide.
以上のように炭素層を還元した後、石英基板をメチルエチルケトン中に浸漬し、また、超音波処理を行い、レジストパターン層を剥離する。この剥離によりレジストパターン層の上の金属層および炭素層が選択的に除去され(リフトオフ)、交互に入り込んで対向配置されて対となる2つの櫛形電極の上に、炭素材料の層が形成された状態が得られる。 After reducing the carbon layer as described above, the quartz substrate is immersed in methyl ethyl ketone, and subjected to ultrasonic treatment to peel off the resist pattern layer. By this peeling, the metal layer and the carbon layer on the resist pattern layer are selectively removed (lift-off), and a layer of carbon material is formed on the two comb-shaped electrodes that are alternately arranged and opposed to each other. State is obtained.
次いで、石英基板の上に、スピンコート法によりスピンオングラスを塗布し、450℃で熱硬化し、絶縁保護膜を形成する。次に、再度、電子線レジストを塗布し、層厚0.5mm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、80℃・60分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、電子線リソグラフィー技術でパターニングする。 Next, spin-on-glass is applied on the quartz substrate by spin coating, and heat-cured at 450 ° C. to form an insulating protective film. Next, an electron beam resist is applied again to form a resist layer having a layer thickness of 0.5 mm. Next, the quartz substrate on which the resist layer is formed is pre-baked under heating conditions of 80 ° C. for 60 minutes. Next, the pre-baked resist layer is patterned by an electron beam lithography technique.
まず、上記石英基板を電子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。 First, the quartz substrate is carried into an exposure chamber of an electron beam exposure apparatus and exposed. Further, after the exposure, development is performed to form a resist pattern layer. With this resist pattern layer, a part of the reference electrode and a part of the counter electrode formed on the comb electrode and the other region on the quartz substrate are covered.
次に、上述したレジストパターン層をマスクとし、CF4ガスによる反応性イオンエッチング処理により、絶縁保護膜を選択的にエッチング除去し、櫛形電極、参照電極の一部、対向電極の一部が露出され、これらを除く他の領域が、絶縁保護膜で被覆保護された状態とする。 Next, the insulating protective film is selectively removed by reactive ion etching with CF 4 gas using the resist pattern layer as a mask, and the comb electrode, a part of the reference electrode, and a part of the counter electrode are exposed. The other regions except these are covered and protected with an insulating protective film.
上述したことにより、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。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。 As described above, the electrochemical measurement electrode tip (electrode tip 304) shown in FIG. 3 was formed. The electrode chip 304 includes a working electrode 301, a counter electrode 302, and a reference electrode 303, which are two comb electrodes facing each other at a comb tooth portion. Each electrode is connected to a potentiostat 305 and a coulometer 306. The potentiostat 305 and the coulometer 306 are connected to the recorder 307. The potentiostat 305 controls the current flowing through the working electrode 301 and the counter electrode 302 so that the voltage between the working electrode 301 and the reference electrode 303 becomes a set value, and the coulometer 306 flows into the working electrode 301. Measure the current.
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302b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303が接続している。上述した櫛歯部で対向する2つの櫛形電極より構成された作用電極301を用いることで、よく知られたレドックスサイクルによる増幅効果を利用できる。 For example, as shown in the perspective view of FIG. 4, the electrode chip 304 has a working electrode 301, a counter electrode 302, and a reference electrode 303 disposed on a substrate 300 having a plate thickness of 0.5 mm and a size of 12 × 20 (mm). Has been. For example, as shown in the perspective view of FIG. 4, a sample is dropped from a burette 401 onto two comb electrode portions facing each other at the comb tooth portion of the working electrode 301. Further, the electrode terminal 301 a and the electrode terminal 302 b are connected to the working electrode 301, the electrode terminal 302 a is connected to the counter electrode 302, and the electrode terminal 303 is connected to the reference electrode 303. By using the working electrode 301 composed of two comb-shaped electrodes facing each other at the above-described comb tooth portion, the amplification effect by the well-known redox cycle can be used.
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)の酸化還元反応を電極上で検出した。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、対となる一方の櫛形電極を−0.3Vから0.3Vまで50mV/secの電位走査し、他方の櫛形電極は電位−0.3Vに固定し、各々の電極の応答電流を測定した。 Electrochemical detection of the electrochemically active species obtained by the enzyme reaction was performed using the electrode tip described above. Alkaline phosphatase (ALP) was used as the enzyme, p-aminophenyl phosphate (pAPP) was reacted as a substrate, and the oxidation-reduction reaction of p-aminophenol (pAP) as a reaction product was detected on the electrode. Each electrode terminal is connected to a bipotentiostat (potentiostat 305) through a lead wire, and one pair of comb-shaped electrodes is scanned at a potential of 50 mV / sec from -0.3 V to 0.3 V, and the other The comb electrodes were fixed at a potential of −0.3 V, and the response current of each electrode was measured.
一方の櫛形電極においては、pAPの酸化反応を示し、他方の櫛形電極では還元反応を示す限界電流が観測された。図5に示すように、一方の櫛形電極および他方の櫛形電極のピーク電流値の大きさ(実線)は、炭素材料の層のない金から構成された同形の櫛形電極を用いた場合(点線)と比較して、約2倍以上に増加した。さらに、両者の電流値の大きさから、一方の櫛形電極で酸化されたpAP分子のうち、他方の櫛形電極で還元反応を起こした分子の割合(捕捉率)は97%であることが分かり、炭素材料の層が形成されていない同形の櫛形電極を用いた場合と比較して、13%ほど高い捕捉率が得られた。 One comb electrode exhibited a pAP oxidation reaction, and the other comb electrode exhibited a limiting current indicating a reduction reaction. As shown in FIG. 5, the magnitude of the peak current value of one comb-shaped electrode and the other comb-shaped electrode (solid line) is the case where the same-shaped comb-shaped electrode composed of gold without a carbon material layer is used (dotted line). Compared to, it increased about twice or more. Furthermore, from the magnitude of the current value of both, it can be seen that the ratio (trapping rate) of the molecules that have undergone the reduction reaction at the other comb electrode out of the pAP molecules oxidized at one comb electrode is 97%. Compared with the case where the same-shaped comb-shaped electrode in which no carbon material layer was formed was used, a higher capture rate of about 13% was obtained.
捕捉率の向上の度合いは、かみ合った櫛形電極の形状を、長さ2mm、電極幅2μm、電極間隔2μmとした場合にほぼ匹敵する。このように、本実施の形態1(実施例1)によれば、櫛形電極を用い、この電極表面に炭素材料の層を形成することで、反応速度や拡散速度を高めることができ、電極幅や電極間隔を微小化することなく捕捉率が向上し、高感度な測定が可能になる。 The degree of improvement of the capture rate is almost comparable when the shape of the interdigitated electrodes is 2 mm in length, the electrode width is 2 μm, and the electrode interval is 2 μm. Thus, according to this Embodiment 1 (Example 1), a comb-shaped electrode is used, and a carbon material layer is formed on the surface of this electrode, whereby the reaction rate and diffusion rate can be increased, and the electrode width In addition, the capture rate is improved without miniaturizing the electrode spacing, and highly sensitive measurement is possible.
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。図6は、本発明の実施の形態2における電気化学測定用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S601で、絶縁層の上に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。次に、ステップS602で、炭素材料の小片が分散した分散溶液を2つの櫛形電極が形成された絶縁層の上に塗布して炭素材料の層を形成する。ここで、分散溶液は、2つの櫛形電極の間隔より小さい寸法の炭素材料の小片が分散したものとする。なお、小片の寸法とは、小片の最も長い箇所の寸法のことを意味する。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a flowchart for explaining a method for producing an electrode for electrochemical measurement according to Embodiment 2 of the present invention. In this manufacturing method, first, in step S601, two comb-shaped electrodes that alternately enter and face each other on the insulating layer are formed. Next, in step S602, a dispersion solution in which small pieces of carbon material are dispersed is applied on an insulating layer on which two comb-shaped electrodes are formed to form a carbon material layer. Here, it is assumed that small pieces of carbon material having a size smaller than the distance between the two comb electrodes are dispersed in the dispersion solution. In addition, the dimension of a small piece means the dimension of the longest location of a small piece.
この製造方法によれば、前述した実施の形態1と同様に、電気化学測定で用いる櫛形電極が、この上に炭素材料の層を備えて形成されるようになる。このように、櫛形電極の上に炭素材料の層を形成することで、櫛形電極の寸法などを変更することなく高感度化ができるようになる。 According to this manufacturing method, as in the first embodiment described above, the comb electrode used in the electrochemical measurement is formed with the carbon material layer thereon. Thus, by forming the carbon material layer on the comb-shaped electrode, high sensitivity can be achieved without changing the dimensions of the comb-shaped electrode.
本実施の形態2によれば、櫛形電極の部分とともに櫛形電極以外の領域、例えば、2つの櫛形電極の間にも炭素材料が存在する状態となる。しかしながら、炭素材料の小片の寸法は、櫛形電極の間隔より小さいものとしているので、電極間に存在する炭素材料の小片により、電極間が接続(短絡)することがない。このように、本実施の形態2においても、前述した実施の形態1と同様に、2つの櫛形電極間を短絡させることがなく、電気化学的な酸化還元サイクルを電極上に発生させることができる。また、電極の上に炭素材料の層が形成されるので、櫛形電極を用いた電気化学的測定で、櫛形電極の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。 According to the second embodiment, the carbon material exists in a region other than the comb electrode, for example, between the two comb electrodes together with the comb electrode portion. However, since the size of the small pieces of the carbon material is smaller than the interval between the comb electrodes, the small pieces of the carbon material existing between the electrodes do not connect (short-circuit) between the electrodes. As described above, also in the second embodiment, as in the first embodiment described above, an electrochemical redox cycle can be generated on the electrodes without short-circuiting the two comb electrodes. . In addition, since the carbon material layer is formed on the electrode, high sensitivity can be achieved without reducing the size of the electrode pattern of the comb electrode by electrochemical measurement using the comb electrode.
以下、本実施の形態2における製造方法について、図7A〜図7Dを用いてより詳細に説明する。図7A〜図7Dは、本発明の実施の形態2における電気化学測定用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電極の構成を模式的に示す断面図である。 Hereinafter, the manufacturing method according to the second embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. 7A to 7D. 7A to 7D are cross-sectional views schematically showing the configuration of the electrochemical measurement electrode in each step for explaining the method for manufacturing the electrochemical measurement electrode in Embodiment 2 of the present invention.
まず、図7Aに示すように、絶縁層701の上にレジストパターン層702を形成する。レジストパターン層702は、後述する櫛形電極を形成する箇所に開口部を備えている。次に、レジストパターン層702の上より、例えばスパッタ法などの堆積法により金属を堆積することで、図7Bに示すように、絶縁層701およびレジストパターン層702の上に金属層703を形成する。 First, as shown in FIG. 7A, a resist pattern layer 702 is formed on the insulating layer 701. The resist pattern layer 702 has an opening at a location where a comb electrode, which will be described later, is formed. Next, a metal layer 703 is formed on the insulating layer 701 and the resist pattern layer 702 as shown in FIG. 7B by depositing a metal on the resist pattern layer 702 by a deposition method such as sputtering. .
次に、レジストパターン層702を除去することで、この上に形成されている金属層703を選択的に除去する。このリフトオフにより、図7Cに示すように、交互に入り込んで対向配置された対となる2つの櫛形電極705,706が形成される。 Next, by removing the resist pattern layer 702, the metal layer 703 formed thereon is selectively removed. By this lift-off, as shown in FIG. 7C, two comb-shaped electrodes 705 and 706 are formed which are alternately placed and opposed to each other.
次に、櫛形電極704,706が形成された絶縁層703の上に、炭素材料が分散した分散溶液を塗布する。分散溶液は、2つの櫛形電極の間隔より小さい寸法の炭素材料の小片が分散したものとする。この塗布により、図7Dに示すように、複数の炭素材料の小片(膜片)707からなる炭素材料の層708が形成される。複数の小片707が、絶縁層703および櫛形電極704,706の上の全域に形成される。しかしながら、小片707の寸法が、電極の間隔より小さいので、電極間に存在する小片707により、電極が短絡することがない。 Next, a dispersion solution in which a carbon material is dispersed is applied over the insulating layer 703 on which the comb electrodes 704 and 706 are formed. In the dispersion solution, small pieces of carbon material having a size smaller than the distance between the two comb electrodes are dispersed. By this application, as shown in FIG. 7D, a carbon material layer 708 made up of a plurality of pieces (film pieces) 707 of carbon material is formed. A plurality of small pieces 707 are formed over the entire area on the insulating layer 703 and the comb-shaped electrodes 704 and 706. However, since the size of the small piece 707 is smaller than the distance between the electrodes, the small piece 707 existing between the electrodes does not cause a short circuit.
次に、実施例を用いてより詳細に説明する。 Next, it demonstrates in detail using an Example.
[実施例2]
以下、実施例2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、電子線レジストを塗布し、層厚0.5mm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、80℃・60分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。
[Example 2]
Example 2 will be described below. First, a quartz substrate having a thickness of 0.5 mm is prepared. The quartz substrate is a substrate made of an insulating material. An electron beam resist is applied onto the quartz substrate to form a resist layer having a layer thickness of 0.5 mm. Next, the quartz substrate on which the resist layer is formed is pre-baked under heating conditions of 80 ° C. for 60 minutes. This heating may be performed using an oven, for example.
次に、プリベークしたレジスト層を、電子線リソグラフィー技術でパターニングする。まず、上記石英基板を電子線露光装置の露光室に搬入し、櫛形電極を形成する箇所に開口が形成される形状のパターンに露光する。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。形成したレジストパターン層のパターンの寸法は、櫛形電極の櫛歯の部分の長さを2mm、幅を2μmとした。また、交互に入り込んで対向配置されて対となる2つの櫛形電極パターンの対向する櫛歯の間隔(電極間隔)は、2μmとした。 Next, the pre-baked resist layer is patterned by an electron beam lithography technique. First, the quartz substrate is carried into an exposure chamber of an electron beam exposure apparatus and exposed to a pattern having a shape in which an opening is formed at a position where a comb electrode is formed. Further, after the exposure, development is performed to form a resist pattern layer. The dimension of the pattern of the formed resist pattern layer was such that the length of the comb tooth portion of the comb-shaped electrode was 2 mm and the width was 2 μm. Further, the distance between the opposing comb teeth (electrode distance) of the two comb-shaped electrode patterns that are alternately arranged and opposed to each other was 2 μm.
次に、石英基板および形成したパターンの上に金属層を形成する。例えば、真空蒸着装置により、まず、層厚10nmのチタン層を形成し、この上に層厚100nmの金層を形成する。チタン層を介して金層を形成することで、金層の剥がれを抑止する。次に、石英基板をメチルエチルケトン中に浸漬し、また、超音波処理を行い、レジストパターン層を剥離する。この剥離によりレジストパターン層の上の金属層が選択的に除去され(リフトオフ)、交互に入り込んで対向配置されて対となる2つの櫛形電極が形成される。このように、実施例2では、櫛形電極を金から構成する。 Next, a metal layer is formed on the quartz substrate and the formed pattern. For example, a titanium layer having a thickness of 10 nm is first formed by a vacuum vapor deposition apparatus, and a gold layer having a thickness of 100 nm is formed thereon. By forming the gold layer via the titanium layer, peeling of the gold layer is suppressed. Next, the quartz substrate is immersed in methyl ethyl ketone, and ultrasonic treatment is performed to peel off the resist pattern layer. By this peeling, the metal layer on the resist pattern layer is selectively removed (lift-off), and two comb-shaped electrodes are formed which alternately enter and face each other. Thus, in Example 2, the comb electrode is made of gold.
次に、塗布する分散溶液を作製する。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(34.5ミリリットル)とを混合し、撹拌子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。 Next, a dispersion solution to be applied is prepared. First, natural graphite (1 g) pulverized by a ball mill and concentrated sulfuric acid (34.5 ml) are mixed, and sodium nitrate (0.75 g) is added to the mixture while stirring. These mixtures are placed under ice cooling, and potassium permanganate (4.5 g) is gradually added, and stirring is continued for 2 hours. After this, the mixture is allowed to return to room temperature and stirring is continued for a further 5 days. This results in a dark gray product.
次に、得られた生成物に、5%希硫酸(100ミリリットル)、過酸化水素水(3ミリリットル)を加え撹拌して液状としたのち、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。 Next, 5% dilute sulfuric acid (100 milliliters) and hydrogen peroxide (3 milliliters) are added to the resulting product and stirred to form a liquid, and this is further mixed with an excess amount of sulfuric acid (3%) / excess. Disperse it in a mixed solution of hydrogen oxide water (0.5%), and collect the precipitate by centrifugation. Subsequently, pure water is added to the precipitate for dispersion, and the precipitate is collected by centrifugation. These results in graphene oxide as a dark brown oily substance as the final product.
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。ここで、濃度は、0.01〜0.1wt%程度とすればよい。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。 The graphene oxide obtained as described above is added to pure water and stirred to obtain a dispersion solution (uniformly dispersed aqueous solution) in which the carbon material (graphene oxide) is dispersed. Here, the concentration may be about 0.01 to 0.1 wt%. The obtained dispersion aqueous solution becomes brown. From the atomic force microscope observation and the Raman spectroscopic analysis, it has been confirmed that the substance in this dispersion solution is a single-layer to three-layer graphene oxide piece (film piece) as a main component.
次に、上述した単層〜3層の酸化グラフェンを主要成分とする炭素材料の小片(膜片)を含む分散溶液(約0.025wt%水溶液)10mlに、35%ヒドラジン水溶液を5μl、28%アンモニア水溶液35μlを添加し、95℃で1時間静置する。これらのことにより、酸化グラフェンが還元された還元体の分散溶液が得られる。 Next, 5 μl, 28% of 35% hydrazine aqueous solution is added to 10 ml of a dispersion solution (approximately 0.025 wt% aqueous solution) containing a small piece (film piece) of a carbon material mainly composed of the above-described single-layer to three-layer graphene oxide. Add 35 μl of aqueous ammonia and leave at 95 ° C. for 1 hour. By these things, the dispersion solution of the reduced body in which the graphene oxide was reduced is obtained.
この分散溶液を5000rpmで遠心分離して沈殿物を除去した後、上澄み溶液をさらに10000rpmで遠心分離して得られた沈殿物を取り出した。この沈殿物が2μmを越えない寸法(膜片の最も長い箇所の寸法)であることは、原子間力顕微鏡観察により確認した。この沈殿物を用い、2μmを越えない寸法の酸化グラフェン還元体の小片を含む分散溶液(約0.1wt%水溶液)を調製する。 The dispersion was centrifuged at 5000 rpm to remove the precipitate, and then the supernatant obtained by further centrifuging the supernatant solution at 10,000 rpm was taken out. It was confirmed by atomic force microscope observation that this precipitate did not exceed 2 μm (the length of the longest part of the membrane piece). Using this precipitate, a dispersion solution (about 0.1 wt% aqueous solution) containing small pieces of graphene oxide reductant having a size not exceeding 2 μm is prepared.
次に、石英基板の上に形成した櫛形電極を1Nの希硫酸に浸漬し、この状態で電位を掃引して表面の酸化物を除去した後、10mMに調整した2−ナフタレンチオールのエタノール溶液に一晩浸漬し、櫛形電極の表面に2−ナフタレンチオールの層(バインダー層)を形成する。バインダー層を構成する2−ナフタレンチオールは、自身のSH基と櫛形電極表面の金とが共有結合するため、バインダー層は櫛形電極の表面に固定された(吸着した)状態となる。一方、上述したような共有結合を形成しない石英基板の表面(露出面)には、バインダー層は形成されない。 Next, the comb-shaped electrode formed on the quartz substrate is immersed in 1N dilute sulfuric acid, and in this state, the potential is swept to remove the surface oxide, and then the 2-naphthalenethiol ethanol solution adjusted to 10 mM is used. Immerse overnight to form a 2-naphthalenethiol layer (binder layer) on the surface of the comb-shaped electrode. Since 2-naphthalenethiol constituting the binder layer has a covalent bond between its own SH group and gold on the surface of the comb electrode, the binder layer is fixed (adsorbed) on the surface of the comb electrode. On the other hand, the binder layer is not formed on the surface (exposed surface) of the quartz substrate that does not form a covalent bond as described above.
次に、バインダー層が形成された櫛形電極を備える石英基板の上に、前述した還元体による分散溶液を塗布する。例えば、スピンコート法により塗布すればよい。この塗布により、分散溶液中のグラフェン(還元体)の小片は、バインダー層を構成している2−ナフタレンチオールのナフタレン環との相互作用(疎水的相互作用)により吸着する。この結果、グラフェン小片からなる炭素材料の層が、選択的に櫛形電極の表面に形成されるようになる。また、グラフェン小片は、電極の間隔より小さい寸法としているので、電極間の石英基板に付着しても、電極間を短絡させることがない。 Next, on the quartz substrate provided with the comb-shaped electrode on which the binder layer is formed, the dispersion solution of the above-described reductant is applied. For example, it may be applied by spin coating. By this coating, small pieces of graphene (reduced form) in the dispersion solution are adsorbed by the interaction (hydrophobic interaction) of 2-naphthalenethiol constituting the binder layer with the naphthalene ring. As a result, a layer of carbon material made of graphene pieces is selectively formed on the surface of the comb-shaped electrode. In addition, since the graphene piece has a size smaller than the distance between the electrodes, even if it adheres to the quartz substrate between the electrodes, the electrodes are not short-circuited.
以上のようにすることで、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。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。 In this way, the electrochemical measurement electrode tip (electrode tip 304) shown in FIG. 3 was formed. The electrode chip 304 includes a working electrode 301, a counter electrode 302, and a reference electrode 303, which are two comb electrodes facing each other at a comb tooth portion. Each electrode is connected to a potentiostat 305 and a coulometer 306. The potentiostat 305 and the coulometer 306 are connected to the recorder 307. The potentiostat 305 controls the current flowing through the working electrode 301 and the counter electrode 302 so that the voltage between the working electrode 301 and the reference electrode 303 becomes a set value, and the coulometer 306 flows into the working electrode 301. Measure the current.
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302b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303が接続している。上述した櫛歯部で対向する2つの櫛形電極より構成された作用電極301を用いることで、よく知られたレドックスサイクルによる増幅効果を利用できる。 For example, as shown in the perspective view of FIG. 4, the electrode chip 304 has a working electrode 301, a counter electrode 302, and a reference electrode 303 disposed on a substrate 300 having a plate thickness of 0.5 mm and a size of 12 × 20 (mm). Has been. For example, as shown in the perspective view of FIG. 4, a sample is dropped from a burette 401 onto two comb electrode portions facing each other at the comb tooth portion of the working electrode 301. Further, the electrode terminal 301 a and the electrode terminal 302 b are connected to the working electrode 301, the electrode terminal 302 a is connected to the counter electrode 302, and the electrode terminal 303 is connected to the reference electrode 303. By using the working electrode 301 composed of two comb-shaped electrodes facing each other at the above-described comb tooth portion, the amplification effect by the well-known redox cycle can be used.
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)の酸化還元反応を電極上で検出した。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、対となる一方の櫛形電極を−0.3Vから0.3Vまで50mV/secの電位走査し、他方の櫛形電極は電位−0.3Vに固定し、各々の電極の応答電流を測定した。 Electrochemical detection of the electrochemically active species obtained by the enzyme reaction was performed using the electrode tip described above. Alkaline phosphatase (ALP) was used as the enzyme, p-aminophenyl phosphate (pAPP) was reacted as a substrate, and the oxidation-reduction reaction of p-aminophenol (pAP) as a reaction product was detected on the electrode. Each electrode terminal is connected to a bipotentiostat (potentiostat 305) through a lead wire, and one pair of comb-shaped electrodes is scanned at a potential of 50 mV / sec from -0.3 V to 0.3 V, and the other The comb electrodes were fixed at a potential of −0.3 V, and the response current of each electrode was measured.
対となる一方の櫛形電極においては、pAPの酸化反応が、他方の櫛形電極では還元反応を示す限界電流が観測された。図8に示すように、一方の櫛形電極と他方の櫛形電極によるピーク電流値の大きさ(実線)は、炭素原料の層のない金からなる同形の櫛形電極を用いた場合(点線)と比較して、約2倍以上に増加した。 A limiting current indicating an oxidation reaction of pAP was observed in one comb-shaped electrode and a reduction reaction was observed in the other comb-shaped electrode. As shown in FIG. 8, the magnitude of the peak current value by one comb-shaped electrode and the other comb-shaped electrode (solid line) is compared with the case of using the same shaped comb-shaped electrode made of gold without a carbon raw material layer (dotted line). And increased more than twice.
さらに、一方の櫛形電極と他方の櫛形電極の電流値の大きさから、一方の櫛形電極で酸化されたpAP分子のうち、他方の櫛形電極で還元反応を起こした分子の割合(捕捉率)は99%であることが分かり、炭素材料の層が形成されていない同形の櫛形電極を用いた場合と比較して、さらに2%ほど高い捕捉率が得られた。 Furthermore, from the magnitude of the current value of one comb electrode and the other comb electrode, the ratio (trapping rate) of the molecules that have caused a reduction reaction in the other comb electrode out of the pAP molecules oxidized by the one comb electrode is It was found to be 99%, and a higher capture rate of about 2% was obtained compared to the case of using the same comb-shaped electrode in which no carbon material layer was formed.
以上に説明したように、実施例2によれば、櫛形電極を用い、この電極表面に炭素材料の層を形成することで、反応速度や拡散速度を高めることができ、電極幅や電極間隔を微小化することなく捕捉率が向上し、高感度な測定が可能になる。 As described above, according to Example 2, using a comb-shaped electrode and forming a carbon material layer on the electrode surface, the reaction rate and the diffusion rate can be increased, and the electrode width and the electrode spacing can be reduced. The capture rate is improved without miniaturization, and highly sensitive measurement is possible.
[実施例3]
次に、実施例3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、電子線レジストを塗布し、層厚0.5mm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、80℃・60分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。
[Example 3]
Next, Example 3 will be described. First, a quartz substrate having a thickness of 0.5 mm is prepared. The quartz substrate is a substrate made of an insulating material. An electron beam resist is applied onto the quartz substrate to form a resist layer having a layer thickness of 0.5 mm. Next, the quartz substrate on which the resist layer is formed is pre-baked under heating conditions of 80 ° C. for 60 minutes. This heating may be performed using an oven, for example.
次に、プリベークしたレジスト層を、電子線リソグラフィー技術でパターニングする。まず、上記石英基板を電子線露光装置の露光室に搬入し、櫛形電極を形成する箇所に開口が形成される形状のパターンに露光する。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。形成したレジストパターン層のパターンの寸法は、櫛形電極の櫛歯の部分の長さを2mm、幅を10μmとした。また、交互に入り込んで対向配置されて対となる2つの櫛形電極パターンの対向する櫛歯の間隔(電極間隔)は、5μmとした。 Next, the pre-baked resist layer is patterned by an electron beam lithography technique. First, the quartz substrate is carried into an exposure chamber of an electron beam exposure apparatus and exposed to a pattern having a shape in which an opening is formed at a position where a comb electrode is formed. Further, after the exposure, development is performed to form a resist pattern layer. The dimension of the pattern of the formed resist pattern layer was such that the length of the comb tooth portion of the comb-shaped electrode was 2 mm and the width was 10 μm. In addition, the distance between the opposing comb teeth (electrode distance) of the two comb-shaped electrode patterns that are alternately arranged and opposed to each other was set to 5 μm.
次に、石英基板および形成したパターンの上に金属層を形成する。例えば、真空蒸着装置により、まず、層厚10nmのチタン層を形成し、この上に層厚100nmの金層を形成する。次に、石英基板をメチルエチルケトン中に浸漬し、また、超音波処理を行い、レジストパターン層を剥離する。この剥離によりレジストパターン層の上の金属層が選択的に除去され(リフトオフ)、交互に入り込んで対向配置されて対となる2つの櫛形電極が形成される。 Next, a metal layer is formed on the quartz substrate and the formed pattern. For example, a titanium layer having a thickness of 10 nm is first formed by a vacuum vapor deposition apparatus, and a gold layer having a thickness of 100 nm is formed thereon. Next, the quartz substrate is immersed in methyl ethyl ketone, and ultrasonic treatment is performed to peel off the resist pattern layer. By this peeling, the metal layer on the resist pattern layer is selectively removed (lift-off), and two comb-shaped electrodes are formed which alternately enter and face each other.
次に、前述した実施例2と同様に、上述した単層〜3層の酸化グラフェンを主要成分とする炭素材料の小片(膜片)を含む分散溶液を作製する。また、上述した実施例2と同様にヒドラジン水溶液およびアンモニア水溶液を用いて還元することで、酸化グラフェンが還元された還元体の分散溶液を作製する。次に、作製した分散溶液(約0.025wt%水溶液)10mlを、5000rpmで遠心分離し沈殿物を除去した後、上澄み溶液を2μm孔径のフィルタを用いてろ過し、このろ液を用いて2μmを越えない寸法のグラフェン(酸化グラフェンの還元体)の小片(膜片)を含む分散溶液(約0.1wt%水溶液)を調製する。上記沈殿物は、寸法(膜片の最も長い箇所の寸法)が2μmを越えないことは、原子間力顕微鏡観察により確認した。 Next, similarly to Example 2 described above, a dispersion solution including small pieces (film pieces) of a carbon material containing the above-described single-layer to three-layer graphene oxide as a main component is prepared. Further, similarly to Example 2 described above, reduction using a hydrazine aqueous solution and an ammonia aqueous solution produces a dispersion of a reduced product in which graphene oxide is reduced. Next, 10 ml of the prepared dispersion solution (about 0.025 wt% aqueous solution) is centrifuged at 5000 rpm to remove the precipitate, and then the supernatant solution is filtered using a filter having a pore size of 2 μm, and the filtrate is used to obtain 2 μm. A dispersion solution (about 0.1 wt% aqueous solution) containing small pieces (film pieces) of graphene (reduced form of graphene oxide) having a size not exceeding 1 mm is prepared. It was confirmed by atomic force microscope observation that the size of the precipitate (the size of the longest part of the film piece) did not exceed 2 μm.
次に、石英基板の上に形成した櫛形電極を1Nの希硫酸に浸漬し、この状態で電位を掃引して表面の酸化物を除去した後、10mMに調整した2−ナフタレンチオールのエタノール溶液に一晩浸漬し、櫛形電極の表面に2−ナフタレンチオールの層(バインダー層)を形成する。 Next, the comb-shaped electrode formed on the quartz substrate is immersed in 1N dilute sulfuric acid, and in this state, the potential is swept to remove the surface oxide, and then the 2-naphthalenethiol ethanol solution adjusted to 10 mM is used. Immerse overnight to form a 2-naphthalenethiol layer (binder layer) on the surface of the comb-shaped electrode.
次に、バインダー層が形成された櫛形電極を備える石英基板の上に、前述した分散溶液を塗布する。例えば、スピンコート法により塗布すればよい。この塗布により、分散溶液中のグラフェンの小片は、バインダー層を構成している2−ナフタレンチオールのナフタレン環との相互作用(疎水的相互作用)により吸着する。この結果、グラフェン小片からなる炭素材料の層が、選択的に櫛形電極の表面に形成されるようになる。また、グラフェン小片は、電極の間隔より小さい寸法としているので、電極間の石英基板に付着しても、電極間を短絡させることがない。 Next, the above-mentioned dispersion solution is applied on a quartz substrate provided with a comb-shaped electrode on which a binder layer is formed. For example, it may be applied by spin coating. By this coating, the small pieces of graphene in the dispersion solution are adsorbed by the interaction (hydrophobic interaction) with the naphthalene ring of 2-naphthalenethiol constituting the binder layer. As a result, a layer of carbon material made of graphene pieces is selectively formed on the surface of the comb-shaped electrode. In addition, since the graphene piece has a size smaller than the distance between the electrodes, even if it adheres to the quartz substrate between the electrodes, the electrodes are not short-circuited.
以上のようにすることで、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。この電極チップを用い、1mMのヘキサアンミンルテニウムイオン(Ru(NH3)6 3+/2+)KCl溶液の酸化還元反応を検出した。リード線を介して、電極チップの電気化学測定用電極の端子部分をバイポテンシオスタットに接続し、一方の櫛形電極を用いて、−0.4Vから0.2Vの範囲を周期的に50mV/secで電位走査し、電極の応答電流を測定した。 In this way, the electrochemical measurement electrode tip (electrode tip 304) shown in FIG. 3 was formed. Using this electrode chip, the oxidation-reduction reaction of 1 mM hexaammineruthenium ion (Ru (NH 3 ) 6 3 + / 2 + ) KCl solution was detected. The terminal portion of the electrode for electrochemical measurement of the electrode tip is connected to the bipotentiostat via the lead wire, and the range from −0.4 V to 0.2 V is periodically changed to 50 mV / The potential was scanned in seconds, and the response current of the electrode was measured.
図9の実線に示すように、−0.15Vにおいて、Ru(NH3)6 2+の酸化反応が観測され、−0.22VにおいてRu(NH3)6 3+の還元反応を示す応答が観測された。酸化側のピーク電流値の大きさは、炭素原料の層のない金からなる同形の櫛形電極を用いた場合(図9中点線)と比較して約2倍に増加した。また、還元側のピーク電流値の大きさは、炭素原料の層のない金からなる同形の櫛形電極を用いた場合と比較して、2.5倍以上に増加した。 As shown by the solid line in FIG. 9, an oxidation reaction of Ru (NH 3 ) 6 2+ was observed at −0.15 V, and a response indicating a reduction reaction of Ru (NH 3 ) 6 3+ was observed at −0.22 V. Observed. The magnitude of the peak current value on the oxidation side increased about twice as compared with the case where the same comb-shaped electrode made of gold without a carbon raw material layer was used (dotted line in FIG. 9). Moreover, the magnitude of the peak current value on the reduction side increased 2.5 times or more as compared with the case where the same-shaped comb electrode made of gold without a carbon raw material layer was used.
これらのことは、櫛形電極上の負に帯電している炭素原料の層(グラフェン)の表面に、検出対象の陽イオンが引き寄せられ、酸化還元種が表面に輸送されやすいという効果により、検出信号が増加したことを示す。特に、正電荷がより大きなRu(NH3)6 3+の還元反応において、上述した効果が顕著である。 This is because the detection target cation is attracted to the surface of the negatively charged carbon raw material layer (graphene) on the comb-shaped electrode, and the redox species is easily transported to the surface. Indicates an increase. In particular, in the reduction reaction of Ru (NH 3 ) 6 3+ having a larger positive charge, the above-described effect is remarkable.
以上に説明したように、実施例3によれば、櫛形電極を用い、この電極表面に炭素材料の層を形成することで、反応速度や拡散速度を高めることができ、電極幅や電極間隔を微小化することなく捕捉率が向上し、高感度な測定が可能になる。 As described above, according to Example 3, by using a comb-shaped electrode and forming a carbon material layer on the electrode surface, the reaction rate and the diffusion rate can be increased, and the electrode width and the electrode spacing can be reduced. The capture rate is improved without miniaturization, and highly sensitive measurement is possible.
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、上述では、櫛形電極を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、接近させて用いる2つのリングディスク電極であっても、上述同様であり、本発明は、例えば、数μm程度に接近させて用いる少なくとも2つの電極に適用可能である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, the comb electrode has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, even two ring disk electrodes that are used close to each other are the same as described above, and the present invention can be applied to at least two electrodes that are used close to, for example, about several μm.
また、例えば、上述では、2−ナフタレンチオールからなるバインダー層を介して炭素材料の層を形成するようにしたが、これに限るものではなく、チオール基を有する有機化合物であれば、バインダー層として機能する。このような有機化合物であれば、チオール基が電極を構成する金と共有結合し、有機基に、これとの相互作用(疎水的相互作用)により炭素原料が吸着する。また、電極の上に、直接、炭素材料の層を形成してもよい。 In addition, for example, in the above description, the carbon material layer is formed via the binder layer made of 2-naphthalenethiol. However, the present invention is not limited to this, and any organic compound having a thiol group can be used as the binder layer. Function. In such an organic compound, the thiol group is covalently bonded to gold constituting the electrode, and the carbon raw material is adsorbed to the organic group by interaction with the organic group (hydrophobic interaction). Alternatively, a carbon material layer may be formed directly on the electrode.
また、図10の(a)に示すように、絶縁層1001に凹部1001aを形成し、凹部1001aに埋め込むように電極1002を形成し、電極1002の上に炭素材料の層1003を形成してもよい。また、図10の(b)に示すように、凹部1001aに埋め込むように形成した電極1002の上に、バインダー層1004を介して炭素材料の層1003を形成してもよい。このようにすることで、電極を形成した状態で絶縁層の表面がより平坦となるので、リフトオフ法による電極などの形成がより容易になる。 10A, a recess 1001a is formed in the insulating layer 1001, an electrode 1002 is formed so as to be embedded in the recess 1001a, and a carbon material layer 1003 is formed over the electrode 1002. Good. Further, as shown in FIG. 10B, a carbon material layer 1003 may be formed on the electrode 1002 formed so as to be embedded in the recess 1001a with a binder layer 1004 interposed therebetween. By doing so, the surface of the insulating layer becomes flatter in a state where the electrode is formed, so that it is easier to form an electrode or the like by the lift-off method.
また、電極材料は、金に限るものではなく、銅,ニッケル,プラチナ、カーボンなどを用いるようにしてもよい。 The electrode material is not limited to gold, and copper, nickel, platinum, carbon, or the like may be used.
また、上述では、炭素材料の層が、グラフェン(還元体)より構成された場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば、グラファイトから構成されていてもよい。この場合、グラファイトは、グラフェンが2〜10層程度積層したものであればよい。 In the above description, the case where the carbon material layer is made of graphene (reduced body) has been described. However, the present invention is not limited to this, and may be made of, for example, graphite. In this case, the graphite may be one in which about 2 to 10 layers of graphene are stacked.
201…絶縁層、202…レジストパターン層、203…金属層、204…炭素層、205,206…櫛形電極、207…炭素材料の層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 201 ... Insulating layer, 202 ... Resist pattern layer, 203 ... Metal layer, 204 ... Carbon layer, 205, 206 ... Comb-shaped electrode, 207 ... Layer of carbon material.
Claims (2)
酸化グラフェンからなる炭素材料の小片が分散した分散溶液を前記金属層の上に塗布して前記金属層の上に前記炭素材料からなる炭素層を形成する第2工程と、
前記金属層の上に形成された前記炭素層を構成している酸化グラフェンを還元した後で、前記レジストパターン層を除去するリフトオフ法により前記金属層および前記炭素層をパターニングし、2つの電極の上に前記炭素材料の層が形成された状態とする第3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電極の製造方法。 A first step of forming a resist pattern layer on the insulating layer and then forming a metal layer on the resist pattern layer ;
A second step of applying a dispersion solution in which small pieces of carbon material made of graphene oxide are dispersed on the metal layer to form the carbon layer made of the carbon material on the metal layer;
After reducing the graphene oxide forming the carbon layer formed on the metal layer, the metal layer and the carbon layer are patterned by a lift-off method for removing the resist pattern layer, and two electrodes are formed. A method for producing an electrode for electrochemical measurement, comprising: a third step in which a layer of the carbon material is formed thereon.
2つの前記電極は、交互に入り込んで対向配置された2つの櫛形電極であることを特徴とする電気化学測定用電極の製造方法。 The manufacturing method of claim 1 Symbol placement of electrochemical measurement electrode,
The method of manufacturing an electrode for electrochemical measurement, wherein the two electrodes are two comb-shaped electrodes that alternately enter and face each other.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011043714A JP5508312B2 (en) | 2011-03-01 | 2011-03-01 | Method for producing electrode for electrochemical measurement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011043714A JP5508312B2 (en) | 2011-03-01 | 2011-03-01 | Method for producing electrode for electrochemical measurement |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012181085A JP2012181085A (en) | 2012-09-20 |
JP5508312B2 true JP5508312B2 (en) | 2014-05-28 |
Family
ID=47012404
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011043714A Active JP5508312B2 (en) | 2011-03-01 | 2011-03-01 | Method for producing electrode for electrochemical measurement |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5508312B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5814173B2 (en) * | 2012-04-06 | 2015-11-17 | 日本電信電話株式会社 | Carbon electrode for electrochemical measurement and manufacturing method thereof |
US10518506B2 (en) | 2014-06-12 | 2019-12-31 | Toray Industries, Inc. | Layered product and process for producing same |
JP6339976B2 (en) * | 2015-07-13 | 2018-06-06 | 日本電信電話株式会社 | Method for producing carbon microelectrode |
CN115335690B (en) * | 2020-03-27 | 2025-02-11 | 朱子诚 | Electrodes and electrode chips |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06102228A (en) * | 1992-09-22 | 1994-04-15 | New Oji Paper Co Ltd | Electrochemical measurement electrode |
JPH0735722A (en) * | 1993-07-16 | 1995-02-07 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Production of carbon microelectrode |
JP4170336B2 (en) * | 2005-12-16 | 2008-10-22 | 日本電信電話株式会社 | Catecholamine sensor |
WO2010004690A1 (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-14 | 日本電気株式会社 | Carbon electrode, electrochemical sensor, and carbon electrode manufacturing method |
JP2010230369A (en) * | 2009-03-26 | 2010-10-14 | Ryukoku Univ | Electrode structure, method for manufacturing the electrode structure, and electrochemical sensor |
-
2011
- 2011-03-01 JP JP2011043714A patent/JP5508312B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2012181085A (en) | 2012-09-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Purohit et al. | Novel sensing assembly comprising engineered gold dendrites and MWCNT‐AuNPs nanohybrid for acetaminophen detection in human urine | |
Ali et al. | A highly efficient microfluidic nano biochip based on nanostructured nickel oxide | |
Barman et al. | A highly selective and stable cationic polyelectrolyte encapsulated black phosphorene based impedimetric immunosensor for Interleukin-6 biomarker detection | |
Bui et al. | Electrocatalytic reduction of hydrogen peroxide by silver particles patterned on single-walled carbon nanotubes | |
Guo et al. | An ultrasensitive non-enzymatic amperometric glucose sensor based on a Cu-coated nanoporous gold film involving co-mediating | |
JP4283880B2 (en) | Electrode measurement electrode plate, electrochemical measurement apparatus having the electrode plate, and method for quantifying a target substance using the electrode plate | |
Dawson et al. | Single on-chip gold nanowires for electrochemical biosensing of glucose | |
Bui et al. | Simultaneous detection of ultratrace lead and copper with gold nanoparticles patterned on carbon nanotube thin film | |
JP5508312B2 (en) | Method for producing electrode for electrochemical measurement | |
Kondratev et al. | Silicon nanowire-based room-temperature multi-environment ammonia detection | |
Sakthivel et al. | A simple and rapid electrochemical determination of L-tryptophan based on functionalized carbon black/poly-L-histidine nanocomposite | |
Ueno et al. | Graphene-modified interdigitated array electrode: fabrication, characterization, and electrochemical immunoassay application | |
Dong et al. | Electrochemical sensing of tetracycline based on Au NPs@ MoS2/Ch hybrid structures | |
Amara et al. | Copper oxide integrated perylene diimide self-assembled graphitic pencil for robust non-enzymatic dopamine detection | |
JP5814173B2 (en) | Carbon electrode for electrochemical measurement and manufacturing method thereof | |
Khudaish | Reversible potentiodynamic deposition of VO2/V2O5 network onto strongly oxidative glassy carbon electrode for quantification of tamoxifen drug | |
Basu et al. | Low noise field effect biosensor with electrochemically reduced graphene oxide | |
KR20120126977A (en) | CNT-based three electrode system, fabrication of the same and electrochemical biosensor using the same | |
Li et al. | Large-scale self-assembly of hydrophilic gold nanoparticles at oil/water interface and their electro-oxidation for nitric oxide in solution | |
Sathe et al. | Highly sensitive nanostructured platinum electrocatalysts for CO oxidation: Implications for CO sensing and fuel cell performance | |
JP2009210362A (en) | Microelectrochemical detector | |
Assaifan et al. | Coffee-ring effect-driven TiO2 microstructures as sensing layer for redox-free impedimetric detection of Hg (II) in tap water | |
Kalaiyarasi et al. | Selective and sensitive electrochemical detection of ATP in human serum samples at ZrO2 hallow spheres modified GCE | |
Errachid et al. | Focused ion beam production of nanoelectrode arrays | |
Gao et al. | On-chip suspended gold nanowire electrode with a rough surface: Fabrication and electrochemical properties |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20130121 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130523 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130604 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130723 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140318 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140320 |
|
R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Ref document number: 5508312 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |