JPH0227251A - Small organism electrode and manufacture thereof - Google Patents

Small organism electrode and manufacture thereof

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JPH0227251A
JPH0227251A JP63178516A JP17851688A JPH0227251A JP H0227251 A JPH0227251 A JP H0227251A JP 63178516 A JP63178516 A JP 63178516A JP 17851688 A JP17851688 A JP 17851688A JP H0227251 A JPH0227251 A JP H0227251A
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JP
Japan
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substrate
hole
electrolyte
electrode
microorganisms
Prior art date
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JP63178516A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Suzuki
博章 鈴木
Naomi Kojima
小嶋 尚美
Fumio Takei
文雄 武井
Akio Sugama
明夫 菅間
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enable selective fixing of a microorganism at a fine place by filling a hole formed on the surface of a substrate with a solution only containing material for formation of a gel to dip it into a solution containing a microorganism and a gelatinization promoting material for gelatinization. CONSTITUTION:A hole 5 is made on an Si substrate 1 by an anisotropic etching and gold electrodes 3A and 3B upto the surface of the substrate 1 from the bottom of the hole 5 are formed through an insulation film (SiO2) 2. A negative type photo resist 4 is covered excluding the part of the hole 5 and after the back of the substrate 1 is covered with a hydrophobic insulation film 7, the substrate 1 is immersed into an aqueous solution (liquid A) of sodium arginate containing an electrolyte to fill the inside of the hole 5 with the liquid A. Moreover, the substrate 1 in this condition is emmersed into a CaCl2 aqueous solution containing an independent nourishing germ with which the electrolyte and CO2 are made conductive to gelatinize 6 the liquid A. Then, after the CaCl2 aqueous solution unreacted and the microorganism are washed with water, the entire surface of the substrate 1 (except for a exposed part) is covered with a gas permeable film 14 thereby enabling the manufacture of a massproducible small CO2 electrode with a safe construction.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 小型二酸化炭素電極に関し、小型かつ低価格で大量生産
可能な二酸化炭素電極を提供することを目的とし、基板
と、該基板の表面上に異方性エツチングによりあけられ
た穴と、前記基板上に絶縁膜を介して形成されたもので
あって、前記穴の底部から前記基板の表面に至る2本の
電極と、前記穴の内部に満たされた微生物を含有する電
解液含有多孔性物質と、前記穴を被覆し閉塞するガス透
過性膜とを有する小型微生物電極において、該電解液含
有多孔性物質が独立栄養細菌を含有するアルギン酸金属
塩のゲルであるように小型微生物電極を構成する。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] Regarding a small carbon dioxide electrode, the purpose of the present invention is to provide a carbon dioxide electrode that is small and can be mass-produced at low cost. A drilled hole, two electrodes formed on the substrate via an insulating film and extending from the bottom of the hole to the surface of the substrate, and microorganisms filled inside the hole. A small microbial electrode comprising an electrolyte-containing porous material and a gas-permeable membrane covering and closing the holes, wherein the electrolyte-containing porous material is a gel of alginate metal salt containing autotrophic bacteria. Configure a small microbial electrode as follows.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は小型微生物電極に関し、特に小型かつ低価格で
大量生産可能な二酸化炭素電極およびそれの製造方法に
関する0本発明の二酸化炭素センサは、アンペロメトリ
ックに二酸化炭素を計測でき、しかも微小化・大量生産
が容易であると言う点で画期的であり、医療、環境、醗
酵工業プロセスをはじめとする数多くの計測分野におい
て有利に使用することができる。本発明のセンサ、すな
わち、微生物電極において用いることのできる微生物は
、二酸化炭素を資化することが可能な微生物、好ましく
はシュードモナス属に属する菌体である。
The present invention relates to a small microbial electrode, and in particular to a small, low-cost, mass-producible carbon dioxide electrode and a method for manufacturing the same. It is revolutionary in that it can be easily mass-produced, and can be advantageously used in many measurement fields including medicine, the environment, and fermentation industrial processes. The microorganism that can be used in the sensor of the present invention, that is, the microorganism electrode, is a microorganism that can assimilate carbon dioxide, preferably a microorganism belonging to the genus Pseudomonas.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

計測の分野において、二酸化炭素の計測が重要であるこ
とは、周知の通りである。従来、二酸化炭素計測用のセ
ンサとしては、特に体液(血液)中の二酸化炭素成分の
測定を目的として、ポテンシオメトリーに基づく二酸化
炭素電極が開発され、そして実際に用いられている(こ
のタイプの二酸化炭素電極についての詳細は、例えば、
 JJ。
In the field of measurement, it is well known that measuring carbon dioxide is important. Conventionally, carbon dioxide electrodes based on potentiometry have been developed and actually used as sensors for measuring carbon dioxide, especially for the purpose of measuring carbon dioxide components in body fluids (blood). For more information about carbon dioxide electrodes, see e.g.
J.J.

Severinghausおよび^、 F、 Brad
ley 、 J、Appl。
Severinghaus and ^, F, Brad
ley, J., Appl.

Physiol、、 13.515 (1958)を参
照されたい)、シかし、このボテンシコメトリックな方
式の二酸化炭素電極は、その構成に起因して、測定に際
して発生するいろいろな問題点を有する。例えば、この
方式では、夾雑物質の影響をうけやすい、感度がネルン
ストの式により左右されるためにあるレベル以上の感度
の向上をはかることができない、などの問題点がある。
Physiol, 13.515 (1958)) However, this potentiometric type carbon dioxide electrode has various problems that occur during measurement due to its configuration. For example, this method has problems such as being susceptible to the influence of contaminants and being unable to improve sensitivity beyond a certain level because sensitivity is influenced by the Nernst equation.

この点を解決するために、本発明者らは、独立栄養細菌
をクラーク型酸素電極のカソード近傍に固定した構造を
有するアンペロメトリックな二酸化炭素電極を開発した
く特開昭62−80549号)、シかし、この二酸化炭
素電極はトランスデユーサとして酸素電極を使用してい
るため、この酸素電極の構造上、例えば、フォトリソグ
ラフィーを利用した微小化、多機能化、コストダウンな
どを実現することが非常に難しかった。
In order to solve this problem, the present inventors would like to develop an amperometric carbon dioxide electrode having a structure in which autotrophic bacteria are immobilized near the cathode of a Clark-type oxygen electrode (Japanese Patent Laid-Open No. 62-80549). However, since this carbon dioxide electrode uses an oxygen electrode as a transducer, the structure of this oxygen electrode makes it possible to achieve miniaturization, multifunctionalization, cost reduction, etc. using photolithography, for example. That was extremely difficult.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

本発明は特開昭62−80549号の原理を活かした二
酸化炭素電極を微小化するものである。 特開昭62−
80549号に開示された原理にもとづく二酸化炭素電
極を小型化しようとする場合、まず第一に、この二酸化
炭素電極内にトランスデユーサとして使用される酸素電
極の小型化が実現されなければならない。
The present invention utilizes the principle of JP-A No. 62-80549 to miniaturize a carbon dioxide electrode. Unexamined Japanese Patent Publication 1986-
In order to miniaturize a carbon dioxide electrode based on the principles disclosed in 80549, first of all, a miniaturization of the oxygen electrode used as a transducer within this carbon dioxide electrode must be realized.

また、微生物と酸素電極を利用した小型二酸化炭素電極
を作製するにあたっては、微生物を微小な箇所にいかに
して選択的にかつ効率良く固定するかが問題となる。こ
の固定法については、当初特願昭62−148221号
に開示した方法を応用し、たとえば、アクリルアミド水
溶液中に微生物を混ぜておき、ネガ型フォトレジストと
基板の親水性と疎水性の差を利用して、微小な箇所に固
定する方法を考えた。しかし、この方法を詳細に検討し
てみると、微生物がアクリルアミド水溶液中に混入して
いると、親水性と疎水性に関係なく、この水溶液がどこ
にでも付着してしまうことがわかり、現実には、この方
法が微生物の微小な箇所への選択的固定には使用できな
いことがわかった。
Furthermore, in producing a small carbon dioxide electrode using microorganisms and an oxygen electrode, the problem is how to selectively and efficiently immobilize microorganisms in minute locations. For this fixation method, the method originally disclosed in Japanese Patent Application No. 148221/1980 is applied, for example, by mixing microorganisms in an aqueous acrylamide solution and taking advantage of the difference between the hydrophilicity and hydrophobicity of the negative photoresist and the substrate. Then, we devised a way to fix it in a tiny spot. However, when we examine this method in detail, we find that if microorganisms are mixed into the acrylamide aqueous solution, this aqueous solution will adhere anywhere, regardless of whether it is hydrophilic or hydrophobic. It was found that this method could not be used to selectively immobilize microorganisms in minute locations.

さらに構造上の問題点として、この二酸化炭素電極を、
例えば体内等で使用する場合には、いかにして微生物の
漏出をふせぎ、安全な構造とするかが問題となる。
Furthermore, as a structural problem, this carbon dioxide electrode,
For example, when used inside the body, the problem is how to prevent leakage of microorganisms and create a safe structure.

本発明の目的は、したがって、微生物の微小な箇所への
選択的固定が可能で、また微生物の漏出をふせぎ、安全
な構造の、微生物を小型酸素電極のガス透過性膜内部に
、電解液とともにゲル中に固定した、小型かつ低価格で
大量生産可能な微生物電極およびその製造方法を提供す
ることにある。
Therefore, an object of the present invention is to place microorganisms inside a gas-permeable membrane of a small oxygen electrode together with an electrolyte in a structure that allows selective immobilization of microorganisms in minute locations, prevents leakage of microorganisms, and has a safe structure. The object of the present invention is to provide a microbial electrode fixed in a gel that is small, inexpensive, and mass-producible, and a method for manufacturing the same.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明は、その1つの面によれば、例えば、体液のよう
な溶液中あるいは空気中の二酸化炭素の濃度を測定する
ための計測用センサであって、酸素電極と、該酸素電極
のカソード近傍に固定されたものであって前記二酸化炭
素を選択的に資化可能な微生物と電解質を含むゲル、お
よび、これを被覆したガス透過性膜を組み合わせて含ん
でなることを特徴とする二酸化炭素計測用センサにある
また、本発明はもう1つの面によれば、このような二酸
化炭素センサを微小化し、−括大量生産するための作製
方法および微生物の固定方法である。
According to one aspect, the present invention is a measurement sensor for measuring the concentration of carbon dioxide in a solution such as a body fluid or in the air, the sensor comprising an oxygen electrode and a cathode of the oxygen electrode. A carbon dioxide measurement method comprising a gel containing microorganisms and an electrolyte that are fixed to a carbon dioxide and can selectively assimilate the carbon dioxide, and a gas permeable membrane covering the same. According to another aspect of the present invention, there is provided a manufacturing method and a method for immobilizing microorganisms for miniaturizing such a carbon dioxide sensor and mass-producing it in bulk.

即ち、シリコン基板上に異方性エツチングにより穴をあ
け、前記穴の底部から前記基板の表面に至る2本の電極
を絶縁膜を介して形成し、液穴の部分を除いてネガ型フ
ォトレジストを被覆し、基板裏面を疎水性絶縁膜で被覆
した後、電解質含有アルギン酸ナトリウム水溶液中に浸
漬して穴の内部のみにこの水溶液を満たし、さらにこの
状態の基板を電解質および独立栄養細菌含有塩化カルシ
ウム水溶液中に浸漬して前記アルギン酸ナトリウム水溶
液をゲル化し、未反応の塩化カルシウム水溶液および微
生物を水で洗い流した後、ガス透過性膜をデイツプコー
ティングにより形成することを特徴とする小型二酸化炭
素電極の作製方法にある二酸化炭素電極の小型化の基本
となる酸素電極の小型化については、本発明者らが特許
出願した(特願昭62−71739号)フォトリソグラ
フィーを利用した小型酸素電極がある。この酸素電極は
、シリコン基板上に異方性エツチングにより形成した穴
の上に、絶縁膜を介して2本の電極を形成し、さらにこ
の穴の内部に電解液含有体を収容し、そして最後に穴の
上面をガス透過性膜で覆った構造を有する酸素電極であ
る。この酸素電極は、小型で、特性のばらつきが少なく
、また−括大量生産ができるために、低コストである。
That is, a hole is made on a silicon substrate by anisotropic etching, two electrodes are formed from the bottom of the hole to the surface of the substrate via an insulating film, and a negative photoresist is formed except for the liquid hole. After coating the back side of the substrate with a hydrophobic insulating film, it is immersed in an electrolyte-containing sodium alginate aqueous solution, filling only the inside of the hole with this aqueous solution, and then the substrate in this state is coated with an electrolyte and autotrophic bacteria-containing calcium chloride. A small carbon dioxide electrode characterized in that the sodium alginate aqueous solution is gelled by immersion in an aqueous solution, unreacted calcium chloride aqueous solution and microorganisms are washed away, and then a gas permeable membrane is formed by dip coating. Regarding the miniaturization of oxygen electrodes, which is the basis of miniaturization of carbon dioxide electrodes in the manufacturing method, there is a small oxygen electrode using photolithography, which the present inventors have filed a patent application for (Japanese Patent Application No. 71739/1982). This oxygen electrode is made by forming two electrodes through an insulating film over a hole formed on a silicon substrate by anisotropic etching, further accommodating an electrolyte-containing body inside the hole, and finally This is an oxygen electrode with a structure in which the upper surface of the hole is covered with a gas permeable membrane. This oxygen electrode is small, has little variation in characteristics, and can be mass-produced in bulk, resulting in low cost.

上記したタイプの酸素電極において、電解液含有体は、
通常、電解液をしみこませたゲル、たとえばアガロース
ゲルであった。しかし、アガロースゲルの場合には、シ
リコン基板上の微小な多くの穴の中にマイクロピペット
で1回ずつ繰り返し注入しなければならなかった。
In the above-mentioned type of oxygen electrode, the electrolyte-containing body is
Usually it was a gel impregnated with an electrolyte, such as an agarose gel. However, in the case of agarose gel, it was necessary to repeatedly inject it into many tiny holes on a silicon substrate one by one using a micropipette.

本発明者らは、この点をさらに改良してより大量生産向
きなものとなすべく研究の結果、ポリアクリルアミドゲ
ルを用い、シリコン基板上の微小な多くの穴の中に、−
括してゲルを注入可能な方法を見出した(特願昭62−
148221号)。この小型酸素電極の製造方法は、リ
ソグラフィー技術と異方性エツチング技術とを用いて複
数個の穴を形成した後に各式に電極を形成したシリコン
基板上に、液穴の部分を除いてネガ型レジストを被覆し
、該基板を電解液を含んだ光重合性モノマー、好ましく
はアクリルアミドの溶液に浸漬し、それぞれの穴に該溶
液を満たした状態で紫外線を照射して硬化せしめ、電解
液を含んだ多孔質担体を穴の中に形成することを特徴と
する。この製造方法によれば、小型酸素電極を形成する
微小な穴の中にのみ選択的に電解液を保持する多孔質の
担体を形成することができるので、より大量生産が可能
になる。
The present inventors conducted research to further improve this point and make it more suitable for mass production. Using polyacrylamide gel, -
We discovered a method that allows gel to be injected all at once (Patent application 1986-
No. 148221). The manufacturing method of this small oxygen electrode is to form a plurality of holes using lithography technology and anisotropic etching technology, and then create a negative mold on a silicon substrate on which electrodes are formed in each formula, except for the liquid hole part. After coating the resist, the substrate is immersed in a solution of a photopolymerizable monomer, preferably acrylamide, containing an electrolyte, and each hole is filled with the solution and cured by irradiation with ultraviolet rays. It is characterized by forming a porous carrier inside the holes. According to this manufacturing method, it is possible to form a porous carrier that selectively retains the electrolyte only in the minute holes that form the small oxygen electrode, thereby making mass production possible.

このような小型酸素電極を利用することにより、二酸化
炭素電極の小型化は容易に実現可能となる。しかし、こ
のためにはさらに微生物をどこに、いかにして固定する
かが問題となる。
By using such a small oxygen electrode, the carbon dioxide electrode can be easily miniaturized. However, for this purpose, there is an additional problem of where and how to immobilize the microorganisms.

微生物の固定にあたっては、上記の特願昭62−148
221号に開示した方法を基本とするのが、プロセス上
からも、また安全面からも非常に有利であると考えられ
た。しかし、全項で述べた通り、この方法をそのまま適
用することは不可能であった、そこで、これに代わる方
法を検討したところ、まず、微生物を含まず、ゲルの原
料のみを含んでいる水溶液(第1液)を親水性と疎水性
の差を利用しである基板上の特定の箇所のみに満たして
おき、この状態の基板を、微生物を含みゲル化促進剤を
含む溶液中(第2液)に浸漬してゲル化させる方法があ
れば、残った微生物を含む第2液を水で洗い流すことに
より、選択的な微生物の固定が可能であることがわかっ
た。そして、このためには、実施例に述べる方法に従っ
て、アルギン酸カルシウムゲル等のアルギン酸金属塩ゲ
ルを使用すれば良いことがわかった。
For the fixation of microorganisms, the above-mentioned patent application
It was thought that basing the method on the method disclosed in No. 221 would be very advantageous from both a process and safety standpoint. However, as mentioned in all sections, it was impossible to apply this method as is. Therefore, we investigated an alternative method, and first, we found an aqueous solution containing only gel raw materials without microorganisms. (first solution) is filled only in specific locations on a substrate by taking advantage of the difference between hydrophilicity and hydrophobicity, and the substrate in this state is placed in a solution (second solution) containing microorganisms and a gelling promoter. It has been found that if there is a method of immersing the microorganism in a gel solution, it is possible to selectively immobilize the microorganisms by washing away the second solution containing the remaining microorganisms with water. It has been found that for this purpose, alginate metal salt gel such as calcium alginate gel can be used according to the method described in the Examples.

電解液含有アルギン酸塩ゲルを形成する方法は、フォト
レジストを被覆した基板を電解液含有アルギン酸ナトリ
ウム水溶液中に浸漬して、前記穴の部分のみに前記水溶
液を満たしこの状態の基板を電解液含有塩化カルシウム
水溶液中に浸漬して前記アルギン酸ナトリウム水溶液を
ゲル化して、アルギン酸カルシウムゲルを形成する方法
や、ガラスを合成する過程に用いられるゾル−ゲル法1
例えばフォトレジストを被覆した基板をアルコキシド、
水及び電解液の混合溶液に浸漬して、前記穴の部分のみ
に前記混合溶液を充填し、前記混合溶液をゾル−ゲル法
によってゲル化し、前記電解液をゲルにより保持する方
法等により有利に実施することができる。
The method for forming an electrolyte-containing alginate gel is to immerse a substrate coated with a photoresist in an electrolyte-containing sodium alginate aqueous solution, fill only the hole portions with the aqueous solution, and then immerse the substrate in this state into an electrolyte-containing chloride gel. A method of gelling the sodium alginate aqueous solution by immersing it in a calcium aqueous solution to form a calcium alginate gel, and a sol-gel method 1 used in the process of synthesizing glass.
For example, a substrate coated with photoresist is coated with alkoxide,
It is advantageous to use a method in which the mixed solution is immersed in a mixed solution of water and an electrolytic solution, the mixed solution is filled only in the hole, the mixed solution is gelled by a sol-gel method, and the electrolytic solution is retained by the gel. It can be implemented.

なお、アルギン酸は有機高分子電解質でそのカルボン酸
基(COOH)は活性かたかい。またアルギン酸は2価
以上の金属(マグネシウム、水銀を除く)とは不溶性塩
を生成する。
Note that alginic acid is an organic polymer electrolyte and its carboxylic acid group (COOH) is highly active. Furthermore, alginic acid forms insoluble salts with divalent or higher valent metals (excluding magnesium and mercury).

また、本発明者らは、微生物を固定するにあたっては、
特願昭62−71739号の小型酸素電極の表面に微生
物を固定するのでは、微生物が漏出しやすく安全性に問
題があるとの観点から、微生物を小型酸素電極のガス透
過性膜内部に、電解液とともにゲル中に固定する方法を
採用した。
In addition, the present inventors believe that when immobilizing microorganisms,
From the viewpoint that fixing microorganisms on the surface of a small oxygen electrode as disclosed in Japanese Patent Application No. 62-71739 would cause safety problems because the microorganisms would easily leak out, microorganisms were fixed inside the gas permeable membrane of the small oxygen electrode. We adopted a method of fixing it in a gel together with an electrolyte.

この本発明の方法を実施するにあたって、電極本体の基
材としては、半導体基板、特にシリコン基板を有利に使
用することができる。絶縁膜は、シリコン酸化膜、その
他から形成することができる。シリコン酸化膜は、例え
ば基板がシリコンである場合に、その基板を熱酸化する
ことによって容易に形成することができる。
In implementing the method of the present invention, a semiconductor substrate, particularly a silicon substrate, can be advantageously used as the base material of the electrode body. The insulating film can be formed from a silicon oxide film or other materials. A silicon oxide film can be easily formed by thermally oxidizing a silicon substrate, for example.

2本の電極は、製作される電極がポーラ口型であるかガ
ルバニ型であるかに応じているいろに変更することがで
きるが、この二酸化炭素電極の構造では、微生物と電解
質が共存することになるので、例えば、0.1M塩化カ
リウム水溶液等の中性電解質を用いたポーラ口型とする
のが望ましい、ポーラ口型の酸素電極を基本に二酸化炭
素電極を製造する場合には、画電極とも金電極あるいは
白金電極から構成し、測定時に両電極間に電圧を印加す
る。このような電極の形成は、例えば、真空蒸着、スパ
ッタリング等の成膜法によって有利に行うことができる
The two electrodes can be of different colors depending on whether the electrode is of the polar or galvanic type, but the structure of this carbon dioxide electrode does not allow for the coexistence of microorganisms and electrolyte. Therefore, for example, when manufacturing a carbon dioxide electrode based on a polar type oxygen electrode, it is preferable to use a polar type using a neutral electrolyte such as a 0.1M potassium chloride aqueous solution. Both are composed of gold or platinum electrodes, and a voltage is applied between both electrodes during measurement. Formation of such an electrode can be advantageously performed by, for example, a film forming method such as vacuum evaporation or sputtering.

電極形成後の基板上に、穴の部分及び電気的コンタクト
を取る部分を除いて塗布するフォトレジストは、好まし
くはネガ型フォトレジスト、例えば東京応化型OMR−
83である。このタイプのフォトレジストは、穴の部分
のみに電解液含有多孔性物質を満たすに際して、その原
料となる水溶液をはじく性質を持っているので有利であ
る。
The photoresist to be applied onto the substrate after the electrodes are formed, except for the hole portions and the portions for making electrical contact, is preferably a negative type photoresist, such as Tokyo Ohka OMR-
It is 83. This type of photoresist is advantageous because it has the property of repelling the aqueous solution that is the raw material when only the hole portions are filled with an electrolyte-containing porous material.

多孔性担体により保持されるべき電解質としては、塩化
カリウム、硫酸ナトリウム等、いろいろなものを用いる
ことができる。
Various electrolytes such as potassium chloride and sodium sulfate can be used as the electrolyte to be retained by the porous carrier.

ガス透過性膜は、疎水性で水溶液が通過しないことはも
ちろんであるが、初めは液体状でデイツプコーティング
あるいはスピンコーティングが可能であり、電極材料、
シリコン基板、そして絶縁膜としてのシリコン酸化膜と
の密着力が良好で電解液が外部に漏出しないことも必須
の要件である、適当なガス透過性膜材料としては、フ゛
オドレジスト、好ましくはネガ型フォトレジストなどを
挙げることができる。テフロン(商品名)膜は、酸素i
!通過であるけれども回着力を持たないので、使用を避
けなければならない。
Gas-permeable membranes are hydrophobic and do not allow aqueous solutions to pass through them, but they are initially liquid and can be dip-coated or spin-coated.
Suitable gas-permeable film materials that have good adhesion to the silicon substrate and the silicon oxide film as an insulating film and that the electrolyte does not leak outside include photoresists, preferably negative-type photoresists. Examples include resist. Teflon (trade name) membrane is oxygen i
! Although it is a pass-through, it has no turning power, so its use must be avoided.

本発明の実施において有利に使用することのできる微生
物は、二酸化炭素を選択的に資化可能な微生物、たとえ
ばシェードモナス属、その他の属に属する菌体である0
本発明者らは、シュードモナス属TIT/FJ−000
1菌(微工研菌寄第8473号)、未同定のT I T
/FJ−0002菌(微工研菌寄第8474号)を用い
て、特に好ましい結果を得ることができた(これらの菌
の性質については特開昭62−80549号)を参照の
こと。
Microorganisms that can be advantageously used in carrying out the present invention include microorganisms that can selectively assimilate carbon dioxide, such as microorganisms belonging to the genus Shademonas and other genera.
The present inventors have discovered that Pseudomonas sp.TIT/FJ-000
1 bacterium (Feikoken Bacteria No. 8473), unidentified T I T
Particularly favorable results were obtained using the /FJ-0002 bacterium (Feikoken Bacteria No. 8474) (for the properties of these bacteria, see JP-A-62-80549).

〔作用〕[Effect]

本発明の作用の理解を容易ならしめるため、添付の第1
図を参照しながら本発明の小型微生物電極、特に小型二
酸化炭素電極についての原理を説明する。
In order to facilitate understanding of the operation of the present invention, the attached
The principle of the small microorganism electrode of the present invention, particularly the small carbon dioxide electrode, will be explained with reference to the drawings.

溶液中あるいは空気中の二酸化炭素および酸素は、図示
される通り、ガス透過性膜14を通過した後、固定化微
生物8の近傍に到達する。微生物8例えば、二酸化炭素
を選択的に資化可能な微生物は二酸化炭素を資化し、こ
の際呼吸活性が盛んになり酸素が消費され、したがって
、カソード3Aに到達する酸素濃度が低下する。この酸
素濃度の変化量を電気化学的な酸素の還元電流の変化と
して捉えることができれば、結果としてひきおこされる
電流値の低下をベースにして二酸化炭素濃度を測定する
ことができる。従来、二酸化炭素濃度はアンペロメトリ
ックに測定するのが難しかったが、本発明では、酸素電
極をトランスデユーサとして用いることにより、このよ
うなアンベロメトリンクな二酸化炭素の定量が可能にな
った。また一方では、半導体集積回路の形成に使用され
ているリソグラフィー技術と薄膜形成技術とを用いて、
二酸化炭素電極中のトランスデユーサである酸素電極を
小型化し、微生物を微小な箇所に選択的に固定すること
により、二酸化炭素電極の微小化と一括大量生産を可能
にした。
As shown in the figure, carbon dioxide and oxygen in the solution or in the air reach the vicinity of the immobilized microorganisms 8 after passing through the gas permeable membrane 14. The microorganism 8, for example, a microorganism that can selectively assimilate carbon dioxide, assimilates carbon dioxide, and at this time, respiratory activity becomes active and oxygen is consumed, so that the concentration of oxygen that reaches the cathode 3A decreases. If this amount of change in oxygen concentration can be interpreted as a change in the electrochemical oxygen reduction current, the carbon dioxide concentration can be measured based on the resulting decrease in current value. Conventionally, it was difficult to measure carbon dioxide concentration amperometrically, but in the present invention, by using an oxygen electrode as a transducer, it has become possible to quantify carbon dioxide in an amberometric manner. . On the other hand, using lithography technology and thin film formation technology used in the formation of semiconductor integrated circuits,
By miniaturizing the oxygen electrode, which is the transducer in the carbon dioxide electrode, and selectively immobilizing microorganisms in minute locations, we have made it possible to miniaturize the carbon dioxide electrode and mass-produce it at once.

〔実施例〕〔Example〕

本発明による小型二酸化炭素電極の製法の好ましい一例
を添付の図面をi照しながら説明する。
A preferred example of the method for manufacturing a small carbon dioxide electrode according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第2図は、本発明による小型二酸化炭素電極の好ましい
一例を示した斜視図である9図示の二酸化炭素電極は直
方体の形状を有していて、感応部がガス透過性膜14で
覆われるとともに、付属のデバイスに接続するため、電
+13A、3Bの一部が露出している。電i3A、3B
は、本例の場合、ポーラ口型とするために画電極とも金
電極で構成した。
FIG. 2 is a perspective view showing a preferred example of a small carbon dioxide electrode according to the present invention. The carbon dioxide electrode shown in FIG. , part of the terminals 13A and 3B are exposed for connection to the attached device. Electric i3A, 3B
In this example, both the picture electrode and the gold electrode were used to form a polar mouth type.

第2図の小型二酸化炭素電極の構造は、その11−11
線に沿った断面図である第3図から詳しく理解できるで
あろう。シリコン基板1は、異方性エツチングにより形
成された穴5を有するとともに、その全面にシリコン酸
化膜2が絶縁膜として被着せしめられている。(なお、
ウェハのスライシングにより、個々のチップが分離形成
されるので、スライスカット部の側面は図の例ではシリ
コン酸化膜は形成されない)さらに基板裏面は破れにく
い疎水性絶縁膜7で覆われている。シリコン基板1の穴
5には、2本の金ti3Aおよび3Bが対をなして被着
せしめられている。金電極3Aおよび3Bは、第2図で
示したように、それぞれの一部分が溝の外側にまで延在
している。また、シリコン基板1の穴5には独立栄養細
菌および電解液含有ゲル6が満たされている。さらに、
穴の上部には、基板1の上部の全面(第2図の露出部を
除く)を覆う形で、ガス透過性膜14が被覆されており
、これは絶縁膜として側面および裏面にも覆われている
The structure of the small carbon dioxide electrode in Figure 2 is 11-11.
A more detailed understanding can be obtained from FIG. 3, which is a cross-sectional view along the line. A silicon substrate 1 has a hole 5 formed by anisotropic etching, and a silicon oxide film 2 is deposited as an insulating film over the entire surface thereof. (In addition,
Since individual chips are formed separately by slicing the wafer, no silicon oxide film is formed on the side surfaces of the slice cut portion in the illustrated example).Furthermore, the back surface of the substrate is covered with a hydrophobic insulating film 7 that is hard to tear. In the hole 5 of the silicon substrate 1, two pieces of gold ti3A and 3B are deposited as a pair. As shown in FIG. 2, a portion of each of the gold electrodes 3A and 3B extends to the outside of the groove. Furthermore, the holes 5 in the silicon substrate 1 are filled with autotrophic bacteria and an electrolyte-containing gel 6. moreover,
A gas permeable film 14 is coated on the upper part of the hole so as to cover the entire upper part of the substrate 1 (excluding the exposed part in FIG. 2), and this is also covered as an insulating film on the side and back surfaces. ing.

第2図および第3図に示した小型二酸化炭素電極は、例
えば、第4図に順を追って示す製造プロセスで有利に製
造することができる。なお、第4図(A)に示す電極形
成後の本体は、次のような工程を経て製造することがで
きる。なお、以下の説明では、理解を容易ならしめるた
め、1枚のウェハーに1個だけ二酸化炭素電極を形成す
る場合について記載するけれども、実際には多数個の小
型二酸化炭素!極が同時に形成されるということを理解
されたい。
The miniature carbon dioxide electrodes shown in FIGS. 2 and 3 can be advantageously manufactured, for example, by the manufacturing process shown in sequence in FIG. Note that the main body after forming the electrodes shown in FIG. 4(A) can be manufactured through the following steps. In the following explanation, in order to make it easier to understand, we will describe the case where only one carbon dioxide electrode is formed on one wafer, but in reality, many small carbon dioxide electrodes are formed! It should be understood that the poles are formed at the same time.

1、ウェハー洗浄 厚さ350μ謡の(100)面2インチシリコンウェハ
ーを用意し、これを過酸化水素とアンモニアの混合溶液
および濃硝酸で洗浄した。
1. Wafer Cleaning A 2-inch (100)-sided silicon wafer with a thickness of 350 μm was prepared and cleaned with a mixed solution of hydrogen peroxide and ammonia and concentrated nitric acid.

2、SiO□膜の形成 シリコンウェハーをウェット熱酸化し、その全面に膜厚
0.8μ国のSt島膜を形成した。
2. Formation of SiO□ film A silicon wafer was subjected to wet thermal oxidation, and an St island film having a thickness of 0.8 μm was formed on the entire surface.

3、エツチング用パターンの形成 ネガ型フォトレジスト(東京応化型 OMR−83、粘
度60 cP)を使用して、ウェハー上にエツチング用
レジストパターンを形成した。
3. Formation of etching pattern An etching resist pattern was formed on the wafer using a negative photoresist (Tokyo Ohka OMR-83, viscosity 60 cP).

4、レジスト塗布 ウェハーの裏面にも上記工程で使用したものと同じネガ
型フォトレジストを塗布し、 130℃で30分間に渡ってベータした。
4. The same negative photoresist used in the above process was applied to the back side of the resist-coated wafer, and beta-coated at 130°C for 30 minutes.

5、SiO,膜のエツチング 50%フッ化水素酸:50%フン化アンモニウム−1:
6水溶液にウェハーを浸漬し、フォトレジストが被覆さ
れていない露出部分のS+02をエツチングにより除去
した。引き続いて硫酸/過酸化水素水(2:1)i液に
よりレジストを除去した。
5. SiO, film etching 50% hydrofluoric acid: 50% ammonium fluoride-1:
The wafer was immersed in a 6-aqueous solution, and exposed portions of S+02 not covered with photoresist were removed by etching. Subsequently, the resist was removed using a sulfuric acid/hydrogen peroxide solution (2:1).

6、Siの異方性エツチング 80°Cの35%水酸化カリウム水溶液中にてシリコン
の異方性エツチングを行った。エツチング深さ300 
μm、エツチング完了後、ウェハーを純水で洗浄した。
6. Anisotropic etching of Si Anisotropic etching of silicon was performed in a 35% potassium hydroxide aqueous solution at 80°C. Etching depth 300
After completion of etching, the wafer was washed with pure water.

この異方性エツチングの完了後、エツチング時に使用し
たSiO□膜を除去した。これは、5と同様に50%フ
ッ化水素酸:50%フン化アンモニウム=1:6水溶液
中で行った。
After completing this anisotropic etching, the SiO□ film used during etching was removed. This was carried out in a 1:6 aqueous solution of 50% hydrofluoric acid:50% ammonium fluoride in the same manner as in 5.

7、StOg膜の形成 異方性エツチングされたシリコンウェハーのシリコンが
露出している露出部表面にSjOtM2を成長させるた
め、1.の洗浄工程に引き続いて、ウェハーをウェット
熱酸化した。II!J厚0.8 μ−〇膜2が形成され
た。
7. Formation of StOg film In order to grow SjOtM2 on the exposed surface of the anisotropically etched silicon wafer, 1. Following the cleaning step, the wafer was wet thermally oxidized. II! A film 2 with a thickness of 0.8 μ-〇 was formed.

8゜クロムおよび金薄膜の形成 りロム薄膜(400人、金と基板の密着用)に引き続き
、金薄膜(4000人)を真空蒸着により形成した。
Formation of 8° Chromium and Gold Thin Films Following the ROM thin film (400 people, for adhering the gold and substrate), a gold thin film (4000 people) was formed by vacuum evaporation.

9、電極形成用レジストパターンの形成ネガ型フォトレ
ジスト(東京応化型 OMR−83、粘度60 cP)
を使用して、ウェハーのSi0g上に電極形成用レジス
トパターンを形成した。
9. Formation of resist pattern for electrode formation Negative photoresist (Tokyo Ohka OMR-83, viscosity 60 cP)
A resist pattern for electrode formation was formed on the Si0g wafer using the following method.

10、金およびクロムのエツチング レジストパターンが形成された基板を以下の■■の金お
よびクロム用エツチング液にこの順に浸漬し、露出した
金およびクロムの部分をエツチングにより除去する。さ
らに、純水にて洗浄後、硫酸/過酸化水素水(2: l
)溶液によりレジストを除去した。
10. Gold and chromium etching The substrate on which the resist pattern has been formed is immersed in the following gold and chromium etching solutions in this order, and the exposed gold and chromium parts are removed by etching. Furthermore, after washing with pure water, sulfuric acid/hydrogen peroxide solution (2: l
) The resist was removed using a solution.

■全エツチング液:4gKr  および1g!2を40
 solの水に溶かしたもの ■クロムエツチング液a、 o、s g NaOHおよ
び1g K2Fe<CN)hを411の水に溶かしたも
の 金電掻の形成された状態を第4図(A)に示す。
■Total etching solution: 4gKr and 1g! 2 to 40
Sol dissolved in water■ Chrome etching solution a, o, s g NaOH and 1g K2Fe<CN)h dissolved in 411 water Figure 4 (A) shows the state in which gold etching is formed. .

11、基板裏面に疎水性絶縁膜形成 基板裏面に疎水性絶縁膜(信越シリコーン製KR−28
2) 7を一様に塗布し、250°Cでベーキングを施
す。
11. Forming a hydrophobic insulating film on the back side of the substrate A hydrophobic insulating film (KR-28 made by Shin-Etsu Silicone) was formed on the back side of the substrate.
2) Apply 7 evenly and bake at 250°C.

12、レジスト塗布(第4図(B)) 本体表面で、穴5と、電気的コンタクトを取るパッド部
分以外のところをネガ型フォトレジスト(東京応化型 
OMR−83、粘度60 cP) 4で被覆した、これ
は、ウェハーの表面にフォトレジストを塗布し、ブリベ
ータ後に露光及び現像を行うことによって実施した。
12. Applying resist (Figure 4 (B)) Apply negative photoresist (Tokyo Ohka Co., Ltd.
OMR-83, viscosity 60 cP) 4 was applied to the surface of the wafer, followed by exposure and development after blivata.

】3.基板の切り出し 基板状に多数形成された二酸化炭素電極本体をチップ状
に切り出した。
]3. Cutting the Substrate A large number of carbon dioxide electrode bodies formed on the substrate were cut into chips.

14、穴の中を親水性にする チップ先端部を1M水酸化すl・リウム水溶液中に浸漬
する。この結果、レジストで被われていないところが親
水性になった。
14. Make the inside of the hole hydrophilic. Immerse the tip end of the tip in a 1M sodium/lium hydroxide aqueous solution. As a result, the areas not covered with resist became hydrophilic.

15、アルギン酸カルシウムゲルの充填(第4図(C)
) 微生物および電解液含有ゲルの形成用として、次のよう
な2種類の溶液を調製した。
15. Filling with calcium alginate gel (Figure 4 (C)
) The following two types of solutions were prepared for forming gels containing microorganisms and electrolyte.

A液: アルギン酸ナトリウムをO,1M塩化カリウム
水溶液中に溶解したもの、アルギン酸ナトリウム濃度0
.2X 。
Solution A: Sodium alginate dissolved in O, 1M potassium chloride aqueous solution, sodium alginate concentration 0
.. 2X.

B液: 湿った状態のTIT/FJ−0001菌5I1
gおよび塩化カルシウムを0.1M塩化カリウム水溶液
中に溶解したもの、塩化カルシウム濃度5%。
Solution B: Moist TIT/FJ-0001 bacteria 5I1
g and calcium chloride dissolved in a 0.1 M potassium chloride aqueous solution, calcium chloride concentration 5%.

A液に第4図(B)のチップを浸漬してゆっ(り引き上
げたところ、ネガ型フォトレジスト膜4は疎水性である
ので、先のA液はレジスト膜からはじかれて穴5内にの
み残った。ついで、このチップをB液に浸漬したところ
、A液は瞬時にゲル化しTIT/FJ−0001菌はゲ
ルの内部に固定された。
When the chip shown in FIG. 4(B) was immersed in liquid A and slowly pulled up, the negative photoresist film 4 was hydrophobic, so the liquid A was repelled from the resist film and flowed into the hole 5. When this chip was then immersed in Solution B, Solution A instantly turned into a gel and the TIT/FJ-0001 bacteria were immobilized inside the gel.

レジスト上には、微生物および未反応の塩化カルシウム
水溶液が付着するが、これは純水で濯ぐことにより容易
に除去可能である。
Microorganisms and unreacted calcium chloride aqueous solution adhere to the resist, but these can be easily removed by rinsing with pure water.

16、ガス透過性膜の被覆(第4図(D))微生物およ
び電解液含有ゲル6上にそのゲルを覆うようにしてガス
透過性114を被覆した0本例ではガス透過性膜として
、工程3等で使用したのと同じネガ型フォトレジストを
使用した。すなわち、ネガ型フォトレジスト(東京応化
型 OMI?−83(商品名)、粘度60 cP)をデ
イツプコーティングにより塗布した。このレジストは、
プリベークを施さずに小型酸素電極本体を純水中または
飽和水蒸気中に置いた状態で明るい所に数時間放置し、
長時間かけて溶剤のシンナーを抜くと同時に感光させた
。これにより、ガス透過性膜および側壁用絶縁膜を完成
させた。このレジスト膜は裏面にも形成されるが、これ
はよりt!IA縁性を向上させるのに有利に作用する。
16. Coating of a gas permeable membrane (Fig. 4 (D)) A gas permeable membrane 114 is coated on the microorganism and electrolyte-containing gel 6 so as to cover the gel. In this example, as a gas permeable membrane, The same negative photoresist used in Grade 3 was used. That is, a negative photoresist (TOKYO OHKA OMI?-83 (trade name), viscosity 60 cP) was applied by dip coating. This resist is
Leave the small oxygen electrode body in pure water or saturated steam for several hours in a bright place without pre-baking.
It took a long time to remove the solvent thinner and expose it to light. As a result, a gas permeable film and a sidewall insulating film were completed. This resist film is also formed on the back side, but this is more t! It works advantageously to improve IA affinity.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明方法によれば、微生物を微小な箇所に固定するこ
とが容易になり、この技術を利用して、独立栄養細菌と
小型酸素電極を応用した小型微生物電極1例えば、小型
二酸化炭素電極の作製が可能になる。
According to the method of the present invention, it is easy to immobilize microorganisms in minute locations, and this technology can be used to create small microorganism electrodes using autotrophic bacteria and small oxygen electrodes. becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の小型二酸化炭素電極の原理図、 第2図は、本発明による小型二酸化炭素電極の好ましい
一例を示した斜視図、 第3図は、第2図の電極の線分1’1−11に沿った断
面図、そして 第4図(A)〜(D)は、第1図および第2図に示した
小型二酸化炭素電極の製造プロセスを順を追って示した
断面図である。 図中、1は基板、2は絶縁膜、3Aおよび3Bは電極、
4はフォトレジスト膜、5は穴、6は電解液含有ゲル、
7は疎水性絶縁膜、8は微生物、そして14はガス透過
性膜である。 ・)、型二西1巴崩f禾匁手加C片f里図第 1 ロ ノhq9Lt%%”x(?>i9p、1.’:J峯 2
 ? 需極へえ静の酊狛2 亨 3 S / 刈、11疲系電極の製造プロセス 手 4 ■
Fig. 1 is a principle diagram of the small carbon dioxide electrode of the present invention, Fig. 2 is a perspective view showing a preferred example of the small carbon dioxide electrode of the present invention, and Fig. 3 is a line segment of the electrode of Fig. 2. 1'1-11, and FIGS. 4(A) to 4(D) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the small carbon dioxide electrode shown in FIGS. 1 and 2 in order. be. In the figure, 1 is a substrate, 2 is an insulating film, 3A and 3B are electrodes,
4 is a photoresist film, 5 is a hole, 6 is an electrolyte-containing gel,
7 is a hydrophobic insulating film, 8 is a microorganism, and 14 is a gas permeable film.・), Type 2 Nishi 1 Tomoe Kuru f He Mme Teka C Kata f Rizu No. 1 Rono hq9Lt%%”x(?>i9p, 1.': J Mine 2
? Intoxicated Koma 2 Tohru 3 S / Kari, 11 Manufacturing process of fatigue-based electrodes 4 ■

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)基板と、該基板の表面上に異方性エッチングによ
りあけられた穴と、前記基板上に絶縁膜を介して形成さ
れたものであって、前記穴の底部から前記基板の表面に
至る2本の電極と、前記穴の内部に満たされた微生物を
含有する電解液含有多孔性物質と、前記穴を被覆し閉塞
するガス透過性膜とを有する小型微生物電極において、
該電解液含有多孔性物質が独立栄養細菌を含有するアル
ギン酸金属塩のゲルであることを特徴とする小型微生物
電極。
(1) A substrate, a hole formed on the surface of the substrate by anisotropic etching, and a hole formed on the substrate via an insulating film, the hole being formed from the bottom of the hole to the surface of the substrate. A small microbial electrode comprising two electrodes, an electrolyte-containing porous material containing microorganisms filled in the holes, and a gas permeable membrane covering and closing the holes,
A small microbial electrode characterized in that the electrolyte-containing porous material is a gel of metal alginate containing autotrophic bacteria.
(2)上記微生物が二酸化炭素を資化することが可能な
独立栄養細菌であることを特徴とする請求項1記載の小
型二酸化炭素電極。
(2) The small carbon dioxide electrode according to claim 1, wherein the microorganism is an autotrophic bacterium capable of assimilating carbon dioxide.
(3)上記2本の電極として金電極を用いたことを特徴
とする請求項1、2記載の小型微生物電極。
(3) The small microorganism electrode according to claim 1 or 2, wherein gold electrodes are used as the two electrodes.
(4)基板の表面上に異方性エッチングによって穴をあ
け、前記穴の底部から前記基板の表面に至る2本の電極
を絶縁膜を介して形成し、前記穴の内部に微生物を含有
する電解液含有多孔性物質を満たし、前記穴をガス透過
性膜で被覆し閉塞することからなる小型微生物電極の製
法において、前記穴の内部に微生物を含有する電解液含
有多孔性物質を満たす工程が、微生物を含まずゲル形成
用の原料のみを含んでいる第1の溶液を、基板表面に選
択形成された親水性と疎水性の差を利用して該基板上の
該穴の内部のみに満たす工程と、該基板を、微生物を含
みゲル化促進剤を含む第2の溶液中に浸漬してゲル化さ
せる工程よりなることを特徴とする小型微生物電極の製
法。
(4) A hole is made on the surface of the substrate by anisotropic etching, two electrodes are formed from the bottom of the hole to the surface of the substrate via an insulating film, and microorganisms are contained inside the hole. A method for manufacturing a small microbial electrode comprising filling an electrolyte-containing porous material and covering and closing the hole with a gas-permeable membrane, the step of filling the electrolyte-containing porous material containing microorganisms into the hole. , filling only the inside of the hole on the substrate using the difference between hydrophilicity and hydrophobicity selectively formed on the surface of the substrate with a first solution that does not contain microorganisms and only contains raw materials for gel formation. 1. A method for producing a small microbial electrode, comprising the steps of: immersing the substrate in a second solution containing microorganisms and a gelling promoter to gel the substrate.
(5)基板の表面上に異方性エッチングによって穴をあ
け、前記穴の底部から前記基板の表面に至る2本の電極
を絶縁膜を介して形成し、前記穴の内部に微生物を含有
する電解液含有多孔性物質を満たし、前記穴をガス透過
性膜で被覆し閉塞することからなる小型微生物電極の製
法において、電解質を含有する水溶性アルギン酸金属塩
の水溶液を該穴の内部にのみ満たした後、該基板を微生
物を含有し、アルギン酸と不溶性塩を形成する2価以上
の金属塩水溶液中に浸漬して該水溶性アルギン酸金属塩
の水溶液をゲル化し、未反応の該2価以上の金属塩水溶
液を水洗した後、該ガス透過性膜を形成することを特徴
とする小型微生物電極の製法。
(5) A hole is made on the surface of the substrate by anisotropic etching, two electrodes are formed from the bottom of the hole to the surface of the substrate via an insulating film, and microorganisms are contained inside the hole. In a method for manufacturing a small microbial electrode, which comprises filling a porous material containing an electrolyte and covering and closing the hole with a gas-permeable membrane, only the inside of the hole is filled with an aqueous solution of a water-soluble metal alginate containing an electrolyte. After that, the substrate is immersed in an aqueous solution of a divalent or more metal salt that contains microorganisms and forms an insoluble salt with alginic acid to gel the aqueous solution of the water-soluble alginate metal salt, and remove the unreacted divalent or more metal salt. A method for producing a small microbial electrode, which comprises forming the gas-permeable membrane after washing a metal salt aqueous solution with water.
(6)上記微生物が二酸化炭素を資化することが可能な
独立栄養細菌であることを特徴とする請求項4、5記載
の小型二酸化炭素電極の製法。
(6) The method for producing a small carbon dioxide electrode according to claims 4 and 5, wherein the microorganism is an autotrophic bacterium capable of assimilating carbon dioxide.
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