DE4123534A1 - Konische kohlenstoff-mikroelektrode und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine konische Kohlenstoff-Mikroelek­ trode und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine konische Kohlen­ stoff-Mikroelektrode für die Voltametrie, für elektrochemi­ sche Detektoren, Sonden und Elektroden für die Rastertunnel­ mikroskopie (STM) und damit zusammenhängende Verfahren, Sen­ soren für die Umweltanalyse, Sensoren für pathologische Untersuchungen und Sondenelektroden zum Einsatz in lebenden Körpersystemen, Lebensmitteln und ähnlichem, wo strenge For­ derungen bezüglich der Unschädlichkeit und Ungiftigkeit der eingesetzten Materialien bestehen.

Elektrochemische Detektierverfahren wie die Voltametrie, die hochauflösende Flüssigkeitschromatographie, Sensoren und ähnliche werden verbreitet für hochauflösende und hoch­ empfindliche Messungen verwendet.

Diese Verfahren werden häufig zur Analyse und Entwicklung von klinischen Proben lebenden Körpermaterials und Umwelt­ proben eingesetzt, die zu messende Bestandteile enthalten, die nur in extrem geringen Mengen und zusammen mit vielen anderen Verbindungen darin existieren. Die Leistungsfähig­ keit eines elektrochemischen Detektors wird vorwiegend durch die Arbeitselektrode bestimmt, und die Art des ausgewählten Materials für die Arbeitselektrode hat großen Einfluß auf die Art der Substanzen, die gemessen werden können, auf die Empfindlichkeit, die Auflösung und die Möglichkeit der quan­ titativen Analyse.

In diesem Zusammenhang wurden als Elektroden für elektroche­ mische Messungen bereits verschiedene Quecksilberelektroden, Platin, Gold, Kupfer, Silber, Kohlenstoff (glasartiger Koh­ lenstoff) (GC), Kohlenstoffaser (CF), Kohlenstoffpaste (CP), hochorientierter pyrolytischer Graphit (HOPG) und ähnliche untersucht. Von diesen werden die Quecksilberelektrode und GC häufig als Elektrode für die Polarographie bzw. als Elek­ trode für einen elektrochemischen Detektor verwendet.

Der Einsatz von Quecksilber ist jedoch vom Standpunkt des Umweltschutzes aufgrund seiner giftigen Eigenschaften nicht erwünscht. Es besteht daher die Forderung nach nicht-gifti­ gen guten Elektroden, die die Quecksilberelektrode ersetzen. Obwohl eine GC-Elektrode aus nicht-giftigem Kohlenstoff be­ steht, ist es schwierig, die Oberfläche der Elektrode zu be­ arbeiten. Die Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse ist nicht gut. Weiterhin bereitet die Anwendung der GC-Elektrode Pro­ bleme. Andere Metallelektroden sind aufwendig und können ein lebendes Körpersystem vergiften. Ihre elektrochemischen Cha­ rakteristiken haben sowohl Vor- als auch Nachteile.

Es ist herausgefunden worden, daß ein zusammengesetztes Koh­ lenstoffmaterial GRC (mit Graphit verstärkter Kohlenstoff), das bereits als mechanischer Bleistift verwendet wird, aus­ gezeichnete Charakteristiken als Elektrode für elektrochemi­ sche Messungen aufweist, und es gelang, das Material als Elektrode einzusetzen. Es wurde eine zusammengesetzte Gra­ phitkohlenstoffelektrode (GRC) vorgeschlagen (JP-Patentan­ meldung Nr. Sho 63-78 698), die leicht als Elektrode verwen­ det werden kann.

Außerdem konnte man GRC in dünner Form herstellen (JP-Pa­ tentanmeldung Nr. Hei 1-2 50 772).

In jüngster Zeit erlangte das Erhalten von physiologischen Informationen von einem lokalen Abschnitt eines lebenden Körpers z. B. eines Nervenzellensystems in vivo und in situ mittels einer Elektrode für elektrochemische Messungen große Bedeutung. Der oben erwähnte dünne GRC wurde für solche Zwecke hergestellt. Das heißt, es besteht die Forderung, die zeitliche Veränderung von Reaktionen der Nervenzellen und die Menge sekretierter chemischer Überträger von Nervenzel­ len zu messen. Dabei wird eine Elektrode in der Nachbar­ schaft der zu messenden Nervenzellen in dem lebenden Körper angebracht, um den Nerv mit einem physikalischen, chemischen oder elektrischen Stimulus direkt zu stimulieren.

Zu diesem Zweck ist eine sehr dünne Elektrode (in der Größenordnung von µm), die nicht giftig für die Zellen ist, erforderlich.

Dünner GRC in einer der oben erwähnten vorhergehenden japa­ nischen Patentanmeldungen kann befriedigend für diesen Zweck verwendet werden. Das wurde bereits bei einer separaten quantitativen Analyse von Dopamin und Vitamin C gezeigt.

Jedoch ist GRC so dünn, daß der elektrische Widerstand etwas hoch und die mechanische Festigkeit in Abhängigkeit vom Ort, in dem mit dem GRC eingestochen wird, nicht ausreichend ist. Daher besteht der Bedarf nach einer festeren dünnen Elek­ trode.

Es wurden Untersuchungen zur Herstellung einer Elektrode unter Verwendung einer dünnen Kohlenstoffaser ähnlich der obigen durchgeführt, aber es ist schwierig, Elektroden mit guter Reproduzierbarkeit zu finden, und außerdem sind die Kohlenstoffaserelektroden nicht fest genug und die Festig­ keit ähnelt meist der des dünnen GRC.

Sonden mit einer dünnen Spitze werden in jüngster Zeit in der STM verwendet. STM ist ein neues Anwendungsgebiet der Elektrode für elektrochemische Messungen und dem damit ver­ bundenen technischen Umfeld, da dabei elektrische Strommes­ sungen und cyclische voltametrische Messungen durchgeführt werden.

Jedoch liefert das gegenwärtig verfügbare Material eine ge­ ringe Reproduzierbarkeit, so daß ein Bedarf nach kostengün­ stigen Elektroden mit guter Reproduzierbarkeit für die STM besteht.

STM-Messungen haben sich in letzter Zeit explosionsartig entwickelt, daher sind Mikrosonden und Mikroelektroden sehr wichtig, da sie die Leistungsfähigkeit einer STM-Apparatur beeinflussen.

Der Vorteil der Verwendung von Kohlenstoff-Mikroelektroden als Sonden für die STM besteht nicht nur in der Eigenschaft, daß ein Kohlenstoffstab abgedünnt werden kann, sondern auch darin, daß kein elektrochemisches Problem zwischen verschie­ denen Materialien besteht, da eine saubere Graphitplatte (z. B. HOPG) oft als Trägersubstrat für die zu messende Probe und gleichzeitig als Material für eine Gegenelektrode und eine konische Kohlenstoff-Mikroelektrode dient, wobei das Atom des Sondenteils, d. h. des Endabschnitts des Graphitkri­ stalls und des amorphen Kohlenstoffspitzenabschnitts das­ selbe ist, wie das des Gegenelektrodensubstrats. Diesen Vor­ teil weist auch die vorliegende Erfindung auf.

Die oben erwähnten Probleme des Elektrodenmaterials sollen erfindungsgemäß gelöst werden.

Eine Kohlenstoff-Mikroelektrode der JP-Patentanmeldung Nr. Hei 1-2 50 772 weist die folgenden Merkmale auf:

• 1. Sie kann einen elektrischen Strom, eine elektrische Spannung und mechanische Stimulie einem lebenden Körper zuführen, wobei die Größe des Funktionsteils in der Größenordnung einer Zelle ist.
• 2. Die Kohlenstoff-Mikroelektrode kontaminiert nicht das zu messende System, auch wenn sie im lebenden Körper ver­ bleibt, sie ist unschädlich und kann zur Untersuchung von Lebensmitteln verwandt werden.
• 3. Die Kohlenstoff-Mikroelektrode hat einen mechanische Fe­ stigkeit, die ausreicht, um in einen lebenden Körper und in Lebensmittel zu stechen und eine elektrochemische Untersuchung eines Mikroteils oder eines Mikrobetrags durchzuführen.
• 4. Es gibt eine geringe Fluktation der Elektrodencharakte­ ristiken, eine gute Reproduzierbarkeit der Meßdaten und zuverlässige Messungen.
• 5. Eine spezielle Vorbehandlung ist nicht erforderlich, meist ist eine elektrochemische Vorbehandlung ausrei­ chend, um eine Elektrodenreaktion stabil zu messen.
• 6. Die Kohlenstoff-Mikroelektrode hat geringe Kosten und ist ein Einwegartikel.
• 7. Die Kohlenstoff-Mikroelektrode hat im Vergleich zu den Kohlenstoff-Faserelektroden (CF) und den dünnen GRC- Elektroden einen niedrigen elektrischen Widerstand (gute elektrische Leitfähigkeit), hohe Einstichfestigkeit (Zä­ higkeit) und einen sehr festen Vorderteil (schwer zer­ brechbar).

Eine Kohlenstoff-Mikroelektrode sollte die Merkmale 1 bis 7 aufweisen, und zusätzlich dazu sollten die erwähnten Probleme des Elektrodenmaterials gelöst werden.

Im allgemeinen bestehen für eine voltametrische Elektrode folgende wesentliche Bedingungen:

• 1. breit polarisierte Potentialdomäne und ein geringer Ru­ hestrom,
• 2. gute Reproduzierbarkeit und wiederholbare Verwendung,
• 3. Aufweisen einer Elektrodenreaktionsaktivität,
• 4. einzelne Elektroden sollen keine voneinander abweichen­ den Charakteristiken haben,
• 5. die Verunreinigungen sollen so gering sein, daß die Elektrodenreaktion nicht gestört wird,
• 6. eine theoretische Interpretation soll möglich sein, und
• 7. Vorbehandlung und Handhabung sollen einfach sein.

Die JP-Patentanmeldungen Nr. Sho 63-78 698, Hei 1-2 50 772 und Hei 2-1051 beschreiben Kohlenstoff-Mikroelektroden, die in zufriedenstellender Weise direkt eingesetzt werden können. Bei Verwendung nur zum Messen eines Potentials weisen sie einen unerwünscht hohen elektrischen Widerstand auf. Außer­ dem ist die mechanische Festigkeit nicht ausreichend, um einen etwas harten Stoff zu durchdringen und einen elektri­ schen Stimulus zu messen und anzulegen. Außerdem ist die Form dieser Elektroden nicht geeignet, um als eine STM-Son­ denelektrode verwendet zu werden, die so gestaltet sein muß, daß nur der Spitzenabschnitt sehr dünn ist. Es besteht der Bedarf nach einer Elektrode mit einem dicken und starken oberen Abschnitt, während nur die Spitze zum Zwecke der elektrochemischen Messung dünn genug sein muß.

Wenn die erwähnten Probleme gelöst werden, werden auch die folgenden Bedingungen erfüllt:

• 8. Der elektrische Widerstand wird erniedrigt.
• 9. Die für das Einstechen erforderliche mechanische Festig­ keit wird erhöht.
• 10. Der Stammabschnitt wird verfestigt.
• 11. Die Länge und der Durchmesser des Mikrozylinderab­ schnitts an der Spitze und die Länge des konischen Ab­ schnitts können wahlweise gesteuert werden.
• 12. Ein gewünschter Abschnitt der oben erwähnten Elektrode mit so einer unregelmäßigen Form kann ausreichend iso­ liert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konische Koh­ lenstoff-Mikroelektrode zur Verfügung zu stellen, die die erwähnten Nachteile im Stand der Technik überwindet und den gewachsenen Ansprüchen an die Meßtechnik genügt.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge­ löst.

Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, eine Kohlenstoff-Mikroelektrode so auszubilden, daß sie einen dicken und festen oberen Stammabschnitt aufweist, wäh­ rend nur die Spitze konisch ausgebildet ist, so daß sie einen für die elektrochemische Messung ausreichenden kleinen Durchmesser aufweist.

Die Vorteile der Erfindung liegen in einer erhöhten mechani­ schen Festigkeit, insbesondere einer erhöhten Einstichfe­ stigkeit, sehr kleinem Spitzendurchmesser und einem niedri­ gen elektrischen Widerstand der Mikroelektrode. In vorteil­ hafter Weise kann die erfindungsgemäße Mikroelektrode für STM und damit im Zusammenhang stehende Verfahren sowie für Messungen an festem lebenden Gewebe eingesetzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Meßergebnis des differentiellen Impulsvoltamo­ gramms (D.P.V. -Kurven) mittels einer konischen Koh­ lenstoff-Mikroelektrode, die gemäß Beispiel 1 (infra) hergestellt wurde.

Fig. 2A das Ergebnis der Messung von Leerstrom nach dem Ein­ tauchen von 2 mm Länge an dem Spitzenabschnitt der konischen Kohlenstoffelektrode, die gemäß Beispiel 2 (infra) hergestellt wurde, in 1 M KCl.

Fig. 2B ein C-V-Kurven-Voltamogramm, das nach Einwirken einer Redox-Reaktion von Ferrocyanidionen in einem 1M KCl - 1 mM Fe(CN)₆ ^4--System erhalten wurde, und

Fig. 3 eine STM-Abbildung, die die Kristallstruktur einer glatten Graphitoberfläche auf HOPG abbildet, die mittels einer konischen Kohlenstoff-Mikroelektrode erhalten wurde, die gemäß Beispiel 3 (infra) herge­ stellt wurde.

Die erfindungsgemäße Kohlenstoff-Mikroelektrode kann wie folgt hergestellt werden.

Ein organisches Material allein oder eine Zusammensetzung, die aus einem in einem organischen Bindemittel hoch verteil­ ten und gebundenem feinen kristallinen Kohlenstoffpulver hergestellt ist, wird in eine gewünschte dünne Stabform ex­ trudiert und dann in einer Inertgasatmosphäre oder in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bis zu hohen Temperaturen ge­ glüht, um das organische Material oder das organische Binde­ mittel, das in der Zusammensetzung enthalten ist, zu karbo­ nisieren und einen dünnen Stab aus reinem Kohlenstoff auszu­ bilden.

Eine gewünschte Länge des so erhaltenen dünnen Kohlenstoff­ stabs wird dann in eine elektrolytische Lösung als eine Anode getaucht, und eine Oxidation wird in einen Potential­ bereich von einem Volt gegen eine gesättigte Calomelelek­ trode (SCE) begonnen. Das Potential und die Ziehgeschwindig­ keit werden so gesteuert, daß eine konische Form mit einer gewünschten Verjüngung hergestellt werden kann. Im Ergebnis wird ein Spitzenabschnitt mit einem gewünschten Spitzen­ durchmesser erzeugt.

Das dicke Ende des sich ergebenden dünnen konischen Kohlen­ stoffstabs wird elektrisch mit einem Bleidraht mittels eines elektrisch leitfähigen Silberpastenzements verbunden, und dann wird die gesamte Oberfläche des dünnen Stabes mit einem isolierenden Material bedeckt. Wenn gewünscht, kann danach der Isolatorfilm am dünnen Ende des dünnen konischen Kohlen­ stoffstabes entfernt werden, um diesen Endabschnitt freizu­ legen. Damit ist die Herstellung einer konischen Kohlen­ stoff-Mikroelektrode abgeschlossen.

Die oben erwähnten organischen Materialien und organischen Bindemittel sind organische Materialien, die in der Lage sind, sich im Endresultat in Kohlenstoff umzuwandeln, wenn sie in einer Inertgasatmosphäre oder einer nicht oxidieren­ den Atmosphäre geglüht werden. Solche organischen Materia­ lien sind z. B. organische Hochpolymere, Monomere davon, Oli­ gomere, Teere, Peche, Trockendestillationspeche, thermopla­ stische Harze, Anfangsstufenpolymere von wärmeaushärtenden Harzen und ähnliche. Diese organischen Materialien können allein oder in Kombination verwendet werden.

Die organischen Hochpolymere schließen natürliche organische Hochpolymere wie Lignin, Cellulose, Tragacanth, Gummi arabicum, Naturkautschuk und Derivate davon, Verbindungen, die kondensierte polycyclische aromatische Gruppen in der Grundstruktur der Moleküle enthalten, wie Saccharide, Chitin, Chitosan und ähnliche, und synthetische Hochpolymere ein, wobei thermoplastische Harze und wärmeaushärtende Harze, wie später erwähnt werden wird, ausgeschlossen sind. Die synthetischen Polymere sind z. B. Naphthalin-Schwefel­ säure-Formaldehydkondensat, Dinitronaphthalin, Pyren, Pyran­ thron, Violanthron, Benzoanthron und ähnliche, Indanthren- Küpenfarbstoffe und Zwischenprodukte davon.

Die thermoplastischen Harze schließen gewöhnliche thermopla­ stische Harze wie Poly(vinylchlorid), Polyacrylnitril, Poly(vinylidenchlorid), chloriertes Poly(vinylchlorid), Poly(vinylacetat), Poly(vinylalkohol, Poly(vinylpyrrolidon), Ethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Vinylchlorid-Vi­ nylacetat-Copolymer und ähnliche sowie wärmebeständige ther­ moplastische Harze wie Polyphenyloxid, Poly-p-xylen, Poly­ sulfon, Polyimid, Polyamidimid, Polybenzimidazol, Polyoxa­ diazol und ähnliche ein.

Zu den wärmeaushärtenden Harzen gehören Phenolharze, Furan­ harze, Epoxidharze, Xylenharze oder COPNA-Harze (kondensier­ tes polynucleares aromatisches Harz, im Handel als "SK-Harz" von Sumitomo Kinzokum Kogyo K.K.).

Von den wärmeaushärtenden Harzen werden vorzugsweise die verwendet, die durch Erwärmung gleichzeitig unter Ausbildung von Querverbindungen zwischen den Molekülen verflüssigt wer­ den können. Das ergibt die Ausbildung einer dreidimensiona­ len Struktur bei Erwärmung und eine hohe Kohlenstoffausbeute ohne eine besondere eine Kohlenstoffvorform erzeugende Be­ handlung.

Zu den Pechen gehören Petroleumpech, Steinkohlenteerpech, Asphalt und Trockendestillationsprodukte (behandelt bei einer Temperatur von 400^oC oder niedriger) von Kohlenwasser­ stoffverbindungen, wie Pechen oder synthetischen Harzen.

Als das erfindungsgemäße feine kristalline Kohlenstoffpul­ ver, das mit dem organischen Bindemittel verbunden ist, kann ein glasähnlicher Stoff verwendet werden, der durch Karboni­ sieren von organischem Material allein hergestellt werden kann. Um die Elektrodenreaktion zu verbessern, ist es jedoch günstig, ein zusammengesetztes Kohlenstoffmaterial herzu­ stellen, das ein orientiertes System aufweist, so daß die Endoberflächen von hochentwickelten Graphitkristallen senk­ recht zu der Elektrodenoberfläche ausgerichtet sind.

Daher werden für das feine kristalline Kohlenstoffpulver vorzugsweise z. B. Graphit-Whisker, hochorientierter pyroly­ tischer Graphit (HOPG), Garschaumgraphit, natürlicher Gra­ phit mit entwickelten Kristallen oder künstlicher Graphit verwendet.

Die bevorzugte Teilchengröße des feinen kristallinen Kohlen­ stoffpulver variiert in Abhängigkeit von Durchmesser der zu verwendenden Elektrode, aber sie beträgt gewöhnlich mehrere µm oder weniger.

Die Menge des feinen kristallinen Kohlenstoffpulvers vari­ iert in Abhängigkeit vom Typ des organischen Bindemittels, mit dem es verbunden werden soll, und dem Durchmesser der beabsichtigten Elektrode, aber sie beträgt gewöhnlich 5-80, vorzugsweise 40-60 Gew.-% der organischen Zusammenset­ zung des dünnen Stabes vor der Karbonisierung (grüne Zusam­ mensetzung). Für die Präparation des aus kristallinem Koh­ lenstoff zusammengesetzten organischen dünnen Stabes vor dem Glühen (grüner dünner Stab) sind folgende Schritte wichtig: Verbinden des oben erwähnten organischen Bindemittels mit dem feinen kristallinen Kohlenstoffpulver in einem geeigne­ ten Verhältnis, das von der Verwendung abhängt, ausreichen­ des Feinverteilen des Pulvers z. B. mittels eines Henschel- Mixers, falls erforderlich, Zugabe von Weichmachern, Lö­ sungsmitteln oder ähnlichen, Trennen der Kristalle in dem organischen Bindemittels mittels eines Kneters, der eine ho­ he Scherspannung anwendet, z. B. einem Druckkneter oder mit Doppelwalzen, um dabei eine mechanochemische Reaktion zu verursachen, die eine ausreichende Durchmischung und Ver­ teilung bewirkt.

Die resultierende Mischung wird dann in Pellets mittels eines Pelletisierers geformt und durch einen Schraubenextru­ der extrudiert, um einen dünnen Stab eines gewünschten Durchmessers auszubilden. Bei diesem Verfahren ist es gün­ stig, auf den dünnen Stab eine Zugkraft einwirken zu lassen, um so seine Charakteristiken zu verbessern.

Dann wird, um die Feinlinienführung aufrechtzuerhalten, der dünne Stab auf einem Stützrahmen befestigt und bei 180^oC 10 Stunden an Luft erwärmt, um einen Rohling oder eine Vorform des dünnen Kohlenstoffstabmaterials zu erzeugen.

Die Vorform des dünnen Stabmaterials wird dann geglüht und karbonisiert.

Das Glühen und Karbonisieren wird vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung in Inertgasatmosphäre oder einer nicht oxi - dierenden Atmosphäre bei 500 bis 1500^oC ausgeführt.

Bevorzugt ist das Glühen und Karbonisieren mittels einer Wärmebehandlung in einer Inertgas- oder nicht-oxidierenden Atmosphäre bei 500 bis 1000^oC und dann eine Graphitbildung durch Erwärmen in einer Inertgasatmosphäre bei 2000 bis 3000^oC.

Zum Beispiel wird die Vorform des dünnen Stabmaterials durch Aufheizen bis zu 1000^oC mit einer gesteuerten Temperaturan­ stiegsgeschwindigkeit in einer Stickstoffatmosphäre karboni­ siert, und als Ergebnis des Glühens wird ein aus Kohlenstoff zusammengesetzter dünner Stab erhalten. Falls es gewünscht wird, kann in Abhängigkeit von dem individuellen Verwen­ dungszweck, der dünne Stab weiterhin einer Wärmebehandlung bis zu 2500^oC in einer Argon-Gasatmosphäre ausgesetzt wer­ den, um ihn ganz in Graphit umzuwandeln.

Als elektrolytische Lösung für die erfindungsgemäße nasse elektrochemische Oxidation können verwendet werden: eine wäßrige Alkalilösung, die z. B. Kaliumhydroxid, Natrium­ hydroxid, Calciumhydroxid oder Ammoniumhydroxid enthält; eine verdünnte Säure, die durch Verdünnen von z. B. Salz­ säure, Schwefelsäure, Perchlorsäure, Salpetersäure oder Phosphorsäure mit reinem Wasser hergestellt wird, oder eine wäßrige Lösung von Salzen davon, wie Natriumchlorid, Kalium­ chlorid oder Kaliumsulfat.

Enthält das Material eine große Menge von Graphit, so ist es günstig, eine wäßrige Lösung, d. h. ein Hydroxid, zu verwen­ den, die sehr schwer Zwischenverbindungen bildet.

Als Isolatormaterial zur Isolation können Glas, Oxide wie SiO₂ oder Al₂O₃ oder Kunststoffe verwendet werden. Wird das isolierende Material bei der Anwendung in eine elektrolyti­ sche Lösung getaucht, ist es günstig, wenn das Material aus einem antikorrosivem Harz, z. B. aus Teflon oder Silikon, be­ steht.

Das Aufbringen der Isolation kann durch ein gewöhnliches Be­ deckungsverfahren wie im Falle von Kunststoff erfolgen. Das heißt ein Bedecken durch Sprayen, Eintauchen oder durch elektrostatisches Bedecken ist möglich. Im Falle der Ausbil­ dung einer Glasisolationsbedeckung, wird ein konischer, dün­ ner Kohlenstoffstab, der mit einem Bleidraht an seinem dicken Endabschnitt mittels einem Silberpastenzement verbun­ den ist, in eine Kapillarröhre aus Pyrexglas eingesetzt und darin gehalten, und dann werden beide Enden des Pyrexglas- Kapillarrohres an einem entsprechenden Ziehanschluß eines Ziehapparats zum Herstellen von Glaskapillarrohren befe­ stigt. Der zentrale Abschnitt des Pyrexglas-Kapillarrohrs wird gleichmäßig erwärmt, um das Rohr gleichzeitig mit dem Ziehen des Ziehapparats zu erweichen. Auf diese Weise wird, während der dünne Kohlenstoffstab festgehalten wird, ein Glasfilm auf ihm ausgebildet.

Das sich ergebende Produkt wird im zentralen Abschnitt zer­ schnitten, um ein Ende des dünnen Kohlenstoffstabes freizu­ legen und eine gewünschte Elektrode herzustellen. Bei der konischen Kohlenstoff-Mikroelektrode beträgt der Durchmesser des dicken Endabschnitts vorzugsweise 5 mm bis 0,1 mm und der des dünnen Endabschnitts 0,1 mm oder weniger.

Wie oben beschrieben wurde, ist die erfindungsgemäße koni­ sche Kohlenstoff-Mikroelektrode mit einem sehr dünnen Spit­ zenabschnitt eine geeignete Elektrode für STM, bei der eine Kohlenstoffelektrode bisher noch nicht verwendet wurde, und eine gute Elektrode für in Situ-Messungen.

Die erfindungsgemäße konische Kohlenstoff-Mikroelektrode weist die guten Charakteristiken der Kohlenstoff-Mikroelek­ trode der früheren Patentanmeldungen und zusätzlich einen niedrigen elektrischen Widerstand und eine hohe Einstichfe­ stigkeit auf. Die konische Kohlenstoff-Mikroelektrode kann als zylindrische Mikroelektrode, als konische Mikroelektrode einer gewünschten Länge und als scheibenförmige Mikroelek­ trode eines gewünschten Durchmessers hergestellt werden, und es können Elektroden mit einem starken Trägerteil erhalten werden.

Der Winkel des konischen Abschnitts am Ende der Elektrode kann leicht eingestellt werden. Da das Anfangsmaterial für die Elektrode unter voller Qualitätskontrolle erzeugt werden kann, kann eine große Menge von Elektroden mit stabilen Cha­ rakteristiken bei niedrigen Kosten zur Verfügung gestellt werden. Das Ergebnis ist eine Vielfalt von Elektroden mit hervorragenden Charakteristiken für Messungen auf verschie­ denen Gebieten.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Beispiele näher beschrieben werden.

Beispiel 1

Als Material für einen dünnen Kohlenstoffstab für Elektroden wurde eine Zusammensetzung (100 Gew.-%) aus chloriertem Poly(vinylchlorid (Warenzeichen T-742, hergestellt von der Nihon Carbide Co.) (60 Gew.-%) und Garschaumgraphit-Feinpul­ ver (Warenzeichen KH, hergestellt durch Kowa Seiko Co.) (40 Gew.-%) verwendet und ein Weichmacher, Diallylphthalatmono­ mer, (25 Gew.-% der Zusammensetzung) wurde hinzugegeben.

Die sich ergebende Mischung wurde mittels eines Henschel-Mi­ xers fein verteilt und dann mittels zwei Walzen ausreichend geknetet, um sie bei einer Oberflächentemperatur von 120^oC solange zu mischen, bis die Graphitkristalle in dem chlo­ rierten Poly(vinylchloridharz) als Matrix so getrennt sind, daß sie nahezu einen nicht-koagulierten Teilchenzustand ein­ nehmen. Es wurde eine mechano-chemische Reaktion durchge­ führt, und die blattförmige feinverteilte Zusammensetzung wurde durch einen Pelletisierer pelletisiert, um eine form­ bare Zusammensetzung zu erzeugen. Die sich ergebenden Pel­ lets wurden bei einer Formungstemperatur von 130^oC durch einen Schraubenextruder mit einer Öffnung von 0,71 mm Durch­ messer unter Luftentzug extrudiert. Das extrudierte Material wurde auf einen Rahmen befestigt und unter Luft 10 Stunden in einem Ofen auf 180^o aufgeheizt, um eine Kohlenstoff- Vorform zu erzeugen.

Dann wurde die sich ergebende Kohlenstoff-Vorform in Stick­ stoffgas bis zu 500^oC bei einer Temperaturanstiegsgeschwin­ digkeit von 10^oC/Stunde von 500^oC bis 1000^oC bei einer Tem­ peraturanstiegsgeschwindigkeit von 50^oC/Stunde aufgeheizt, bei 1000^oC 3 Stunden gehalten und dann abgekühlt, wonach das Glühen abgeschlossen war. Auf diese Weise wurde ein dünner Kohlenstoffstab für eine Elektrode von 0,5 mm Durchmesser erhalten. Der dünne Kohlenstoffstab wurde in eine Länge von 50 mm geschnitten, um ein Material für das Verfahren zur Herstellung eines dünnen konischen Kohlenstoffstabes auszu­ bilden.

Als Elektrolytlösung für eine nasse elektrochemische Oxida­ tion wurde 3 M (dmF^-3) Kaliumhydroxid verwendet, und der dünne Kohlenstoffstab im Rohzustand wurde als eine Anode verwandt. Der Spitzenabschnitt wurde über eine Länge von 2 mm in die Elektrolytlösung getaucht. Ein Potential von 2,2 Volt gegen SCE wurde an den Stab gelegt, um die Oxidation zu bewirken, während die Elektrode bei einer Geschwindigkeit von 0,1 mm/min herausgezogen wurde. Während dieser 10minütigen Behandlung wurde der Spitzenabschnitt in eine konische Form ausgebildet, und der Spitzendurchmesser war am Schluß 10 µm. Das dicke Ende des sich ergebenden dünnen Koh­ lenstoffstabes wurde elektrisch mit einem Bleidraht mittels einem Silberpastenzement verbunden und die gesamte Oberflä­ che wurde mit einer 15%igen Lösung eines Glasharzes (Waren­ zeichen GR 100, hergestellt durch Showa Denko K.K.) in Etha­ nol bedeckt und dann getrocknet, um einen isolierenden Man­ tel auszubilden. Das so bedeckte Glied wurde dann in ein Kapillarrohr aus Pyrexglas (0,5 mm Innendurchmesser, 1 mm Außendurchmesser) eingesetzt, und beide Enden des Glasrohres wurden an den Ziehanschlüssen eines Ziehapparates befestigt.

Der zentrale Abschnitt (5 mm lang) des Glasrohres wurde er­ wärmt, um diesen Abschnitt zu erweichen, und der Ziehapparat wurde für eine bestimmte Ziehstrecke betätigt, um die Glas­ rohrwand in dichtem Kontakt mit dem dünnen konischen Kohlen­ stoffstab zu bringen. Schließlich wurde der zentrale Ab­ schnitt des Glasrohres durchschnitten, um die Kohlen­ stoffoberfläche von dem isolierenden Mantel zu befreien, wo­ nach die Herstellung der konischen Kohlenstoff-Mikroelek­ trode abgeschlossen war.

Die konische Kohlenstoff-Mikroelektrode wurde dann zum Fest­ stellen von Dopamin in Anwesenheit von Vitamin C eingesetzt.

Dopamin ist eine Art der Catecholamine, die Neurotransmitter sind, die von den Nervenzellen ausgeschieden werden. Es ist eine unstabile Substanz, die sehr leicht oxidiert wird. Da­ her wird bei einer Lösung Vitamin C als Stabilisator hin­ zugegeben, und in einem lebenden System ist Vitamin C oft mit Dopamin koexistent.

Es wurde versucht, gleichzeitig Dopamin und Vitamin C, die in einer Ringer′s Lösung gelöst waren, festzustellen.

Fig. 1 zeigt ein Resultat der Messung eines differentiellen Impulsvoltamogramms (D.P.V. -Kurven) mittels der konischen Kohlenstoff-Mikroelektrode, die gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde.

Eine Länge von 1,8 mm (20 µm im Durchmesser) des Spitzenab­ schnitts der konischen Kohlenstoff-Mikroelektrode wurde in die Ringer′s Lösung (physiologische Kochsalzlösung, in der 1 mMol Dopamin und 10 mMol Vitamin C enthalten waren) ge­ taucht, und Platin und eine gesättigte Calomelelektrode wur­ den entsprechend als Gegenelektrode und Referenzelektrode verwandt.

Die Wobbelrate betrug 10 mV/s und die Impulslänge 0,5 Sekun­ den. Die unterbrochene Linie ist eine D.P.V.-Kurve für Vitamin C allein, während die durchgezogene Linie eine D.P.V. -Kurve für die Koexistenz von Vitamin C und Dopamin ist.

Es ergibt sich somit, daß ein getrennter Nachweis von Vitamin C und Dopamin mittels der konischen Kohlenstoff- Mikroelektrode hinreichend möglich ist.

Beispiel 2

Als Material des dünnen Kohlenstoffstabes für die Elektrode wurde eine Mischung von einem chlorierten Poly(vinylchlo­ rid)harz (Warenzeichen T-742, hergestellt von Nihon Carbide Co.) (100 Gew.-%) und Diallylphthalatmonomer (30 Gew.-% des Gewichts des chlorierten Poly(vinylchlorid)-Harzes) als Weichmacher verwendet, um Pellets zu erzeugen. Die Pellets wurden bei einer Ausformungstemperatur von 130^oC durch einen Schraubenextruder mit einer Öffnung von 1,0 mm Durchmesser unter Luftentzug extrudiert. Das extrudierte Material wurde auf einen Rahmen in geradliniger Form befestigt und bei Luft 10 Stunden in einem Ofen bei einer Temperatur von 180^oC oxi­ diert, um eine Kohlenstoff-Vorform zu erzeugen. Die Kohlen­ stoff-Vorform wurde dann auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 geglüht, um einen dünnen Kohlenstoffstab für eine Elek­ trode von 0,5 mm Durchmesser zu erzeugen.

Der dünne Kohlenstoffstab wurde in eine Länge von 50 mm ge­ schnitten, um als Material für das Herstellungsverfahren für einen dünnen konischen Kohlenstoffstab zu dienen. Danach er­ folgte eine Behandlung des Materials durch elektrochemische Oxidation in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1, um eine Spitze mit einem Durchmesser von 10 µm auszubilden.

Das dicke Ende des dünnen konischen Kohlenstoffstabes wurde elektrisch mit einem Bleidraht mittels eines Silberpastenze­ ments verbunden. Das sich ergebende Glied wurde in ein Ka­ pillarrohr aus Pyrexglas (0,5 mm Innendurchmesser, 1 mm Außendurchmesser) eingesetzt, und beide Enden des Glasrohres wurden an den Ziehanschlüssen eines Ziehapparates befestigt.

Der zentrale Abschnitt (5 mm lang) des Glasrohres wurde er­ wärmt, um diesen Abschnitt zu erweichen. Der Ziehapparat wurde um eine Ziehstrecke betätigt, um die Glasrohrwand in dichten Kontakt mit dem dünnen konischen Kohlenstoffstab zu bringen. Schließlich wurde der zentrale Abschnitt des Glas­ rohres durchgeschnitten, um die Kohlenstoffoberfläche von dem isolierenden Mantel zu befreien, wonach die konische Kohlenstoffelektrode fertig war. Mittels der erzeugten Elek­ trode wurde der Ruhestrom in 1 M wäßrigen KCl gemessen und eine Redoxreaktion von Ferrocyanidionen in einem 1 M KCl - 1mMol Fe(CN)₆ ^4--System durchgeführt. Die sich ergebende I-V-Kurve wird in Fig. 2 gezeigt. Das S/N (Signal/Rausch)-Ver­ hältnis war hoch und eine gute Elektrodenreaktion wurde er­ reicht.

Beispiel 3

Als Rohmaterial für einen dünnen Kohlenstoffstab wurde zu einer Zusammensetzung (100 Gew.-%) aus einem Vinylchlorid- Vinylacetat-Copolymerharz (Warenzeichen ML, hergestellt von Nihon Zeon Co.) (20 Gew.-%), Furanharz-Anfangskondensat (Wa­ renzeichen VF-302, hergestellt von Hitachi Kasei K.K.) (40 Gew.-%) und hochkristallinem natürlichem Graphitfeinpulver (Warenzeichen CSSP-B, hergestellt von Nihon Kokuen K.K.) (40 Gew.-%), Dibutylphthalat (25 Gew.-% des Gewichtes der Zusammensetzung) als Weichmacher hinzugegeben.

Die sich ergebende Mischung wurde mittels eines Henschel-Mi­ xers in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 fein verteilt und wiederholt völlig mittels zweier Walzen geknetet, um sie bei einer Oberflächentemperatur von 70^oC zu mischen, bis die Graphitkristalle in der Harzmatrix so getrennt sind, daß sie einen nahezu nicht-koagulierten Teilchenzustand einnehmen.

Die sich ergebende blattförmige Zusammensetzung in der eine mechano-chemische Reaktion durchgeführt wurde, wurde mittels eines Pelletisierers pelletisiert. Die pelletisierte Zusam­ mensetzung wurde dann bei 100^oC mittels eines Schraubenex­ truders mit einer Düsenöffnung von 0,50 mm Durchmesser unter Luftentzug extrudiert und geformt. Das Erzeugnis wurde dann unterstützt, in einer geraden Linie befestigt und an Luft in einem Ofen bei 180^oC 10 Stunden behandelt, um es völlig auszuhärten und eine Kohlenstoff-Vorform zu bilden.

Dann wurde die Kohlenstoff-Vorform derselben Glühbehandlung wie in Beispiel 1 ausgesetzt, um einen dünnen Kohlenstoff­ stab für eine Elektrode von 0,35 mm Durchmesser zu erzeugen.

Der dünne Kohlenstoffstab wurde danach in eine Länge von 30 mm geschnitten, um ein Material für den Herstellungspro­ zeß eines dünnen konischen Kohlenstoffstabes auszubilden.

Eine 1 M wäßrige Lösung von Natriumhydroxid wurde als Elek­ trolytlösung für eine nasse elektrochemische Oxidation ein­ gesetzt. Ein Spitzenabschnitt des dünnen Kohlenstoffstabes von 1 mm Länge wurde in die Elektrolytlösung eingetaucht, und ein Potential von 2,0 Volt gegen SCE wurde angelegt, um die Oxidation zu beginnen. Die Behandlung wurde ohne Heraus­ ziehen der Elektrode 20 Minuten durchgeführt, um eine koni­ sche Form mit einem Spitzendurchmesser von 1 µm auszubilden.

Das dicke Ende des sich ergebenden dünnen konischen Kohlen­ stoffstabes wurde in ein Metallrohr von 3,5 mm Innendurch­ messer eingesetzt und elektrisch mittels eines elektrisch leitenden Silberpastenzements verbunden. Dann wurde die ge­ samte Oberfläche dieses Gliedes zur Isolation mit einem bei Raumtemperatur aushärtenden Silikonharz mit Ausnahme des dünnen Endes des dünnen konischen Kohlenstoffstabes, das in einer Länge von 1 mm freigelassen war, bedeckt. Damit war die Herstellung einer konischen Kohlenstoffelektrode abge­ schlossen.

Der dicke Abschnitt der konischen Kohlenstoffelektrode (0,3 mm Durchmesser) kann leicht mittels einer metallischen Ein­ passung in einen Träger eingepaßt werden. Der konische Spit­ zenabschnitt kann als Sonde für STM eingesetzt werden.

Fig. 3 zeigt eine STM-Abbildung (Kristallstruktur) einer glatten Graphitoberfläche eines HOPG nach der Untersuchung mittels der erfindungsgemäßen konischen Mikroelektrode als Sonde (der Sondenabschnitt entspricht dem Spitzenabschnitt des Graphitkristall mit einem Spitzendurchmesser von unge­ fähr 1 µm).

Die Abbildung entspricht einer Fläche von 4 nm×4 nm, und es wurde eine schichtförmige Wiederholung der Graphitstruk­ tur nachgewiesen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer konischen Kohlenstoff- Mikroelektrode mit den Schritten:

• a) Extrudieren eines organischen Materials allein oder einer Zusammensetzung aus einem feinverteilten und verbundenem feinem kristallinen Kohlenstoffpulver mit einem organischen Material als Bindemittel in eine gewünschte dünne Stabform,
• b) Glühen des extrudierten Erzeugnisses in einer Inert­ gas- oder einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bis zu einer erhöhten Temperatur,
• c) dabei Karbonisieren des organischen Materials allein oder des organischen Bindemittels, das in der Zusam­ mensetzung enthalten ist, um einen dünnen reinen Kohlenstoffstab zu erzeugen,
• d) Tauchen des sich ergebenden dünnen Kohlenstoffstabes als Anode in eine Elektrolytlösung nahe dem Sauer­ stoffentwicklungspotential,
• e) schrittweises Herausziehen des dünnen Kohlenstoff­ stabes während der Spitzenabschnitt des dünnen Koh­ lenstoffstabes einer elektrochemischen Oxidation ausgesetzt ist, um einen konisch geformten Spitzen­ abschnitt mit einem extrem kleinen Durchmesser aus­ zubilden,
• f) Verbinden eines Bleidrahtes mit dem Endabschnitt des dünnen Kohlenstoffstabes, und
• g) Bedecken der gesamten Oberfläche des dünnen Kohlen­ stoffstabes mit Ausnahme eines gewünschten Ab­ schnitts des konischen Spitzenabschnitts mit einem extrem dünnen Durchmesser mit einem Isolatormate­ rial.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Glühen und das Kar­ bonisieren mittels einer Wärmebehandlung in einer Inert­ gas- oder nicht-oxidierenden Atmosphäre bei 500 bis 1500^oC erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Glühen und Karboni­ sieren mittels einer Wärmebehandlung in einer Inertgas­ oder nicht-oxidierenden Atmosphäre bei 500 bis 1000^oC erfolgt und dann eine Graphitbildung durch Erwärmen in einer Inertgasatmosphäre bei 2000 bis 3000^oC bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elektrolytische Oxidation zum Ausbilden eines Spitzenab­ schnitts des dünnen Kohlenstoffstabes in konisch zuge­ spitzter Form durch Eintauchen einer gewünschten Länge des Spitzenabschnitts in eine Elektrolytlösung erfolgt, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die eine wäßrige Alkalilösung, enthaltend Kaliumhydroxid, Natrium­ hydroxid, Calciumhydroxid oder Ammoniumhydroxid, eine verdünnte Säure, hergestellt durch Verdünnen von Salz­ säure, Schwefelsäure, Perchlorsäure, Salpetersäure oder Phosphorsäure mit reinem Wasser, und eine wäßrige Lösung eines Salzes aus Natriumchlorid, Kaliumchlorid oder Ka­ liumsulfat enthält, wobei die Oxidation bei einem elek­ trischen Potential von 1 V gegen SCE (gesättigte Calo­ melelektrode) begonnen und die Elektrode schrittweise bei einem gesteuerten elektrischen Potential und einer gesteuerten Ziehgeschwindigkeit herausgezogen wird, um eine konische Form mit einem gewünschten Kegel auszubil­ den.

5. Konische Kohlenstoff-Mikroelektrode, herstellbar mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

6. Konische Kohlenstoff-Mikroelektrode nach Anspruch 5, wo­ bei der Durchmesser des dicken Endabschnitts des dünnen konischen Kohlenstoffstabes im Bereich von 5 mm bis 0,1 mm liegt und der Durchmesser des dünnen Endabschnitts 0,1 mm oder weniger beträgt.

7. Konische Kohlenstoff-Mikroelektrode nach Anspruch 5 oder 6, wobei das feine kristalline Kohlenstoffpulver aus ei­ ner Gruppe ausgewählt ist, die aus Graphitwhisker, hoch­ orientiertem pyrolytischem Graphit (HOPG), Garschaumgra­ phit, natürlichem Graphit und künstlichem Graphit be­ steht.

8. Konische Kohlenstoff-Mikroelektrode nach einem der An­ sprüche 5 bis 7, wobei das organische Material und das organische Bindemittel wenigstens in einem Bestandteil unterscheidet, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus organischen Hochpolymeren, Monomeren für die organi­ schen Hochpolymere, Oligomeren, Teeren, Pechen, Trocken­ destillationspechen, thermoplastischen Harzen und An­ fangsstufen-Polymeren von wäreaushärtendem Harz besteht.

9. Konische Kohlenstoff-Mikroelektrode nach einem der An­ sprüche 5 bis 8, wobei das isolierende Bedeckungsmate­ rial wenigstens aus einem Bestandteil besteht, das aus elektrochemisch nicht reaktiven Gläsern, Oxiden und synthetischen Harzen ausgewählt ist.