有機化合物検出用電極及びそれを使用した有機化合物濃度の電気化学検出装置
【課題】高価な導電性ダイヤモンドを使用することなく導電性を有するダイヤモンドライクカーボンの電極を利用して有機化合物濃度を高感度かつ高速度に分析することが可能な有機化合物濃度検出用電極及びそれを使用した有機化合物濃度電気化学検出装置を提供する。
【解決手段】有機化合物濃度の検出に使用する電極が、導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であることを特徴とする。検体が供給されるフローセルに作用電極及び対極が配置され、両極に電圧を印加し、測定された電流値と有機化合物濃度−電流値の検量線から検体中の有機化合物濃度を検出する有機化合物濃度の電気化学検出装置において、作用電極２が導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であって、該導電性ダイヤモンドライクカーボンの導電性が０．００２Ｓｃｍ−１以上である。
【解決手段】有機化合物濃度の検出に使用する電極が、導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であることを特徴とする。検体が供給されるフローセルに作用電極及び対極が配置され、両極に電圧を印加し、測定された電流値と有機化合物濃度−電流値の検量線から検体中の有機化合物濃度を検出する有機化合物濃度の電気化学検出装置において、作用電極２が導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であって、該導電性ダイヤモンドライクカーボンの導電性が０．００２Ｓｃｍ−１以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機化合物濃度を高感度かつ高速度に分析することを可能とする有機化合物濃度検出用電極及びそれを使用した有機化合物濃度の電気化学検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、病気の診断等において様々な有機化合物の濃度を測定することが行われている。糖尿病を例にして説明すると、糖尿病の患者数は増加の一途を辿っている。この糖尿病の診断は、従来、血糖値を測定することにより行われるのが一般的であるが、採血を要し、その分析にも時間を要することから、簡便な方法とはいいがたい。現在、医療現場で実用化されている尿糖の定量方法はグルコースオキシダーゼ等の酵素試薬の呈色を判定として用いており、日本国内では、（株）三和化学研究所の製造する判定薬がほぼ市場の半分程度を占めている。
【０００３】
また、体内糖量測定用の電気化学的な分析手法としては、血液中の血糖（グルコース）に対するグルコース酸化酵素（グルコースオキシダーゼ）の反応で生成する過酸化水素を電気化学的に定量し、血糖値を算出する方法（グルコースセンサー法）、電極表面上で直接グルコースを酸化させ、その酸化電流値によりグルコース濃度を算出する、非酵素直接電解センサーによる方法が知られている。
【０００４】
グルコース濃度電気化学分析方法として、特許文献１には、導電性ダイヤモンドと、その上に担持される、ニッケル、銅、金、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、コバルト、およびロジウムからなる群から選択される１種以上とを有してなる、ダイヤモンド電極と、対電極とを用意し、ダイヤモンド電極と、対電極とを被験試料に接触させ、ダイヤモンド電極と、対電極との間に、ダイヤモンド電極上で酸化反応の生じる電圧を印加し、電圧下における電流値を測定し、予め作成されたグルコースの濃度と電流値との検量線と得られた電流値とを対比することにより被験試料中のグルコースの濃度を算出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１０９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記グルコースセンサー法では、体液中に共存するアスコルビン酸などの還元性物質の影響によりグルコース測定値に大きな誤差を生じる恐れがある。このため、医療機関における診断や、糖尿病患者自身による携帯用体内糖量測定器としての適用のために、測定方法の簡易化と分析精度の向上が求められている。さらに、この方法に用いられるセンサー部分は使い捨てが原則であるが、簡易健康管理器具へ適用の観点から、センサー部の耐久性の向上も求められている。
【０００７】
前記非酵素直接電解センサーによる方法では、グルコースの酸化に非常に大きな過電圧が必要であり、一般的な貴金属電極では、酸化生成物が電極表面上に吸着し（不動態膜を形成し）、さらなるグルコースの酸化や検出を阻害するという問題点がある。
【０００８】
特許文献１に記載されている、導電性ダイヤモンドは、成膜可能な基板材料がシリコンなどに限られ、しかも電極化可能な薄膜成膜に１２時間を要する長時間成膜であるために高コストとなっている。
【０００９】
そこで、本発明は、高価な導電性ダイヤモンドを使用することなく導電性を有するダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の電極を利用して有機化合物濃度を高感度かつ高速度に分析することが可能な有機化合物濃度検出用電極及びそれを使用した有機化合物濃度電気化学検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、有機化合物濃度の検出に使用する有機化合物濃度検出用電極において、該電極が、導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、前記有機化合物がヒドロキシ基（ＨＯ−基）、オキシ基（−Ｏ−基）又はカルボニル基（−Ｃ（＝Ｏ）−基）に隣接する炭素に結合する第２級水素又は第３級水素を有する有機化合物であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、前記有機化合物がグルコース、２−プロパノール、アセト酢酸エチル、酢酸エチル、アスコルビン酸のいずれかであることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、前記導電性ダイヤモンドライクカーボンの導電性が０．００２Ｓｃｍ−１以上であることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、前記導電性ダイヤモンドライクカーボンの電位窓が２．５Ｖ以上であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、該導電性ダイヤモンドライクカーボン電極が窒素をドープした導電性ダイヤモンドライクカーボンからなることを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、検体が供給されるフローセルに作用電極及び対極が配置され、両極に電圧を印加し、測定された電流値と有機化合物濃度−電流値の検量線から検体中の有機化合物濃度を検出する有機化合物濃度の電気化学検出装置において、作用電極が導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であって、該導電性ダイヤモンドライクカーボンの導電性が０．００２Ｓｃｍ−１以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、ＤＬＣ膜はアルミナ表面など様々な材料表面に数十分程度の短時間で且つ導電性ダイヤモンドの１／２０の低コスト成膜が可能であり、さらに導電性ダイヤモンドと同等の性能が得られ、高感度で安定した測定が可能となる。
【００１８】
本発明により、酸化電位が非常に高いため、白金や黒鉛など一般的な電極を用いては直接酸化に由来する電流を測定することが困難な有機化合物を対象物質とし、電位窓が広く、酸素発生反応に阻害されることなく高い酸化電位をもつ有機化合物を酸化可能で、かつ、表面に有機化合物の付着の少ない特性を示す導電性ＤＣＬ電極を電極材料に選択することで、有機化合物を高感度且つ簡易に分析可能となる。
【００１９】
本発明の導電性ＤＣＬ電極表面では、高電位印加により、酸素発生反応の中間体であるヒドロキシルラジカルが生成し、このヒドロキシルラジカルを有機化合物の酸化に適用すると、その酸化生成物の電流応答により、有機化合物の定量分析が可能である。
【００２０】
本発明により、従来は酵素法ではグルコース酸化酵素を利用しなければ定量分析できなかったグルコースを酵素なしの簡易な手法で定量分析することが可能となった。また、従来の直接酸化法で問題となる電極の不活性化を起こすことなく定量分析を行うことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の導電性ＤＬＣ電極を組み込んだ電気化学センサシステムを示す図である。
【図２】１０ｍＭグルコースに対する応答電流の電極電位依存性を示す図である。
【図３】応答電流のグルコース濃度依存性を示す図である。
【図４】フローインジェエクションを用いた導電性ＤＬＣ電極による１０ｍＭグルコース対する電流応答（印加電圧：＋３．６０Ｖｖｓ，Ａｇ／ＡｇＣｌ）を示す図である。
【図５】２００ｍＭ２−プロパノールに対する応答電流の電極電位依存性を示す図である。
【図６】応答電流の２−プロパノール濃度依存性を示す図である。
【図７】２００ｍＭアセト酢酸エチルに対する応答電流の電極電位依存性を示す図である。
【図８】応答電流のアセト酢酸エチル濃度依存性を示す図である。
【図９】２００ｍＭ酢酸エチルに対する応答電流の電極電位依存性を示す図である。
【図１０】応答電流の酢酸エチル濃度依存性を示す図である。
【図１１】１０ｍＭアスコルビン酸に対する応答電流の電極電位依存性を示す図である。
【図１２】応答電流のアスコルビン酸濃度依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
導電性ＤＬＣ膜は、Ｓｉ基板上にプラズマＣＶＤ法を用い、プラズマの照射出力で導電性を付与するため、ＩＩＩ族及びＶ族の元素、好ましくは窒素、ホウ素、より好ましくは窒素であり、導入量を制御しながら成膜する。この導入量は導電性を付与できる範囲で適宜決定されるが、１，０００ｎｍ〜２，０００ｎｍ膜厚になるように、炭素原子数に対して窒素原子数が８％程度となるように成膜するのが好ましい。分子中に窒素原子を含む化合物の例としては、シアン化水素（ＨＣＮ）、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）、エタンシアニド（ＣＨ３ＣＨ２ＣＮ）、プロパンシアニド（ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＮ）、ホルムアミド（ＨＣＯＮＨ２）、アセトアミド（ＣＨ３ＣＯＮＨ２）、メチルアミン（ＣＨ３ＮＨ２）、エチルアミン（ＣＨ３ＣＨ２ＮＨ２）などが挙げられる。これらの化合物のうち、一種類を原料ガスとして用いることもできる。
【００２４】
本発明の電極に用いる導電性ＤＬＣの導電性は０．００２Ｓｃｍ−１以上であり、より好ましくは０．０１Ｓｃｍ−１以上である。
【００２５】
本発明の電極に用いる導電性ＤＬＣの電位窓は２．５Ｖ以上であり、より好ましくは３．０Ｖ以上である。
【００２６】
導電性ＤＬＣ膜は強酸への耐腐食性に優れるため電気化学的安定性が高い。また、導電性ＤＬＣ膜は、電位窓がＰｔやグラファイトに比べて大きく、表面のＯ２、Ｈ２の発生反応速度が遅く、導電性ダイヤモンドと同等の分極性電極となる。また、導電性ＤＬＣ膜は、有機化合物の酸化反応に対し導電性ダイヤモンドと同等の良好な応答性を有するので、生体成分検出センサーとして応用可能となる。
【００２７】
糖尿病の診断においては、一般に、尿糖値測定による糖尿病診断の基準として、尿糖値が、食後に１００〜５００ｍｇ／ｄＬであると対糖能障害（境界型）であり、食前に５０ｍｇ／ｄＬ以上であり、かつ食後において５００ｍｇ／ｄＬ以上であると糖尿病であると設定されている。血液中のグルコース濃度は、成人で３〜８ｍＭの範囲の濃度である。導電性ＤＬＣ薄膜を用い、高電位を印加することで、上記濃度範囲内でグルコース濃度を測定することが可能であり、簡易に短時間で糖尿病診断を行うことができる。
【００２８】
本発明において、導電性ＤＬＣ電極を用いた電気化学センサー型生体成分分析装置のセンシング部分は、検体がフロー状態で供給されるフローセルの構成を採用し、その電気化学センサーでの測定電流値を検量線と比較することにより濃度を決定する。
【００２９】
図１において、検体が流入するフローセル１に作用電極２、対極３及び参照電極４が配置され、作用電極２、対極３及び参照電極４の各電流値を測定する電流計５が接続されている。作用電極２は導電性ＤＬＣ電極である。対極は白金、炭素、金等を使用する。
【００３０】
参照電極は公知のものを利用することが出来、銀塩化銀電極、飽和カロメル電極、標準水素電極、水銀塩化水銀電極、水素パラジウム電極等であることが好ましい。
【００３１】
本発明において、作用電極であるＤＬＣ電極と、対極との間に印加される電圧は、ＤＬＣ電極上で検出対象試料の酸化反応あるいは還元反応が生じるものであれば特に限定されない。
【００３２】
電流計５で測定された電流値は、検体濃度と電流値の検量線データ６を備えた電流値比較・濃度算出部７に入力されて、検体濃度が演算され、インジケーター８に表示される。
【００３３】
検出対象試料は、ＤＬＣ上で電解反応する物質である。具体的には、ヒドロキシ基、オキシ基又はカルボニル基に隣接する炭素に結合する第２級水素又は第３級水素を有する有機化合物を挙げることが出来る。中でも、グルコース、２−プロパノール、アセト酢酸エチル、酢酸エチル、アスコルビン酸が挙げられる。
【００３４】
検出対象試料は、上記化合物が含まれていると考えられる生体由来の血液、体液等、又は食品若しくは食品の希釈溶液又は懸濁液であってよい。多種の成分を含む検出対象試料の場合、分離カラムを通した後にフローセルに供給することが望ましい。
【実施例１】
【００３５】
（導電性ダイヤモンドライクカーボンの製造）
［ダイヤモンドライクカーボンの製造及び評価］
プラズマＣＶＤ装置として、基板を載置する電極に負のバイアス電力を供給可能な構成
を有するサムコ株式会社製のＢＰ−１特を用いた。原料ガスには５０℃で加熱して気化させたアセトニトリルを用いた。そして、電極に載置したシリコンウエハ上に、ダイヤモンドライクカーボンを１５００ｎｍの膜厚になるように成膜を行った。
アセトニトリルの流量は５ｓｃｃｍ、チャンバ内の圧力は１０Ｐａ、温度は２８０℃という条件において、プラズマ出力を２３０Ｗとした。
【００３６】
（電位窓の評価）
上記で得られたダイヤモンドライクカーボンを作用極とし、Ａｇ／ＡｇＣｌを参照極とし、白金を対極として、０．１Ｍの硫酸水溶液中で１００ｍＶ／ｓの速度で電位掃引した場合の電位に対する電流を測定した。酸化・還元電流が２ｍＡ／ｃｍ２以下の電位範囲を電位窓と定義すると、電位窓は３．９４Ｖであった。
【００３７】
（グルコース濃度の検出）
ｐＨ１のリン酸溶液を移動相溶液に用い、１０ｍＭのグルコース溶液を、２０μＬインジェクションした場合の、電流応答の電極電位依存性を図２に示す。図２において、＋２．０Ｖ付近からグルコースに由来した応答電流が観測され、応答電流は＋３．６Ｖ付近から飽和する。
図３に示すように、電極電位を＋３．６Ｖに固定した場合、応答電流は１０ｍＭから１ｍＭの範囲のグルコース濃度に対してリニアな関係を示した。Ｓ／Ｎ＝３の検出限界は１．３７ｍＭである。したがって、この手法によりグルコース濃度を定量分析することが可能であり、グルコースを成人男子の体内濃度値３〜８ｍＭを十分にカバーできる。
また、グルコースの生体成分の測定には、高感度で安定した測定が要求される。図４に示すように、導電性ＤＬＣ薄膜のアンペロメトリック応答においては、ピーク強度が＋３％以下の確度を示し、高い信頼性を実現した。
【００３８】
（２−プロパノール濃度の検出）
２００ｍＭの２−プロパノール溶液を用いたこと以外は、グルコース濃度の検出と同様の方法を用いた。電流応答の電極電位依存性を図５に示す。図５において、＋１．６Ｖ付近から２−プロパノールに由来した応答電流が観測され、応答電流は＋３Ｖ付近から飽和する。
図６に示すように、電極電位を＋３．３Ｖに固定した場合、応答電流は４０ｍＭから２００ｍＭの範囲の２−プロパノール濃度に対してリニアな関係を示した。Ｓ／Ｎ＝３の検出限界は５．６ｍＭである。したがって、この手法により２−プロパノール濃度を定量分析することが可能である。
【００３９】
（アセト酢酸エチル濃度の検出）
２００ｍＭのアセト酢酸エチル溶液を用いたこと以外は、グルコース濃度の検出と同様の方法を用いた。電流応答の電極電位依存性を図５に示す。図５において、＋２Ｖ付近からアセト酢酸エチルに由来した応答電流が観測され、応答電流は＋３．４Ｖ付近から飽和する。
図６に示すように、電極電位を＋３．６Ｖに固定した場合、応答電流は８０ｍＭから２００ｍＭの範囲のアセト酢酸エチル濃度に対してリニアな関係を示した。Ｓ／Ｎ＝３の検出限界は１１．２ｍＭである。したがって、この手法によりアセト酢酸エチル濃度を定量分析することが可能である。
【００４０】
（酢酸エチル濃度の検出）
２００ｍＭの酢酸エチル溶液を用いたこと以外は、グルコース濃度の検出と同様の方法を用いた。電流応答の電極電位依存性を図５に示す。図５において、＋２．３Ｖ付近から酢酸エチルに由来した応答電流が観測され、応答電流は＋３．６Ｖ付近から飽和する。
図６に示すように、電極電位を＋３．６Ｖに固定した場合、応答電流は１４０ｍＭから２００ｍＭの範囲の酢酸エチル濃度に対してリニアな関係を示した。Ｓ／Ｎ＝３の検出限界は１９．６ｍＭである。したがって、この手法により酢酸エチル濃度を定量分析することが可能である。
【００４１】
（アスコルビン酸濃度の検出）
１０ｍＭの酢酸エチル溶液を用いたこと以外は、グルコース濃度の検出と同様の方法を用いた。電流応答の電極電位依存性を図５に示す。図５において、＋０．６Ｖ付近からアスコルビン酸に由来した応答電流が観測され、２Ｖ付近に電流ピークを示し、応答電流は＋３．３Ｖ付近から飽和する。
図６に示すように、電極電位を＋３．６Ｖに固定した場合、応答電流は０．１ｍＭから１０ｍＭの範囲のアスコルビン酸濃度に対してリニアな関係を示した。Ｓ／Ｎ＝３の検出限界は０．０１４ｍＭである。したがって、この手法によりアスコルビン酸濃度を定量分析することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１：フローセル
２：作用電極
３：対極参照電極
４：参照電極
５：電流計
６：検量線データ
７：電流値比較・濃度算出部
８：インジケーター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機化合物濃度を高感度かつ高速度に分析することを可能とする有機化合物濃度検出用電極及びそれを使用した有機化合物濃度の電気化学検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、病気の診断等において様々な有機化合物の濃度を測定することが行われている。糖尿病を例にして説明すると、糖尿病の患者数は増加の一途を辿っている。この糖尿病の診断は、従来、血糖値を測定することにより行われるのが一般的であるが、採血を要し、その分析にも時間を要することから、簡便な方法とはいいがたい。現在、医療現場で実用化されている尿糖の定量方法はグルコースオキシダーゼ等の酵素試薬の呈色を判定として用いており、日本国内では、（株）三和化学研究所の製造する判定薬がほぼ市場の半分程度を占めている。
【０００３】
また、体内糖量測定用の電気化学的な分析手法としては、血液中の血糖（グルコース）に対するグルコース酸化酵素（グルコースオキシダーゼ）の反応で生成する過酸化水素を電気化学的に定量し、血糖値を算出する方法（グルコースセンサー法）、電極表面上で直接グルコースを酸化させ、その酸化電流値によりグルコース濃度を算出する、非酵素直接電解センサーによる方法が知られている。
【０００４】
グルコース濃度電気化学分析方法として、特許文献１には、導電性ダイヤモンドと、その上に担持される、ニッケル、銅、金、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、コバルト、およびロジウムからなる群から選択される１種以上とを有してなる、ダイヤモンド電極と、対電極とを用意し、ダイヤモンド電極と、対電極とを被験試料に接触させ、ダイヤモンド電極と、対電極との間に、ダイヤモンド電極上で酸化反応の生じる電圧を印加し、電圧下における電流値を測定し、予め作成されたグルコースの濃度と電流値との検量線と得られた電流値とを対比することにより被験試料中のグルコースの濃度を算出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１０９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記グルコースセンサー法では、体液中に共存するアスコルビン酸などの還元性物質の影響によりグルコース測定値に大きな誤差を生じる恐れがある。このため、医療機関における診断や、糖尿病患者自身による携帯用体内糖量測定器としての適用のために、測定方法の簡易化と分析精度の向上が求められている。さらに、この方法に用いられるセンサー部分は使い捨てが原則であるが、簡易健康管理器具へ適用の観点から、センサー部の耐久性の向上も求められている。
【０００７】
前記非酵素直接電解センサーによる方法では、グルコースの酸化に非常に大きな過電圧が必要であり、一般的な貴金属電極では、酸化生成物が電極表面上に吸着し（不動態膜を形成し）、さらなるグルコースの酸化や検出を阻害するという問題点がある。
【０００８】
特許文献１に記載されている、導電性ダイヤモンドは、成膜可能な基板材料がシリコンなどに限られ、しかも電極化可能な薄膜成膜に１２時間を要する長時間成膜であるために高コストとなっている。
【０００９】
そこで、本発明は、高価な導電性ダイヤモンドを使用することなく導電性を有するダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の電極を利用して有機化合物濃度を高感度かつ高速度に分析することが可能な有機化合物濃度検出用電極及びそれを使用した有機化合物濃度電気化学検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、有機化合物濃度の検出に使用する有機化合物濃度検出用電極において、該電極が、導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、前記有機化合物がヒドロキシ基（ＨＯ−基）、オキシ基（−Ｏ−基）又はカルボニル基（−Ｃ（＝Ｏ）−基）に隣接する炭素に結合する第２級水素又は第３級水素を有する有機化合物であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、前記有機化合物がグルコース、２−プロパノール、アセト酢酸エチル、酢酸エチル、アスコルビン酸のいずれかであることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、前記導電性ダイヤモンドライクカーボンの導電性が０．００２Ｓｃｍ−１以上であることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、前記導電性ダイヤモンドライクカーボンの電位窓が２．５Ｖ以上であることを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、該導電性ダイヤモンドライクカーボン電極が窒素をドープした導電性ダイヤモンドライクカーボンからなることを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、検体が供給されるフローセルに作用電極及び対極が配置され、両極に電圧を印加し、測定された電流値と有機化合物濃度−電流値の検量線から検体中の有機化合物濃度を検出する有機化合物濃度の電気化学検出装置において、作用電極が導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であって、該導電性ダイヤモンドライクカーボンの導電性が０．００２Ｓｃｍ−１以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、ＤＬＣ膜はアルミナ表面など様々な材料表面に数十分程度の短時間で且つ導電性ダイヤモンドの１／２０の低コスト成膜が可能であり、さらに導電性ダイヤモンドと同等の性能が得られ、高感度で安定した測定が可能となる。
【００１８】
本発明により、酸化電位が非常に高いため、白金や黒鉛など一般的な電極を用いては直接酸化に由来する電流を測定することが困難な有機化合物を対象物質とし、電位窓が広く、酸素発生反応に阻害されることなく高い酸化電位をもつ有機化合物を酸化可能で、かつ、表面に有機化合物の付着の少ない特性を示す導電性ＤＣＬ電極を電極材料に選択することで、有機化合物を高感度且つ簡易に分析可能となる。
【００１９】
本発明の導電性ＤＣＬ電極表面では、高電位印加により、酸素発生反応の中間体であるヒドロキシルラジカルが生成し、このヒドロキシルラジカルを有機化合物の酸化に適用すると、その酸化生成物の電流応答により、有機化合物の定量分析が可能である。
【００２０】
本発明により、従来は酵素法ではグルコース酸化酵素を利用しなければ定量分析できなかったグルコースを酵素なしの簡易な手法で定量分析することが可能となった。また、従来の直接酸化法で問題となる電極の不活性化を起こすことなく定量分析を行うことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の導電性ＤＬＣ電極を組み込んだ電気化学センサシステムを示す図である。
【図２】１０ｍＭグルコースに対する応答電流の電極電位依存性を示す図である。
【図３】応答電流のグルコース濃度依存性を示す図である。
【図４】フローインジェエクションを用いた導電性ＤＬＣ電極による１０ｍＭグルコース対する電流応答（印加電圧：＋３．６０Ｖｖｓ，Ａｇ／ＡｇＣｌ）を示す図である。
【図５】２００ｍＭ２−プロパノールに対する応答電流の電極電位依存性を示す図である。
【図６】応答電流の２−プロパノール濃度依存性を示す図である。
【図７】２００ｍＭアセト酢酸エチルに対する応答電流の電極電位依存性を示す図である。
【図８】応答電流のアセト酢酸エチル濃度依存性を示す図である。
【図９】２００ｍＭ酢酸エチルに対する応答電流の電極電位依存性を示す図である。
【図１０】応答電流の酢酸エチル濃度依存性を示す図である。
【図１１】１０ｍＭアスコルビン酸に対する応答電流の電極電位依存性を示す図である。
【図１２】応答電流のアスコルビン酸濃度依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
導電性ＤＬＣ膜は、Ｓｉ基板上にプラズマＣＶＤ法を用い、プラズマの照射出力で導電性を付与するため、ＩＩＩ族及びＶ族の元素、好ましくは窒素、ホウ素、より好ましくは窒素であり、導入量を制御しながら成膜する。この導入量は導電性を付与できる範囲で適宜決定されるが、１，０００ｎｍ〜２，０００ｎｍ膜厚になるように、炭素原子数に対して窒素原子数が８％程度となるように成膜するのが好ましい。分子中に窒素原子を含む化合物の例としては、シアン化水素（ＨＣＮ）、アセトニトリル（ＣＨ３ＣＮ）、エタンシアニド（ＣＨ３ＣＨ２ＣＮ）、プロパンシアニド（ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２ＣＮ）、ホルムアミド（ＨＣＯＮＨ２）、アセトアミド（ＣＨ３ＣＯＮＨ２）、メチルアミン（ＣＨ３ＮＨ２）、エチルアミン（ＣＨ３ＣＨ２ＮＨ２）などが挙げられる。これらの化合物のうち、一種類を原料ガスとして用いることもできる。
【００２４】
本発明の電極に用いる導電性ＤＬＣの導電性は０．００２Ｓｃｍ−１以上であり、より好ましくは０．０１Ｓｃｍ−１以上である。
【００２５】
本発明の電極に用いる導電性ＤＬＣの電位窓は２．５Ｖ以上であり、より好ましくは３．０Ｖ以上である。
【００２６】
導電性ＤＬＣ膜は強酸への耐腐食性に優れるため電気化学的安定性が高い。また、導電性ＤＬＣ膜は、電位窓がＰｔやグラファイトに比べて大きく、表面のＯ２、Ｈ２の発生反応速度が遅く、導電性ダイヤモンドと同等の分極性電極となる。また、導電性ＤＬＣ膜は、有機化合物の酸化反応に対し導電性ダイヤモンドと同等の良好な応答性を有するので、生体成分検出センサーとして応用可能となる。
【００２７】
糖尿病の診断においては、一般に、尿糖値測定による糖尿病診断の基準として、尿糖値が、食後に１００〜５００ｍｇ／ｄＬであると対糖能障害（境界型）であり、食前に５０ｍｇ／ｄＬ以上であり、かつ食後において５００ｍｇ／ｄＬ以上であると糖尿病であると設定されている。血液中のグルコース濃度は、成人で３〜８ｍＭの範囲の濃度である。導電性ＤＬＣ薄膜を用い、高電位を印加することで、上記濃度範囲内でグルコース濃度を測定することが可能であり、簡易に短時間で糖尿病診断を行うことができる。
【００２８】
本発明において、導電性ＤＬＣ電極を用いた電気化学センサー型生体成分分析装置のセンシング部分は、検体がフロー状態で供給されるフローセルの構成を採用し、その電気化学センサーでの測定電流値を検量線と比較することにより濃度を決定する。
【００２９】
図１において、検体が流入するフローセル１に作用電極２、対極３及び参照電極４が配置され、作用電極２、対極３及び参照電極４の各電流値を測定する電流計５が接続されている。作用電極２は導電性ＤＬＣ電極である。対極は白金、炭素、金等を使用する。
【００３０】
参照電極は公知のものを利用することが出来、銀塩化銀電極、飽和カロメル電極、標準水素電極、水銀塩化水銀電極、水素パラジウム電極等であることが好ましい。
【００３１】
本発明において、作用電極であるＤＬＣ電極と、対極との間に印加される電圧は、ＤＬＣ電極上で検出対象試料の酸化反応あるいは還元反応が生じるものであれば特に限定されない。
【００３２】
電流計５で測定された電流値は、検体濃度と電流値の検量線データ６を備えた電流値比較・濃度算出部７に入力されて、検体濃度が演算され、インジケーター８に表示される。
【００３３】
検出対象試料は、ＤＬＣ上で電解反応する物質である。具体的には、ヒドロキシ基、オキシ基又はカルボニル基に隣接する炭素に結合する第２級水素又は第３級水素を有する有機化合物を挙げることが出来る。中でも、グルコース、２−プロパノール、アセト酢酸エチル、酢酸エチル、アスコルビン酸が挙げられる。
【００３４】
検出対象試料は、上記化合物が含まれていると考えられる生体由来の血液、体液等、又は食品若しくは食品の希釈溶液又は懸濁液であってよい。多種の成分を含む検出対象試料の場合、分離カラムを通した後にフローセルに供給することが望ましい。
【実施例１】
【００３５】
（導電性ダイヤモンドライクカーボンの製造）
［ダイヤモンドライクカーボンの製造及び評価］
プラズマＣＶＤ装置として、基板を載置する電極に負のバイアス電力を供給可能な構成
を有するサムコ株式会社製のＢＰ−１特を用いた。原料ガスには５０℃で加熱して気化させたアセトニトリルを用いた。そして、電極に載置したシリコンウエハ上に、ダイヤモンドライクカーボンを１５００ｎｍの膜厚になるように成膜を行った。
アセトニトリルの流量は５ｓｃｃｍ、チャンバ内の圧力は１０Ｐａ、温度は２８０℃という条件において、プラズマ出力を２３０Ｗとした。
【００３６】
（電位窓の評価）
上記で得られたダイヤモンドライクカーボンを作用極とし、Ａｇ／ＡｇＣｌを参照極とし、白金を対極として、０．１Ｍの硫酸水溶液中で１００ｍＶ／ｓの速度で電位掃引した場合の電位に対する電流を測定した。酸化・還元電流が２ｍＡ／ｃｍ２以下の電位範囲を電位窓と定義すると、電位窓は３．９４Ｖであった。
【００３７】
（グルコース濃度の検出）
ｐＨ１のリン酸溶液を移動相溶液に用い、１０ｍＭのグルコース溶液を、２０μＬインジェクションした場合の、電流応答の電極電位依存性を図２に示す。図２において、＋２．０Ｖ付近からグルコースに由来した応答電流が観測され、応答電流は＋３．６Ｖ付近から飽和する。
図３に示すように、電極電位を＋３．６Ｖに固定した場合、応答電流は１０ｍＭから１ｍＭの範囲のグルコース濃度に対してリニアな関係を示した。Ｓ／Ｎ＝３の検出限界は１．３７ｍＭである。したがって、この手法によりグルコース濃度を定量分析することが可能であり、グルコースを成人男子の体内濃度値３〜８ｍＭを十分にカバーできる。
また、グルコースの生体成分の測定には、高感度で安定した測定が要求される。図４に示すように、導電性ＤＬＣ薄膜のアンペロメトリック応答においては、ピーク強度が＋３％以下の確度を示し、高い信頼性を実現した。
【００３８】
（２−プロパノール濃度の検出）
２００ｍＭの２−プロパノール溶液を用いたこと以外は、グルコース濃度の検出と同様の方法を用いた。電流応答の電極電位依存性を図５に示す。図５において、＋１．６Ｖ付近から２−プロパノールに由来した応答電流が観測され、応答電流は＋３Ｖ付近から飽和する。
図６に示すように、電極電位を＋３．３Ｖに固定した場合、応答電流は４０ｍＭから２００ｍＭの範囲の２−プロパノール濃度に対してリニアな関係を示した。Ｓ／Ｎ＝３の検出限界は５．６ｍＭである。したがって、この手法により２−プロパノール濃度を定量分析することが可能である。
【００３９】
（アセト酢酸エチル濃度の検出）
２００ｍＭのアセト酢酸エチル溶液を用いたこと以外は、グルコース濃度の検出と同様の方法を用いた。電流応答の電極電位依存性を図５に示す。図５において、＋２Ｖ付近からアセト酢酸エチルに由来した応答電流が観測され、応答電流は＋３．４Ｖ付近から飽和する。
図６に示すように、電極電位を＋３．６Ｖに固定した場合、応答電流は８０ｍＭから２００ｍＭの範囲のアセト酢酸エチル濃度に対してリニアな関係を示した。Ｓ／Ｎ＝３の検出限界は１１．２ｍＭである。したがって、この手法によりアセト酢酸エチル濃度を定量分析することが可能である。
【００４０】
（酢酸エチル濃度の検出）
２００ｍＭの酢酸エチル溶液を用いたこと以外は、グルコース濃度の検出と同様の方法を用いた。電流応答の電極電位依存性を図５に示す。図５において、＋２．３Ｖ付近から酢酸エチルに由来した応答電流が観測され、応答電流は＋３．６Ｖ付近から飽和する。
図６に示すように、電極電位を＋３．６Ｖに固定した場合、応答電流は１４０ｍＭから２００ｍＭの範囲の酢酸エチル濃度に対してリニアな関係を示した。Ｓ／Ｎ＝３の検出限界は１９．６ｍＭである。したがって、この手法により酢酸エチル濃度を定量分析することが可能である。
【００４１】
（アスコルビン酸濃度の検出）
１０ｍＭの酢酸エチル溶液を用いたこと以外は、グルコース濃度の検出と同様の方法を用いた。電流応答の電極電位依存性を図５に示す。図５において、＋０．６Ｖ付近からアスコルビン酸に由来した応答電流が観測され、２Ｖ付近に電流ピークを示し、応答電流は＋３．３Ｖ付近から飽和する。
図６に示すように、電極電位を＋３．６Ｖに固定した場合、応答電流は０．１ｍＭから１０ｍＭの範囲のアスコルビン酸濃度に対してリニアな関係を示した。Ｓ／Ｎ＝３の検出限界は０．０１４ｍＭである。したがって、この手法によりアスコルビン酸濃度を定量分析することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１：フローセル
２：作用電極
３：対極参照電極
４：参照電極
５：電流計
６：検量線データ
７：電流値比較・濃度算出部
８：インジケーター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機化合物濃度の検出に使用する有機化合物濃度検出用電極において、該電極が、導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であることを特徴とする有機化合物濃度検出用電極。
【請求項２】
前記有機化合物がヒドロキシ基、オキシ基又はカルボニル基に隣接する炭素に結合する第２級水素又は第３級水素を有する有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の有機化合物濃度検出用電極。
【請求項３】
前記有機化合物がグルコース、２−プロパノール、アセト酢酸エチル、酢酸エチル、アスコルビン酸のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の有機化合物濃度検出用電極。
【請求項４】
前記導電性ダイヤモンドライクカーボンの導電性が０．００２Ｓｃｍ−１以上であることを特徴とする１〜３のいずれかに記載の有機化合物濃度検出用電極。
【請求項５】
前記導電性ダイヤモンドライクカーボンの電位窓が２．５Ｖ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の有機化合物濃度検出用電極。
【請求項６】
該導電性ダイヤモンドライクカーボン電極が窒素をドープした導電性ダイヤモンドライクカーボンからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の有機化合物濃度検出用電極。
【請求項７】
検体が供給されるフローセルに作用電極及び対極が配置され、両極に電圧を印加し、測定された電流値と有機化合物濃度−電流値の検量線から検体中の有機化合物濃度を検出する有機化合物濃度の電気化学検出装置において、作用電極が導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であって、該導電性ダイヤモンドライクカーボンの導電性が０．００２Ｓｃｍ−１以上であるあることを特徴とする有機化合物濃度の電気化学検出装置。
【請求項１】
有機化合物濃度の検出に使用する有機化合物濃度検出用電極において、該電極が、導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であることを特徴とする有機化合物濃度検出用電極。
【請求項２】
前記有機化合物がヒドロキシ基、オキシ基又はカルボニル基に隣接する炭素に結合する第２級水素又は第３級水素を有する有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の有機化合物濃度検出用電極。
【請求項３】
前記有機化合物がグルコース、２−プロパノール、アセト酢酸エチル、酢酸エチル、アスコルビン酸のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の有機化合物濃度検出用電極。
【請求項４】
前記導電性ダイヤモンドライクカーボンの導電性が０．００２Ｓｃｍ−１以上であることを特徴とする１〜３のいずれかに記載の有機化合物濃度検出用電極。
【請求項５】
前記導電性ダイヤモンドライクカーボンの電位窓が２．５Ｖ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の有機化合物濃度検出用電極。
【請求項６】
該導電性ダイヤモンドライクカーボン電極が窒素をドープした導電性ダイヤモンドライクカーボンからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の有機化合物濃度検出用電極。
【請求項７】
検体が供給されるフローセルに作用電極及び対極が配置され、両極に電圧を印加し、測定された電流値と有機化合物濃度−電流値の検量線から検体中の有機化合物濃度を検出する有機化合物濃度の電気化学検出装置において、作用電極が導電性ダイヤモンドライクカーボン電極であって、該導電性ダイヤモンドライクカーボンの導電性が０．００２Ｓｃｍ−１以上であるあることを特徴とする有機化合物濃度の電気化学検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１８５９１０（Ｐ２０１１−１８５９１０Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５４７５１（Ｐ２０１０−５４７５１）
【出願日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
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