JP2002296216A - Integrated micro-electrode and measuring method for electrode reaction in high-resistance medium using same - Google Patents
Integrated micro-electrode and measuring method for electrode reaction in high-resistance medium using sameInfo
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は微小先端領域に作用
電極と参照電極それと必要に応じて対極を集積した新規
なマイクロ電極構造体に関する。また本発明は、該集積
化マイクロ電極を使用して、高抵抗媒体中で行う電極反
応計測に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel microelectrode structure in which a working electrode, a reference electrode and, if necessary, a counter electrode are integrated in a microtip region. The present invention also relates to an electrode reaction measurement performed in a high-resistance medium using the integrated microelectrode.
【0002】[0002]
【従来の技術】微小電極(マイクロ電極)は、通常サイ
ズの電極では計測できない測定が可能となる計測手段で
ある。すなわち、局所領域の解析ができる、測定電流が
小さいため溶液抵抗が高くても測定に影響を受けない、
などの特徴を有することが知られている。これらの特徴
ある測定を行うためには、該マイクロ電極を作用電極と
して用いる際に、参照電極と対極がイオン伝導性を有す
る電解液を通して電気的に導通性を有している必要があ
る。このような電解液として、通常は0.01Scm-1
以上の導電率を有する電解質が使用されるが、このよう
な導電性の発現のために媒体中に支持電解質を溶解して
使用する。これまで、局所領域の測定に関しては、作動
電極としてのマイクロ電極を該当する局所領域に近接さ
せて、比較的多量の電解質溶液を介して参照電極と対極
を配置した電気化学セルが使用されてきた。2. Description of the Related Art A microelectrode (microelectrode) is a measuring means capable of performing measurement that cannot be measured with a normal-sized electrode. In other words, it is possible to analyze a local area, and the measurement current is small, so that the measurement is not affected even if the solution resistance is high
It is known to have such features. In order to perform these characteristic measurements, when the microelectrode is used as a working electrode, it is necessary that the reference electrode and the counter electrode have electrical conductivity through an electrolyte having ionic conductivity. Such an electrolyte is usually 0.01 Scm -1.
An electrolyte having the above conductivity is used. In order to express such conductivity, a supporting electrolyte is dissolved in a medium and used. Heretofore, for the measurement of a local area, an electrochemical cell has been used in which a microelectrode as a working electrode is brought close to the relevant local area, and a reference electrode and a counter electrode are arranged via a relatively large amount of electrolyte solution. .
【0003】微少量の被検体に関する測定にあたって
は、例えば特開平5−223772号公報に、特開平1
1−187865号公報、特開2000−266717
号公報にアレイ状、バンド状、ドット状の電極集合体が
開示されている。これらの電極は、微少量の反応物を効
率よく、あるいは増幅して検出することを目的とした構
成をとっており、本発明とは構造、作用、目的が異な
る。一方、ガスクロマトグラフィー用ガス検出器を目的
としたマイクロ電極がジャーナル・オブ・エレクトロア
ナリティカル・ケミストリー誌、244巻81頁、電気
化学および工業物理化学誌、61巻、825頁に記載さ
れている。これらは、二極構造のマイクロ電極でカラム
分離された後のガス検出しているが、参照電極を持たな
いため電気化学的な電極電位に対する電流の計測ができ
ない。[0003] In the measurement of a very small amount of an analyte, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-223772 discloses a method disclosed in
1-187865, JP-A-2000-266717
Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H11-139,086 discloses an array-like, band-like, and dot-like electrode assembly. These electrodes are configured to efficiently or amplify and detect a very small amount of a reactant, and are different in structure, operation, and purpose from the present invention. On the other hand, a microelectrode intended for a gas detector for gas chromatography is described in Journal of Electroanalytical Chemistry, 244, 81, Electrochemistry and Industrial Physical Chemistry, 61, 825. . In these methods, gas is detected after column separation by a microelectrode having a bipolar structure. However, since there is no reference electrode, current cannot be measured with respect to electrochemical electrode potential.
【0004】マイクロ電極の有する高抵抗媒体中の電極
反応測定を行うにあたっては、酸化還元種を含む媒体中
で各々独立した作用電極、参照電極と対極を接近させて
配置し、極間の電気抵抗を減少させて測定する方法が、
ジャーナル・オブ・エレクトロアナリティカル・ケミス
トリー誌、456巻239頁に記載されている。この方
法は、電気抵抗を最小限化するために各電極の位置を制
御する操作が必要である。In order to measure the electrode reaction in a high-resistance medium of a microelectrode, a working electrode, a reference electrode and a counter electrode which are independent from each other in a medium containing a redox species are arranged close to each other, and the electric resistance between the electrodes is measured. The method of measuring by reducing
It is described in Journal of Electronic Analytical Chemistry, 456, 239. This method requires an operation to control the position of each electrode in order to minimize the electric resistance.
【0005】このように、マイクロ電極の持つ特徴を活
用した種々の電極構造体ならびに計測方法が提案されて
いる。しかし、微小領域の電気化学測定を可能とする参
照電極を有するマイクロ電極構造体、ならびに、高抵抗
媒体中の電極反応計測を目的とした電極構造体ないしは
それを用いた測定方法は検討されていなかった。As described above, various electrode structures and measurement methods utilizing the characteristics of the microelectrode have been proposed. However, a microelectrode structure having a reference electrode capable of electrochemical measurement of a minute area, and an electrode structure for measuring electrode reaction in a high-resistance medium or a measurement method using the same have not been studied. Was.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】通常の電気化学計測
は、電流−電位の関係を明らかにする測定を意味する。
ここで言う電位とは、電極電位のことであり、電極電位
を規定できる参照電極の使用が欠かせないものである。
局所領域の解析や高抵抗媒体中の電気化学測定を可能と
するためには、上述したようにマイクロ電極の特徴を引
き出すことができる電極構造体を構築する必要がある。
このような電極は、微小空間の電気化学測定や、高抵抗
媒体中の電気化学測定、具体的には燃料電池のガス電極
反応測定、ポリマー電池の反応解析、電気化学キャパシ
ターの測定等に欠かすことができないと予想される。し
かしながら、かかる電気化学計測を行うことが可能な電
極構造体はいまだ提案されておらず、その開発が待ち望
まれていた。[0005] Ordinary electrochemical measurement means a measurement that reveals a current-potential relationship.
The term “potential” as used herein refers to an electrode potential, and it is essential to use a reference electrode capable of defining the electrode potential.
In order to enable analysis of a local region and electrochemical measurement in a high-resistance medium, it is necessary to construct an electrode structure capable of extracting the characteristics of the microelectrode as described above.
Such electrodes are indispensable for electrochemical measurement in a minute space, electrochemical measurement in a high-resistance medium, specifically, gas electrode reaction measurement of a fuel cell, reaction analysis of a polymer battery, measurement of an electrochemical capacitor, etc. Is not expected to be possible. However, an electrode structure capable of performing such electrochemical measurement has not yet been proposed, and its development has been awaited.
【0007】このような潜在要求に鑑み、本願発明にお
いては、微小空間の電気化学測定および/または高抵抗
媒体中における電極電位を規定できる電極構造体ならび
にそれを用いる電極反応計測方法を提供することを目的
とする。In view of such latent requirements, the present invention provides an electrode structure capable of defining an electrochemical potential in a minute space and / or an electrode potential in a high-resistance medium and an electrode reaction measuring method using the same. With the goal.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明者らは前記課題を
解決するために、鋭意検討を重ねた結果、(1)微小面
積の先端部領域に少なくとも作用電極と参照電極を絶縁
体を介して集積したことを特徴とする集積化マイクロ電
極、(2)微小面積の先端部領域に少なくとも作用電
極、参照電極と対極を絶縁体を介して集積したことを特
徴とする集積化マイクロ電極、(3)作用電極の幾何学
面積が1×10-4cm2以下であることを特徴とする
(1)乃至(2)に記載の集積化マイクロ電極、(4)
少なくとも作用電極と参照電極が1×10-2cm2以下
の投影面積内に集積化されていることを特徴とする
(1)乃至(3)に記載の集積化マイクロ電極、(5)
少なくとも電気的に絶縁された作用電極と参照電極が、
酸化種ならびに還元種を含まない固体イオン伝導体を介
して当接していることを特徴とする(1)乃至(4)に
記載の集積化マイクロ電極、(6)電極反応酸化種およ
び/または還元種を含む高抵抗媒体中に、(1)乃至
(5)に記載の集積化マイクロ電極の有効電極部位を接
触させて電流と電位の関係を計測することを特徴とする
高抵抗媒体中の電極反応計測方法、(7)高抵抗媒体が
気体であることを特徴とする(6)に記載の高抵抗媒体
中の電極反応計測方法が、前記の課題を解決することを
見いだし、本発明の完成に至った。The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems. As a result, (1) at least a working electrode and a reference electrode are provided at the front end region with a small area via an insulator. (2) an integrated microelectrode characterized in that at least a working electrode, a reference electrode and a counter electrode are integrated via an insulator in a tip region of a small area, 3) The integrated microelectrode according to (1) or (2), wherein the geometric area of the working electrode is 1 × 10 −4 cm 2 or less, (4)
(5) The integrated microelectrode according to (1) to (3), wherein at least the working electrode and the reference electrode are integrated within a projected area of 1 × 10 −2 cm 2 or less.
At least an electrically insulated working electrode and a reference electrode,
The integrated microelectrodes according to (1) to (4), which are in contact with each other via a solid ionic conductor containing no oxidizing species and no reducing species, and (6) electrode reaction oxidizing species and / or reduction. An electrode in the high-resistance medium, wherein the effective electrode portion of the integrated microelectrode described in (1) to (5) is brought into contact with a seed-containing high-resistance medium to measure a relationship between current and potential. Reaction measurement method, (7) The method for measuring an electrode reaction in a high resistance medium according to (6), wherein the high resistance medium is a gas, solves the above-mentioned problem, and completes the present invention. Reached.
【0009】すなわち、本願本発者らは電極集合体の形
状に着目し、ピン状電極本体の先端部位に電気化学測定
を達成できる必要最小限の電極群を集積することで上記
の各課題を解決できる電極構造体ならびにそれを使用し
た電気化学測定が可能となることを見いだし、本発明の
完成に至った。That is, the present inventors have focused on the shape of the electrode assembly, and have solved the above-mentioned problems by integrating the minimum necessary number of electrodes capable of achieving electrochemical measurement at the tip of the pin-shaped electrode body. The inventors have found that an electrode structure that can be solved and that an electrochemical measurement using the same can be performed, and the present invention has been completed.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】本発明の電極はマイクロ電極の持
つ特徴を最大限引き出す構造をとるものである。マイク
ロ電極の第一の特徴である微少電流に着目すると、これ
を作用電極として使用する場合、本発明の必須要件であ
る参照電極を対極兼用として使用することが可能であ
る。すなわち、マイクロ作用電極とマイクロないしは準
マイクロサイズの参照電極を、ピン状電極本体の微小先
端部領域に集積することで本発明の最小限の構成を満た
すことができる。また、これに加えて対極を具備するこ
とで、さらに安定した電気化学計測が可能となる。この
場合、対極は作用電極と同じ先端面に共存させてもよい
し、先端面の近傍に配置してもよい。いずれにしても、
対極は作用電極の近傍領域に配置せしめることが必要で
ある。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The electrode of the present invention has a structure that maximizes the characteristics of a microelectrode. Focusing on the microcurrent, which is the first feature of the microelectrode, when using it as a working electrode, it is possible to use a reference electrode, which is an essential requirement of the present invention, as a counter electrode. That is, the minimum configuration of the present invention can be satisfied by integrating the micro working electrode and the micro or semi-micro reference electrode in the micro tip region of the pin-shaped electrode body. Further, by providing a counter electrode in addition to this, more stable electrochemical measurement can be performed. In this case, the counter electrode may coexist on the same tip surface as the working electrode, or may be arranged near the tip surface. In any case,
The counter electrode needs to be arranged in a region near the working electrode.
【0011】本発明に使用される作用電極用材料には、
単体金属あるいは合金からなるグループ、金属酸化物か
らなるグループ、半導体からなるグループ、炭素系材料
からなるグループ、および金属硫化物からなるグループ
に属する材料が使用される。The working electrode material used in the present invention includes:
Materials belonging to the group consisting of simple metals or alloys, the group consisting of metal oxides, the group consisting of semiconductors, the group consisting of carbon-based materials, and the group consisting of metal sulfides are used.
【0012】単体金属あるいは合金からなるグループに
は、Ti、V、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、
Nb、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sn、Ta、
W、Os、Ir、 Pt、Au、Hg、Pb等の単体金
属とそれらを組合わせた組成の合金が具体的に挙げられ
る。金属酸化物からなるグループには、TiO2 、Mn
O2 、PbO2 、WO3 、ペロブスカイト酸化物、ブロ
ンズ酸化物、スピネル酸化物、パイロクロール酸化物等
が具体的に挙げられる。半導体からなるグループには、
Si、Ge、ZnO、CdS、TiO2 、GaAs等が
具体的に挙げられる。炭素系材料からなるグループに
は、グラファイト、カーボンペースト、グラッシーカー
ボン、HOPG(高配向性熱分解グラファイト)等が具
体的に挙げられる。金属硫化物からなるグループには、
RuS2 、PdS、PdS2 、CdS、In2 S3 、O
sS2 、CoS2 、PbS、NiS2 、MoS2 等が挙
げられる。The group consisting of simple metals or alloys includes Ti, V, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge,
Nb, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Sn, Ta,
Specific examples thereof include simple metals such as W, Os, Ir, Pt, Au, Hg, and Pb and alloys having a composition obtained by combining them. The group consisting of metal oxides includes TiO 2 , Mn
Specific examples include O 2 , PbO 2 , WO 3 , perovskite oxide, bronze oxide, spinel oxide, and pyrochlore oxide. In the group consisting of semiconductors,
Specific examples include Si, Ge, ZnO, CdS, TiO 2 , and GaAs. Specific examples of the group consisting of carbon-based materials include graphite, carbon paste, glassy carbon, and HOPG (highly oriented pyrolytic graphite). The group consisting of metal sulfides includes:
RuS 2 , PdS, PdS 2 , CdS, In 2 S 3 , O
Examples include sS 2 , CoS 2 , PbS, NiS 2 , and MoS 2 .
【0013】これらの作用電極材料は、被検体と接する
部位が適当な形状、例えばディスク状、多角形状、中空
円筒状等いかなる形状をとってもよい。ただし、所望の
マイクロ電極としての特性を発現させるため、作用電極
の幾何学面積が1×10-4cm 2以下、好ましくは、2
×10-5cm2以下であると好適な結果が得られる。作
用電極は、絶縁性基体の微小面積の先端部領域に配置す
ることで本発明の目的とする形状を実現できる。絶縁性
基体としては、103Ωcm-1以上の抵抗率を有する公
知の材料ならば何を使用してもよい。このような材料と
しては、テフロン(登録商標)、ポリカーボネートをは
じめとする公知のプラスチック材料、石英硝子、パイレ
ックス(登録商標)硝子、軟質硝子等の硝子材料、Al
2O3、MgOに代表される金属酸化物、Si3O4、Al
Nに代表される金属窒化物、SiCに代表される金属炭
化物等をはじめとする公知の材料があげられ用いられ
る。[0013] These working electrode materials come into contact with the subject.
The part has an appropriate shape, such as a disk, polygon, or hollow
It may take any shape such as a cylindrical shape. However, the desired
Working electrode to develop the characteristics as a microelectrode
Geometric area of 1 × 10-Fourcm TwoBelow, preferably 2
× 10-FivecmTwoThe following are preferable results. Work
Electrodes are arranged in the tip region of a small area of the insulating substrate.
By doing so, the shape desired by the present invention can be realized. Insulating
As a substrate, 10ThreeΩcm-1Public with the above resistivity
Any known material may be used. With such materials
Then, Teflon (registered trademark), polycarbonate
Well-known plastic materials, quartz glass, pirates
(Registered trademark) glass, glass materials such as soft glass, Al
TwoOThree, A metal oxide represented by MgO, SiThreeOFour, Al
Metal nitride represented by N, metal charcoal represented by SiC
Known materials such as chlorides are used.
You.
【0014】本発明の作用電極材料は、その電極界面に
単体金属、合金、無機化合物、有機化合物、高分子化合
物、生体関連物質等が、単層あるいは複数層修飾されて
いても良い。修飾方法は電解メッキ、無電解メッキ、蒸
着、スパッタ等の物理修飾、あるいは吸着、共有結合等
の化学修飾等の中から適当な方法を選択する。作用電極
を絶縁材料の先端部領域に配置する具体的一方法とし
て、線状電極材料をキャピラリー状硝子管に挿入し先端
を加熱封入する方法や、熱収縮プラスチックチューブに
挿入して先端を加熱封入する方法や、適当なキャピラリ
ーに電極材料を挿入して有機ないしは無機接着剤で封入
する方法などがあげられ用いられる。In the working electrode material of the present invention, a single layer or a plurality of layers of a simple metal, an alloy, an inorganic compound, an organic compound, a polymer compound, a biological substance or the like may be modified at the electrode interface. As the modification method, an appropriate method is selected from physical modification such as electrolytic plating, electroless plating, vapor deposition, and sputtering, or chemical modification such as adsorption and covalent bonding. As a specific method of disposing the working electrode in the tip region of the insulating material, a method of inserting a linear electrode material into a capillary glass tube and heating and sealing the tip, or a method of inserting the working electrode into a heat-shrinkable plastic tube and heating and sealing the tip. And a method in which an electrode material is inserted into a suitable capillary and sealed with an organic or inorganic adhesive.
【0015】参照極に使用される材料は、電位を安定に
するものならば何を用いても良い。このような参照電極
の公知例としては、D. J. G. Ives and G. J. Janz編"R
eference Electrodes, Theory and Practice", (Academ
ic Press, 1961) に記載されているものが、代表例とし
てあげられ使用される。参照電極の具体例としては、可
逆水素電極、銀・塩化銀電極、飽和カロメル電極、ダイ
レクト水素電極等が用いられる。また、参照電極とする
電極上に銀ペーストを薄くコートして、銀を参照物質と
することも有効かつ効果的である。参照電極の構成要件
として、平衡電位を発生する部分と作用電極を隔離する
必要がある場合は、適当な液洛を介して両者を配置する
ことができる。具体的な液洛の例としては、電解液を含
む寒天や、細線を通しての液洛の形成があげられるが、
このようなものの例は前記文献に詳しい。As the material used for the reference electrode, any material can be used as long as it stabilizes the potential. A well-known example of such a reference electrode is “R” edited by DJG Ives and GJ Janz.
eference Electrodes, Theory and Practice ", (Academ
ic Press, 1961) are used as representative examples. Specific examples of the reference electrode include a reversible hydrogen electrode, a silver / silver chloride electrode, a saturated calomel electrode, and a direct hydrogen electrode. It is also effective and effective to use silver as a reference material by thinly coating a silver paste on the electrode serving as the reference electrode. When it is necessary to separate the part generating the equilibrium potential from the working electrode as a constituent requirement of the reference electrode, both parts can be arranged via an appropriate liquid junction. Specific examples of liquid agar include agar containing an electrolytic solution and the formation of a liquid through a fine wire.
Examples of such are detailed in the literature.
【0016】参照電極は、好ましくはピン状電極本体の
先端部微小領域に作用電極と、絶縁体を介して集積され
ている必要がある。かかる電極本体の先端部微小領域に
は、少なくとも作用電極と参照電極が1×10-2cm2
以下、好ましくは3×10-3cm2以下の投影面積内に
集積化されていると、本発明の目的を達成することがで
きる。参照電極を対極兼用として使用することが可能で
あることは、前述したとおりである。The reference electrode should preferably be integrated with the working electrode via an insulator in a minute area at the tip of the pin-shaped electrode body. At least a working electrode and a reference electrode are provided in a micro area at the tip of the electrode body at 1 × 10 −2 cm 2.
In the following, the object of the present invention can be achieved if the components are integrated within a projection area of preferably 3 × 10 −3 cm 2 or less. As described above, the reference electrode can be used also as the counter electrode.
【0017】また対極としては、上述した作用電極用材
料が全て使用されるが、とりわけ白金、グラッシーカー
ボン、ダイヤモンド等、高耐食性の材料が好適に用いら
れる。対極はその作動特性に鑑みると、作用電極の面積
の2倍以上、好ましくは10倍以上、さらに好ましくは
50倍以上の面積を有することが望ましい。これを達成
する一方法として、公知の白金黒、パラジウム黒等があ
げられ使用される。これは、メッキにより見かけの面積
の100倍程度の有効面積を与えることができるもので
広く知られている方法である。対極は、電極本体の先端
部微小領域に作用電極、参照電極とともに配備されてい
てもよいし、また電極本体の側面に配備されていてもよ
い。対極の設け方は、作用電極と同様な方法により形成
することができる。As the counter electrode, all the above-mentioned materials for working electrodes are used, and particularly, materials having high corrosion resistance, such as platinum, glassy carbon, and diamond, are preferably used. Considering the operation characteristics of the counter electrode, it is desirable that the counter electrode has an area of at least twice, preferably at least 10 times, more preferably at least 50 times the area of the working electrode. As one method for achieving this, known platinum black, palladium black and the like are used. This is a widely known method capable of providing an effective area of about 100 times the apparent area by plating. The counter electrode may be provided with a working electrode and a reference electrode in a minute region at the distal end of the electrode body, or may be provided on a side surface of the electrode body. The counter electrode can be provided in the same manner as the working electrode.
【0018】かくして作製された集積化マイクロ電極の
先端に、作用電極と参照電極が、酸化種ならびに還元種
を含まない固体イオン伝導体を介して当接している態様
をとることができる。このような固体イオン伝導体とし
ては、ナフィオンをはじめとするイオン交換樹脂、Zr
O2などのセラミックスをはじめとする固体電解質、あ
るいは適切な溶媒と親和性を持つ高分子材料があげられ
る。溶媒と親和性を持つ高分子としては、まず、水溶性
高分子を不溶化したものとして、セルロースアセテー
ト、ポリビニルアルコール、ポリNビニルピロリドン、
ポリアクリルアミド、セルロース、カルボキシメチルセ
ルロース、ニトロセルロース、シアノエチルセルロー
ス、セルロースサルフェート、ヘパリン、ペクチン、ア
ルギン酸、ヒドロキシメチルセルロース、イソプロピル
セルロース、ポリアクリル酸、ポリエチレンオキシド等
の熱処理物や架橋物、上記水溶性高分子のうち2種以上
の高分子を架橋して得られた共重合体を挙げることがで
きる。また、水によって殆ど膨潤しない非水溶性高分子
を上記水溶性高分子と適当な分率で共重合し、水中での
膨潤度を向上させた膜も挙げられる。さらに、光架橋性
のモノマーを水溶性高分子溶液に溶解させておき、製膜
後光照射して架橋構造を作り、高吸水性高分子を得る方
法を挙げることができる。これらの高分子としては、光
架橋性ポリビニルアルコールや光架橋性ポリエチレンオ
キシド、光架橋性ポリエチレングリコールなどが挙げら
れる。また、イオン性高分子としてポリビニルスルホン
酸やポリスチレンスルホン酸、ナフィオン等を挙げるこ
とができる。これらのアニオン性高分子はカチオン性の
目的物質を取り込んで運動を束縛するため、膜中で大き
な拡散係数が得られないことがある。このため、上記水
溶性高分子をコートした後これらのアニオン性高分子を
コートして、選択性、感度を向上させることができる。
二層膜では目的物質を取り込む機能を有する上層膜と電
極応答に寄与する下層膜とが分かれているため、膜全体
として高吸水性であれば、上層膜は目的物質に対し分配
係数の大きな膜であれば良い。また、下層膜としては、
多孔質膜を用いることもできる。さらに、高分子以外で
も二分子膜やLB膜に利用する両性物質を多孔質膜中に
分散させて薄膜として使用することができる。An embodiment can be adopted in which the working electrode and the reference electrode are in contact with the tip of the integrated microelectrode thus produced via a solid ionic conductor containing no oxidizing species and no reducing species. Examples of such solid ion conductors include ion exchange resins such as Nafion, and Zr.
Examples include solid electrolytes such as ceramics such as O 2 and polymer materials having an affinity for a suitable solvent. As a polymer having an affinity for a solvent, first, as a water-soluble polymer insolubilized, cellulose acetate, polyvinyl alcohol, poly N vinylpyrrolidone,
Polyacrylamide, cellulose, carboxymethylcellulose, nitrocellulose, cyanoethylcellulose, cellulose sulfate, heparin, pectin, alginic acid, hydroxymethylcellulose, isopropylcellulose, polyacrylic acid, heat-treated and crosslinked products such as polyethylene oxide, among the above water-soluble polymers Copolymers obtained by crosslinking two or more kinds of polymers can be mentioned. Further, there is also mentioned a film in which a water-insoluble polymer which hardly swells with water is copolymerized with the above-mentioned water-soluble polymer at an appropriate fraction to improve the degree of swelling in water. Further, a method of dissolving a photocrosslinkable monomer in a water-soluble polymer solution, irradiating light after film formation to form a crosslinked structure, and obtaining a superabsorbent polymer can be mentioned. Examples of these polymers include photocrosslinkable polyvinyl alcohol, photocrosslinkable polyethylene oxide, and photocrosslinkable polyethylene glycol. Examples of the ionic polymer include polyvinyl sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, and Nafion. Since these anionic polymers take in a cationic target substance and restrict their movement, a large diffusion coefficient may not be obtained in the membrane. For this reason, it is possible to improve selectivity and sensitivity by coating these anionic polymers after coating the water-soluble polymer.
In a two-layer film, the upper film having the function of taking in the target substance is separated from the lower film which contributes to the electrode response. Is fine. Also, as the lower layer film,
A porous membrane can also be used. Further, other than polymers, amphoteric substances used for bilayer membranes and LB membranes can be dispersed in a porous membrane and used as a thin film.
【0019】本発明において、必要に応じて電極先端部
位に設けられる酸化種ならびに還元種を含まない固体イ
オン伝導体の厚さは、100μm以下、好ましくは50
μm以下である。In the present invention, the thickness of the solid ionic conductor which does not contain oxidizing species and reducing species, which is provided at the tip of the electrode as required, is 100 μm or less, preferably 50 μm or less.
μm or less.
【0020】以上のように作製されてなる集積化マイク
ロ電極は、通常の導電性を有する被検体中の酸化還元反
応を測定する目的で使用されることができる。また、該
集積化マイクロ電極は、微小空間の測定に威力を発揮す
ることができる。このことは、この集積化した電極構造
体の形状を考慮すれば敢えて説明を加えるまでもない。
さらに、該集積化マイクロ電極は、マイクロサイズの作
用電極、参照電極、必要に応じて対極を近接して配置し
ているため、高抵抗媒体中の電極活性種の電極反応を測
定するに際しても電極間隔をその都度調整する必要がな
く、かつ媒体に基づく電極間の抵抗を最小限に押さえる
ことができる。The integrated microelectrode manufactured as described above can be used for the purpose of measuring the oxidation-reduction reaction in a specimen having ordinary conductivity. Further, the integrated microelectrode can exert its power in measuring a minute space. This does not need to be explained in consideration of the shape of the integrated electrode structure.
Furthermore, since the integrated microelectrode has a micro-sized working electrode, a reference electrode, and a counter electrode, if necessary, arranged close to each other, the integrated microelectrode can be used even when measuring the electrode reaction of electrode active species in a high-resistance medium. The spacing does not have to be adjusted each time and the resistance between the electrodes based on the medium can be minimized.
【0021】本発明の集積化マイクロ電極が測定の対象
とする媒体としては、水、ジエチルエーテル、ジメトキ
シエタン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等
のエーテル類、アセトニトリル、ジメチルホルムアミ
ド、ジメチルスルホキシド、液体アンモニア、硫酸など
を用いることができるだけでなく、溶融塩、超臨界流体
なども測定対象とすることができる。これら溶媒には、
公知の支持電解質を溶解させて溶液抵抗を下げて測定す
る従来からの手法が適用される。また、高抵抗媒体の例
としては、支持電解質を含まない上記の各溶媒、固体高
分子、気体などがあげられる。固体高分子としては、例
えばポリエチレングリコールないしはそれに類似した重
合体があげられ、これにリチウムイオンを混入せしめる
ことで、高抵抗媒体中のリチウムイオンの電気化学挙動
を計測することができる。また、気体も本発明によりな
る集積化マイクロ電極の測定対象となる。その例として
は、水素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、二硫化炭素
等の気体、または、メタノール、エタノール、ジメチル
エーテル、アセトンなどの物質を気化して電極反応の測
定対象とすることもできる。The medium to be measured by the integrated microelectrode of the present invention includes water, ethers such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, acetonitrile, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, liquid ammonia, sulfuric acid and the like. Not only can be used, but also a molten salt, a supercritical fluid, and the like can be measured. These solvents include:
A conventional method of dissolving a known supporting electrolyte and lowering the solution resistance for measurement is applied. Examples of the high-resistance medium include the above-described solvents, solid polymers, and gases that do not contain a supporting electrolyte. Examples of the solid polymer include polyethylene glycol or a polymer similar to polyethylene glycol. By mixing lithium ion into the polymer, the electrochemical behavior of lithium ion in a high-resistance medium can be measured. Gas is also a measurement target of the integrated microelectrode according to the present invention. As an example, a gas such as hydrogen, oxygen, carbon monoxide, carbon dioxide, carbon disulfide, or a substance such as methanol, ethanol, dimethyl ether, or acetone can be vaporized and measured as an electrode reaction.
【0022】測定は、上述の集積化マイクロ電極に上述
の被検媒体を接触させて測定する。測定装置としては、
ポテンショスタット、ガルバノスタット、クーロスタッ
ト等の他、これらに適切な測定装置、例えば電位スキャ
ナー、ロックインアンプ、周波数応答分析装置等を連結
して測定に供することができる。The measurement is performed by bringing the above-mentioned test medium into contact with the above-mentioned integrated microelectrode. As a measuring device,
In addition to potentiostats, galvanostats, coulostats and the like, appropriate measuring devices such as potential scanners, lock-in amplifiers, frequency response analyzers and the like can be connected to these for measurement.
【0023】[0023]
【実施例】次に実施例により本発明を詳細に説明する
が、実施例は本発明を詳しく説明するためのものであ
り、本発明がこれらの実施例によってなんらの制約も受
けないことは断るまでもない。Next, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the examples are for describing the present invention in detail, and it is refused that the present invention is not limited by these examples. Not even.
【0024】(実施例1)外径1.2mmのガラスキャピラ
リーを三本束ねて先端をガスバーナーで加熱して絞り、
直径25mmと100mmの白金線を封入して各々作用極、対極
とした。残り1本のキャピラリーの先端部に対して同様
に100mm径の白金線チップを封入し、参照電極の液絡と
した。さらに該キャピラリー内部に定法により塩化銀を
表面にメッキした銀線と塩化カリウム飽和水を入れて銀
塩化銀(Ag/AgCl)参照電極とした。三極を先端に集積し
たピン状電極の先端を研磨し、微小面積の先端部領域同
一面に三極を集積したマイクロ電極を完成した。この集
積化マイクロ電極の側面写真を図1に示す。また、電極
先端の正面写真を図2に示すが、これより集積化電極の
先端直径は、約500mmほどであることが分かる。電極の
先端を超純水に1日浸漬し、ICP分析を行った結果、
水中からは参照電極に由来するイオンは検出されなかっ
た。(Example 1) Three glass capillaries having an outer diameter of 1.2 mm were bundled, and the ends were heated with a gas burner and squeezed.
Platinum wires having diameters of 25 mm and 100 mm were sealed to serve as a working electrode and a counter electrode, respectively. A 100 mm diameter platinum wire tip was similarly sealed in the tip of the remaining one capillary to form a liquid junction for the reference electrode. Further, a silver wire plated with silver chloride on its surface and potassium chloride saturated water were put into the capillary by a conventional method to obtain a silver / silver chloride (Ag / AgCl) reference electrode. The tip of the pin-shaped electrode with the three poles integrated at the tip was polished to complete the microelectrode with the three poles integrated on the same surface in the tip area with a small area. FIG. 1 shows a side view photograph of the integrated microelectrode. FIG. 2 shows a front photograph of the tip of the electrode, from which it can be seen that the diameter of the tip of the integrated electrode is about 500 mm. As a result of immersing the tip of the electrode in ultrapure water for one day and performing ICP analysis,
No ions derived from the reference electrode were detected in the water.
【0025】(実施例2)外径1.2mmで内部が二室にガ
ラス隔壁で分離されたガラスキャピラリーの先端をバー
ナーで加熱して絞り、直径25mmと100mmの白金線を封入
して各々作用電極、参照電極用液絡とした。参照電極用
キャピラリー内部に定法により塩化銀を表面にメッキし
た銀線と塩化カリウム飽和水を入れて参照電極とした。
参照電極を完成するに先立ち、ガラスキャピラリーの外
壁上にスパッタリングを用いて厚さ約100nmの白金
被膜を設けて対極とした。ピン状電極の先端を研磨し、
先端微小平面に作用電極と参照電極が、また側面に対極
を形成した本発明の集積化マイクロ電極を完成した。こ
の集積化マイクロ電極先端の電子顕微鏡写真を図3に示
すが、これより集積化電極の先端直径は、約60mmほどで
あることが分かる。電極の先端を超純水に1日浸漬し、
ICP分析を行った結果、水中からは参照極に由来する
イオンは検出されなかった。(Example 2) The tip of a glass capillary having an outside diameter of 1.2 mm and the inside of which was separated into two chambers by a glass partition was heated with a burner and squeezed. And a liquid junction for a reference electrode. A silver wire plated with silver chloride on its surface and potassium chloride-saturated water were put into the capillary for reference electrode by a conventional method to prepare a reference electrode.
Prior to the completion of the reference electrode, a platinum film having a thickness of about 100 nm was provided on the outer wall of the glass capillary by sputtering to serve as a counter electrode. Polish the tip of the pin-shaped electrode,
The integrated microelectrode of the present invention in which the working electrode and the reference electrode are formed on the tip micro-plane and the counter electrode is formed on the side surface is completed. An electron micrograph of the tip of the integrated microelectrode is shown in FIG. 3, which shows that the tip diameter of the integrated electrode is about 60 mm. Immerse the tip of the electrode in ultrapure water for one day,
As a result of ICP analysis, ions derived from the reference electrode were not detected in the water.
【0026】(実施例3)ミリポアフィルターを用いて
作製した超純水にフェロセニルメチル・トリメチルアン
モニウム・ブロマイドを溶解し、4mMの水溶液を作製
した。この水溶液のイオン導電率を交流法にて測定した
(TOA導電率計CM−7B)ところ、44.5μSc
m-1と通常の電気化学計測が可能である溶液の導電率よ
りも1000分の1程度であった。実施例1で作製した
集積化マイクロ電極の先端をこの高抵抗被検液に浸漬
し、3電極を用いてポテンショスタット(北斗電工HA
150)に接続して電位走査速度50mVs-1でサイク
リックボルタモグラムを測定した。その結果を図4の実
線で示すが、S字型の電流−電位曲線が得られ、フェロ
セニルメチル・トリメチルアンモニウム・カチオンの電
極酸化反応が測定できていることが分かる。(Example 3) Ferrocenylmethyl trimethylammonium bromide was dissolved in ultrapure water prepared using a Millipore filter to prepare a 4 mM aqueous solution. The ionic conductivity of this aqueous solution was measured by an alternating current method (TOA conductivity meter CM-7B) and found to be 44.5 μSc.
m −1 , which was about 1/1000 of the conductivity of a solution that enables normal electrochemical measurement. The tip of the integrated microelectrode prepared in Example 1 was immersed in this high-resistance test solution, and a potentiostat (Hokuto Denko HA) was used using three electrodes.
150), and a cyclic voltammogram was measured at a potential scanning speed of 50 mVs -1 . The results are shown by the solid line in FIG. 4, and an S-shaped current-potential curve was obtained, indicating that the electrode oxidation reaction of ferrocenylmethyl trimethylammonium cation was measured.
【0027】(比較例1)実施例3において、集積化マ
イクロ電極の代わりに、直径25μmの白金マイクロ電
極、銀塩化銀(Ag/AgCl)参照電極、有効面積0.5cm2
の白金箔製対極の3本を独立して使用した。各々の電極
間距離を2mm程度の距離に接近させた以外は実施例3
と同様にしてサイクリックボルタモグラムの測定を行っ
た。結果を図4の点線で示すが、電位に対して電流の単
調増加だけが観測され、フェロセニルメチル・トリメチ
ルアンモニウム・カチオンの電極酸化反応を測定できて
いないことが明らかである。Comparative Example 1 In Example 3, a platinum microelectrode having a diameter of 25 μm, a silver-silver chloride (Ag / AgCl) reference electrode, and an effective area of 0.5 cm 2 were used instead of the integrated microelectrode.
Of three platinum foil counter electrodes were independently used. Example 3 except that the distance between the electrodes was reduced to a distance of about 2 mm.
The cyclic voltammogram was measured in the same manner as described above. The results are shown by the dotted line in FIG. 4, and it is apparent that only a monotonic increase in the current with respect to the potential was observed, and the electrode oxidation reaction of ferrocenylmethyltrimethylammonium cation could not be measured.
【0028】(実施例4)実施例3において、対極を使
用せずに、作用電極と参照電極のみ使用した。すなわち
参照電極を参照電極兼対極として使用したところ、実施
例3と全く同じ測定結果を得た。Example 4 In Example 3, only the working electrode and the reference electrode were used without using the counter electrode. That is, when the reference electrode was used as both a reference electrode and a counter electrode, the same measurement results as in Example 3 were obtained.
【0029】(実施例5)実施例1で作製した集積化マ
イクロ電極の先端にナフィオン溶液(アルドリッチ製)
を浸漬塗工して、先端の3極全てをナフィオン膜で被覆
した。このようにして処理した電極を、水素ガスをバブ
ルした超純水中に先端を浸漬し実施例3と同様にしてサ
イクリックボルタモグラムの測定を行なった。その結果
を図5に示すが、水素酸化の電流電位曲線が観測され
た。このようにして導電性を有さない超純水中において
も電流電位曲線の測定が可能となった。(Example 5) Nafion solution (manufactured by Aldrich) was applied to the tip of the integrated microelectrode prepared in Example 1.
Was coated by dip coating, and all three poles at the tip were covered with a Nafion membrane. The electrode thus treated was immersed in ultrapure water in which hydrogen gas was bubbled, and the cyclic voltammogram was measured in the same manner as in Example 3. The results are shown in FIG. 5, where a current potential curve for hydrogen oxidation was observed. Thus, the measurement of the current-potential curve was possible even in ultrapure water having no conductivity.
【0030】(実施例6)実施例1で作製した集積化マ
イクロ電極の先端にナフィオン溶液(アルドリッチ製)
を浸漬塗工して、先端の3極全てをナフィオン膜で被覆
した。このようにして処理した電極を、超純水にバブル
して加湿した水素ガスに接触させ実施例5と同様にして
サイクリックボルタモグラムの測定を行なった。その結
果を図6に示すが水素酸化の電流電位極線が観測され
る。このようにして気体中においても気相電極反応の測
定を行なうことが可能である。(比較例2)実施例5に
おいて使用した集積化電極の代わりに、比較例1で用い
た独立した3極を使用したところ、ポテンショスタット
による電位規制が不可能であり(電極電位が測定できな
い)サイクリックボルタモグラムの測定ができなかっ
た。(Embodiment 6) A Nafion solution (manufactured by Aldrich) was applied to the tip of the integrated microelectrode prepared in Embodiment 1.
Was coated by dip coating, and all three poles at the tip were covered with a Nafion membrane. The electrode thus treated was contacted with hydrogen gas which was bubbled in ultrapure water and humidified, and a cyclic voltammogram was measured in the same manner as in Example 5. The results are shown in FIG. 6, where the current potential pole of hydrogen oxidation is observed. In this way, it is possible to measure the gas-phase electrode reaction even in a gas. (Comparative Example 2) When the independent three electrodes used in Comparative Example 1 were used instead of the integrated electrode used in Example 5, the potential regulation by the potentiostat was impossible (the electrode potential could not be measured). The cyclic voltammogram could not be measured.
【0031】(実施例7)実施例6で使用した水素ガス
の代わりに酸素ガスを用いた以外は全く同様にして電流
電位極線の測定を行なった。その結果を図7に示すが気
相中において酸素還元の電流電位曲線が測定された。Example 7 A current potential pole was measured in exactly the same manner except that oxygen gas was used instead of hydrogen gas used in Example 6. The results are shown in FIG. 7. The current potential curve of oxygen reduction was measured in the gas phase.
【0032】(実施例8〜11)洗気瓶にメタノールを
入れ窒素ガスを通気することでメタノール飽和ガス(メ
タノール分圧97.5 mmHg)を得た。一方洗気瓶に超純水
を満たし窒素ガスを通気することで水を飽和させた気体
(水蒸気分圧17.4 mmHg)を得た。両者をガス混合器に
より任意の割合で混合し実施例6と同様にして電流電位
極線の測定を行なった。ただし、電位走査速度は5mV
s-1である。ガス流量は、0.4リットル/分とし、ガ
スの混合割合は、メタノール飽和ガス:水蒸気=1:3
(実施例8)、2:2(実施例9)、3:1(実施例1
0)、4:0(実施例11)とした。その結果を図の8
に示すが、図中の数字は、実施例の番号を示す。また、
実線はアノード方向の電位走査を、点線は、カソード方
向の電位走査を表す。これより気体状態メタノールの電
極酸化の電流電位極線が気相で測定できることが分か
る。(Examples 8 to 11) Methanol was put into an air-washing bottle, and nitrogen gas was passed therethrough to obtain a methanol-saturated gas (methanol partial pressure: 97.5 mmHg). On the other hand, a water-saturated gas (steam partial pressure of 17.4 mmHg) was obtained by filling the cleansing bottle with ultrapure water and passing nitrogen gas through. Both were mixed at an arbitrary ratio using a gas mixer, and the current potential pole was measured in the same manner as in Example 6. However, the potential scanning speed is 5 mV
s -1 . The gas flow rate was 0.4 liter / min, and the mixing ratio of the gas was methanol-saturated gas: water vapor = 1: 3.
(Example 8) 2: 2 (Example 9), 3: 1 (Example 1)
0), 4: 0 (Example 11). The result is shown in Fig. 8
The numbers in the figure indicate the numbers of the examples. Also,
The solid line represents potential scanning in the anode direction, and the dotted line represents potential scanning in the cathode direction. This indicates that the current potential pole of the electrode oxidation of gaseous methanol can be measured in the gas phase.
【0033】[0033]
【発明の効果】本発明の集積化マイクロ電極は、微小面
積の先端部領域に電極群を集積してなるため、局所領域
の電気化学測定が可能となる。また、本発明の集積化マ
イクロ電極を用いると、高抵抗媒体、例えば超純水、ガ
ス、高分子などの中で電気化学測定を行なうことが可能
となる。更に、本発明の集積化マイクロ電極を用いるこ
とで、ガスの定性定量分析も可能となり、ガス検出器と
しての応用も可能である。According to the integrated microelectrode of the present invention, since an electrode group is integrated in the tip region having a small area, electrochemical measurement in a local region can be performed. Further, when the integrated microelectrode of the present invention is used, it is possible to perform an electrochemical measurement in a high-resistance medium, for example, ultrapure water, gas, polymer, or the like. Furthermore, by using the integrated microelectrode of the present invention, qualitative and quantitative analysis of gas becomes possible, and application as a gas detector is also possible.
【図1】本発明の実施例1の集積化マイクロ電極の側面
を示す光学顕微鏡写真である。スケールのひと目盛りは
1mmである。FIG. 1 is an optical microscope photograph showing a side surface of an integrated microelectrode of Example 1 of the present invention. One division of the scale is 1 mm.
【図2】本発明の実施例1の集積化マイクロ電極の先端
部を示す光学顕微鏡写真である。W,R,Cは、各々作
用電極、参照電極、対極を表す。FIG. 2 is an optical microscope photograph showing the tip of the integrated microelectrode of Example 1 of the present invention. W, R, and C represent a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode, respectively.
【図3】本発明の実施例2の集積化マイクロ電極の先端
面を示す走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 3 is a scanning electron micrograph showing a tip surface of an integrated microelectrode according to Example 2 of the present invention.
【図4】本発明の実施例3(実線)と比較例1(点線)
のサイクリックボルタモグラムを示す。FIG. 4 shows Example 3 of the present invention (solid line) and Comparative Example 1 (dotted line).
1 shows a cyclic voltammogram.
【図5】本発明の実施例5のサイクリックボルタモグラ
ムを示す。FIG. 5 shows a cyclic voltammogram of Example 5 of the present invention.
【図6】本発明の実施例6のサイクリックボルタモグラ
ムを示す。FIG. 6 shows a cyclic voltammogram of Example 6 of the present invention.
【図7】本発明の実施例7のサイクリックボルタモグラ
ムを示す。FIG. 7 shows a cyclic voltammogram of Example 7 of the present invention.
【図8】本発明の実施例8〜11のサイクリックボルタ
モグラムを示す。FIG. 8 shows cyclic voltammograms of Examples 8 to 11 of the present invention.
Claims (7)
電極と参照電極を絶縁体を介して集積したことを特徴と
する集積化マイクロ電極。1. An integrated microelectrode characterized in that at least a working electrode and a reference electrode are integrated in a tip area having a small area via an insulator.
電極、参照電極と対極を絶縁体を介して集積したことを
特徴とする集積化マイクロ電極。2. An integrated microelectrode, wherein at least a working electrode, a reference electrode and a counter electrode are integrated in a tip area having a small area via an insulator.
2以下であることを特徴とする請求項1乃至2に記載の
集積化マイクロ電極。3. The geometric area of the working electrode is 1 × 10 −4 cm.
3. The integrated microelectrode according to claim 1, wherein the number is 2 or less.
0-2cm2以下の投影面積内に集積化されていることを
特徴とする請求項1乃至3に記載の集積化マイクロ電
極。4. At least 1 × 1 working electrode and reference electrode
0 -2 cm 2 or less of Integrated Micro electrode according to claim 1 to 3, characterized in that it is integrated in the projection area.
と参照電極が、酸化種ならびに還元種を含まない固体イ
オン伝導体を介して当接していることを特徴とする請求
項1乃至4に記載の集積化マイクロ電極。5. The method according to claim 1, wherein at least the electrically insulated working electrode and the reference electrode are in contact with each other via a solid ionic conductor containing no oxidized or reduced species. Integrated microelectrodes.
含む高抵抗媒体中に、請求項1乃至5に記載の集積化マ
イクロ電極の有効電極部位を接触させて電流と電位の関
係を計測することを特徴とする高抵抗媒体中の電極反応
計測方法。6. An electrode reaction The effective electrode portion of the integrated microelectrode according to claim 1 is brought into contact with a high-resistance medium containing an oxidizing species and / or a reducing species to measure the relationship between current and potential. A method for measuring an electrode reaction in a high-resistance medium, comprising:
る請求項6に記載の高抵抗媒体中の電極反応計測方法。7. The method for measuring an electrode reaction in a high-resistance medium according to claim 6, wherein the high-resistance medium is a gas.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007034836A1 (en) * | 2005-09-22 | 2007-03-29 | Kyoto University | Oxygen and oxide ion sensor and use thereof |
JP2013181796A (en) * | 2012-02-29 | 2013-09-12 | Dkk Toa Corp | Method for manufacturing microelectrode, microelectrode and diaphragm type sensor |
-
2001
- 2001-03-29 JP JP2001095264A patent/JP2002296216A/en active Pending
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