JPH06194334A - 参照電極 - Google Patents

参照電極

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JPH06194334A
JPH06194334A JP5248862A JP24886293A JPH06194334A JP H06194334 A JPH06194334 A JP H06194334A JP 5248862 A JP5248862 A JP 5248862A JP 24886293 A JP24886293 A JP 24886293A JP H06194334 A JPH06194334 A JP H06194334A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 価格に見合った標準的な技術で製造すること
ができ、厚い拡散層を必要とせずに測定液及び校正液を
供給できる化学センサ用プレーナ形参照電極を提供す
る。 【構成】 プレーナ形参照電極を、平坦な基板20上に
ある誘導電極21と、誘導電極21の領域の基板20を
覆うパターン化されたポリマーからなる層22と、誘導
電極21から化学センサに供給すべき測定液又は校正液
と接触する領域に横方向に延びており拡散チャネルの役
目をする溝23と溝23を密閉するカバー25とから構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は化学センサ用プレーナ形
参照電極に関する。
【0002】
【従来の技術】例えばNa+、K+及びCa2+のようなイ
オン濃度又はpH値の測定には現在特にポテンショメー
タ(電位差計)による測定法が使用されている。そのた
めにはイオン選択性センサの他に測定工程中に一定の電
位を供する参照電極を必要とする。それには通常いわゆ
る第二形式の電極、例えば銀/塩化銀電極(Ag/Ag
Cl電極)を使用する。
【0003】Ag/AgCl電極は一定の塩素イオン濃
度を有する電解液中に浸漬させることによって塩化銀層
で覆われた銀線からなる。その際電解液は例えば多孔性
のセラミック又は研磨ガラスのようなダイヤフラムを介
して測定液と電気的に接続されている(これに関しては
例えばキャマン(K.Cammann)著「イオン選択
性電極の動作(Das Arbeiten mit i
onenselektiven Elektrod
e)」第2版、Springer−Verlag出版、
ベルリン、ハイデルベルグ(1977年)、第44〜4
7頁参照)。
【0004】しかしこの種の複雑な構造を有する参照電
極はChemFET(Chemically sens
itive Field Effect Transi
stors=化学感受性電界効果形トランジスタ)のよ
うなイオンセンサ及びpHセンサに適合するものではな
い(これに関してはベルグフェルト(P.Bergve
ld)及びジープバルト(A.Sibbald)著「イ
オン選択性電界効果形トランジスタの分析学的及び生医
学的応用(Analytical and Biome
dical Applications of Ion
selective Field−effect Tr
ansistors)ElsevierScience
Publishers B.V.、アムステルダム
(1988年)、第63〜74頁;出版人:スベーラ
(G.Svehla)「包括的分析化学(Compre
hensive Analytical Chemis
try)」第XXIII巻参照)。それ故通常のISF
ET(Ion−Sensitive Field Ef
fect Transistor=イオン感受性電界効
果形トランジスタ)を帯電していないゲル層で覆うこと
は既に提案されている(これに関しては出版人:ヤナタ
(J.Janata)及びフーバ(R.J.Hube
r)のうちのヤナタ(J.Janata)による「ソリ
ッドステート化学センサ(Solid State C
hemical Sensors)」アカデミック・プ
レス社(Academic Press Inc.)、
オーランド、1985年、第101〜103頁参照)。
その際このゲルの作用はISFETの応答を拡散路を延
長して減速することにある。ゲル中での減速されたイオ
ン拡散により校正媒体から測定媒体に迅速に(1分以下
で)交換した場合参照化学電界効果形トランジスタの電
位は短期間(約1分間)は一定であり、従って参照電位
の役目を果たすことができる。
【0005】この種の参照センサの他の形態にはシリコ
ン基板上にあるpHセンサ(pH感受性ISFET)の
上部に陽極接着されたガラス膜により囲まれた空所を形
成するものがある(これに関しては「アナリスト(An
alyst)」第113巻(1988)、第1029〜
1033頁参照)。この直径500μm及び高さ200
μmを有する空所はヒドロゲル、即ち疎水性物質で満た
されている。この応答時間を“遅延された”pHセンサ
は、任意のISFETと組み合わせて(校正媒体と測定
媒体との交換)短期間を越えて参照電極として使用され
るが、しかしいくつかの欠点を有する。即ち孔を有する
ガラス円盤をシリコンウェハ上に陽極ボンディングで接
合する構造は製造経費がかかり、また技術的に未完成で
ある。更にこの種の装置の場合“遅延されたChemF
ET”の応答挙動に於ける十分な遅延効果を得るために
ChemFET上に極めて厚いヒドロゲル膜を、即ち約
200μmの厚さを有する膜を基板の伸張方向に対して
垂直に施さなければならない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、経費をかけ
ることなくまた欠点を有する技術的工程を経ずに、価格
に見合った標準的な技術で製造することができ、また厚
い拡散層を必要とせずに測定液及び校正液を供給するこ
とのできる化学センサ用プレーナ形参照電極を提供する
ことを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明によ
り、平坦な基板上にある誘導電極と、誘導電極の領域の
基板を覆うパターン化されたポリマーからなる層と、誘
導電極から化学センサに供給すべき測定液又は校正液と
接触する領域に横方向に延びており少なくとも拡散チャ
ネル(拡散チャネル内での拡散はチャネルの幾何学形状
及び/又は拡散層により測定される)の役目をする溝
と、溝を密閉するカバーとを備える参照電極により解決
される。
【0008】本発明による参照電極の場合基板としては
一般にシリコン基板、特にシリコンウェハを使用する。
しかしその他に酸化アルミニウム及び石英のような他の
物質も使用できる。基板上にはいわゆる誘導電極がある
が、これは例えば白金のような貴金属からなっていても
よい。しかし誘導電極がイオンセンサであることは有利
である。イオンセンサとしては特に例えばAg/AgC
l電極のようなイオン感応性電極を使用することができ
る。しかしこの目的には有利にはISFETを使用す
る。ISFET自体は例えばAg/AgClで被覆され
ていてもよく、従ってCl- 感応性である。しかしIS
FETはpH感応性、即ちpHISFETとすると有利
である。
【0009】基板上には一般に5〜100μm、有利に
は約30μmの厚さのポリマー層が設けられる。このポ
リマー層は有利にはポリイミドからなるが、しかしその
他にポリベンズオキサゾールのような他のパターン化可
能のポリマー物質からなっていてもよい。ポリマー層は
拡散チャネル、即ちイオン伝導性チャネルを得るために
直接誘導電極の領域内にパターン化される。この拡散チ
ャネルを介して誘導電極はセンサの作動時に分析すべき
液体、即ち測定液特に血液又は校正液と接続している。
拡散チャネルは一般に全体として数μmの高さ、数10
μmの幅及び数100μmの長さを有する。
【0010】拡散チャネルは比較的幅広のただ一個の溝
からなるか又は比較的幅の狭いかつ互いに並走する複数
のウェブにより分離された溝からなっていてもよい。ポ
リマー層をパターン化することにより形成されるこれら
の溝は密閉カバーを有する。このカバーはポリマー層及
び場合によっては拡散層に張り付けられた堅いカバーで
あってもよいが、しかし有利にはパッキング、即ち特に
O形環状の弾性パッキング材を使用する。この種の構造
により溶液及びセンサ間の接触範囲は誘導電極から十分
に、即ち数100μmも隔てることが可能となる。この
ようにして校正液から測定液への交換後測定液のイオン
の誘導電極への拡散は横方向にのみ、従って十分緩慢に
行われる。従ってISFETを誘導電極として使用した
場合参照電極とセンサとの間に生じ得る高い電気抵抗は
不利に作用しない。
【0011】拡散チャネル内での拡散はチャネルの幾何
学的形状によるだけでなく、拡散層によっても調整する
ことが可能である。拡散層は有利には電解液(校正液)
からなるが、しかしヒドロゲルであってもよく、このゲ
ルは作動状態で電解液と共に膨潤する。その際ヒドロゲ
ルとしては特に高分子の2−ヒドロキシエチルメタクリ
レート(pHEMA)を使用する。この種の拡散層を作
るにはポリマー構造物の溝をヒドロゲルで満たす。好ま
しい拡散層は、溝をポリビニルピロリドン(PVP)の
ような水溶性ポリマーで満たすようにして形成すること
ができる。運転開始後このポリマーを更に校正液により
溶解し、このようにして電解液と交換される。こうして
拡散チャネル内では妨げられることのない拡散が保証さ
れ、即ちチャネル内には純粋な拡散電位が存在し、ドナ
ン電位のような障害となる膜電位は存在しない。
【0012】
【実施例】本発明を図面及び実施例に基づき以下に詳述
する。
【0013】図1a、bに示す公知の参照電極ではシリ
コン基板10の表面にISFET11がある。シリコン
基板10はガラス層12を備えている。ガラス層12は
ISFET11の範囲内に孔13を有する。孔13は拡
散層であるヒドロゲル14によって満たされている。
【0014】図2a、bには本発明による参照電極の有
利な実施例が示されている。平坦な基板20(特にシリ
コン基板)上に誘導電極21、特にISFET、有利に
はpH−ISFETが配設されている。誘導電極21の
範囲内では基板20はポリマー、特にポリイミドからな
る層22を備えている。ポリマー層22はパターン化さ
れており、拡散チャネルの役目をする溝23を有する。
更に溝23はポリビニルピロリドンのような水溶性ポリ
マー24で満たされ、また密閉用カバー25を備えてい
る。溝23は横方向、即ち基板20の表面に平行に延び
ており、この溝は誘導電極21と化学センサ(図示され
ていない)に通じる還流チャネル26の間の接続を形成
する。還流チャネル26は容器27中の空所により形成
される。
【図面の簡単な説明】
【図1】aは従来技術によるプレーナ形参照電極の横断
面図、bはその平面図。
【図2】aは本発明によるプレーナ形参照電極の横断面
図、bはその平面図。
【符号の説明】
20 基板 21 誘導電極 22 ポリマー層 23 溝 24 水溶性ポリマー 25 密閉カバー 26 還流チャネル 27 容器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルンハルト モンターク ドイツ連邦共和国 91301 フオルヒハイ ム ノルトリング 22

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 測定液及び校正液を通すことのできる化
    学センサ用プレーナ形参照電極において、平坦な基板
    (20)上にある誘導電極(21)と、誘導電極(2
    1)の領域の基板(20)を覆うパターン化されたポリ
    マー層(22)と、誘導電極(21)から化学センサに
    供給すべき測定液又は校正液と接触する領域に横方向に
    延びており拡散チャネルの役目をする少なくとも1つの
    溝(23)と、溝(23)を密閉するカバー(25)と
    を備えることを特徴とする参照電極。
  2. 【請求項2】 誘導電極(21)がイオンセンサである
    ことを特徴とする請求項1記載の参照電極。
  3. 【請求項3】 イオンセンサがISFET、特にpH−
    ISFETであることを特徴とする請求項2記載の参照
    電極。
  4. 【請求項4】 ポリマー層(22)が5〜100μm、
    有利には約30μmの厚さを有することを特徴とする請
    求項1ないし3の1つに記載の参照電極。
  5. 【請求項5】 ポリマー層(22)がポリイミドからな
    ることを特徴とする請求項1ないし4の1つに記載の参
    照電極。
  6. 【請求項6】 溝(23)がパッキング(25)により
    覆われていることを特徴とする請求項1ないし5の1つ
    に記載の参照電極。
  7. 【請求項7】 溝(23)が水溶性ポリマー(24)に
    より満たされていることを特徴とする請求項1ないし6
    の1つに記載の参照電極。
  8. 【請求項8】 水溶性ポリマー(24)がポリビニルピ
    ロリドンであることを特徴とする請求項7記載の参照電
    極。
JP24886293A 1992-09-14 1993-09-08 参照電極 Expired - Lifetime JP3318405B2 (ja)

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