JPH0259655A - 小型微生物電極とその製法 - 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】 〔概要〕 小型微生物電極に関し、小型かつ低価格で大量生産可能
な小型微生物電極を提供することを目的とし、台形状溝
部（穴）を有する半導体基板と、該基板上に、絶縁膜を
介して形成され、液穴の底部から該基板の表面に至る２
本の電極と、該穴の内部に充填された電解液を含有する
多孔質を旦体と、 液穴を被覆閉塞し該電解液を含有する多孔質担体を覆う
ガス透過性膜とを有してなる酸素電極と、該酸素電極の
感応部上に形成された、電解液及び微生物を含有する多
孔質担体よりなる微生物固定膜と、 該微生物固定膜を被覆する第２のガス透過性膜とを有し
て小型微生物電極を構成する。

〔産業上の利用分野〕 本発明は小型二酸化炭素電極に関し、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の製造方法
に関する。本発明の二酸化炭素センサは、アンベロメト
リン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。

〔従来の技術］ 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、ボ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
のタイプの一酸化炭素電極についての詳細は、例えば、
Ｊ、Ｗ。

ＳｅｖｅｒｉｎｇｈａｕｓおよびＡ、　Ｆ、　Ｂｒａｄ
ｌｅｙ　ＳＪ、八ｐｐｌＰｈｙｓｉｏ１．，１３，５１
５　（１９５８）を参照されたい）。

しかし、このボテンシッメトリン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弐により
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。

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
（特開昭６２−８０５４９号）。

しかし、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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

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。

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−Ｕぎ、安全な構造とするかが問題となる。

本発明の目的は、したがって、微生物の漏出をふせぎ、
安全な構造の、小型酸素電極の感応部にガス透過性膜を
介して微生物を電解液とともにゲル中に固定し、該ゲル
を第２のガス透過性１１９で覆った、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。

〔問題点を解決するための手段〕

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液を含むゲル、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。

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［−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ｘｉ　Ｉｔ
！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。

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。

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ンチング技術とを用いて複
数個の穴を形成した後に容入に電極を形成したソリコン
基板上に、該穴の部分を除いてネガ型しジス［・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。

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、例えば東京応化製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
１：１となる水ン容ン夜をはじく性質を持っているので
有利である。

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。

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、特にノ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
ば基板がノリコンで弗る場合に、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。

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しているいろに変更することがで
きる。ポーラ口型の酸素電極基本に二酸化炭素電極を製
造する場合には、例えば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。

多孔性担体により保持されるべき電解室とし°ζは、塩
化カリウム、ｇ酸ナトリウム等、いろいろなものを用い
ることができる。

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力ルンウム
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。

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。

なお、アルギン酸は有機高分子電解質でそのカルボン酸
５　（ＣＯＯＩ＋）は活性がたがい。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。

ガス透過性膜は、疎水性で水／８’ａが通過しないこと
はもちろんであるが、初めは液体状でディンプコーティ
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
必須の用件である。適当なガス透過性膜材料としては、
フォトレジスト、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
透過性であるけれども密着力を持たないので、使用を避
けなければならない。

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
ばシュードモナス属、その他の属に属する菌体である。

本発明者らは、シュードモナス属Ｔ　ＩＴ／ＦＪ−００
０１菌（微工研菌寄第８４７３号）、未同定のＴＩＴ／
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。） 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、微生物を酸素電極のガス透過性
膜の外部で、且つ、小型微生物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。

〔作用〕

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二酸化炭素電極の原理を
説明する。

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１５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は二酸化炭素を責化
し、この際呼吸活性が盛んになり酸素が消費される。し
たがって、酸素電極のガス透過性膜１４を通過しカソー
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
ペロメトリッ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
することにより、二酸化炭素電極の微小化および一括大
量生産を可能にした。

〔実施例〕

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
を添付の図面を参照しながら説明する。

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。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１５で
覆われるとともに、付属のデバイスに接続するため、電
極３Ａ、３Ｂの一部が露出している。電極３Ａ、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。

第２図の小型二酸化炭素電極の構造は、そのＩＩＩＴ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、異方性工ッチングにより形成
された台形状の穴（溝部）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。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の穴には、２本の金電極３Ａ
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ｌの穴には電解液含有ゲル６が満たされている。さ
らに、穴の上部には、基板ｌの上部の全面（第２図の電
極３Ａ、３Ｂの一部が露出している露出部を除く）を覆
う形で、トランスデユーサとしての酸素電極のガス透過
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。このような酸素電極のガス
透過性膜１４上には、さらに微生物固定層膜８があり、
それをさらにガス透過性膜１５が覆っている。

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
型二酸化炭素電極が同時に形成されるということを理解
されたい。

■、ウェハー洗浄 厚さ３５０μｍ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。

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１
！ｔｏ、８　μｍのＳｉＯ□膜を形成した。

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Ｓｉ０ｇ
エツチング用レジストパターンを形成した。

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°Ｃで３０分間ヘークした。

５、ＳｉＯ□膜のエツチング ５０％フッ化水素酸：５０％フッ化アンモニウム−１：
６水ン容液にウェハーを漫ｔＭし、フォトレジストが被
覆されていない露出部分のＳｉＯ！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）？
、ａ液によりレジストを除去した。

６．３ｉ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
ウェハー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。

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３４０ｇ膜を除去した。これは、５と同様に５０％フ
ッ化水素酸：５０％フッ化アンモニウム−１：６水溶液
中で行った。

７、ＳｉＯ□膜の形成 シリコンウェハー表面にＳｉＯ□膜を成長させるため、
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。膜厚０．８　μｍの膜２が形成された。

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。

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ＳｉＯ□上に電極形成用レジス
トパターンを形成した。

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（２：１）
溶液によりレジストを除去した。

■金エツチング液：４ｇＫＩ　　および１　ｇ　Ｉｇを
４０　ｍｌ　の水に溶かしたもの ■クロムエンチング液：　Ｑ、５　ｇ　ＮａＯＨおよび
１ｇ　Ｋ７ｅ（ＣＮ）ａを４ｎ＋１の水に溶かしたもの
　金電極３Ａ　　３Ｂの形成された状態を第４図（Ａ）
に示す。

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（信越シリコーン製にＲ−２８
２）を−様に塗布し、２５０℃でベーー１−ングを施し
、疎水性絶縁膜７を形成する。

１２、　　レジスト塗布（第４図（Ｂ））本体表面で、
穴（台形状溝部）５と、電気的コンタクトを取る露出パ
ッド部分以外のところをネガ型フォトレジスト（東京応
化製、　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
、ブリヘーク後に露光及び現像を行うことによって実施
した。

１３、基板の切り出し 基板上に多数形成された酸素電極（二酸化炭素電極）本
体をチンブ状に切り出した。

１４、穴（台形状溝部）の中を現水性にする穴（台形状
溝部）５が形成されたチップ先端部を１０％水酸化ナト
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。

１５、アルギン酸カルシウムゲルの充填（第４図（Ｃ）
） 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。

Ａ液：　アルギン酸ナトリウムを０．１１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０．４％。

Ｂ液：　塩化カルシウムを０．１門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％。

Ａ液に第４図ＣＢ）のチップを漫清してゆっくり引き上
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しかれて穴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、穴５内へのアルギン酸カルシ
ウムゲル６の充填が行われた。

１６、ガス透過性膜の被覆（第４図（Ｄ））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膜１４
を被覆した。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（東京応化製　ＯＭＲ−
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。このレジスト膜は側壁および裏面
にも形成されるが、これはより絶縁性を向上させるのに
有利に作用する。

１７、＠生物固定（第４図（Ｅ）） 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。

Ｃ液：０，４χアルギン酸ナトリウム水溶液０．５ｍｌ
中に？Ｗった状態のＴＩＴ／ＦＪ−０００１菌５ｍｇ　
　を溶解したもの。

Ｂ液：　５χ塩化カルシウム水溶液。

１６までの工程で完成した小型酸素電極の感応部をまず
Ｃ液中に浸漬した後に、ただちにＤ液中に浸漬して微生
物をアルギン酸カルシウムゲル中に固定する。

１８、ガス透過性膜形成（第４図（Ｅ））１７で形成し
た微生物固定膜８上にガス通過性膜を形成した。ここで
は１６と同しネガ型フォトレジスト膜をデイツプコーテ
ィングにより形成した。

このレジストは、プリベークを施さずに小型酸素電極（
二酸化炭素電極）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
のキシレンを抜くと同時に感光させた。これにより、ガ
ス透過性膜１５を完成させた。

〔発明の効果］ 本発明方法によれば、夾雑物質の影響をうけやすいと云
う欠点を微生物固定膜上にガス透過性膜を形成すること
により除去すると共に、独立栄養細菌と小型酸素電極を
応用したアンペロメトリックな二酸化炭素電極の微小化
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

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ＩＬＩＩに沿った断面図
、そして 第４図（Ａ）〜（Ｅ）は、第２図および第３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
工程断面図である。 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（台形状溝部）、６は電
解液含有ゲル、７は疎水性絶縁膜、８は微生物固定膜、
そして１４．１５はガス透過性膜である。 二酸化炭ｔセンザー然原ｆｇ！ｚ 第　ｆＵ３ １４、／ｊ〜−−ガスｆＬＭ生順 ｆｆ　　−一−ハＪ定、イヒオ辰生１勿根■−ｇ主脚 ＪＡ−一一斂紮電極一カノード

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）台形状溝部（穴）を有する半導体基板と、該基板
   上に、絶縁膜を介して形成され、該穴の底部から該基板
   の表面に至る２本の電極と、 該穴の内部に充填された電解液を含有する多孔質担体と
   、 該穴を被覆閉塞し該電解液を含有する多孔質担体を覆う
   ガス透過性膜とを有してなる酸素電極と、該酸素電極の
   感応部上に形成された、電解液及び微生物を含有する多
   孔質担体よりなる微生物固定膜と、 該微生物固定膜を被覆する第２のガス透過性膜とを有す
   ることを特徴とする小型微生物電極。
2. （２）上記微生物が独立栄養細菌であることを特徴とす
   る請求項１記載の小型微生物電極。
3. （３）上記独立栄養細菌が、二酸化炭素を資化すること
   が可能なシュードモナス属に属する菌体であることを特
   徴とする請求項２記載の小型微生物電極。
4. （４）上記シュードモナス属に属する菌体が、ＴＩＴ／
   ＦＪ−０００１菌（微工研菌寄第８４７３号）、もしく
   は、ＴＩＴ／ＦＪ−０００２菌（微工研菌寄第８４７４
   号）であることを特徴とする請求項３記載の小型微生物
   電極。
5. （５）半導体基板上に該半導体の異方性エッチングによ
   り台形状溝部（穴）を形成し、該基板上に前記穴の底部
   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、該穴の内部のみに電解液を含有する多孔質担体
   を充填し、該穴を被覆閉塞し該電解液を含有する多孔質
   担体を覆うガス透過性膜を形成し酸素電極を形成する工
   程と、該酸素電極の感応部を独立栄養細菌含有アルギン
   酸金属塩水溶液中に浸漬し、引き続きアルギン酸と不溶
   性の塩を形成する２価以上の金属塩水溶液に浸漬してア
   ルギン酸塩をゲル化させ独立栄養細菌固定膜を形成する
   工程と、該独立栄養細菌固定膜をガス透過性膜で被覆す
   る工程を有することを特徴とする小型微生物電極の製造
   方法。