JPH06101017A - 電気化学的分析要素及びその製造方法 - Google Patents
電気化学的分析要素及びその製造方法Info
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Abstract
極を製造する方法を開示する。 【構成】 ポリマー基板に窒素グロー放電前処理を施す
ことによって、該基板表面に銀を直接付着することがで
きる。さらに、グロー放電前処理により、ニッケル付着
工程及び漂白工程に先立つ銀層の熟成工程が必要でなく
なる。
Description
造方法に関する。
は、イオン選択性電極(ISE)が用いられている。本
発明が主に関係する特定のISEは、プラスチック基板
上に付着している真空蒸着Ag/Ni被膜を有する多層IS
Eである。米国特許第 4,214,968号明細書が、このよう
なISEとその製造方法について記載している。本発明
にとって特に好ましい基板は、ポリエチレンテレフタレ
ート(PET)である。
の製造方法は、最初に、付着促進性のサブコーティン
グ、例えばポリ(アクリロニトリル−コ−塩化ビニリデ
ン−コ−アクリル酸)をPET基板の表面に設けて、P
ET基板と付着金属層との間の付着性を改善する工程を
含んでいた。次いで、そのサブコーティングの上に銀層
を真空蒸着した。続くニッケル付着工程の前に、その銀
層を約10週間熟成する必要があった。熟成工程後、銀層
の上にニッケルをストライプ状に選択付着させた。その
後、露出している銀領域を漂白剤にさらして、銀層の一
部をAgClに転化させた。Ni付着工程前に銀を十分に熟成
しないと、漂白工程中にニッケルのストライプ間の銀層
内でしばしば亀裂が発生し、電極が使用できなくなって
しまうことがあった。亀裂を引き起こす機構はわかって
いない。亀裂は、付着促進性の下層を使用したか否かと
は関係なく発生し、また実際に、PET/Agの付着が比
較的良好な電極の場合でさえも発生するので、亀裂に付
着性が関係しているようには見えなかった。その結果、
ニッケル付着工程に先立ち、必要な熟成を達成するた
め、PET基板上に付着した銀は10〜12週間程度の保存
を必要とし、製造コストを大幅に増加させてしまう。さ
らに、本発明以前には、製造工程中の電極の亀裂及び離
層の両方を防止するため、先に述べた付着促進性の下層
が必要であった。
リマー基板との間の付着性を改善するための技法とし
て、グロー放電前処理法とその類似技法が知られてい
る。グロー放電技法では、ポリマー基板表面を活性化さ
せるイオンを作り出すために、真空室へ残留ガスを導入
して高電圧を印加することによって、ブラシ放電または
グロー放電を発生させている。真空室へ導入することが
できるガスの例として、空気、酸素、窒素、ヘリウム、
ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン及びラドンが
挙げられる。グロー放電活性化後、無電解めっき、蒸発
及びスパッタリングといった技法により金属薄膜を付着
する。
ケル層を付着する前に銀層を数週間熟成する必要の無
い、銀層へニッケル層を適用する方法を提供することで
ある。
の工程a及びb: a)ポリマー基板の少なくとも一つの表面を窒素雰囲気
中でグロー放電プラズマ処理する工程;及び b)前記処理面に金属の層を付着する工程 を含んで成る、ポリマー基板上に金属被膜を適用する方
法を提供する。
板の少なくとも一つの表面を窒素雰囲気中でグロー放電
プラズマ処理する工程;前記処理済みポリマー表面に銀
層を付着する工程;前記金属層の特定の領域上にニッケ
ルを付着し、よって未被覆領域を残す工程;及び前記金
属層の未被覆領域を漂白浴にさらして、前記金属層の一
部を金属ハロゲン化物へ転化する工程を含んで成る、電
気化学的分析要素の製造方法が可能になる。
極のような電気化学的分析要素を製造することができ
る。イオン選択性電極の製造方法は、ポリマー基板の少
なくとも一つの表面を窒素ガス含有雰囲気中でグロー放
電プラズマ処理する工程と、その処理済みポリマー表面
に銀層を付着する工程と、その銀層の特定の領域上に導
電性金属を付着し、よって銀の未被覆領域を残す工程
と、及びその銀層の未被覆領域を漂白浴にさらしてその
銀層の一部をハロゲン化銀へ転化する工程とを含んで成
る。好ましい導電性金属はニッケルである。導電性金属
の付着工程と漂白工程は、銀の付着工程の直後に実施す
ることができる。最適には、銀の未被覆領域の一部を、
各種のイオン輸送促進ゲル組成物、または保護材料、例
えば酢酸セルロースで被覆してもよい。
るポリマー基板を含んで成り、その組成物は、ポリマー
基板上に直接付着している銀含有材料の層と窒素とを含
有する。その銀層の特定の領域はハロゲン化銀を含んで
成り、またその銀層の残部は金属銀領域を含んで成る。
好ましくは、イオン選択性電極はまた、金属銀領域の上
に選択的に付着している導電性金属の層をも含んで成
る。この目的にとって好ましい導電性金属はニッケルで
ある。さらに、イオン選択性電極は、前記ハロゲン化銀
の上に選択的に付着している保護材料またはイオン輸送
促進材料の層をも含んで成る。
含有雰囲気中でグロー放電により前処理することによっ
て、付着工程において銀とニッケルの被膜を即座に続け
て付着することができ、ニッケル層の付着前に銀層を実
質的に熟成する必要がないことが発見された。次いで、
その複合構造物をすぐに漂白して銀の一部をハロゲン化
銀へ転化することができる。窒素含有雰囲気中で低エネ
ルギーのグロー放電を使用して有機基板を処理すること
によって、その基板の表面化学が改質されて、その構造
中に窒素が含まれる。従来技術の多くのイオンビームエ
ネルギー技法との違いは、本発明がグロー放電雰囲気中
に窒素の存在を必要とすることである。
E)は、ポリマー基板から成り、それにAgの層が直接付
着している。ニッケルの層は、銀層の上に選択的に付着
している。次いで、その複合構造物を漂白して、銀層の
一部をAgClのようなハロゲン化銀へ転化する。このよう
に、本発明のISEは付着促進性の下層をまったく使用
しない。別法として、AgClをゲルや、保護膜またはイオ
ン選択膜で被覆することもできる。
リイミド、ポリエステル、Mylar (E. I. DuPont DeNem
oursの商標)、エポキシ、等が含まれる。典型的には、
基板は有機ポリマーである。好ましい基板はポリ(エチ
レンテレフタレート)(PET)である。
る温度範囲にわたり起こりうる。市販の装置を使用し
て、グロー放電前処理工程並びに金属付着工程を提供す
ることができるが、それらは好ましくは乾式処理工程、
とりわけe−ビーム蒸発である。従来の製造工程とは対
照的に、銀を付着する前に付着促進層を適用することは
ないが、得られる多層被膜は、付着促進性の下層を使用
して付着させた被膜よりもはるかに向上した性能を示
す。特に、漂白工程を銀付着工程後の数日以内に、好ま
しくは直後に実施できる場合でさえも、漂白工程中に銀
層に亀裂が発生した形跡はまったくない。このことは特
に意味がある。というのは、本発明の方法以前には、亀
裂の問題を回避するには、銀層を約10週間熟成する方法
しかなかったからである。
ン選択性電極を図1に示す。電極1は、典型的には、P
ET基板2を含み、その表面には、窒素グロー放電処理
後に銀の被膜4が付着される。従来技術のデバイスは、
通常、銀とPET基板の間に付着促進性の下層を使用し
ている。しかしながら、窒素グロー放電前処理のため、
本発明では付着促進層は必要ではない。銀層4の上に、
一連のニッケルストライプ6を選択付着させ、その後、
全体を漂白液にさらして、銀層4の一部分8を塩化銀へ
転化する。この時点の装置は、塩化物イオン選択性電極
として動作可能である。代わりに、塩化銀部分8の上
に、各種のイオン選択性ゲルまたは膜10を選択的に適
用して、その他の各種イオンに感受性のISEを製造し
てもよい。このようなゲルや膜の例の説明については、
米国特許第 4,214,968号明細書を参照されたい。
のに適した装置20を図2に示す。示した装置20は、
シングルインライン真空ウェブコーティング装置であ
る。それゆえ、装置20は、グロー放電二次室22、銀
源るつぼ25を有する銀付着室24、及びニッケル源る
つぼ27を有するニッケル付着室26を含む。もちろ
ん、所望であれば、さらに多数の付着室を使用してもよ
い。別法として、付着室24及び26の両方を、最初は
Agを付着するのに使用し、その後るつぼ25及び27を
交換してニッケルを付着させてもよい。真空ポンプ28
を装置20に接続して、適当な圧力、好ましくは 7×10
-3パスカル未満を達成する。グロー放電室20は、従来
の多くのスパッタリング二次室と似ており、そして従来
のカソード30を含み、またガス導入口31を通して窒
素含有雰囲気が供給される。カソード30は、グロー放
電前処理工程中のプラスチック基板上へのカソード材料
のスパッタリングを防止するため、低スパッタリング係
数を示す材料でできていることが好ましい。低スパッタ
リング係数を示す材料の例として、アルミニウムやステ
ンレススチールが挙げられる。
基板材料32を、まずグロー放電二次室22へ供給し、
そこで、先に述べたように、窒素存在下でグロー放電処
理を施す。その後、基板をX線光電子分光分析法(XP
S)で分析すると、このようなプラズマ処理によって、
基板の表面構造の特定部位に窒素が化学的に導入される
ことが示される。PETの場合、窒素は、典型的には、
PET中の有機物質と反応して窒素アミン、イミン及び
アミドを形成する。次いで、基板を付着室24及び26
へ搬送し、そこでAg層及びNi層を適用し、その後基板を
アウトプットローラー43に巻取る。銀付着室及びニッ
ケル付着室24及び26は、従来のe−ビーム蒸発装置
に似ており、そして例えば従来のe−ビームガンと、付
着すべき金属を保持するるつぼとを含む。
付着室26の中に設けてPET基板の領域をマスクする
ことで、例えば、先に述べたように、ニッケルをストラ
イプ状で選択的に適用することができる。
圧に保たれているガスに電場を印加すると、ガス中に少
量存在し且つ大気圧下よりも著しく大きな分子間距離を
有する自由電子が、電場下で加速されて運動エネルギー
(電子温度)を獲得する。これらの加速された電子は原
子や分子と衝突し、それらの原子や分子の軌道を破壊
し、よってそれらを解離させて、電子、イオン、中性ラ
ジカル、等といった通常は不安定な化学種を生ぜしめ
る。解離した電子は電場下で再び加速され、さらに別の
原子や分子を解離させる。この連鎖反応が、存在するす
べてのガスを、瞬間的に高度にイオン化された状態へ転
換させる。これを一般にプラズマと呼ぶ。気体状分子
は、電子と衝突する機会が少なく且つエネルギーをほと
んど吸収しないので、室温に近い温度に保たれる。電子
の運動エネルギー(電子温度)と分子の熱運動(ガス温
度)とが相関しないこのような系を、低温プラズマと称
する。
は、通常、グロー放電中の雰囲気の活性成分として、通
常は100%以下の酸素を含む。しかしながら、本発明の方
法には、酸素を含有する雰囲気は好ましくない。本発明
の好ましいグロー放電雰囲気は、窒素を含有する雰囲気
である。該雰囲気の残部が不活性ガスから成っていても
よい。好ましい不活性ガスはアルゴンである。こうし
て、例えば、本発明によるグロー放電前処理工程を実施
するのに適した雰囲気は、アルゴン98%と窒素2%の雰
囲気である。
改質されたポリマー構造と銀被膜との間に共有結合が起
こりうる。この現象が、本発明のISEに固有の向上し
た銀層の付着性の原因になっていると考えられる。しか
しながら、さらに重要なことは、本明細書に記載したグ
ロー放電前処理を使用して製造すると、製造工程の漂白
操作の際に銀層が亀裂をまったく示さないことである。
ET層に対するAgの付着性が、時間と共に低下するとい
うことである。例えば、銀被膜の付着前に待ち時間が10
時間以上あると、付着性が顕著に低下する。それゆえ、
理想的には、本発明のイオン選択性電極の製造は連続工
程で、好ましくは同じ装置内で、行うべきである。しか
しながら、このことは本発明の実施には本質的ではな
く、こうして本発明を別々の装置内で、しかもニッケル
付着前に短時間の待ち時間を設けるかまたは設けずに、
行うことは可能である。
理室の幾何学的形状、処理室内の窒素の含有量及び圧力
並びにカソード出力を含む装置変数に依存する。別の重
要な変数は処理エネルギーEであるが、これはカソード
に印加される電力(単位ワット)×暴露時間Eカソード
面積に等しい。ある一定のグロー放電室について、特定
の処理エネルギーしきい値未満では、窒素グロー放電が
亀裂現象を軽減することはない。反対に、特定の処理エ
ネルギーを超えると基板を損傷する。
は、カソード−基板間距離 12.7 cm及びカソード面積 3
29 cm2を有する平行プレート室(カソードが基板面に対
して平行である)であるが、この場合、グロー放電前処
理の際の真空ベース圧を 7×10-3パスカル範囲以下に維
持することが好ましい。より好ましくは、該ベース圧を
1×10-3パスカル未満に維持する。グロー放電処理中
は、グロー放電室内圧は、典型的には 1〜67パスカル、
好ましくは 6.7〜14パスカルである。このような圧力を
採用する場合にグロー放電プラズマを発生させるために
印加される電圧は、 700〜1200ボルトの範囲にある。カ
ソード材料の付着を避けるため、印加される電圧は比較
的低い。また、同じ理由で、該カソード材料は低いスパ
ッタリング係数を有するように意図的に選定される。こ
れらの変数から、処理エネルギーは1.1〜4 ジュール/c
m2 となる。
24において、そのPET基板上に厚さ 600〜800 ナノ
メートルの金属銀の被膜を付着する。銀層を付着する好
ましい方法は、e−ビーム蒸発法である。電子ビーム真
空蒸発法は、標準的な付着技法であり、電子ビームガン
からの電子流が直接衝突することにより加熱される源
(通常は、付着すべき材料を充填したるつぼ)に配置さ
れた材料から、蒸気が発生する。例えば、Maissel & Gl
ang の Handbook of Thin Film Technology の第1部、
第21節、第53〜54頁を参照されたい。次いで、金属銀が
蒸発し、上方へ上昇し、そこでPET基板上に付着す
る。該処理は、通常、真空中(典型的には、10-2〜10-3
パスカル)で行われるので、蒸発した原子は、本質的に
衝突せずに見通し輸送されて基板上に凝縮する。
6の中で、e−ビーム蒸発法によって、ニッケルのスト
ライプを厚さ12〜20ナノメートルで付着する。水冷マス
ク44が特定領域における付着を妨害し、よってストラ
イプ状のニッケル被覆が得られる。
の露出部分を、漂白剤、例えば塩化ナトリウム及びクロ
ム酸カリウムの溶液(図示なし)で処理する。本明細書
及び特許請求の範囲で用いられている漂白とは、一部の
銀層をハロゲン化銀、例えばAgCl、へ転化するために用
いられる技法である。漂白工程を使用して、図1中の数
字8で表示したように、露出領域における銀層の厚さの
約25〜40%を塩化銀へ転化する。転化されるAgClの厚さ
のパーセントは、ISEの所望の末端用途に依存する。
例えば、塩化物用ISEではAg層の厚さの36%を、また
ナトリウム用ISEではAg層の厚さの26%をAgClへ転化
する。銀被覆ストライプ下の銀層の面積は本質的に変化
しない。
付着前にAgの熟成を必要としない場合でさえ、またPE
T基板に付着促進層を適用しない場合でさえ、本発明の
複合Ag/Ni被膜は、漂白工程中のAgCl層の垂直亀裂をま
ったく示さない。その結果、本発明の複合ISEは、よ
り少ない材料を使用し、しかもより少ない製造工程(Ag
熟成工程が無い)で、製造することができる。さらに重
要なことは、本発明によって、銀層の熟成を促進するた
めに必要な棚卸系、貯蔵設備、等が軽減されることであ
ろう。
複合材料は、塩化物イオン選択性電極として動作可能で
ある。該複合デバイスの表面に保護オーバーコートを選
択的に被覆してもよい。例えば、塩化物イオン感受性電
極におけるAgCl部分の上に酢酸セルロースを適用するこ
とができる。
使用して別のイオン感受性電極(例えば、カリウム用I
SEやナトリウム用ISE)を製作するために、塩化銀
の領域に、例えば、図1中の数字10及び11で表示し
たようなそれぞれ電解質含有ゲル及びイオン選択膜を選
択的にオーバーコートする別の工程を実施してもよい。
従来のイオン選択膜は、イオノホリック(イオン輸送を
促進する)材料と組み合わされた疎水性ポリマーを含有
する材料である。電解質含有ゲルの例は、(Na用ISE
については)NaCl含有ゲル、また(K 用ISEについて
は) KCl含有ゲルである。このようなイオン選択膜の例
は、(K 用ISEについては)バリノマイシンを、また
(Na用ISEについては)メチルモネンシンを、含有す
る膜である。さらに詳細な説明については、米国特許第
4,214,968号明細書を参照されたい。本発明に関連して
製造された電極は、PET基板上に付着層が含まれず、
またニッケルの付着前に銀層を熟成しない場合でさえ、
従来技法に従い製造した電極と同等の性能を示す。
って、さらに容易に理解することができる。しかしなが
ら、これらの実施例は、例示目的にのみ提供されている
ものであり、本発明は、その精神及び範囲から逸脱する
ことなく、特別に例示したもの以外で実施されうること
を理解しなければならない。
置20を排気して、ベース圧を約 5.3×10-4パスカルに
した。厚さ約175 nmのポリ(エチレンテレフタレート)
(PET)フィルム基板(表面に付着促進性の下層を有
さない)のロールを展開し、そしてコーターを通して搬
送し、最初にグロー放電室22を通過させて、そこでグ
ロー放電前処理を施した。グロー放電前処理工程中の雰
囲気は、窒素 100%とした。窒素ガスは、6.65パスカル
の圧力で室22の中へ導入した。その後、グロー放電カ
ソードを、 1.5ジュール/cm2 の処理エネルギーが得ら
れるように選定した電力で活性化した(E=W*t/A から算
出、W=90ワットのカソード電力、A=329 cm2 のカソード
面積、及び t=5.4秒の基板の特定領域のグロー放電に対
する暴露時間)。
4及び26に搬送した。それら各々は、銀を付着するよ
うに組み立てた(こうして、マスク44は使用しなかっ
た)。るつぼ25に含まれている金属銀を電子ビームガ
ンで真空蒸発させることによって、厚さ約700 nmまたは
7.35 g/m2 の金属銀層を付着させた。
約8.4 mm及び厚さ12 nm の平行な一連のニッケルストラ
イプを、幅23.4 mm の未被覆空間で隔離してオーバーコ
ートした。また、ニッケル層6を、上記標準技法を用い
て、真空ウェブコーター内でニッケル源から電子ビーム
ガン蒸発法によって適用した。
68号明細書中実施例2に記載されているように、8.45 g
/Lのクロロクロム酸カリウム水溶液で処理した。この処
理によって、図1中の数字8で表示したように、非Niス
トライプ化領域内の銀層の厚さの約36%が塩化銀に転化
した。ニッケル被覆ストライプの下部の銀層領域は、本
質的に変化しないまま残った。
表面を検査したところ、銀−塩化銀層の中に亀裂はまっ
たく認められなかった。
なわち、従来の製造工程で製造した対照用電極と本質的
に同等の応答性を示した。
価した。1片のセルロース系接着テープを指圧で上部電
極表面に貼った後、素早く剥離した。本発明の電極試料
を繰り返し試験したところ、層の分離はまったく示され
ず、電極構造は変化せずにそのままであった。
的には実施例1と同じであるが、但しPET基板の表面
に付着促進性の下層が適用されている。ポリ(アクリロ
ニトリル−コ−塩化ビニリデン−コ−アクリル酸)の付
着促進性の下層を表面に有する厚さ175 nmのPETフィ
ルムを基板として使用した。厚さ700 nmの銀層を被覆し
た後、8時間以内に、厚さ約 12 nmの金属ニッケルスト
ライプを付着した。その後、その複合材料に、実施例1
に記載の同じ漂白処理を施した。漂白後、倍率50×の低
電力反射顕微鏡で材料表面を検査したところ、ニッケル
ストライプ間の銀−塩化銀層に広範囲の亀裂が発生して
いることを示した。その亀裂は、ニッケルストライプと
基板に対して本質的に垂直に配向し、またベースにまで
続いていた。
ましいが、上記のISEでは、その他の導電性金属、例
えばTi、導電性金属の合金、等をニッケルストライプの
代わりに使用してもよい。さらに、いずれの導電性金属
ストライプを含まずに、動作可能なISEを構築するこ
ともできる。こうして、例えば、本発明を利用して、米
国特許第 4,214,968号明細書に記載されているような、
導電性金属ストライプを表面に有さずに、プラスチック
基板上の金属Ag層の上にAgCl層を含んで成るISEを製
造することができる。
以下に記載する。
タレート)である、請求項1または2に記載した方法。
る工程をさらに含んで成る、請求項2に記載した方法。
亀裂を発生させることなく、前記銀付着工程の8時間以
内に行うことができる、請求項2に記載した方法。
いる電解質含有材料の層;及び前記電解質含有材料の上
に付着しているイオン選択性材料の層;をさらに含んで
成る、請求項3に記載した要素。
保護材料をさらに含んで成る前記要素。
程の前に、Ag層のための長時間の熟成期間を必要としな
い。本発明の方法は、Ag層とNi層を、一つの製造工程に
おいて、短時間内で付着することを可能にし、その後は
PET/Ag/Ni装置を即座に漂白することができる。
極を示す横断面図である。
図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 以下の工程a及びb: a)ポリマー基板の少なくとも一つの表面を窒素雰囲気
中でグロー放電プラズマ処理する工程;及び b)前記処理面に金属の層を付着する工程 を含んで成る、ポリマー基板上に金属被膜を適用する方
法。 - 【請求項2】 以下の工程:ポリマー基板の少なくとも
一つの表面を窒素雰囲気中でグロー放電プラズマ処理す
る工程;前記処理済みポリマー表面に銀層を付着する工
程;前記金属層の特定の領域上にニッケルを付着し、よ
って未被覆領域を残す工程;及び前記金属層の未被覆領
域を漂白浴にさらして、前記金属層の一部を金属ハロゲ
ン化物へ転化する工程を含んで成る、電気化学的分析要
素の製造方法。 - 【請求項3】 主面を有するポリマー基板と;前記ポリ
マー基板上に直接付着している銀含有材料の層であっ
て、前記銀層の特定の領域がハロゲン化銀を含んで成
り、前記銀層の残部が金属銀領域を含んで成る、前記銀
含有材料の層と;並びに前記金属銀領域の上に選択的に
付着しているニッケル層;を含んで成る電気化学的分析
要素において、前記ポリマー表面の主面が窒素を含有す
ることを特徴とする前記要素。
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