特許 7325614 電気化学分析チップ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-03

(45)【発行日】2023-08-14

(54)【発明の名称】電気化学分析チップ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/28 20060101AFI20230804BHJP

   G01N 27/30 20060101ALI20230804BHJP

【ＦＩ】

G01N27/28 M

G01N27/30 B

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022510349

(86)(22)【出願日】2020-03-27

(86)【国際出願番号】 JP2020014117

(87)【国際公開番号】W WO2021192247

(87)【国際公開日】2021-09-30

【審査請求日】2022-09-13

(73)【特許権者】

【識別番号】322008069

【氏名又は名称】朱 子誠

(73)【特許権者】

【識別番号】513064210

【氏名又は名称】山口 佳則

(73)【特許権者】

【識別番号】521021373

【氏名又は名称】光馳科技（上海）有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】110000464

【氏名又は名称】弁理士法人いしい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】朱 子誠

(72)【発明者】

【氏名】山口 佳則

(72)【発明者】

【氏名】山中 啓一郎

【審査官】黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１１７３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２９１１５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３０２０９７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２１／００９８４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１０５６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第９４／００２６３１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／２６－２７／４９

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の電極を有するとともに絶縁性の基材に設けられたセンサ部と、前記基材に設けられて試料液を前記センサ部に導く流路部とを備えた電気化学分析チップであって、
前記基材に複数の前記センサ部が設けられており、
前記流路部は、前記基材の外面に開口した試料液供給口と、同一の試料液を前記試料液供給口から複数の前記センサ部に導く試料液流路とを備えており、
前記センサ部は、前記基材に装着可能な電極チップに設けられており、
前記基材は、前記基材の外面に開口して前記電極チップが挿入される電極チップ配置部を備えており、
前記電極チップ配置部に前記試料液流路が繋がっているとともに、前記電極チップ配置部の内壁と前記電極チップとの間に、試料液が毛細管現象によって前記試料液流路から前記電極チップ配置部の開口に向けて浸透する隙間が設けられている、電気化学分析チップ。

【請求項2】

前記流路部は、１つの前記試料液供給口に繋がる複数の前記試料液流路を備えている、請求項１に記載の電気化学分析チップ。

【請求項3】

前記流路部は、複数の前記センサ部ごとに前記試料液供給口と前記試料液流路とを備えており、
複数の前記試料液供給口は、前記基材の外面に互いに近接配置されている、請求項１に記載の電気化学分析チップ。

【請求項4】

前記センサ部は、前記電極として、作用電極と参照電極とを備えており、又は作用電極と参照電極と対極を備えており、
前記電極は、絶縁性の基板の上に形成された金属層と、前記基板上に前記金属層を覆って形成された炭素層と、前記金属層の上面と前記炭素層との間に形成された上部接着層と、を備え、
前記上部接着層はシリコンで形成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学分析チップ。

【請求項5】

複数の電極を有するとともに絶縁性の基材に設けられたセンサ部と、前記基材に設けられて試料液を前記センサ部に導く流路部とを備えた電気化学分析チップであって、
前記基材に複数の前記センサ部が設けられており、
前記流路部は、前記基材の外面に開口した試料液供給口と、同一の試料液を前記試料液供給口から複数の前記センサ部に導く試料液流路とを備えており、
前記センサ部は、前記電極として、作用電極と参照電極とを備えており、又は作用電極と参照電極と対極を備えており、
前記電極は、絶縁性の基板の上に形成された金属層と、前記基板上に前記金属層を覆って形成された炭素層と、前記金属層の上面と前記炭素層との間に形成された上部接着層と、を備え、
前記上部接着層はシリコンで形成されている、電気化学分析チップ。

【請求項6】

前記基材は、前記センサ部が形成されたベース基板と、前記流路部を形成する流路基板と、前記流路基板を覆うカバー基板とが積層されて構成されている、請求項５に記載の電気化学分析チップ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、試料液中に含まれ得る特定物質の濃度を測定するための電気化学分析チップに関する。

【背景技術】

【0002】

電気化学測定の原理を利用した測定は、溶液中の重金属の高感度測定や、酵素電極を利用したグルコース測定、イオン電極を利用したｐＨ（ペーハー）の測定、残留農薬の電気化学検出に代表される食物検査など、多くの場面で使用されている（例えば特許文献１参照）。

【0003】

電気化学測定において、絶縁性の基板の上に電極を形成した電気化学分析チップを使用できることが知られている。電気化学分析チップにおいて、電極は基本的に単層構造であり、電極材料としては、銀、白金、金、アルミニウムなどの金属材料、又は炭素などの導電性材料が用いられる。

【0004】

ところで、従来の電気化学分析チップを用いて多項目の測定を同時に行う場合には、それぞれにサンプリング操作が必要であった。しかし、それぞれにサンプリング操作を行なうと、濃度斑（サンプル検体の位置や、サンプリング箇所、初期のものなのか、中間なのか等で濃度が異なる）が生じ、測定精度や再現性が低下するという問題があった。また、同一の試料液に対して複数回のサンプリング操作を行うには、多量の試料液が必要になるという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平１１－２４８６６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、上記現状を改善すべく成されたものであり、１回のサンプリング操作で複数項目の測定を行える電気化学分析チップを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の電気化学分析チップは、複数の電極を有するとともに絶縁性の基材に設けられたセンサ部と、前記基材に設けられて試料液を前記センサ部に導く流路部とを備えたものであって、前記基材に複数の前記センサ部が設けられており、前記流路部は、前記基材の外面に開口した試料液供給口と、同一の試料液を前記試料液供給口から複数の前記センサ部に導く試料液流路とを備えているものである。

【0008】

本発明の電気化学分析チップによれば、試料液流路によって同一の試料液を試料液供給口から複数のセンサ部に導くことができるので、１回のサンプリング操作で複数のセンサ部に同一の試料液を接触させることができる。これにより、微量の試料液であっても１回のサンプリング操作で複数項目の測定を行えるようになる。

【0009】

本発明の電気化学分析チップにおいて、前記流路部は、１つの前記試料液供給口に繋がる複数の前記試料液流路を備えているようにしてもよい。

【0010】

このような態様によれば、１つの試料液供給口に試料液を接触させるだけで、複数のセンサ部に試料液を導入できるので、サンプリング操作が容易であるとともに、サンプリング操作に要する時間を短時間化できる。

【0011】

本発明の電気化学分析チップにおいて、前記流路部は、複数の前記センサ部ごとに前記試料液供給口と前記試料液流路とを備えており、複数の前記試料液供給口は、前記基材の外面に互いに近接配置されているようにしてもよい。

【0012】

このような態様によれば、センサ部ごとに試料液供給口と試料液流路とを設けることで、各センサ部に試料液を確実に導入できる。また、センサ部ごとに設けられた試料液供給口が基材の外面に互いに近接配置されていることで、それらの試料液供給口に１回のサンプリング操作で試料液を確実に接触させることができ、サンプリング処理の確実性を向上できる。

【0013】

本発明の電気化学分析チップにおいて、前記センサ部は、前記基材に装着可能な電極チップに設けられており、前記基材は、前記基材の外面に開口して前記電極チップが挿入される電極チップ配置部を備えており、前記電極チップ配置部に前記試料液流路が繋がっているとともに、前記電極チップ配置部の内壁と前記電極チップとの間に、試料液が毛細管現象によって前記試料液流路から前記電極チップ配置部の開口に向けて浸透する隙間が設けられているようにしてもよい。

【0014】

このような態様によれば、測定項目に応じて電極チップを交換することで、多数の測定項目に対応可能とできるので、汎用性が向上する。

【0015】

本発明の電気化学分析チップにおいて、前記基材は、前記センサ部が形成されたベース基板と、前記流路部を形成する流路基板と、前記流路基板を覆うカバー基板とが積層されて構成されているようにしてもよい。

【0016】

このような態様によれば、センサ部をベース基板に一体化することで、電気化学分析チップの小型化が可能になる。

【0017】

本発明の電気化学分析チップにおいて、前記センサ部は、前記電極として、作用電極と参照電極とを備えており、又は作用電極と参照電極と対極を備えており、前記電極は、絶縁性の基板の上に形成された金属層と、前記基板上に前記金属層を覆って形成された炭素層と、前記金属層の上面と前記炭素層との間に形成された上部接着層と、を備え、前記上部接着層はシリコンで形成されているようにしてもよい。

【0018】

このような態様によれば、各電極は金属層を有しているので、電気抵抗を低くして、測定感度を向上できる。また、金属層を炭素層で覆うことで、金属層の酸化還元を防止でき、測定感度及び再現性を向上できる。さらに、金属層の上面と炭素層との間にシリコンで形成された上部接着層を設けることで、金属層と炭素層との密着性を向上させるとともに、シリコンは金属に比べて電気抵抗率が高いので、測定中における金属層上面での水素の発生を抑制し、金属層と炭素層との剥離を防止して、測定感度及び再現性を向上できる。

【発明の効果】

【0019】

本発明は、１回のサンプリングで複数項目の測定を行える電気化学分析チップを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】電気化学測定装置の一例を示す概略構成図である。

【図2】電気化学分析チップの一実施形態を示す平面図である。

【図3】同電気化学分析チップの分離斜視図である。

【図4】同電気化学分析チップの側面視中央縦断面図である。

【図5】電極チップを示す概略的な平面図である。

【図6】図５のＡ－Ａ位置に対応する概略的な断面図である。

【図7】実施形態に取り付ける電極チップと比較チップとを使用して得られた電流電位曲線を示すグラフである。

【図8】測定後の電極チップ及び比較チップの作用電極を基板側から撮像した顕微鏡写真であり、（Ａ）は実施形態（電極チップ）を示し、（Ｂ）は比較例（比較チップ）を示す。

【図9】電極チップの他の構成を示す概略的な断面図である。

【図10】電気化学分析チップの他の実施形態を示す平面図である。

【図11】電気化学分析チップのさらに他の実施形態を示す平面図である。

【図12】同電気化学分析チップの分離斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

電気化学分析チップの実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、電気化学測定装置の一例を示す概略構成図である。図２は、電気化学分析チップの一実施形態を示す平面図である。図３は、同電気化学分析チップの分離斜視図である。図４は、同電気化学分析チップの側面視中央縦断面図である。なお、図２では、カバー基板２１３の図示は省略している。また、図４では、便宜上、各部材の厚みを大きくして図示している。

【0022】

図１に示すように、電気化学測定装置１は、電気化学分析チップ２と、電気化学分析チップ２に接続されるポテンショスタット３と、ポテンショスタット３に接続される操作部４、表示部５、電源部６及び外部出力部７を備えている。本実施形態では、電気化学分析チップ２は使い捨て型のものである。

【0023】

図２～図４に示すように、電気化学分析チップ２は、絶縁性の基材２１と、基材２１に設けられた複数のセンサ部２２と、基材２１に設けられて試料液を各センサ部２２に導く流路部２３とを備えている。本実施形態では、３つのセンサ部２２が設けられているが、本発明の電気化学分析チップにおいて、センサ部の数は、２つ又は４つ以上であってもよい。

【0024】

基材２１は、ベース基板２１１の上に、流路基板２１２を介してカバー基板２１３が配置されて構成されている。ベース基板２１１、流路基板２１２及びカバー基板２１３は、略四角形の絶縁性基板で構成されている。

【0025】

流路基板２１２には、センサ部２２を有する電極チップ２４を差込み可能な切欠き部２１４と、流路部２３を構成する試料液供給口２３１及び試料液流路２３２を形成するための溝２１５が形成されている。本実施形態では、３つの切欠き部２１４が形成されている。

【0026】

切欠き部２１４は、流路基板２１２の第１側面２１２ａに開口しており、電極チップ２４の幅寸法よりもわずかに大きい幅寸法で形成されている。切欠き部２１４がベース基板２１１とカバー基板２１３とで覆われることで、電極チップ配置部２１６が形成されている。

【0027】

溝２１５は、流路基板２１２の一表面に形成されており、流路基板２１２の第１側面２１２ａに対向する第２側面２１２ｂから第１側面２１２ａへ向かって延び、中途部で３本に分岐されて、３つの切欠き部２１４に繋がっている。溝２１５がカバー基板２１３で覆われることで、基材２１の外面（流路基板２１２の第２側面２１２ｂ）に開口した試料液供給口２３１と、同一の試料液を試料液供給口２３１から複数のセンサ部２２に導く試料液流路２３２とを有する流路部２３が形成されている。

【0028】

ベース基板２１１、流路基板２１２及びカバー基板２１３を構成する絶縁性基板の材質は特に限定されず、例えば、ガラス、石英ガラス、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ＡＢＳ樹脂（ＡＢＳ）、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）などを挙げることができる。また、絶縁性基板の形状、厚み及び大きさは、特に限定されない。

【0029】

また、試料液供給口２３１及び試料液流路２３２の寸法は、試料液を毛細管現象によって試料液供給口２３１から試料液流路２３２に導入してセンサ部２２に導くことができる寸法であればよい。また、試料液流路２３２の内壁面（溝２１５の内壁面及びカバー基板２１３の流路基板２１２との接合面）に、濡れ性を向上させる親水性処理層を形成するようにしてもよい。

【0030】

図３及び図４に示すように、電気化学分析チップ２の基材２１は、ベース基板２１１、流路基板２１２及びカバー基板２１３をこの順序で積層し、一体化することで形成される。ベース基板２１１と流路基板２１２との接合、及び、流路基板２１２とカバー基板２１３との接合には、例えば接着剤や熱融着を使用できる。

【0031】

基材２１の電極チップ配置部２１６には、センサ部２２を有する電極チップ２４が取り付けられる。電極チップ２４は平板状の絶縁性の基板２４１を備え、基板２４１上に作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４が互いに絶縁されて設けられている。基板２４１は平面視で略長方形の形態を有している。作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４は、基板２４１の長手方向の一端近傍から他端近傍にわたって設けられている。作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４の長手方向中途部は、基板２４１上に形成された絶縁層２４５で覆われている。作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４の一端側はセンサ部２２を構成している。

【0032】

電極チップ２４の一端側が基材２１の電極チップ配置部２１６に差し込まれることで、センサ部２２（作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４の一端側）が、電極チップ配置部２１６の内部に配置される。電極チップ配置部２１６の内壁と電極チップ２４との間には、毛細管現象によって流路部２３に導入された試料液が、毛細管現象によって電極チップ配置部２１６の開口側（第１側面２１２ａ側）へ浸透する程度の小さな隙間が形成されている。

【0033】

なお、電極チップ配置部２１６の内壁と電極チップ２４との間の隙間の大きさは、試料液が毛細管現象によって試料液流路２３２から電極チップ配置部２１６の開口に向けて浸透する程度の大きさであれば、特に限定されない。また、電極チップ配置部２１６の内壁面（切欠き部２１４の内壁面、ベース基板２１１の流路基板２１２との接合面、及びカバー基板２１３の流路基板２１２との接合面）に濡れ性を向上させる親水性処理層を形成するようにしてもよい。

【0034】

電極チップ２４の他端側に位置する作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４の他端側は、基材２１の外部に配置され、コネクタ８及びケーブル９（図２参照）を介してポテンショスタット３（図１参照）に電気的に接続される。電極チップ２４は、コネクタ８に着脱可能に取り付けられる。

【0035】

電気化学分析チップ２の試料液供給口２３１に試料液が供給されると、試料液は、毛細管現象によって、試料液流路２３２内を３つの電極チップ配置部２１６（切欠き部２１４）のそれぞれに向かって流れ、各電極チップ配置部２１６に導入される。電極チップ配置部２１６に導入された試料液は、毛細管現象によって、電極チップ配置部２１６と電極チップ２４との間の隙間を電極チップ配置部２１６の開口側（第１側面２１２ａ側）へ向かって流れ、電極チップ２４のセンサ部２２に接触する。

【0036】

図１～図４に示すように、本実施形態の電気化学分析チップ２は、複数の電極２４２，２４３，２４４を有するとともに絶縁性の基材２１に設けられたセンサ部２２と、基材２１に設けられて試料液をセンサ部２２に導く流路部２３とを備えている。基材２１に複数のセンサ部２２が設けられており、流路部２３は、基材２１の外面に開口した試料液供給口２３１と、同一の試料液を試料液供給口２３１から複数のセンサ部２２に導く試料液流路２３２とを備えている。

【0037】

電気化学分析チップ２によれば、試料液流路２３２によって同一の試料液を試料液供給口２３１から複数のセンサ部２２に導くことができるので、１回のサンプリング操作で複数のセンサ部２２に同一の試料液を接触させることができる。これにより、微量の試料液であっても１回のサンプリング操作で複数項目の測定を行えるようになる。

【0038】

電気化学分析チップ２において、流路部２３は、１つの試料液供給口２３１に繋がる複数の試料液流路２３２を備えている。これにより、１つの試料液供給口２３１に試料液を接触させるだけで、複数のセンサ部２２に試料液を導入できるので、サンプリング操作が容易であるとともに、サンプリング操作に要する時間を短時間化できる。

【0039】

電気化学分析チップ２において、センサ部２２は、基材２１に装着可能な電極チップ２４に設けられている。基材２１は、基材２１の外面に開口して電極チップ２４が挿入される電極チップ配置部２１６を備えている。電極チップ配置部２１６に試料液流路２３２が繋がっているとともに、電極チップ配置部２１６の内壁と電極チップ２４との間に、試料液が毛細管現象によって試料液流路２３２から電極チップ配置部２１６の開口に向けて浸透する隙間が設けられている。これにより、測定項目に応じて電極チップ２４を交換することで、多数の測定項目に対応可能とできるので、電気化学分析チップ２の汎用性が向上する。

【0040】

次に、図５及び図６も参照しながら、センサ部２２を有する電極チップ２４の電極について説明する。電極チップ２４の基板２４１の少なくとも一表面は、平坦な絶縁性材料で形成されている。基板２４１としては、例えば、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリイミドフィルム、ガラス基板、エポキシガラス（ガラエポ）基板などである。ただし、基板２４１の材料は、これらに限定されず、セラミックスや石英ガラスなどであってもよい。

【0041】

電極チップ２４において、作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４のそれぞれは、基板２４１の上に形成された金属層２５１と、基板２４１上に金属層２５１を覆って形成された炭素層２５２と、基板２４１と金属層２５１との間に形成された下部接着層２５３と、金属層２５１の上面と炭素層２５２との間に形成された上部接着層２５４とを備えている。参照電極２４４の一端側の炭素層２５２上面に、銀塩化銀層２５５が形成されている。

【0042】

下部接着層２５３は、基板２４１と金属層２５１との剥離を防止する薄膜であり、例えばシリコンで形成されている。下部接着層２５３の材料としては、基板２４１及び金属層２５１との密着性が良好なものであればよく、シリコンの他、例えば、クロム、チタン（炭素と共有結合する金属）などを使用できる。

【0043】

金属層２５１は、炭素層２５２よりも電気抵抗率が低い材料で形成されており、下部接着層２５３の上に形成されている。金属層２５１は、作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４のそれぞれの一端と他端との間の電気抵抗を下げるためのものである。金属層２５１の材料としては、例えば、銀、ルテニウム、タンタル、チタン、銅、アルミニウム、白金、ニオブ、ジルコニウム、若しくはこれらの元素の合金、又はこれらの元素と炭素との合金などを使用できる。

【0044】

上部接着層２５４は、金属層２５１の上面に形成されており、金属層２５１の上面と炭素層２５２との剥離を防止する薄膜であり、シリコンで形成されている。

【0045】

炭素層２５２は、下部接着層２５３、金属層２５１及び上部接着層２５４を覆うようにして基板２４１上に形成されている。炭素層２５２は、例えばアモルファスカーボン、又はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）で形成されている。また、炭素層２５２は、平面視で下部接着層２５３、金属層２５１及び上部接着層２５４の輪郭を囲うように形成されており、炭素層２５２の下面周縁部は基板２４１に接触している。下部接着層２５３、金属層２５１及び上部接着層２５４は、基板２４１と炭素層２５２とで囲われることで、周囲雰囲気から隔離されている。

【0046】

炭素は、次のような特性を有するので、金属層２５１を保護する炭素層２５２の使用に適している。（１）３０００℃の真空中（５００℃の空気中）でも優れた安定性をもつ、（２）化学薬品に侵されにくい、（３）ガスや溶液を透過しない、（４）優れた硬度、強度をもつ、（５）優れた電気伝導度性をもつ、（６）金属塩などの湿潤に抵抗がある、（７）血液や組織適合性が良好である、（８）物理特性、化学特性の等方性がある。

【0047】

下部接着層２５３、金属層２５１、上部接着層２５４及び炭素層２５２の製造方法としては、各層の形状及び膜厚を高精度に制御できることから、蒸着法であることが好ましい。ここで、蒸着法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法などの、いわゆる物理気相成長法（ＰＶＤ）や、いわゆる化学的気相成長法（ＣＶＤ）を使用できる。ただし、各層の製造方法は、蒸着法に限定されず、スクリーン印刷法やインクジェット印刷法などの印刷法であってもよい。

【0048】

本実施形態において、電極２４２，２４３，２４４は、絶縁性の基板２４１の上に形成された金属層２５１と、基板２４１上に金属層２５１を覆って形成された炭素層２５２と、基板２４１と金属層２５１との間に形成された下部接着層２５３と、を備えている。電極２４２，２４３，２４４は、金属層２５１を有することで電気抵抗を低くして、測定感度を向上できる。また、金属層２５１を炭素層２５２で覆うことで、金属層２５１の酸化還元を防止でき、測定感度及び再現性を向上できる。さらに、金属層２５１の上面と炭素層２５２との間にシリコンからなる上部接着層２５４を設けることで、金属層２５１と炭素層２５２との密着性を向上させるとともに、シリコンは金属に比べて電気抵抗率が高いことから測定中における金属層２５１の上面での水素の発生を抑制できる。これにより、基板２４１と金属層２５１との剥離を防止して、測定感度及び再現性を向上できる。

【0049】

また、電極２４２，２４３，２４４は、基板２４１と金属層２５１との間に形成された下部接着層２５３を備えているので、測定中における基板２４１と金属層２５１との密着性の低下を防止でき、測定感度及び再現性を向上できる。

【0050】

また、金属層２５１、炭素層２５２及び接着層２５３，２５４は、蒸着法で形成されたものであって、金属層２５１及び接着層２５３，２５４は平面視で同じ形状に形成されており、炭素層２５２は平面視で金属層２５１及び接着層２５３，２５４の輪郭を囲うように形成されている。各層２５１，２５２，２５３，２５４を蒸着法で形成することで、各層２５１，２５２，２５３，２５４の形状及び膜厚を高精度に制御でき、電極２４２，２４３，２４４のそれぞれについて、全体の電気抵抗の安定性を向上できる。

【0051】

また、下部接着層２５３はシリコンで形成されている。シリコンは、ガラスとの密着性及び金属との密着性がよいので、金属層２５１と基板２４１との密着性を強くできる。また、上部接着層２５４もシリコンで形成されている。シリコンは、金属との密着性及び炭素との密着性がよいので、金属層２５１と炭素層２５２との密着性を強くできる。

【0052】

センサ部２２は、作用電極２４２と参照電極２４４と対極２４３とを備えているので、３電極方式の電気化学測定に適用できる。そして、作用電極２４２、参照電極２４４及び対極２４３について、電気抵抗を低くでき、金属層２５１の酸化還元を防止でき、かつ、金属層２５１の剥離を防止できるので、測定感度及び再現性を向上できる。

【0053】

なお、センサ部２２は、作用電極２４２と参照電極２４４とを使用する２電極方式の電気化学測定で使用する２つの電極を備えたものであってもよい。そして、作用電極と参照電極の両方が金属層、炭素層及び接着層を有する電極で構成されているようにすれば、作用電極及び参照電極の両方について、電気抵抗を低くでき、金属層の酸化還元を防止でき、かつ、金属層の剥離を防止できるので、測定感度及び再現性を向上できる。

【0054】

また、センサ部２２の作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４は、上記構造に限定されず、例えば、銀、白金、金、アルミニウム、パラジウムなどの金属材料の単層構造、もしくは炭素などの導電性材料の単層構造、又はこれらの材料のうちの複数を積層した積層構造であってもよい。また、電極２４２，２４３，２４４において、下部接着層２５３は設けられていなくてもよい。

【0055】

図１に示すように、ポテンショスタット３は、電極チップ２４の作用電極２４２の電位が参照電極２４４に対して一定になるように制御するとともに、作用電極２４２と対極２４３との間に流れる電流を測定可能に構成されている。ポテンショスタット３は、概略構成として、演算制御部３１、電圧印加部３２及び電流検出部３３を備えている。

【0056】

演算制御部３１は、電気化学測定で得られた測定値を用いて所定の演算処理を行なうとともに、操作部４を介して入力されたユーザからの指令に基づいて、電圧印加部３２に必要な信号を送信したり、表示部５に測定結果等の情報を表示させたりする機能である。演算制御部３１は、例えばマイクロコンピュータが所定のプログラムを実行することによって実現される。

【0057】

電圧印加部３２は、演算制御部３１からの測定開始の信号を受信したときに、電極チップ２４の作用電極２４２と対極２４３との間に所望の波形の電圧を印加して、作用電極２４２と参照電極２４４との間の電位が所望の電位になるように制御するように構成されている。

【0058】

電流検出部３３は、電極チップ２４の作用電極２４２と対極２４３との間を流れる電流の大きさを検出するように構成されている。電流検出部３３が検出した電流の大きさに関する信号は演算制御部３１に取り込まれる。

【0059】

演算制御部３１は、電流検出部３３から取り込んだ信号の基づき、例えば予め用意された検量線を用いて、試料溶液中の特定成分濃度等の計算を行ない、測定結果を表示部５に表示するように構成されている。

【0060】

電気化学測定装置１において、操作部４は、電源のオン・オフや測定の開始、表示部５に表示される情報の変更といった操作をユーザが行なうための入力装置である。表示部５は、例えば液晶ディスプレイによって実現されるものである。なお、表示部５をタッチパネルで構成し、表示部５に操作部４の機能を兼ね備えさせてもよい。電源部６は、例えば乾電池や蓄電池などによって実現することができる。電源部６により、ポテンショスタット３や表示部５へ必要な電力が供給される。

【0061】

また、ポテンショスタット３には、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）端子といった有線通信手段や無線通信手段によってパーソナルコンピュータ等の外部機器へ情報を出力することができるように、外部出力部７が接続されてもよい。その場合、演算制御部３１は、外部出力部７を介して測定データ等を外部機器へ出力するように構成されている。

【0062】

なお、操作部４、表示部５、電源部６及び外部出力部７は、例えば、ノートパソコンやタブレットなどのモバイルコンピュータで実現されるようにしてもよい。さらに、ポテンショスタット３として小型のもの（例えば小型ポテンショスタット「ｍｉｎｉＳＴＡＴ１００」（バイオデバイステクノロジー製））を用いるようにすれば、電気化学測定装置１を持ち運び可能に構成できる。これにより、電気化学測定装置１を使用したオンサイト（現場）での試料液の測定が可能になる。

【0063】

電気化学測定装置１を使用した電気化学測定は、電気化学分析チップ２のセンサ部２２に試料液が接触された状態で行われる。すなわち、電気化学分析チップ２の試料液供給口２３１に試料液が接触され、試料液流路２３２及び電極チップ配置部２１６に試料液が導入された状態で、測定が行われる。

【0064】

次に、電極チップ２４の作製例について説明する。基板２４１としての厚さ２５００ｎｍ（２.５μｍ）程度のガラス基板の上に、スパッタリング法により、下部接着層形成領域に対応する開口パターンを有するメタルマスクを用いて厚さ２０ｎｍ程度のシリコン層を下部接着層２５３として形成した。なお、シリコンからなる下部接着層２５３の膜厚は特に限定されない。

【0065】

そのメタルマスクの下部接着層形成領域に対応する開口パターンと同一開口パターンを有するメタルマスクを使用して、下部接着層２５３上に、スパッタリング法により厚さ１５０ｎｍ程度の銀層を金属層２５１として形成した。

【0066】

その後、下部接着層形成領域に対応する開口パターンと同一開口パターンを有するメタルマスクを使用して、金属層２５１上に、スパッタリング法により厚さ２０ｎｍ程度のシリコン層を上部接着層２５４として形成した。なお、シリコンからなる上部接着層２５４の膜厚は特に限定されない。

【0067】

ここでは、基板２４１をスパッタリング装置のチャンバー内に搬入した後、同一メタルマスクを用いて、基板２４１上に下部接着層２５３、金属層２５１、上部接着層２５４を、チャンバーから搬出せずに成膜した。これにより、下部接着層２５３、金属層２５１及び上部接着層２５４の成膜に要する時間を短縮できるとともに、各層の間への異物の付着を防止できる。また、金属層２５１及び接着層２５３，２５４は平面視で同じ形状に形成される。

【0068】

下部接着層２５３、金属層２５１及び上部接着層２５４の線幅（長手方向に直交する幅方向の寸法）は、０.６ｍｍ程度である。

【0069】

スパッタリング法により、下部接着層形成領域を囲う開口パターンを有するメタルマスクを使用して、下部接着層２５３、金属層２５１及び上部接着層２５４を覆うように、厚さ１０００ｎｍ程度の炭素層２５２を形成した。炭素層２５２の線幅は、１ｍｍ程度である。これにより、下部接着層２５３、金属層２５１、上部接着層２５４及び炭素層２５２をそれぞれ有する作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４を形成した。

【0070】

このように、蒸着法（ここではスパッタリング法）により、下部接着層２５３、金属層２５１、上部接着層２５４及び炭素層２５２を、開口パターンを有するメタルマスクを使用して形成することで、各層の成膜後にエッチング法やリフトオフ法によるパターニングが不要であり、製造コストを低減できる。

【0071】

参照電極２４４の一端側の炭素層２５２上面に、成膜法により、厚さ１００ｎｍ程度の銀層を成膜し、塩化処理して銀塩化銀層２５５を形成した。このようにして、電極チップ２４を作製した。

【0072】

電極チップ２４の各電極２４２，２４３，２４４において、金属層２５１の側面は炭素層２５２と接触しており、電気化学測定時には、炭素層２５２に浸透した水に起因して金属層２５１の側面での水素の発生が考えられるが、金属層２５１の膜厚は１５０ｎｍと非常に薄いことから、金属層２５１の側面で仮に水素が発生しても、その水素の量は極少量であり、測定に与える影響は小さいと考えられる。

【0073】

金属層２５１の膜厚は、特に限定されないが、５０ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下であることが好ましい。この範囲内にあると、金属層２５１の側面で発生する水素の量を少量に抑制しながら、電極２４２，２４３，２４４の全体の抵抗値を低減できるからである。なお、金属層２５１の膜厚が５０ｎｍよりも薄いと、電極２４２，２４３，２４４が高抵抗となって測定感度が低下する。また、金属層２５１の膜厚が１０００ｎｍよりも厚いと、金属層２５１の側面で発生する水素が測定に与える影響が大きくなる。特に、金属層２５１を蒸着法（例えばスパッタリング法）で成膜する場合には、金属層２５１の膜厚が１０００ｎｍよりも厚くなると、金属層２５１の成膜に要する時間が長くなり、生産効率が低下する。

【0074】

なお、１枚の基板２４１に複数の電極チップ２４の領域を設けて、複数の電極チップ２４を同時に形成した後、各電極チップ２４を個片化することで、製造コストを低減できる。

【0075】

次に、電極チップ２４を使用した測定例について説明する。１００ｐｐｍの鉛標準溶液（和光純薬工業株式会社）を蒸留水で１０００ｐｐｂ（＝１ｐｐｍ）に希釈したものをサンプルとして使用した。電極チップ２４の比較例として、電極チップ２４に対して接着層２５３，２５４を形成せずに、基板２４１上に金属層２５１と炭素層２５２を形成したものを作製し、比較チップとして使用した。

【0076】

ポテンショスタット３として小型ポテンショスタット「ｍｉｎｉＳＴＡＴ１００」（バイオデバイステクノロジー製）を使用した。微分パルスボルタンメトリー（ＤＰＶ）により電気化学測定を行った。ＤＰＶによる測定は、作用電極の電位を－１５００ｍＶから３００ｍＶに変化させていき、電位増加０.００４Ｖ、パルス振幅０.０５Ｖ、パルス期間０.２秒、掃引速度０.０２Ｖ／ｓで行った。電極チップ２４と比較チップの上に上記サンプルをそれぞれ２０μＬ程度滴下して測定を行った。得られた電流電位曲線を図７に示す。図７において、縦軸は電流、横軸は電位を示す。

【0077】

図７からわかるように、実施形態の電極チップ２４を使用した測定（実線Ａ参照）では、良好なＰｂピークが得られた。これに対して、比較チップを使用した測定（破線Ｂ参照）では、実施形態に比べてＰｂピークが小さく、Ａｇピークが大きくなることが確認された。

【0078】

図８は、測定後の電極チップ２４及び比較チップの作用電極２４２を基板２４１側から撮像した顕微鏡写真であり、（Ａ）は実施形態（電極チップ２４）を示し、（Ｂ）は比較例（比較チップ）を示す。

【0079】

図８からわかるように、（Ｂ）比較チップでは金属層２５１の剥離が観察されたが、（Ａ）実施形態の電極チップでは金属層及び下部接着層２５３の剥離は観察されなかった。

【0080】

このように、基板２４１と金属層２５１との間に下部接着層２５３を設けることで、基板２４１と金属層２５１との剥離を防止して、測定感度及び再現性を向上できることが確認された。

【0081】

電極チップ２４において、図９に示すように、シリコンからなる上部接着層２５４が金属層２５１の側面も覆うように形成されていてもよい。このような上部接着層２５４は、蒸着法（例えばスパッタリング法）によって形成できる。これにより、金属層２５１と炭素層２５２とが接触する領域を無くし、炭素層２５２に水が浸透しても、測定時における金属層２５１表面での水素の発生を防止できるとともに、金属層２５１と炭素層２５２の密着性を向上できる。これにより、炭素層２５２の剥離をより確実に防止できる。

【0082】

次に、図１０を参照して、電気化学分析チップの他の実施形態を説明する。図１０は、電気化学分析チップの他の実施形態を示す平面図である。なお、図１０では、カバー基板２１３の図示は省略している。

【0083】

この実施形態の電気化学分析チップ２Ａでは、流路部２３は、複数のセンサ部２２ごとに試料液供給口２３１と試料液流路２３２とを備えている。すなわち、流路基板２１２Ａの一表面に形成された３本の溝２１５は、互いに分離して設けられている。そして、３本の溝２１５の一端部で構成される３つの試料液供給口２３１は、基材２１Ａの外面（流路基板２１２Ａの第２側面２１２ｂ）に互いに近接配置されている。

【0084】

電気化学分析チップ２Ａによれば、センサ部２２ごとに試料液供給口２３１と試料液流路２３２とを設けることで、各センサ部２２に試料液を確実に導入できる。また、センサ部２２ごとに設けられた試料液供給口２３１が基材２１Ａの外面に互いに近接配置されていることで、それらの試料液供給口２３１に１回のサンプリング操作で試料液を確実に接触させることができ、サンプリング処理の確実性を向上できる。

【0085】

次に、図１１及び図１２を参照して、電気化学分析チップのさらに他の実施形態を説明する。図１１は、電気化学分析チップのさらに他の実施形態を示す平面図である。図１２は、同電気化学分析チップの分離斜視図である。なお、図１１では、カバー基板２１３Ｂの図示は省略している。

【0086】

この実施形態の電気化学分析チップ２Ｂでは、基材２１Ｂは、センサ部２２が形成されたベース基板２１１Ｂと、流路部２３を形成する流路基板２１２Ｂと、流路基板２１２Ｂを覆うカバー基板２１３Ｂとが積層されて構成されている。

【0087】

各センサ部２２は、上記実施形態の電気化学分析チップ２に設けられた電極チップ２４の電極２４２，２４３，２４４と同じ構成の作用電極２４２、対極２４３及び参照電極２４４の一端部で形成されている。電極２４２，２４３，２４４の他端部側は、ベース基板２１１Ｂの一側部に突設されたコネクタ接続部２１７の上に配置されている。

【0088】

流路基板２１２Ｂには、上記実施形態の電気化学分析チップ２に設けられた切欠き部２１４（図２及び３などを参照）に替えて、貫通孔からなる試料液収容部２１８が形成されている。試料液収容部２１８は、ベース基板２１１Ｂと流路基板２１２Ｂとを重ねた状態で、センサ部２２を囲う位置に形成されている。

【0089】

また、流路基板２１２Ｂには、上記実施形態の電気化学分析チップ２と同様に、試料液供給口２３１及び試料液流路２３２を形成するための流路部２３が形成されている。試料液流路２３２の試料液供給口２３１とは反対側の端部は、試料液収容部２１８につながっている。

【0090】

流路基板２１２Ｂに接合されるカバー基板２１３Ｂには、平面視で試料液収容部２１８と重なる位置に、空気孔２１９が形成されている。

【0091】

サンプリング操作によって、電気化学分析チップ２Ｂの試料液供給口２３１に試料液が供給されると、試料液は、毛細管現象によって、試料液流路２３２内を３つの試料液収容部２１８のそれぞれに向かって流れ、各試料液収容部２１８に導入され、各センサ部２２に接触する。このように、電気化学分析チップ２Ｂは、１回のサンプリング操作で複数のセンサ部２２に同一の試料液を接触させることができる。

【0092】

このような態様によれば、複数のセンサ部２２をベース基板２１１Ｂに一体化することで、電気化学分析チップ２Ｂの小型化が可能になる。なお、センサ部２２をベース基板２１１Ｂに一体化した構成は、センサ部２２ごとに試料液供給口２３１及び試料液流路２３２を設ける構成（図１０参照）にも適用可能である。

【0093】

本発明は、前述の実施形態に限らず、様々な態様に具体化できる。例えば、電気化学分析チップは、電極として作用電極２４２及び参照電極２４４を備え、対極２４３を備えていない構成であって、二電極方式の電気化学測定に適用可能な構成であってもよい。

【0094】

また、試料液供給口が配置される位置は、電気化学分析チップを構成する基材の側面に限定されず、試料液供給口は、基材の一平面（例えば、ベース基板２１１の流路基板２１２とは反対側の面、又はカバー基板２１３の流路基板２１２とは反対側の面）に配置されていてもよい。

【0095】

また、本発明の電気化学分析チップは、微分パルスボルタンメトリー（ＤＰＶ）に限らず、リニアスイープボルタンメトリー（ＬＳＶ）、クロノアンペアメトリー（ＣＡ）、サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）、短波形ボルタンメトリー（ＳＷＶ）などの方法にも適用可能である。

【符号の説明】

【0096】

２、２Ａ，２Ｂ 電気化学分析チップ
２１，２１Ａ，２１Ｂ 基材
２２ センサ部
２３ 流路部
２４ 電極チップ
２１１，２１１Ａ，２１１Ｂ ベース基板
２１２，２１２Ａ，２１２Ｂ 流路基板
２１２ｂ 第２側面（基材の外面の一例）
２１３，２１３Ｂ カバー基板
２１６ 電極チップ配置部
２３１ 試料液供給口
２３２ 試料液流路
２４２ 作用電極（電極の一例）
２４３ 対極（電極の一例）
２４４ 参照電極（電極の一例）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】