JPH02266253A - 分析・試験・計測用等電極およびこれを使用した酵素センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、感度が高く、使用範囲か広く、小型化も容易
で、生体適合性にすぐれた電極およびこの電極を使用し
た酵素センサーに関する。

［従来の技術と発明か解決しようとする課題］従来、酵
素を固定した膜と電極とで電子移行を行なわせ、酵素反
応を検出する酵素センサーが検討されている。

しかしながら、酵素センサーにおける電気化学的反応、
生化学的反応の測定用電極としては従来から金属や炭素
材料が用いられているが、耐蝕性や安定性、生体適合性
、小型化等の点て適当なものがない。

また、一般に従来の酵素センサーは感度か低く、安定性
も悪いと言う問題点かある。

具体的には、膜中にＧＯＤ　（グルコースオキシダーゼ
）を固定し、消費する酸素、あるいは生成する過酸化水
素をモニターする酵素センサーでは、感度が低い、安定
性が悪い、使用制限かあるなど１問題点が多い。

さらに酵素反応によってｐＨか変化する現象を利用する
ＦＥＴバイオセンサーも、感度か低いばカリでなく、Ｈ
ｏを放、出するものしか使用すルコとがてきないと言う
難点かある。

ところで、ダイヤモンドの特性に着目した電気化学的試
験・分析用電極として、イオン注入により導電性を付加
したダイヤモンドからなる電極が知られている（特開昭
５８−１６０８６（１号公報）。

しかし、この電極は、ダイヤモンドの表面を改質して導
電性を付与するものであるが、電極の導電性において均
質性に劣り、精度が低いうえに、電流の取り出しが困難
である。

［発明の目的］ 本発明の目的は、感度が高く、使用範囲が広く、電流の
取り出しも容易で、生体適合性にすぐれた酵素センサー
を始めとする各種電気化学的分析・試験・計測用等電極
とこれを使用した酵素センサー提供することにある。

［前記目的を達成するための手段］ 本発明の酵素センサーは、気相法により基体上に形成し
た不純物混入導電性ダイヤモンド類麿からなる分析・試
験・計測用等電極であり、また、気相法で基体上に形成
した不純物混入導電性ダイヤモンド類電極を、酵素含有
導電性樹脂層で被覆してなることを特徴とする酵素セン
サーである。

以下、本発明について詳述する。

一基体一 この電極または酵素センサーにおける基体としては、絶
縁性、耐熱性を備え、しかもその表面上にダイヤモンド
類層の形成可能なものであれば、特に制限がなく、目的
に応じて適宜に選定することができる。

前記基体として、たとえばシリコン、マンガン、バナジ
ウム、タリウム、アルミニウム、チタン、タングステン
、モリブデン、ゲルマニウムおよびクロムなどの金属の
酸化物、窒化物および炭化物、Ａ１．Ｑ、−Ｆｅ系、Ｔ
ｉＣ−Ｎｉ系、Ｔｉｃ−（ｑ系およびＢ、Ｃ−Ｆｅ系等
のサーメットならびに各種セラミックス等を挙げること
ができる。

これらの中でも好ましいのは、５ｉ０２である。

なお、これらの基体は、気相合成法で形成されたダイヤ
モンド類電極との密着性をさらに向上させるための表面
処理もしくはコーティング処理が施されていてもよく、
また、たとえばアルミナ、シリコン等の絶縁性中間層を
設けても良く、このような処理を適宜施すことによって
ダイヤモンド類電極と基体との密着性等をさらに向上さ
せることもてきる。

基体の形状についても特に制限がないのであるか１通常
は平板状である。

一不純物混入導電性ダイヤモンド類電極−本発明の電極
または酵素センサーは、不純物混入導電性ダイヤモンド
類電極を有する。

不純物混入導電性ダイヤモンド類電極は、ダイヤモンド
類層中にドーピングされた不純物を含有する。

前記不純物として、たとえば、Ｂ、Ａ！；Ｌ、Ｇａ、Ｉ
ｎおよびＴ１等の周期表第ｍｂ族元素やＮ、Ｐ、Ｓｂ、
Ｂｉ等の周期表第ｖｂ族元素を挙げることができる。

これらの中でも好ましいのは、Ｂである。

この不純物混入導電性ダイヤモンド類電極の厚みは、通
常、　１．．０００〜１０ｇｍであり、特に２，０００
〜５，０００人である。

一不純物混入導電性ダイヤモンド類層の形成−不純物含
有導電性ダイヤモンド類層は次のようにして形成するこ
とができる。

すなわち、第ｍｂ族元素あるいは第ｖｂ族元素の単体お
よび／またはその化合物の少なくとも一種を含有する炭
素源ガスを励起して得られるガスを、基体と接触させる
。

使用に供される前記炭素源ガスに含有される前記周期表
第ｍｂ族元素あるいは第ｖｂ族元素の単体およびその化
合物の少なくとも一種は１通常、ドーパントガスとして
使用に供される。

前記第ｍｂ族元素あるいは第ｖｂ族元素の単体としては
前述のとおりである。

また、それらの化合物としては、たとえばＢ、Ａｎ、Ｇ
ａ、　　Ｉ　ｎ、　Ｔ１．　Ｂ２Ｈ６、Ｂ４Ｈ＋ｏ、Ｃ
Ｈ，ＢＣＪＬ２．　［（ＣＨ：＋）ＡｉＢｒ、１２、Ｃ
Ｈｚ）、Ａ見Ｃ文、［（ＣＨ：＋）３Ａｉ　１２、Ｇａ
、）１．　、　（ＣＨ，）３Ｇｈ、（ＣＨ３）　２Ｇａ
Ｂ１１４、（ＣＩＩ３）３Ｉｎ、　　（ＣＨ：＋）＋Ｔ
Ｊｌ、Ｎ２、ＮＨ３、Ｐ）Ｉｉ　、　ＡｓＨ，、Ｎ、Ｈ
，、ＣＨＪｓＢｒｚ、ＣＨｉＡｓＨｔ　、　（ＣＨｚ）
　３ＡＳ。

（ＣＨ，）ユＢｉ、　ＳｂＨ：＋、ＣＩ　Ｃ）ＩｚＳｂ
Ｃ文、ＣＨ，ＳｂＨ，、（ＣＦ３）３Ｓｂなどが挙げら
れる。

前記第ｍｂ族元素の単体および第ｖｂ族元素の単体なら
びにその化合物は一種単独で使用してもよいし、二種以
上を併用してもよい。

前記炭素源ガスは前記第ｍｂ族元素の単体および／また
はその化合物の少なくとも一種とともに、炭素原料を含
有する。

前記炭素原料としては、各、Ｗ炭化水素、含ハロゲン化
合物、含酸素化合物、含窒素化合物等のガスを使用する
ことができる。

炭化水素化合物としては、例えばメタン、エタン、プロ
パン、ブタン等のパラフィン系炭化水素；エチレン、プ
ロピレン、ブチレン等のオレフィン系炭化水素：アセチ
レン、アリレン等のアセチレン系炭化水素；ブタジェン
等のジオレフィン系炭化水素；シクロプロパン、シクロ
ブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン等の脂環式炭
化水素；シクロブタジェン、ベンゼン、トルエン。

キシレン、ナフタレン等の芳香族炭化水素；塩化メチル
、臭化メチル、塩化メチレン、四塩化炭素等のハロゲン
化炭化水素などを挙げることができる。

含酸素化合物としては、例えばアセトン、ジエチルケト
ン、ベンゾフェノン等のケトン類；メタノール、エタノ
ール、プロパツール、ブタノール等のアルコール類；メ
チルエーテル、エチルエーテル、エチルメチルエーテル
、メチルプロピルエーテル、エチルプロピルエーテル、
フェノールエーテル、アセタール、環式エーテル（ジオ
キサン、エチレンオキシド等）のエーテル類；アセトン
、とナコリン、メチルオキシド、芳香族ケトン（アセト
フェノン、ベンゾフェノン等）、ジケトン、環式ケトン
等のケトン類；ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、
ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド等のアルデヒド類
；ギ酸、酢酸、プロピオン酸、コハク酸、酪酸、シュウ
酸、酒石酸、ステアリン酸等の有機酸類：酢酸メチル、
酢酸エチル等の酸エステル類：エチレングリコール、ジ
エチレングリコール等の二価アルコール類；−酸化炭′
素、二酸化炭素等を挙げることかできる。

含窒素化合物としては、例えばトリメチルアミン、トリ
エチルアミンなどのアミン類等を挙げることができる。

また、前記炭素原料として、単体ではないが、消防法に
規定される第４類危険物；ガソリンなどの第１石油類、
ケロシン、テレピン油、しょう脳油、松根油などの第２
石油類１重油などの第３石油類、ギヤー油、シリンダー
油などの第４石油類などのガスをも使用することができ
る。また前記各種の炭素化合物を混合して使用すること
もできる。

これらの炭素原料の中でも、常温で気体または蒸気圧の
高いメタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化水
素、エチレン、プロピレン等のオレフィン系炭化水素、
あるいはアセトン、ベンゾフェノン等のケトン類、メタ
ノール、エタノール等のアルコール類、−酸化炭素、二
酸化炭素ガス等の含酸素化合物が好ましい。

また、所望により、前記炭素原料とともに、水素ガス、
不活性ガス等のキャリヤーガスを用いることもできる。

前記炭素源ガスにおける前記第ｍｂ族元素の単体および
第ｖｂ族元素の単体ならびにその化合物の少なくとも一
種（以下、これらをドーパント元素と称することがある
。）の含有割合は、前記ドーパント元素と前記炭素原料
との割合［（ドーパント元素）／（炭素原料）モル比］
で、通常、１０１〜１０−１、好ましくは１０−７〜１
０−１である。この割合が１０−ａ未満であると、充分
な導電率を有する不純物混入導電性ダイヤモンド類層が
形成されないことがある。

一方、１０−１を超えると、ダイヤモンド類としての、
均質で良好な電極膜が得られず、たとえば酵素センサー
用電極としての適用が困難になることがある。

本発明においては、第１図に示すように、前記炭素源ガ
スを励起して得られるガスを、基体ｌに接触させて前記
基体上に不純物混入導電性ダイヤモンド類層２を形成す
る。

前記炭素源ガスを励起する手段としては、気相法により
結晶性ダイヤモンド（非品性カーボンを含んでいても良
い、）あるいはダイヤモンド状炭素を形成することので
きる方法であれば、特に制限はなく、たとえば直流また
は交流アーク放電によりプラズマ分解する方法、高周波
誘導放電によりプラズマ分解する方法、マイクロ波放電
によりプラズマ分解する方法（有磁場−ＣＶＤ法を含む
、）、光エネルギーにより分解する方法あるいはプラズ
マ分解をイオン室またはイオン銃で行なわせ、電界によ
りイオンを引き出すイオンビーム法、熱フィラメントに
よる加熱により熱分解する熱分解法（ＥＡＣＶＤ法を含
む、）、さらに燃焼炎法、スパッタリング法などのいず
れをも採用することができる。

本発明の方法においては、通常、以下の条件下に反応が
進行して、前記基体に不純物混入導電性ダイヤモンド類
層が形成される。

すなわち、前記基体の表面の温度は、前記炭素源ガスの
励起手段によって異なるので、−概に決定することはで
きないが、通常、常温〜１，２００℃、好ましくは常温
〜１，１００℃である。

前記の温度が、常温より低いと、不純物混入ダイヤモン
ド類層の析出速度が遅くなったり、析出物の均質性が失
われたりする。一方、１，２００’Ｃより高くしても、
それに見合った効果は奏されず、エネルギー効率の点で
不利になるとともに、形成された不純物混入ダイヤモン
ド類層がエツチングされてしまうことがある。

反応圧力は、通常、１０−’　〜１０’　ｔｏｒｒ、好
ましくは１０−’ｔｏｒｒ〜８００．ｔｏｒｒである。

反応圧力が１０−’ｔｏｒｒよりも低いと、不純物混入
ダイヤモンド類層の成膜速度が遅くなったり、不純物混
入ダイヤモンド類層が析出しなくなったりすることがあ
る。

一方、１０’　ｔｏｒｒより高くしてもそれに見合った
効果は奏されないことがある。

また、炭素源ガスを含む原料ガスの合計流量は１通常、
１〜１．０００３ＣＣＭ、好ましくはｌＯ〜５０口ｓｃ
ｃｗである。

反応時間は、前記基体の表面の温度、反応圧力、必要と
する不純物混入ダイヤモンド類層厚などにより相違する
ので一概に決定することはできないが、通常は、１０時
間以内とすることができる。

一不純物混入導電性ダイヤモンド類電極の形成−このよ
うにして基体１上に不純物含有導電性ダイヤモンド類［
２を積層したら、次にマスキングを施してエツチングを
行ない、第２図に示す如く基体１上に上記不純物混入導
電性ダイヤモンド類電極３を形成する。

前記エツチング処理は、不純物混入導電性ダイヤモンド
類層の表面にマスクを載置し、含酸素エツチングガスを
励起して得られるガスを、前記不純物混入導電性ダイヤ
モンド類層に接触させることにより、行なう。

前記含酸素エツチングガスとしては、酸素原子を含有す
るものであれば特に制限はなく、たとえば、酸素、空気
、−酸化炭素、二酸化炭素、水、過酸化水素、各種酸化
窒素などの含酸素ガスの他に、水素ガス、へロゲンガス
、窒素ガス、アルゴンガス等の他のガスとの混合ガスで
あってもよい、これらの含酸素ガスの中でも、酸素ガス
、空気含有ガスが好ましい。

前記含酸素エツチングガスの励起手段には、高周波プラ
ズマ放電法、ＲＦプラズマ放電法、ＤＣプラズマ放電法
、マイクロ波プラズマ放電法など（有磁場放電法を含む
。）を好適に採用することができる。

前記エツチングガスの反応容器への供給量としテハ、通
常、１〜１．０００３ＣＣＭ、好ましくは１０〜５００
　ＳＣＧ補である。

なお、前記供給量が、Ｉ　ＳＣＣＭ未満の場合にはエツ
チング速度が低下することがあり、１．０００３ＣＣＭ
を超える場合には、エツチングガスの励起手段として、
たとえばマイクロ波放電を採用するときには、その放電
が安定しなくなることかある。

前記不純物混入導電性ダイヤモンド類層の表面の温度は
、通常、常温〜ｌ　、ＺＯＯｏＣである。

反応圧力は１通常、】Ｏ−６〜１０’　ｔｏｒへ好まし
くは１０−５〜８００　ｔｏｒｒである。

なお、この反応圧力が１０−’ｔｏｒｒ未満であると、
エツチング速度が低下することがあり、また１０３ｔｏ
ｒｒを超えてもそれに相当する効果が得られないことが
ある。

前記エツチング処理に要する時間は、前記不純物混入導
電性ダイヤモンド類層の膜厚および反応条件によって異
なるので、−概に規定することはできないが、通常、５
分〜２時間程度にすることができる。

このように前記不純物混入導電性ダイヤモンド類層に励
起エツチングガスな接触することにより、不純物混入導
電性ダイヤモンド類電極が形成される ー酵素含有導電性樹脂層− この酵素含有導電性樹脂層は、たとえばポリピロール、
フェロセンポリマー、ポリチオフェン。

ポリフラン、ポリアニリン、ポリアセチレン等の導電性
樹脂に酵素を固定してなる。

前記導電性樹脂は、たとえば、電解重合、酸化重合等に
より製造することができる。

前記酵素としては生化学反応によって種々のものが選択
でき、たとえばフラビン系酵素、ヘム系酵素等を使用す
ることができ、また、たとえばＮＡＤＨの酸化反応に触
媒として作用させる場合には、ジアホラーゼが適当であ
る。

酵素の固定量は生化学反応の種類、酵素の種類等により
一概には決められないが、一般には導電性樹脂の重量に
対し０．０１〜１０％とするのがよい。

また、導電性樹脂層の厚みについても特に限定はされな
いが１通常は、０．１〜１００ｇｍとするのが適当であ
る。

本発明の酵素センサーは、第３図に示すように気相法で
基体ｌ上に形成した不純物混入導電性ダイヤモンド類電
極３を、酵素含有導電性樹脂層４で被覆してなり、一対
の不純物混入導電性ダイヤモンド類電極間に電圧を印加
しておくと、酵素反応の進行により電流が流れる。した
がって、この電流を検出することにより、酵素反応の種
類１反応速度等を検出することができる。

［実施例］ まず、５ｉ０２基体をマイクロ波プラズマＣ■Ｄ装置の
反応室内に設置した。

次いで、この反応室内に原料ガスとしてＣＯガスを７５
Ｃ（４、水素ガスを９３　ｓｅｃｍ　、　Ｂガス（ａ２
Ｈｓ、Ｈａを使用、）１９５ｐｐ−を添加し、反応室内
の圧力を４０Ｔｏｒｒ、　Ｓ　ｉ　Ｏを基体温度ｇ［１
０℃の条件下に周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源
を３５０Ｗに設定した。

この条件でプラズマ処理を３０分行なったところ、Ｓ　
ｓ　０２基体上に厚み３，０００人のＢ含有導電性ダイ
ヤモンド膜を形成することができた。

次にマスキングを施してｏ２によるエツチング処理を行
ない、中文が５ｐｍのダイヤモンド類電極を形成した。

さらに、この電極を含めて５１０２基体上にジアホラー
ゼを添加したポリピロール膜を被覆せしめ、最後に所定
の配線を施した。

得られた酵素センサーを、ＮＡＤＨを含む基質内に設置
し、酵素スイッチとしての評価を行なったとこイ、ＮＡ
ＤＨがポリピロール膜中の酵素によりＮＡＤ”となった
時点でスイッチがＯＦＦとなった（定常時はＯＮ）。

以上ダイヤモンド電極を使用した酵素センサーの例につ
いて説明したが、本発明の電極はその優れた特性から電
気化学的分析・試験・計測用等の電極として幅広く使用
することができる。

［発明の効果］ 本発明の電極は気相法で形成した均質性に優れた不純物
混入導電性ダイヤモンド電極であり、また、酵素センサ
ーは、気相法で形成した不純物混入導電性ダイヤモンド
類電極を介して、酵素含有導電性樹脂層が積層されてい
るため、感度が高く、使用範囲が広く、小型化も容易で
、生体適合性にすぐれている。したがって医療計測分野
に大きな貢献をするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は、本発明の酵素センサーを得るための
工程を示す。 １・・・基体、２・・・不純物混入導電性ダイヤモンド
類層、３・・・不純物混入導電性ダイヤモンド類電極、
４・・・酵素含有導電性樹脂層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）気相法により基体上に形成した不純物混入導電性
   ダイヤモンド類からなる分析・試験・計測用等電極。
2. （２）気相法で基体上に形成した不純物混入導電性ダイ
   ヤモンド類電極を、酵素含有導電性樹脂層で被覆してな
   ることを特徴とする酵素センサー。