JP2006058289A - Enzyme electrode, sensor, fuel cell, electrochemical reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酵素電極に関し、より詳細には、導電性部材に担体、酵素、メディエータを固定化した酵素電極、酵素電極を用いたセンサ、燃料電池ならびに酵素電極の製造方法に関する。 The present invention relates to an enzyme electrode, and more particularly to an enzyme electrode in which a carrier, an enzyme, and a mediator are immobilized on a conductive member, a sensor using the enzyme electrode, a fuel cell, and a method for producing the enzyme electrode.
生細胞内で作られる蛋白質性の生体触媒である酵素は、通常の触媒と比べて温和な条件下で強力に作用する。また酵素の作用を受けて化学反応を起こす物質である基質の特異性が高く、一般に各酵素は、一定基質の一定反応のみを触媒する。酵素のこれらの特性を、電極における酸化還元反応に理想的に利用できれば、低過電圧、高選択性の電極が作成可能となる。しかし、多くの酸化還元酵素の活性中心は、一般に、糖蛋白質の3次元構造の奥深いところに閉じ込められた形態で利用されている場合が多く、酸化還元酵素と電極との間で直接、高速の電子移動を行うことが困難であった。このため、酵素と電極間をメディエータと呼ばれる物質によって電子的に繋ぐ手法が提案されてきた。研究の初期段階では、酵素、およびメディエータは、実験系の簡便性、それぞれの移動の自由度の確保のため電解質溶液中に溶解されていたが、それらの有効利用、電極外への漏出防止、および、電極の連続、長期使用の要請にこたえるため、電極に固定化する手法が提案されてきた。酵素、メディエータを導電性部材に固定化する手法としては、吸着法、包括法、架橋法、共有結合法が挙げられる。これらの中でも、適当な化合物を用いて酵素、メディエータを導電性部材に固定化する、包括法、架橋法、共有結合法の三法は、吸着法と比較して、一般に酵素、メディエータの保持能が高く、系外への流出を防止し、酵素電極の繰返し使用を可能にする。さらに、この中でも包括法は、酵素、メディエータの保持容量が高いため好適に用いられる。 Enzymes, which are proteinaceous biocatalysts produced in living cells, act strongly under milder conditions than ordinary catalysts. In addition, the specificity of a substrate, which is a substance that undergoes a chemical reaction under the action of an enzyme, is high. Generally, each enzyme catalyzes only a certain reaction of a certain substrate. If these characteristics of the enzyme can be ideally used for the oxidation-reduction reaction in the electrode, an electrode with low overvoltage and high selectivity can be produced. However, the active center of many oxidoreductases is generally used in a form confined in the deep part of the three-dimensional structure of glycoprotein. It was difficult to perform electron transfer. For this reason, a method for electronically connecting an enzyme and an electrode with a substance called a mediator has been proposed. In the initial stage of research, enzymes and mediators were dissolved in the electrolyte solution to ensure the convenience of the experimental system and the freedom of movement of each, but their effective use, prevention of leakage outside the electrode, In order to meet the demand for continuous and long-term use of electrodes, a method of fixing to electrodes has been proposed. Examples of the method for immobilizing the enzyme and mediator on the conductive member include an adsorption method, a comprehensive method, a crosslinking method, and a covalent bonding method. Among these, the three methods of inclusion, cross-linking, and covalent bonding, in which an enzyme and mediator are immobilized on a conductive member using an appropriate compound, generally have an enzyme and mediator retention capacity compared to the adsorption method. High, prevents outflow from the system and enables repeated use of the enzyme electrode. Furthermore, among these, the entrapment method is preferably used because of its high retention capacity of enzymes and mediators.
酵素電極の性能を表現する重要な値のひとつとして、導電性部材の投影面積あたりの電流値である電流密度が挙げられる。この値が高いと、例えば、電流値の検知を原理とするセンサの場合には、検出感度の向上、測定部位の簡便化、検知部位の小型化を図ることができ、燃料電池の電極として用いる場合には、出力の向上を図ることができ、電気化学反応装置として使用する場合には、反応速度の向上を図ることができる、といった利点がある。この酵素電極の電流密度を向上させる手法としては、(1)単位時間に酵素一分子が変換する基質分子の数である酵素のターンオーバー数の増加、(2)酵素/メディエータ間の電子移動速度および効率の向上、(3)メディエータの電子輸送効率の向上、(4)メディエータ/導電性部材間の電子移動速度および効率の向上、そして(5)導電性部材の投影面積あたりの酵素担持量である酵素担持密度を高めること、などによって高くすることができる。 One important value for expressing the performance of the enzyme electrode is a current density that is a current value per projected area of the conductive member. When this value is high, for example, in the case of a sensor based on the detection of the current value, the detection sensitivity can be improved, the measurement part can be simplified, and the detection part can be miniaturized and used as an electrode of a fuel cell. In some cases, the output can be improved, and when used as an electrochemical reaction device, the reaction rate can be improved. Methods for improving the current density of the enzyme electrode include (1) an increase in the turnover number of the enzyme, which is the number of substrate molecules converted by one enzyme molecule per unit time, and (2) the electron transfer rate between the enzyme and the mediator. (3) Improvement of electron transport efficiency of mediator, (4) Improvement of electron transfer speed and efficiency between mediator / conductive member, and (5) Enzyme loading per projected area of conductive member It can be increased by increasing the enzyme carrying density.
前記項目(5)の実現のためには、酵素の保持容量の高い固定化方法が有利であり、前記の包括法が有力な選択肢である。包括法は、担体中に酵素、メディエータを包括し、導電性部材表面上に固定化する手法である。この包括法による酵素の固定化状態を模式的に図1に示す。この場合、導電性部材4(導電性基板)上に、酵素1及びメディエータ2が担体3中に包括されている。
In order to realize the item (5), an immobilization method having a high enzyme retention capacity is advantageous, and the comprehensive method is an effective option. The inclusion method is a method in which an enzyme and a mediator are included in a carrier and immobilized on the surface of a conductive member. FIG. 1 schematically shows the immobilized state of the enzyme by this comprehensive method. In this case, the
包括法においては、酵素/基質反応で酵素上に生じた電荷が、酵素の酸化還元中心から、担体中のメディエータに移動し、メディエータ間の電子ホッピングにより導電性部材近傍まで輸送され、最終的にメディエータと導電性部材間の電荷の授受により外部回路において検出される(図1に電荷の流れが矢印で示されている)。このため、酵素を酵素の専有面積を導電性部材の実効表面積で割った量以上に固定しても、担体を通じて電極と酵素間の電荷輸送が可能であるため、導電性部材の投影面積あたりの酵素の担持密度を向上させることができる。この包括法の例として米国特許第6,531,239号明細書(Hellerら)では、メディエータを分子内に含むポリマーによって、酵素を包括的に固定した酵素電極からなる燃料電池が開示されている。 In the comprehensive method, the charge generated on the enzyme by the enzyme / substrate reaction moves from the redox center of the enzyme to the mediator in the carrier, and is transported to the vicinity of the conductive member by electron hopping between the mediators. It is detected in an external circuit by transferring charges between the mediator and the conductive member (the flow of charges is indicated by arrows in FIG. 1). For this reason, even if the enzyme is fixed to an amount equal to or more than the effective area of the conductive member divided by the effective surface area of the conductive member, charge transport between the electrode and the enzyme can be performed through the carrier. Enzyme loading density can be improved. As an example of this comprehensive method, US Pat. No. 6,531,239 (Heller et al.) Discloses a fuel cell comprising an enzyme electrode in which an enzyme is comprehensively immobilized by a polymer containing a mediator in the molecule. .
ここで、一般的に酵素とメディエータ−の電子移動速度は、酵素の酸化還元中心と、メディエータの電子移動距離の増加に従い指数関数的に低下する事が知られている。包括法の場合、酵素とメディエータは、距離、配向を持って配置されていないために、酵素/メディエータ間の電子移動は、酵素とメディエータがそれぞれのランダムな分子運動の結果、電子移動可能な距離にまで近接したときにはじめて起こるものと考えられる。このため、この酵素/メディエータ間の電子移動速度は、それぞれの分子運動に依存するため、必ずしも充分でなく、酵素電極の電流密度の制限要因となる可能性があった。 Here, it is generally known that the electron transfer rate of the enzyme and the mediator decreases exponentially with the increase of the redox center of the enzyme and the electron transfer distance of the mediator. In the case of the inclusion method, the enzyme and the mediator are not arranged with a distance and orientation, so the electron transfer between the enzyme and the mediator is the distance that the enzyme and the mediator can move as a result of random molecular motion. It is thought that it occurs only when it comes close to. For this reason, the electron transfer rate between the enzyme and the mediator depends on the respective molecular motions, and is not necessarily sufficient, and may be a limiting factor for the current density of the enzyme electrode.
一方、共有結合法の一例として、導電性基材上にメディエータを結合し、そのメディエータに酵素の酸化還元中心を結合、さらに、酸化還元中心を除いた酵素を、メディエータに結合した酸化還元中心に結合させる手法がある。共有結合法による酵素の固定状態を図2に模式的に示す。図2の例では、導電性部材4(導電性基板)の表面に担体としての化合物を介してメディエータ6及び酵素1が共有結合により固定されており、電荷の流れを矢印で示してある。
On the other hand, as an example of the covalent bond method, a mediator is bound on a conductive substrate, the redox center of the enzyme is bound to the mediator, and the enzyme other than the redox center is bound to the redox center bound to the mediator. There is a way to combine them. FIG. 2 schematically shows the enzyme immobilized state by the covalent bond method. In the example of FIG. 2, the
KATZらは、J.Am.Chem.Soc.1996年118巻10321−10322頁においてメディエータとしてピロロキロリンキノンに結合したフラビンアデニンジヌクレオチドに酸化還元中心を除去したアポグルコースオキシダーゼを再構成した酵素電極を報告している。この手法は、酵素の酸化還元中心に対し、メディエータを充分に速い電子移動が可能な距離に近接、配向を持って配置可能なため、酵素/メディエータ間の高速の電子移動が可能となる。この手法は、メディエータ、酵素対を導電性部材上に単分子様に結合しているため、酵素を単層以上に固定化させることが困難であるため、酵素の担持密度に限界があり、酵素電極の電流密度の向上に限界があった。
本発明は、電流密度の向上を図ることができる酵素電極を提供するものである。また、本発明は、かかる酵素電極を利用したセンサ、電気化学的反応装置、燃料電池などを提供するものである。 The present invention provides an enzyme electrode capable of improving current density. The present invention also provides a sensor, an electrochemical reaction device, a fuel cell, etc. using such an enzyme electrode.
本発明に係る酵素電極は、導電性部材と、酵素と、第1及び第2のメディエータと、を有する酵素電極であって、
前記第1のメディエータと前記第2のメディエータとが担体によって、前記導電性部材に固定化されており、且つ前記第1のメディエータと前記第2のメディエータとは、互いに酸化還元電位が異なることを特徴とする。
The enzyme electrode according to the present invention is an enzyme electrode having a conductive member, an enzyme, and first and second mediators,
The first mediator and the second mediator are fixed to the conductive member by a carrier, and the first mediator and the second mediator have different redox potentials. Features.
本発明のセンサは、上記構成の酵素電極を、物質を検知するための検知部位として用いることを特徴とするセンサである。また、本発明の燃料電池は、上記構成の酵素電極を、アノード及びカソードの少なくとも一方として用いることを特徴とする燃料電池である。また、本発明の電気化学的反応装置は、上記構成の酵素電極を反応極として用いることを特徴とする電気化学反応装置である。 The sensor of the present invention is a sensor characterized in that the enzyme electrode having the above-described configuration is used as a detection part for detecting a substance. The fuel cell according to the present invention is a fuel cell characterized in that the enzyme electrode having the above-described configuration is used as at least one of an anode and a cathode. The electrochemical reaction apparatus of the present invention is an electrochemical reaction apparatus characterized by using the enzyme electrode having the above-described configuration as a reaction electrode.
本発明により、酵素を導電性部材に固定化した構成において、導電性部材の実効表面積当たりの酵素担持密度を高くすることが可能である。本発明においては、酵素との間で高速の電子移動を行うことが可能な第1のメディエータに加えて、第1のメディエータと導電性部材間の電荷輸送を行う第2のメディエータを更に使用する形態とした場合には、酵素と高速の電子移動を行うことが可能であり、その結果、酵素電極電流密度を向上させることができる。 According to the present invention, in an arrangement in which an enzyme is immobilized on a conductive member, the enzyme carrying density per effective surface area of the conductive member can be increased. In the present invention, in addition to the first mediator capable of performing high-speed electron transfer with the enzyme, a second mediator that performs charge transport between the first mediator and the conductive member is further used. In the form, it is possible to perform high-speed electron transfer with the enzyme, and as a result, the enzyme electrode current density can be improved.
次に、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
本発明に係る酵素電極は、導電性部材と、酵素と、第1及び第3のメディエータと、を有する酵素電極であって、第1のメディエータと第2のメディエータとが担体によって、導電性部材に固定化されており、且つ第1のメディエータと第2のメディエータとは、互いに酸化還元電位が異なることを特徴とする。 An enzyme electrode according to the present invention is an enzyme electrode having a conductive member, an enzyme, and first and third mediators, wherein the first mediator and the second mediator are supported by a carrier, and the conductive member. The first mediator and the second mediator have different redox potentials from each other.
ここで、2つのメディエータの組合せの一態様として、第1のメディエータの酸化還元電位が、第2のメディエータの酸化還元電位よりも負の電位側にあり(図4の場合)、且つ第2のメディエータと導電性部材との間の電子移動反応速度が、第1のメディエータと前記導電性部材との間の電子移動反応速度よりも速い材料を選択することが好ましい。 Here, as one mode of the combination of the two mediators, the redox potential of the first mediator is on the negative potential side of the second mediator (in the case of FIG. 4), and the second mediator It is preferable to select a material whose electron transfer reaction rate between the mediator and the conductive member is faster than the electron transfer reaction rate between the first mediator and the conductive member.
また、2つのメディエータの組合せの他一態様として、第1のメディエータの酸化還元電位は、第2のメディエータの酸化還元電位よりも正の電位側にあり(図5の場合)、且つ第2のメディエータと導電性部材との間の電子移動反応速度が、第1のメディエータと前記導電性部材との間の電子移動反応速度よりも速い材料を選択することが好ましい。 As another aspect of the combination of two mediators, the redox potential of the first mediator is on the positive potential side of the redox potential of the second mediator (in the case of FIG. 5), and the second mediator It is preferable to select a material whose electron transfer reaction rate between the mediator and the conductive member is faster than the electron transfer reaction rate between the first mediator and the conductive member.
本発明は、以下のような場合にとりわけ有用である。即ち、あるメディエータが酵素との電子の受け渡しは効率的に行えるが、その後当該メディエータと導電性部材間の電子の受け渡しが効率的に行えない場合である。 The present invention is particularly useful in the following cases. That is, a certain mediator can efficiently transfer electrons with an enzyme, but cannot efficiently transfer electrons between the mediator and the conductive member.
ここで、電子移動反応速度の大小は、それぞれのメディエータの電極反応における標準速度定数を比較することで決定することができる。この標準速度定数は、電極反応の速度論的容易さの目安である。標準速度定数は、例えば、インピーダンス測定を行うことで測定可能な電荷移動抵抗から算出することができる。(逢坂哲彌、小山昇、大坂武男著、電気化学法基礎測定マニュアル、講談社サイエンティフィク)
本発明の好ましいひとつの形態における酵素電極は、酵素と、酵素との電子の受け渡しを行うための第1のメディエータの少なくとも一種類と、第1のメディエータとの電子の受け渡しを行うための第2のメディエータの少なくとも一種類と、酵素、前記第1のメディエータ及び前記第2のメディエータを固定化するための担体と、担体を接触し、且つ、第1のメディエータまたは第2のメディエータとの電子の受け渡しを行うための導電性部材とを有することを特徴とする。酵素と導電性部材の電子の受け渡しは、少なくとも第1のメディエータ及び第2のメディエータを介して行なわれ、更に、酵素と導電性部材の間のメディエータを介さない電子の受け渡し、並びに、第1のメディエータと導電性部材の間の第2のメディエータを介さない電子の受け渡しの一方、あるいは両方が生じているものであってもよい。
Here, the magnitude of the electron transfer reaction rate can be determined by comparing standard rate constants in the electrode reactions of the respective mediators. This standard rate constant is a measure of the kinetic ease of the electrode reaction. The standard speed constant can be calculated from, for example, charge transfer resistance that can be measured by performing impedance measurement. (Tetsugo Osaka, Noboru Oyama, Takeo Osaka, Electrochemical Basic Measurement Manual, Kodansha Scientific)
The enzyme electrode according to a preferred embodiment of the present invention includes an enzyme, at least one kind of first mediator for exchanging electrons with the enzyme, and a second for exchanging electrons with the first mediator. At least one of the mediators, the enzyme, the carrier for immobilizing the first mediator and the second mediator, the carrier in contact with the carrier, and the electrons of the first mediator or the second mediator It has an electroconductive member for performing delivery. The transfer of electrons between the enzyme and the conductive member is performed through at least the first mediator and the second mediator, and further, the transfer of electrons between the enzyme and the conductive member without passing through the mediator is performed. One or both of electrons passing between the mediator and the conductive member without passing through the second mediator may be generated.
本発明にかかる酵素電極では、酵素の固定化に担体を使用することで、酵素を導電性部材に安定に固定化することが可能であり、また、導電性部材の実効表面積当たりの酵素担持密度を高くすることが可能である。さらに、酵素との間で高速の電子移動を行うことが可能な第1のメディエータと第1のメディエータと導電性部材間の電荷輸送を行う第2のメディエータを使用することで、酵素と高速の電子移動を行うことが可能であり、その結果、酵素電極の安定性、電流密度を向上させることができる。本発明における第1のメディエータは、第2のメディエータと比較して、酵素との間の電子移動反応速度が高いものであり、その結果、第2のメディエータのみを使用する酵素電極と比較して、高い電流密度を得ることができる。一方、本発明における第2のメディエータは、第1のメディエータと比較して電荷の輸送能が高い、かつ、または、電極との間の電子移動反応速度が高いものであり、その結果、第1のメディエータのみを使用する酵素電極と比較して高い電流密度を得ることができる。本発明における、酵素、第1のメディエータ、第2のメディエータ、担体の配合割合の最適値は、第一のメディエータの割合が酵素との間での電子移動が充分に行われる程度に高く、第二のメディエータの割合が酵素/導電性部材間の電荷輸送が充分に行われる程度に高く、担体の割合が酵素、メディエータを充分に保持できる程度に高く、かつ、酵素の担持密度を充分高く保つことを目的として、これらの相関により決定される。この例としては、酵素の重量を1として第一のメディエータの重量が0.0001から1、より好ましくは、0.0002から0.1、第二のメディエータの重量が0.01から2、より好ましくは、0.3から1、また担体の重量が0.05から3、より好ましくは、0.3から1が挙げられる。 In the enzyme electrode according to the present invention, the enzyme can be stably immobilized on the conductive member by using a carrier for immobilization of the enzyme, and the enzyme carrying density per effective surface area of the conductive member. Can be increased. Furthermore, by using the first mediator capable of performing high-speed electron transfer with the enzyme and the second mediator for transporting charges between the first mediator and the conductive member, the enzyme and the high-speed transfer can be performed. Electron transfer can be performed, and as a result, the stability and current density of the enzyme electrode can be improved. The first mediator in the present invention has a higher electron transfer reaction rate with the enzyme as compared with the second mediator, and as a result, as compared with the enzyme electrode using only the second mediator. High current density can be obtained. On the other hand, the second mediator in the present invention has a higher charge transport capability than that of the first mediator and / or a higher electron transfer reaction rate with the electrode. A higher current density can be obtained as compared with an enzyme electrode using only the mediator. In the present invention, the optimum ratio of the enzyme, the first mediator, the second mediator, and the carrier is high so that the ratio of the first mediator is sufficiently high for electron transfer to and from the enzyme. The ratio of the two mediators is high enough to allow sufficient charge transport between the enzyme / conductive member, the ratio of the carrier is high enough to hold the enzyme and mediator, and the enzyme loading density is kept high enough. For this purpose, it is determined by these correlations. In this example, the weight of the enzyme is 1, the weight of the first mediator is 0.0001 to 1, more preferably 0.0002 to 0.1, the weight of the second mediator is 0.01 to 2, Preferably, 0.3 to 1, and the weight of the carrier is 0.05 to 3, more preferably 0.3 to 1.
図3に、本発明の酵素電極における酵素、第1及び第2のメディエータの固定状態の一例を示す。この例では、導電性部材(導電性基板)4の表面の担体からなる層に、酵素1、第1のメディエータ8及び第2のメディエータ9が包括されている。電子の流れの一例を矢印で示してある。
In FIG. 3, an example of the fixed state of the enzyme and the 1st and 2nd mediator in the enzyme electrode of this invention is shown. In this example, the
また、酵素との間で高速の電子移動を行うことが可能な第1のメディエータは、第1のメディエータと導電性部材間の電荷輸送を行う第2のメディエータ間の効率的な電子移動を確保するために、この酵素電極を陽極または負極として用いる場合に、第1のメディエータの酸化還元電位が、第2のメディエータより負の電位側であること(図4)、また、陰極または正極として用いる場合には、第1のメディエータの酸化還元電位が、第2のメディエータの酸化還元電位より正の電位側であること(図5)、が好ましい。なお、図4及び5において、Eで示す矢印の方向(上方)が負電位側であり、その逆方向(下方)が正電位側である。 In addition, the first mediator capable of high-speed electron transfer with the enzyme ensures efficient electron transfer between the second mediator that performs charge transport between the first mediator and the conductive member. Therefore, when this enzyme electrode is used as an anode or a negative electrode, the redox potential of the first mediator is on the negative potential side with respect to the second mediator (FIG. 4), and is used as a cathode or a positive electrode. In this case, it is preferable that the redox potential of the first mediator is on the positive potential side of the redox potential of the second mediator (FIG. 5). 4 and 5, the direction of the arrow indicated by E (upper) is the negative potential side, and the opposite direction (lower) is the positive potential side.
本発明の好ましいひとつの形態であるセンサは、酵素電極を物質を検知するための検知部位として用いることを特徴とする。代表的な構成としては、酵素電極を作用電極として、参照電極及び対極とセットで使用して、酵素電極で(電極に固定した酵素の機能により)検知可能な電流を検知して、これらの電極が接している液体中の物質の検出に利用する構成を挙げることができる。具体例として図6に示す構成のセンサを挙げることができる。図6のセンサは、アノード(陽極)15、白金線電極16、また必要に応じて、銀塩化銀参照電極17を有して構成され、それぞれの電極にはリード線18〜20が配線され、ポテンショスタットと接続されている。このセンサを、蓋13で密閉可能なウォータージャケットセル12内の電解質14の貯溜領域に配置する。作用電極に電位を印加して定常電流を測定することで、電解質中での基質の検出を行なうことができる。なお、不活性ガス雰囲気での測定が必要な場合は、ガスチューブ23の外部末端のガス吹き込み口22から窒素などの不活性ガスを導入する。また、温度は、温調水流入口24及び温調水排出口25を利用した温度調節用の液体の供給により行うことができる。
The sensor which is one preferable form of this invention uses an enzyme electrode as a detection site | part for detecting a substance, It is characterized by the above-mentioned. As a typical configuration, an enzyme electrode is used as a working electrode and a set together with a reference electrode and a counter electrode, and the current detectable by the enzyme electrode (by the function of the enzyme fixed to the electrode) is detected, and these electrodes are detected. The structure utilized for the detection of the substance in the liquid which touches can be mentioned. A specific example is a sensor having the configuration shown in FIG. The sensor of FIG. 6 includes an anode (anode) 15, a
本発明にかかるセンサの構成は、酵素電極での検知が可能であるものであれば特に制限されない。このセンサは、電極反応の触媒として用いる酵素に特有の基質の高い選択性に加え、担体と複数のメディエータを用いた酵素電極による、高い安定性、電流密度によって、センサの繰返し、長期使用、検出装置の簡略化、測定部位の小型化が可能となる。この場合、酵素電極は、板状や層状として単層で、あるいは2以上の層の積層構造として用いることができる。このセンサは、酵素電極に用いた酵素の基質に対応する物質の検知を行うことができ、その用途の例としては、グルコースセンサ、フルクトースセンサ、ガラクト−スセンサ、アミノ酸センサ、アミンセンサ、コレステロールセンサ、アルコールセンサ、乳酸センサ、酸素センサ、過酸化水素センサ等が挙げられ、より具体的な応用例としては、血中のグルコース濃度や、乳酸濃度を測定するセンサ、果物の糖度を測定するセンサ、呼吸気中のアルコール濃度を測定するセンサ等が挙げられる。 The configuration of the sensor according to the present invention is not particularly limited as long as it can be detected by an enzyme electrode. In addition to the high selectivity of the substrate specific to the enzyme used as the catalyst for the electrode reaction, this sensor has a high stability and current density due to the enzyme electrode using a carrier and multiple mediators. It is possible to simplify the apparatus and downsize the measurement site. In this case, the enzyme electrode can be used as a single layer as a plate or layer, or as a laminated structure of two or more layers. This sensor can detect a substance corresponding to the substrate of the enzyme used for the enzyme electrode. Examples of its use include a glucose sensor, a fructose sensor, a galactose sensor, an amino acid sensor, an amine sensor, a cholesterol sensor, Alcohol sensors, lactic acid sensors, oxygen sensors, hydrogen peroxide sensors, and the like. More specific application examples include blood glucose concentration, sensors that measure lactic acid concentration, sensors that measure the sugar content of fruits, and breathing. Examples include a sensor that measures the alcohol concentration in the air.
本発明の好ましいひとつの形態である燃料電池は、酵素電極をアノードまたはカソードの少なくとも一方として用いることを特徴とする。この場合にも、酵素電極は、板状や層状として単層で、あるいは2以上の層の積層構造として用いることができる。更に、積層構造とした場合に、積層方向にアノードとカソードを所定の配列に配置してもよい。代表的な構成としては、燃料となる物質を含む電解液を貯溜し得る反応槽と、反応槽中に所定の間隔で配置されたアノードとカソードとを有し、このアノード及びカソードの少なくとも一方に本発明にかかる酵素電極を用いた構成を挙げることができる。なお、この燃料電池は電解液を補充あるいは循環させるタイプや、電解液の補充や循環しないタイプとすることができる。この燃料電池は、酵素電極が使用できるものであれば、燃料の種類、構造、機能などは制限されない。この際、酵素電極の触媒として用いられている酵素は、一般に電気化学の分野で用いられている、貴金属触媒(例えば白金)と比較して、高い基質選択性を有するため、一方の電極と、他方の電極における反応物質を隔離する機構を必要とせず、その結果、デバイスを簡素化することが可能となる。この燃料電池は、電極反応の触媒として用いる酵素に特有の高い触媒作用によって、物質を低い過電圧で酸化還元できることにより、高い駆動電圧を得ることが可能であり、担体と複数のメディエータを用いた酵素電極による、高い安定性、電流密度によって、長寿命、高出力化が可能となる。 A fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention is characterized in that an enzyme electrode is used as at least one of an anode and a cathode. Also in this case, the enzyme electrode can be used as a single layer as a plate or layer, or as a laminated structure of two or more layers. Further, in the case of a laminated structure, the anode and the cathode may be arranged in a predetermined arrangement in the lamination direction. A typical configuration includes a reaction tank capable of storing an electrolytic solution containing a substance serving as a fuel, and an anode and a cathode arranged at a predetermined interval in the reaction tank, and at least one of the anode and the cathode The structure using the enzyme electrode concerning this invention can be mentioned. The fuel cell can be of a type that replenishes or circulates the electrolyte solution or a type that does not replenish or circulate the electrolyte solution. As long as the fuel cell can use an enzyme electrode, the type, structure, function, etc. of the fuel are not limited. At this time, the enzyme used as a catalyst for the enzyme electrode has a high substrate selectivity as compared with a noble metal catalyst (for example, platinum) generally used in the field of electrochemistry, No mechanism for isolating reactants at the other electrode is required, and as a result, the device can be simplified. This fuel cell can obtain a high driving voltage by being able to oxidize and reduce a substance with a low overvoltage by a high catalytic action peculiar to an enzyme used as an electrode reaction catalyst. An enzyme using a carrier and a plurality of mediators Long life and high output are possible due to the high stability and current density of the electrodes.
燃料電池の一例を図7に示す。この燃料電池のセルの構成は先に図6に示したセンサでの基質測定用装置とほぼ同一であり、同一部材には同じ番号を付している。図6で示したセンサの代わりに、アノード15とカソード27を多孔質ポリプロピレンフィルム26を介して積層した構成の電極ユニットを用い、チューブ23を介して酸素ガスをセル内に導入して、燃料電池として作用させる。
An example of the fuel cell is shown in FIG. The configuration of the fuel cell is almost the same as that of the substrate measuring apparatus in the sensor shown in FIG. 6, and the same members are denoted by the same reference numerals. Instead of the sensor shown in FIG. 6, an electrode unit having a structure in which an
本発明の好ましいひとつの形態である電気化学反応装置は、電極反応の触媒として用いる酵素に特有の基質の高い選択性、触媒能に加え電気化学反応の特徴である、反応の定量性を得ることが可能で、その結果、高選択的、高効率で定量的に制御可能であり、担体と複数のメディエータを用いた酵素電極による、高い安定性、電流密度によって、長寿命、高出力化が可能となる。この場合にも、酵素電極は、板状や層状として単層で、あるいは2以上の層の積層構造として用いることができる。代表的な構成としては、一対の電極と必要に応じて設けられた参照電極とを反応液を貯溜し得る反応層内に配置して、一対の電極間に電流を流して、反応液中の物質に電気化学的反応を起させて目的とする反応生成物、分解物などを得る構成を挙げることができ、一対の電極の少なくとも一方に本発明にかかる酵素電極を用いる。反応液の種類や反応の条件などにかかる装置構成は、酵素電極が利用できるものであれば特に限定されない。例えば、酸化還元反応による反応生成物の取得や、目的とする分解物の取得などに利用できる。この電気化学反応装置は、酵素電極に用いた酵素の基質に対応する物質の反応を選択的に行うことができ、その用途の例としては、グルコース、フルクトース、ガラクト−ス、アミノ酸、アミン、コレステロール、アルコール、乳酸、の酸化や酸素、過酸化水素の還元反応が挙げられ、より具体的な応用例としては、エタノールの存在下、コレステロールの選択的酸化、酸素の低過電圧での還元反応等が挙げられる。 The electrochemical reaction apparatus, which is a preferred form of the present invention, obtains the quantitative property of the reaction, which is a characteristic of the electrochemical reaction in addition to the high selectivity and catalytic ability of the substrate specific to the enzyme used as the catalyst for the electrode reaction. As a result, it can be controlled quantitatively with high selectivity, high efficiency, and long life and high output can be achieved with high stability and current density by enzyme electrode using carrier and multiple mediators. It becomes. Also in this case, the enzyme electrode can be used as a single layer as a plate or layer, or as a laminated structure of two or more layers. As a typical configuration, a pair of electrodes and a reference electrode provided as necessary are arranged in a reaction layer capable of storing a reaction liquid, and an electric current is passed between the pair of electrodes in the reaction liquid. An example is a configuration in which an electrochemical reaction is caused in a substance to obtain a desired reaction product, decomposition product, and the like. The enzyme electrode according to the present invention is used for at least one of a pair of electrodes. The apparatus configuration related to the type of reaction solution and reaction conditions is not particularly limited as long as the enzyme electrode can be used. For example, it can be used for obtaining a reaction product by an oxidation-reduction reaction or obtaining a target decomposition product. This electrochemical reaction apparatus can selectively carry out the reaction of a substance corresponding to the enzyme substrate used for the enzyme electrode. Examples of its use include glucose, fructose, galactose, amino acid, amine, cholesterol. Examples include oxidation of alcohol, lactic acid, and reduction reaction of oxygen and hydrogen peroxide. More specific application examples include selective oxidation of cholesterol in the presence of ethanol, reduction reaction of oxygen at low overvoltage, etc. Can be mentioned.
本発明において担体は、少なくとも酵素を導電性部材に固定化するものである。例としては、(1)高分子化合物、(2)無機化合物、及び(3)有機化合物であり、共有結合性の結合部を分子内に有し、少なくとも酵素と導電性部材を結合するもの(酵素同士を結合させる機能が付加されていてもよい)、を挙げることができ、これら三種のうち少なくとも1つを用いることができる。これらの担体は、酵素を電極に固定する上で、電極の使用条件下で酵素が持つ表面電荷と反対の電荷を有していることが好ましい。この担体は、酵素を共有結合、静電的相互作用、空間的閉じ込め等により保持するものであってよく、その結果、電極上、または、電極の粘結に用いるバインダーポリマー等への物理吸着による酵素の保持方法と比較してより安定、かつ高密度に酵素を保持することが可能となる。担体用の高分子化合物の例として、導電性高分子化合物の例としては、ポリアセチレン類、ポリアリーレン類、ポリアリーレンビニレン類、ポリアセン類、ポリアリールアセチレン類、ポリジアセチレン類、ポリナフタレン類、ポリピロール類、ポリアニリン類、ポリチオフェン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリアズレン類、ポリイソチアナフテン類、その他の高分子の例としては、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニル硫酸、デキストラン硫酸、コンドロイチン硫酸、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリマレイン酸、ポリフマル酸、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン塩酸塩、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド、ポリビニルピリジン、ポリビニルイミダゾール、ポリリシン、デオキシリボ核酸、リボ核酸、ペクチン、シリコーン樹脂、セルロース、アガロース、デキストラン、キチン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ナイロンが挙げられる。担体用の無機化合物の例としては、In、Sn、Zn、Ti、Al、Si、Zr、Nb、Mg、Ba、Mo、W、V、Srから選択される少なくとも1つの元素を含む金属カルコゲナイド化合物が挙げられる。有機化合物であり、共有結合性の結合部を分子内に有し、酵素と導電性部材、かつ/または、酵素と酵素を結合する担体用有機化合物の例としては、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基、アルデヒド基、ヒドラジノ基、チオシアネート基、エポキシ基、ビニル基、ハロゲン基、酸エステル基、リン酸基、チオール基、ジスルフィド基、ジチオカルバメート基、ジチオホスフェート基、ジチオホスホネート基、チオエーテル基、チオ硫酸基及びチオ尿素基のうちから選択される少なくとも1つの官能基を含む化合物があげられる。代表例としては、グルタルアルデヒド、 ポリエチレングリコールジグリシデルエーテル、塩化シアヌール、N−ヒドロキシスクシンイミドエステル、ジメチルー3、3'−ジチオプロピオニミデート塩酸塩、3、3'−ジチオ−ビス(サルホスクシンイミジルプロピオネート)、シスタミン、アルキルジチオール、ビフェニレンジチオール、ベンゼンジチオールが挙げられる。 In the present invention, the carrier immobilizes at least an enzyme on the conductive member. Examples include (1) a polymer compound, (2) an inorganic compound, and (3) an organic compound, which has a covalent bond in the molecule and binds at least an enzyme and a conductive member ( A function of binding enzymes to each other may be added), and at least one of these three types can be used. These carriers preferably have a charge opposite to the surface charge of the enzyme under the conditions of use of the electrode when the enzyme is immobilized on the electrode. This carrier may hold the enzyme by covalent bonding, electrostatic interaction, spatial confinement, etc., and as a result, by physical adsorption on the electrode or a binder polymer used for bonding the electrode. It is possible to hold the enzyme more stably and at a high density as compared with the enzyme holding method. As examples of the polymer compound for the carrier, examples of the conductive polymer compound include polyacetylenes, polyarylenes, polyarylene vinylenes, polyacenes, polyarylacetylenes, polydiacetylenes, polynaphthalenes, polypyrroles. Polyanilines, polythiophenes, polythienylene vinylenes, polyazulenes, polyisothianaphthenes, and other polymers include polystyrene sulfonic acid, polyvinyl sulfate, dextran sulfate, chondroitin sulfate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid. Acid, polymaleic acid, polyfumaric acid, polyethyleneimine, polyallylamine hydrochloride, polydiallyldimethylammonium chloride, polyvinylpyridine, polyvinylimidazole, polylysine, deoxyribonucleic acid, ribonucleic acid, pectin , Silicone resins, cellulose, agarose, dextran, chitin, polystyrene, polyvinyl alcohol, nylon. Examples of inorganic compounds for carriers include metal chalcogenide compounds containing at least one element selected from In, Sn, Zn, Ti, Al, Si, Zr, Nb, Mg, Ba, Mo, W, V, and Sr Is mentioned. Examples of organic compounds that are organic compounds and have a covalent bond in the molecule, and the enzyme and the conductive member, and / or the carrier that binds the enzyme and the enzyme include hydroxyl group, carboxyl group, amino group Group, aldehyde group, hydrazino group, thiocyanate group, epoxy group, vinyl group, halogen group, acid ester group, phosphate group, thiol group, disulfide group, dithiocarbamate group, dithiophosphate group, dithiophosphonate group, thioether group, thio Examples thereof include compounds containing at least one functional group selected from a sulfate group and a thiourea group. Representative examples include glutaraldehyde, polyethylene glycol diglycidyl ether, cyanuric chloride, N-hydroxysuccinimide ester, dimethyl-3,3′-dithiopropionimidate hydrochloride, 3,3′-dithio-bis (sulphossucciniimi Zilppropionate), cystamine, alkyldithiol, biphenylenedithiol, benzenedithiol.
本発明において導電性部材は、酵素、メディエータおよびそれらを固定するための担体を保持し、酵素電極の使用時には、外部回路と電気的に接続されるものである。この導電性部材は、導電性を有し、保存、測定時に充分な剛性を有し、電極が使用される条件において充分な電気化学安定性を有する材料であればよい。導電性部材に用いられる材料の例としては、金属、導電性高分子、金属酸化物、炭素材料を挙げることができる。この金属の例としては、例としては、Au、Pt、Ag、Co、Pd、Rh、Ir、Ru、Os、Re、Ni、Cr、Fe、Mo、Ti、Al、Cu、V、Nb、Zr、Sn、In、Ga、Mg、Pb、Si、Wのうち少なくとも一種類の元素を含むものがあげられ、これらは、合金であっても、めっきを施したものであってよい。この導電性高分子の例としては、ポリアセチレン類、ポリアリーレン類、ポリアリーレンビニレン類、ポリアセン類、ポリアリールアセチレン類、ポリジアセチレン類、ポリナフタレン類、ポリピロール類、ポリアニリン類、ポリチオフェン類、ポリチエニレンビニレン類、ポリアズレン類、ポリイソチアナフテン類のうち少なくともひとつの化合物を含むものが挙げられる。この金属酸化物は、他の導電性材料によって導電性を向上、もしくは、付与されていてよい。金属酸化物の例としては、In、Sn、Zn、Ti、Al、Si、Zr、Nb、Mg、Ba、Mo、W、V、Srのうち、少なくとも一種類の元素を含むものがあげられる。この際の導電性材料の例としては、金属、導電性高分子、炭素材料が挙げられる。この炭素材料は、他の導電性材料によって導電性を向上、もしくは、付与されていてよい。炭素材料の例としては、グラファイト、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン化合物およびこれらの誘導体が挙げられる。また、本発明では、導電率が、0.1 S/cm 以上 700000 S/cm 以下の導電性材料が好ましい。例えば、1 S/cm 以上 100000 S/cm 以下の材料、あるいは100 S/cm 以上 100000 S/cm 以下の材料を用いることができる。なお、S (ジーメンス)は、オームの逆数 (1/Ω)である。酵素電極に多孔質構造を用いる場合においても、上記範囲の導電性部材とすることが望ましい。 In the present invention, the conductive member holds an enzyme, a mediator, and a carrier for fixing them, and is electrically connected to an external circuit when the enzyme electrode is used. The conductive member may be a material having conductivity, sufficient rigidity during storage and measurement, and sufficient electrochemical stability under the conditions in which the electrode is used. Examples of materials used for the conductive member include metals, conductive polymers, metal oxides, and carbon materials. Examples of this metal include Au, Pt, Ag, Co, Pd, Rh, Ir, Ru, Os, Re, Ni, Cr, Fe, Mo, Ti, Al, Cu, V, Nb, Zr. , Sn, In, Ga, Mg, Pb, Si, and W include those containing at least one element, and these may be alloys or plated. Examples of the conductive polymer include polyacetylenes, polyarylenes, polyarylene vinylenes, polyacenes, polyarylacetylenes, polydiacetylenes, polynaphthalenes, polypyrroles, polyanilines, polythiophenes, polythienylene. Examples include those containing at least one compound among vinylenes, polyazulenes, and polyisothianaphthenes. This metal oxide may be improved or imparted with conductivity by another conductive material. Examples of the metal oxide include those containing at least one element among In, Sn, Zn, Ti, Al, Si, Zr, Nb, Mg, Ba, Mo, W, V, and Sr. Examples of the conductive material at this time include metals, conductive polymers, and carbon materials. This carbon material may be improved or imparted with conductivity by another conductive material. Examples of the carbon material include graphite, carbon black, carbon nanotube, carbon nanohorn, fullerene compound and derivatives thereof. In the present invention, a conductive material having a conductivity of 0.1 S / cm or more and 700000 S / cm or less is preferable. For example, a material of 1 S / cm to 100000 S / cm or a material of 100 S / cm to 100000 S / cm can be used. S (Siemens) is the inverse of Ohm (1 / Ω). Even when a porous structure is used for the enzyme electrode, it is desirable to use a conductive member in the above range.
導電性部材は、互いに連通した多数の空隙を有し、かつこれらの空隙が直接に、または他の空隙を介して間接的に前記導電性部材の外部と連通している構造を有し、空隙内に酵素、第1及び第2のメディエータを固定できるものが好ましい。かかる導電性部材は、外部と連通する多数の空隙が内部に形成されたものであり、空隙を仕切る壁が構成材料から一体的に形成されている構造や、空隙を仕切る壁を構成する材料同士が強固に結合しているものが好ましい。このような導電性部材の構成材料としては、先に挙げた導電性の金属、高分子、金属酸化物及び炭素材料など用いることができる。この導電性部材の有する多数の空隙は、一次元、二次元、もしくは三次元的に連結したもので、これらの連結形態の2以上が混在しているものであってもよい。一次元に連結した空隙の例としては柱状の空隙、二次元に連結した空隙の例としては、網状の空隙、三次元に連結した空隙の例としては、スポンジ状、微小粒子を接合した後に生じる空隙、またそれらをテンプレートにして作成した構造材料の空隙が挙げられる.それらの空隙は、酵素が導入できる程度、かつ、または基質の流動、拡散が十分に行われる程度に大きく、投影面積に対する実効表面積の比が十分にえられる程度に小さい必要がある。空隙の平均径の例としては、5nmから、500μmの範囲、より好ましくは、10nmから10μmが挙げられる。また、空隙を有する導電性部材の厚さは、酵素が導電性部材の深部まで均一に導入できる程度、かつ、または基質の流動、拡散が十分に行われる程度に小さく、導電性部材の投影面積に対する実効表面積の比が十分にえられる程度に大きい必要があり、この空隙を有する導電性部材の厚さの例としては、100nmから1cm、より好ましくは、1μmから5mmが挙げられる。この空隙を有する導電性部材の投影面積に対する実効表面積の比は、投影面積に対する実効表面積の比が十分にえられる程度に大きい必要があり、その例としては、10倍以上、より好ましくは、100倍以上が挙げられる。また、この空隙を有する導電性部材の気孔率は、導電性部材の投影面積に対する実効表面積の比が十分にえられる程度に、かつ/または、充分な酵素、担体量が導入できる程度に、かつ/または、基質の流動、拡散が充分に行われる程度に大きく、充分な機械的強度が得られる程度に小さい必要があり、その例としては、20%以上99%以下、より好ましくは、30%以上98%以下が挙げられる。また、酵素固定後の気孔率は、電解液の流動、基質の拡散が充分行われる程度に大きく、担体、酵素の高い充填率が得られる程度に小さい必要があり、その例としては、15%以上98%以下、より好ましくは、25%以上95%以下が挙げられる。 The conductive member has a large number of gaps communicating with each other, and has a structure in which these gaps communicate with the outside of the conductive member directly or indirectly through other gaps. Those capable of immobilizing the enzyme and the first and second mediators are preferred. Such a conductive member has a large number of voids communicating with the outside, and has a structure in which walls that partition the void are integrally formed from the constituent materials, and materials that constitute the walls that partition the void. Are preferably bonded firmly. As a constituent material of such a conductive member, the conductive metals, polymers, metal oxides, and carbon materials mentioned above can be used. The plurality of voids of the conductive member are connected one-dimensionally, two-dimensionally or three-dimensionally, and two or more of these connected forms may be mixed. Examples of voids connected in one dimension are columnar voids, examples of voids connected in two dimensions are mesh-like voids, examples of voids connected in three dimensions are spongy, formed after joining fine particles Examples include voids and voids in structural materials created using them as templates. These voids need to be large enough to allow the enzyme to be introduced and / or to sufficiently flow and diffuse the substrate, and small enough to provide a ratio of the effective surface area to the projected area. Examples of the average diameter of the void include a range of 5 nm to 500 μm, more preferably 10 nm to 10 μm. Further, the thickness of the conductive member having voids is small enough to allow the enzyme to be introduced uniformly to the deep part of the conductive member and / or to sufficiently flow and diffuse the substrate, and the projected area of the conductive member. It is necessary that the ratio of the effective surface area to the surface is sufficiently large, and examples of the thickness of the conductive member having the void include 100 nm to 1 cm, more preferably 1 μm to 5 mm. The ratio of the effective surface area to the projected area of the conductive member having the gap needs to be so large that the ratio of the effective surface area to the projected area is sufficiently obtained. As an example, the ratio is 10 times or more, more preferably 100 More than double. Further, the porosity of the conductive member having voids is such that the ratio of the effective surface area to the projected area of the conductive member is sufficiently obtained and / or that a sufficient amount of enzyme and carrier can be introduced. / Or large enough to allow sufficient flow and diffusion of the substrate, and small enough to obtain sufficient mechanical strength, for example, 20% to 99%, more preferably 30% More than 98% is mentioned. In addition, the porosity after enzyme immobilization must be large enough to allow sufficient flow of the electrolyte and diffusion of the substrate, and small enough to obtain a high filling rate of the carrier and enzyme. As an example, 15% It is 98% or less and more preferably 25% or more and 95% or less.
多数の空隙を有する金属製導電性部材の形成材料としては、発泡金属、電析金属、電解金属、焼結金属、繊維状金属、あるいは、これらの内の単数、もしくは、複数の種別に該当する材料が挙げられる。また、空隙を有する導電性高分子の製造方法の例としては、空隙となる部分を構成する鋳型としての物質を導電性高分子中に配置して所定の形状に成形した後、鋳型しての物質を除く方法;導電性高分子の前駆体中に空隙となる部分の鋳型としての物質を含有させ、前駆体を重合させて高分子とした後、鋳型としての物質を除く方法;空隙となる部分を構成する鋳型となる粒子からなる層を形成し、その粒子間の空隙に高分子を充填して層を形成し、この層から粒子を除去する方法;空隙となる部分を構成する鋳型となる粒子からなる層を形成し、その粒子間の空隙に高分子の前駆体を充填して層を形成し、前駆体を重合させて高分子層としてから粒子を除去する方法;など、多孔質樹脂の製造に利用されて方法を挙げることができる。 The metal conductive member forming material having a large number of voids corresponds to foam metal, electrodeposited metal, electrolytic metal, sintered metal, fibrous metal, or one or more of these types. Materials. In addition, as an example of a method for producing a conductive polymer having voids, a material as a mold that forms a void portion is placed in the conductive polymer and molded into a predetermined shape, and then the mold is molded. Method of removing the substance; Method of removing a substance as a template after containing a substance as a template of a void portion in a precursor of a conductive polymer and polymerizing the precursor to form a polymer; A method of forming a layer composed of particles serving as a mold constituting a portion, filling a void between the particles with a polymer to form a layer, and removing the particles from this layer; a mold constituting a portion serving as a void; Forming a layer comprising particles, filling a void between the particles with a polymer precursor to form a layer, polymerizing the precursor to form a polymer layer, and then removing the particles; A method can be mentioned that is used in the production of a resin.
一方、金属酸化物からなる多数の空隙を有する導電性部材は、電析、スパッタリング、焼結、化学気相成長法(CVD)、電解およびこれらの組合せがなどの方法により得ることができる。また、グラファイト、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン化合物およびこれらの誘導体をからなる繊維、粒子などを所定の形状に成形してから焼結することで多数の空隙を有する導電性部材を得ることができる。 On the other hand, a conductive member having a large number of voids made of a metal oxide can be obtained by methods such as electrodeposition, sputtering, sintering, chemical vapor deposition (CVD), electrolysis, and combinations thereof. In addition, a conductive member having a large number of voids is obtained by molding fibers, particles, and the like made of graphite, carbon black, carbon nanotubes, carbon nanohorns, fullerene compounds, and derivatives thereof into a predetermined shape and then sintering. be able to.
多孔質部材の孔径分布に関しては、導電性部材の厚み方向に、多孔質構造における空孔の孔径(あるいは多孔度)が一定の部材を用いることができる。 Regarding the pore diameter distribution of the porous member, a member having a constant pore diameter (or porosity) in the porous structure in the thickness direction of the conductive member can be used.
更に、以下で示すように、多孔質部材の孔径あるいは多孔度に傾斜分布をもたせてもよい。図8(A)から(D)に導電性部材の構造として多孔質構造を用いる場合の例を示している。同図において、801は電解質層、802は空孔、803が導電性部材である。また、804は必要に応じて用いることのできる支持基板である。図のように、導電性部材に設けられている空孔の孔径が、電解質層側で大きく、その内側で小さくなっていることが好ましい。即ち、本発明に適用できる導電性多孔質部材は、該導電性多孔質部材の表面側における孔径は、該導電性多孔質部材の内部における孔径よりも大きいことが望ましい。両者の孔径の差は、2倍以上、より好ましくは4倍以上、更に好ましくは10倍以上である。上限としては、例えば1000倍以下である。孔径の異なる2つの領域間で、多孔度は同じであってもよい。より好適には、導電性部材に設けられている空孔の孔径及び多孔度がともに、電解質層側(即ち、導電性部材の外部表面側)で大きく、その内側で小さくなっていることが好ましい。 Further, as shown below, the pore size or the porosity of the porous member may have a gradient distribution. FIGS. 8A to 8D show an example in which a porous structure is used as the structure of the conductive member. In the figure, 801 is an electrolyte layer, 802 is a hole, and 803 is a conductive member. Reference numeral 804 denotes a support substrate that can be used as necessary. As shown in the figure, it is preferable that the pore diameter of the pores provided in the conductive member is large on the electrolyte layer side and small on the inside thereof. That is, in the conductive porous member applicable to the present invention, it is desirable that the pore diameter on the surface side of the conductive porous member is larger than the pore diameter inside the conductive porous member. The difference between the two pore diameters is 2 times or more, more preferably 4 times or more, and further preferably 10 times or more. As an upper limit, it is 1000 times or less, for example. The porosity may be the same between two regions having different pore diameters. More preferably, the pore diameter and porosity of the pores provided in the conductive member are both large on the electrolyte layer side (that is, the outer surface side of the conductive member) and small on the inside thereof. .
なお、多孔質体の孔径や多孔度は、、窒素ガス吸着測定(BET(Brunauer-Emmett-Teller)法)にて測定可能である。例えば、AUTOSORB-1 (Quantachrome Instruments製)により測定できる。また、部材表面の孔径を算出する場合は、SEM(走査型電子顕微鏡)写真により、いくつか(例えば50-300個程度)の孔径を測定して算出できる。 The pore diameter and porosity of the porous body can be measured by nitrogen gas adsorption measurement (BET (Brunauer-Emmett-Teller) method). For example, it can be measured by AUTOSORB-1 (manufactured by Quantachrome Instruments). In addition, when calculating the hole diameter on the surface of the member, some (for example, about 50 to 300) hole diameters can be measured and calculated from an SEM (scanning electron microscope) photograph.
本発明においてメディエータは、酵素/メディエータ/導電性部材間の電子の受け渡しを促進させるものである。このメディエータは、担体、かつ/または、酵素に化学結合していてもよい。例としては、金属錯体、キノン類、複素環式化合物、ニコチンアミド誘導体、フラビン誘導体が挙げられる。この金属錯体としては、中心金属にOs、Fe、Ru、Co、Cu、Ni、V、Mo、Cr、Mn、Pt、Rh、Pd、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Ir、Zn、Cd、Hg、Wの内から少なくとも1種類の元素を含むものを用いることができる。また、この金属錯体の配位子としては、窒素、酸素、リン、硫黄、炭素原子を含有し、少なくともこれらの原子を介して中心金属と錯体形成するもの、または、シクロペンタジエニル環を骨格として有する物が挙げられる。例としては、ピロール、ピラゾール、イミダゾール、1、2、3−または1、2、4−トリアゾール、テトラゾール、2、2'−ビイミダゾール、ピリジン、2、2'−ビチオフェン、2、2'−ビピリジン、2、2':6'、2''−ターピリジン、エチレンジアミン、ポルフィリン、フタロシアニン、アセチルアセトン、キノリノール、アンモニア、シアンイオン、トリフェニルホスフィンオキサイドおよびそれらの誘導体が挙げられる。キノン類の例としては、キノン、ベンゾキノン、アントラキノン、ナフトキノン、ピロロキノリンキノン(PQQ)、テトラシアノキノジメタン、およびそれらの誘導体が挙げられる。複素環式化合物の例としては、フェナジン、フェノチアジン、ビオローゲン、およびそれらの誘導体が挙げられる。ニコチンアミド誘導体の例としては、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸が挙げられる。フラビン誘導体の例としては、フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)が挙げられる。 In the present invention, the mediator promotes the transfer of electrons between the enzyme / mediator / conductive member. The mediator may be chemically bonded to the carrier and / or the enzyme. Examples include metal complexes, quinones, heterocyclic compounds, nicotinamide derivatives, and flavin derivatives. As this metal complex, Os, Fe, Ru, Co, Cu, Ni, V, Mo, Cr, Mn, Pt, Rh, Pd, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Ir, Zn, Cd are used as the central metal. , Hg, and W containing at least one element can be used. In addition, the ligand of this metal complex contains nitrogen, oxygen, phosphorus, sulfur, carbon atoms and forms a complex with the central metal via at least these atoms, or a cyclopentadienyl ring as a skeleton. The thing which has as is mentioned. Examples include pyrrole, pyrazole, imidazole, 1,2,3- or 1,2,4-triazole, tetrazole, 2,2′-biimidazole, pyridine, 2,2′-bithiophene, 2,2′-bipyridine. 2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine, ethylenediamine, porphyrin, phthalocyanine, acetylacetone, quinolinol, ammonia, cyanide, triphenylphosphine oxide and derivatives thereof. Examples of quinones include quinone, benzoquinone, anthraquinone, naphthoquinone, pyrroloquinoline quinone (PQQ), tetracyanoquinodimethane, and derivatives thereof. Examples of heterocyclic compounds include phenazine, phenothiazine, viologen, and derivatives thereof. Examples of the nicotinamide derivative include nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate. An example of a flavin derivative is flavin adenine dinucleotide (FAD).
本発明において酵素は、酸化還元反応を触媒する酵素であり、複数の酵素の組合せであってもよい。例としては、グルコースオキシダーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、D−またはL−アミノ酸オキシダーゼ、アミンオキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コリンオキシダーゼ、キサンチンオキシダーゼ、サルコシンオキシダーゼ、L−乳酸オキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、チトクロムオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ソルビトールデヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ、17Bヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、エストラジオール17Bデヒドロゲナーゼ、アミノ酸デヒドロゲナーゼ、グリセルアルデヒド3−リン酸デヒドロゲナーゼ、3−ヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼ、カタラーゼ、ペルオキシダーゼ、グルタチオンレダクターゼ、NADH−チトクロムb5レダクターゼ、NADPH−アドレノキシンレダクターゼ、チトクロムb5レダクターゼ、アドレノドキシンレダクターゼ、硝酸レダクターゼが挙げられる。 In the present invention, the enzyme is an enzyme that catalyzes a redox reaction, and may be a combination of a plurality of enzymes. Examples include glucose oxidase, galactose oxidase, bilirubin oxidase, pyruvate oxidase, D- or L-amino acid oxidase, amine oxidase, cholesterol oxidase, choline oxidase, xanthine oxidase, sarcosine oxidase, L-lactate oxidase, ascorbate oxidase, cytochrome Oxidase, alcohol dehydrogenase, glutamate dehydrogenase, cholesterol dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase, glucose dehydrogenase, fructose dehydrogenase, sorbitol dehydrogenase, lactate dehydrogenase, malate dehydrogenase, glycerol dehydrogenase, 17B hydroxysteroid dehydrogenase, et Toradiol 17B dehydrogenase, amino acid dehydrogenase, glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, 3-hydroxysteroid dehydrogenase, diaphorase, catalase, peroxidase, glutathione reductase, NADH-cytochrome b5 reductase, NADPH-adrenoxin reductase, cytochrome b5 reductase, address Examples include nodoxin reductase and nitrate reductase.
また、この酵素の基質としては、それぞれの酵素に対応する化合物が挙げられ、有機物、酸素、過酸化水素、水、硝酸イオンが挙げられる。また、この有機物の例としては、糖類、アルコール類、カルボン酸類、キノン類、ニコチンアミド誘導体、フラビン誘導体が挙げられる。また、この糖類には、セルロース、デンプン糖の多糖も含まれていてよい。 Moreover, as a substrate of this enzyme, the compound corresponding to each enzyme is mentioned, Organic substance, oxygen, hydrogen peroxide, water, nitrate ion is mentioned. Examples of this organic substance include saccharides, alcohols, carboxylic acids, quinones, nicotinamide derivatives, and flavin derivatives. The saccharides may also include cellulose and starch sugar polysaccharides.
本発明において担体を固定する工程においては、導電性部材に担体を均一に固定化することが重要である。この担体を固定化する工程には、酵素を固定化する工程かつ/または、メディエータを固定化する工程が同時に含まれていてよい。この担体を固定する工程の例としては、
(1)担体の溶液、または分散液に、空隙を有する導電性部材を浸漬する工程、
(2)担体の溶液、または分散液を、空隙を有する導電性部材に塗布、注入、スプレーする工程、
(3)担体の前駆体の溶液、または、分散液に空隙を有する導電性部材を浸漬、もしくは、担体の前駆体の溶液、または分散液を空隙を有する導電性部材に塗布、注入、スプレーする工程を行い、その後、前駆体の加水分解、重合、架橋反応を行うことで、固定化する工程、
などが挙げられる。
In the step of fixing the carrier in the present invention, it is important to uniformly fix the carrier to the conductive member. The step of immobilizing the carrier may include the step of immobilizing the enzyme and / or the step of immobilizing the mediator at the same time. As an example of the process of fixing this carrier,
(1) a step of immersing a conductive member having voids in a carrier solution or dispersion;
(2) A step of applying, injecting, and spraying a carrier solution or dispersion onto a conductive member having a gap,
(3) Dipping a conductive member having voids in a carrier precursor solution or dispersion, or applying, injecting, and spraying a carrier precursor solution or dispersion to a conductive member having voids. Performing the process, and then immobilizing the precursor by hydrolysis, polymerization, and crosslinking reaction,
Etc.
以下に実施例等を挙げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明の方法は、これらの実施例のみに限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the method of the present invention is not limited to these examples.
はじめに、本発明に用いる部材の調製法を記述する。
(調製例1)
市販のシリカコロイド分散液(日産化学、平均粒径100nm)をエタノール置換し、その分散溶液中に洗浄した金板(1cm角、厚さ0.3mm、ニラコ)を立て、30℃でエタノールを蒸発させることで、シリカ球からなる多孔質膜を調製する。この工程を複数回行うことで、シリカ球からなる多孔質膜の膜厚を増大させる(膜厚100μm)。200℃で3時間加熱した後、エタノールで洗浄し、0.1Mの3、4−エチレンジオキシチオフェン、0.1M過塩素酸リチウムのアセトニトリル溶液中、この多孔質膜を作用極に、白金対極、銀/塩化銀参照電極を用いた三極セルで、ポテンショスタットを用いて、1.1V(vsAg/AgCl)の電位で電解重合を行う。重合時間は、電解電流のプロファイルを参照して、シリカ球多孔質膜の膜厚と同程度になるよう、電解時間を調整した。電解重合後、20%フッ化水素酸溶液中に2日間浸漬、シリカ球を除去し、導電性ポリ(3、4−エチレンジオキシチオフェン)からなる多数の空隙を有する導電性部材(膜厚100μm)を調製する。
(調製例2)
針状のインジウムスズ酸化物(ITO、住友金属鉱山、30−100nm長、アスペクト比10以上)をターピノールに分散し、エチルセルロースで粘度を調整し、ITOペーストを調製する。洗浄済の金板(1cm角、厚さ0.3mm、ニラコ)にスクリーン印刷法で、ITOペーストを印刷し、450℃で1時間焼結し、ITOの多孔質焼結電極(膜厚100μm)を調製する。さらにこの上にプラズマ化学気層合成(CVD)を行い約10nmのITOを堆積させ、ITOからなる多数の空隙を有する導電性部材を調製する。(調製例3)
天然黒鉛粒子(粒径11μm)に黒鉛粒子に対して10wt.%のポリフッ化ビニリデンとN−メチル−2−ピロリドンを混合し、ポリフッ化ビニリデンを溶解させる。さらに、混練、調製した黒鉛のペーストを直径11.3mm、厚さ0.5mmの膜に成型し60℃で乾燥させた後、240℃で加熱、さらに200℃で真空乾燥し、互いに結合した多数のグラファイト粒子間に多数の空隙を有する導電性部材を調製する。
(調製例4)
化学式(1)に示すN6-(2-アミノエチル)FADの調製法について記述する。FADの10%水溶液に等モルのエチレンイミンを加え、pHを6-6.5に調整し、50℃で6時間反応させる。反応溶液を冷却し、氷浴中のエタノールに加え沈殿を回収する。回収した沈殿を、アニオン交換クロマトグラフィー、逆層高速クロマトグラフィーにかけ、精製された化学式(1)に示すN6-(2-アミノエチル)FADを得る。
First, a method for preparing a member used in the present invention will be described.
(Preparation Example 1)
A commercially available silica colloid dispersion (Nissan Chemical, average particle size 100 nm) was substituted with ethanol, and a washed metal plate (1 cm square, thickness 0.3 mm, Nilaco) was placed in the dispersion, and ethanol was evaporated at 30 ° C. Thus, a porous film made of silica spheres is prepared. By performing this step a plurality of times, the thickness of the porous membrane made of silica spheres is increased (film thickness 100 μm). After heating at 200 ° C. for 3 hours, washing with ethanol and using this porous membrane as a working electrode in a 0.1
(Preparation Example 2)
Acicular indium tin oxide (ITO, Sumitomo Metal Mining, 30-100 nm length, aspect ratio of 10 or more) is dispersed in terpinol, the viscosity is adjusted with ethyl cellulose, and an ITO paste is prepared. ITO paste is printed on a washed metal plate (1 cm square, thickness 0.3 mm, Nilaco) by screen printing, and sintered at 450 ° C. for 1 hour, ITO porous sintered electrode (film thickness 100 μm) To prepare. Further, plasma chemical vapor deposition (CVD) is performed thereon to deposit about 10 nm of ITO to prepare a conductive member having a large number of voids made of ITO. (Preparation Example 3)
Natural graphite particles (
(Preparation Example 4)
A method for preparing N 6- (2-aminoethyl) FAD represented by the chemical formula (1) will be described. An equimolar amount of ethyleneimine is added to a 10% aqueous solution of FAD to adjust the pH to 6-6.5, and the mixture is reacted at 50 ° C. for 6 hours. The reaction solution is cooled and added to ethanol in an ice bath to collect the precipitate. The collected precipitate is subjected to anion exchange chromatography and reverse-layer high performance chromatography to obtain a purified N 6- (2-aminoethyl) FAD represented by the chemical formula (1).
(調製例5)
化学式(2)に示すフェロセン誘導体の調製法を記述する。200mLのDMFに、4.7gの6−アミノカプロン酸を溶解させ、100mLのDMFに溶解させた2.1gのフェロセンカルボアルデヒドを加え、100℃で1時間攪拌する。1gの水素化ホウ素ナトリウム飽和水溶液を加え室温でさらに1時間攪拌し、溶媒を減圧留去、ジクロロメタン/メタノール=10/1溶媒でシリカカラムをかけることで、化学式(2)に示すフェロセン誘導体化合物を得る。化合物の同定は、1H−NMRで行われる。
(Preparation Example 5)
A method for preparing the ferrocene derivative represented by the chemical formula (2) will be described. In 200 mL of DMF, 4.7 g of 6-aminocaproic acid is dissolved, 2.1 g of ferrocenecarbaldehyde dissolved in 100 mL of DMF is added, and the mixture is stirred at 100 ° C. for 1 hour. 1 g of a saturated aqueous solution of sodium borohydride was added, and the mixture was further stirred at room temperature for 1 hour. The solvent was distilled off under reduced pressure, and a silica column was applied with dichloromethane / methanol = 10/1 solvent to obtain a ferrocene derivative compound represented by chemical formula (2). obtain. The compound is identified by 1 H-NMR.
(調製例6)
化学式(3)に示すオスミウム錯体包含ポリマーの合成法を記述する。6mLの1−ビニルイミダゾールに、0.50gのアゾビスイソブチロニトリルを加え、アルゴン雰囲気下70℃で2時間反応をおこなう。反応用液を空冷し、生じた沈殿物をメタノールに溶解させ、強攪拌中のアセトンに滴下し、沈殿を濾取し、ポリ−1−ビニルイミダゾールを得る。一方、1.2gの4,4'ージメチル−2,2'−ビピリジン、1.4gの六塩化オスミウム酸アンモニウムに、5mLのエチレングリコールを加え窒素雰囲気下140℃で24時間反応をおこなう。反応溶液を空冷した後、不純物を濾取、濾液を減圧溜去し、Os(4,4'ジメチル−2,2'−ビピリジン)2ジクロライド塩化物塩を得る。0.13gのOs(4,4'ジメチル−2,2'−ビピリジン)2ジクロライド塩化物塩と0.20gのポリビニルイミダゾールを、200mLのエタノールに加え、窒素雰囲気下3日間還流をおこなう。濾液を濾過した後、強攪拌中の1Lジエチルエーテル中に滴下、生成した沈殿物を回収、乾燥し、化学式(3)に示すオスミウム錯体ポリマーを得る。化合物の同定は、元素分析で行われる。
(Preparation Example 6)
A method for synthesizing an osmium complex-containing polymer represented by chemical formula (3) will be described. To 6 mL of 1-vinylimidazole, 0.50 g of azobisisobutyronitrile is added, and the reaction is performed at 70 ° C. for 2 hours under an argon atmosphere. The reaction solution is air-cooled, and the resulting precipitate is dissolved in methanol and added dropwise to acetone with strong stirring, and the precipitate is collected by filtration to obtain poly-1-vinylimidazole. On the other hand, 1.2 g of 4,4′-dimethyl-2,2′-bipyridine and 1.4 g of ammonium hexachloride osmate are added with 5 mL of ethylene glycol and reacted at 140 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere. After the reaction solution is air-cooled, impurities are collected by filtration, and the filtrate is distilled off under reduced pressure to obtain Os (4,4′dimethyl-2,2′-bipyridine) 2 dichloride chloride salt. 0.13 g of Os (4,4′dimethyl-2,2′-bipyridine) 2 dichloride chloride salt and 0.20 g of polyvinylimidazole are added to 200 mL of ethanol and refluxed for 3 days under a nitrogen atmosphere. After the filtrate is filtered, it is dropped into 1 L diethyl ether under strong stirring, and the generated precipitate is recovered and dried to obtain an osmium complex polymer represented by chemical formula (3). Identification of the compound is performed by elemental analysis.
(調製例7)
化学式(4)に示す、含フェロセンポリマーの調製法について記述する。3.0mLのトルエンに1.6gの1−ビニルイミダゾール、0.71gの1−ビニルフェロセン、6.2mgのアゾビスイソブチロニトリルを加え、アルゴン雰囲気下70℃で2時間反応をおこなう。反応用液を空冷し、反応溶液を1Lのジエチルエーテル中に滴下し、沈殿を濾取し、化学式(4)にしめす含フェロセンポリマーを得る。
(Preparation Example 7)
A method for preparing a ferrocene-containing polymer represented by chemical formula (4) will be described. 1.6 g of 1-vinylimidazole, 0.71 g of 1-vinylferrocene and 6.2 mg of azobisisobutyronitrile are added to 3.0 mL of toluene, and the reaction is carried out at 70 ° C. for 2 hours under an argon atmosphere. The reaction solution is air-cooled, the reaction solution is dropped into 1 L of diethyl ether, and the precipitate is collected by filtration to obtain a ferrocene-containing polymer represented by the chemical formula (4).
(調製例8)
化学式(5)に示す、錯体ポリマーの合成法を記述する。100gの40%グリオキサール水溶液に氷浴中、370mLの濃アンモニア水を滴下、45℃で24時間攪拌し、空冷後沈殿物を濾過、50℃で24時間真空乾燥し、2、2'−ビイミダゾールを得る。同定は、シリカゲルの薄層クロマトグラフィー(10%メタノール/90%クロロホルム)で行う。100mLのN、N'−ジメチルホルムアミド(DMF)の2、2'−ビイミダゾール(4.6g)溶液に氷浴中、窒素雰囲気下2.7gの水素化ナトリウムを加え、室温で1時間攪拌後、12.8gのパラトルエンスルホン酸メチルのDMF溶液5mLを20分かけて滴下、室温で4時間攪拌する。真空下、50℃で溶媒を留去し、残留した固体を50mLヘキサンで洗浄、160℃で真空乾燥し、N、N'−ジメチル−2,2'−ビイミダゾールの無色透明の結晶を得る。同定は、1H−NMRで行う。10gの2,2'−ビイミダゾールのDMF溶液100mLに、氷浴中、窒素雰囲気下3.3gの水素化ナトリウムを加え、氷浴で1時間攪拌後、ヨウ化メチル(4.6mL)を滴下、氷浴下30分攪拌、さらに室温で12時間攪拌する。反応溶液を300mLの酢酸エチルに注ぎ、濾過した後、溶媒を減圧、真空留去し、残留物を沸騰酢酸エチルに溶かし、濾過する。濾液を再び酢酸エチル中で煮込み、300mLのヘキサンで飽和させる。冷凍庫で12時間静置し、結晶を成長させ、吸引濾過で回収し、酢酸エチル/ヘキサン溶媒から再結晶させ、N−メチル−2,2'−ビイミダゾールを得る。同定は、1H−NMRで行う。80mLのDMFに1gのN−メチル−2,2'−ビイミダゾールを溶解させ、窒素雰囲気下0.32gの水素化ナトリウムを加え、氷浴で1時間攪拌後、2.5gのN−(6−ブロモへキシル)フタルイミドと1.0gのヨウ化ナトリウムを徐々に加え、窒素雰囲気下、80℃で24時間攪拌する。室温まで冷却し、150mLの水に注ぎ、150mLの酢酸エチルで2度抽出し、塩化ナトリウム水溶液で洗浄、硫酸ナトリウムで乾燥し、減圧留去を行う。中性のアルミナカラム、(酢酸エチル/ヘキサン10−40%)で精製し、N−メチル−N'−(6−フタルイミドへキシル)−2,2'−ビイミダゾールを得る。同定は、1H−NMRで行う。
(Preparation Example 8)
A method for synthesizing the complex polymer represented by the chemical formula (5) will be described. To 100 g of 40% aqueous glyoxal solution, 370 mL of concentrated aqueous ammonia was added dropwise in an ice bath, stirred at 45 ° C. for 24 hours, air-cooled, the precipitate was filtered, dried in vacuo at 50 ° C. for 24 hours, and 2,2′-biimidazole Get. Identification is performed by thin layer chromatography on silica gel (10% methanol / 90% chloroform). To a solution of 2,2′-biimidazole (4.6 g) in N, N′-dimethylformamide (DMF) in 100 mL was added 2.7 g of sodium hydride in an ice bath under a nitrogen atmosphere, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour. 12.8 g of a DMF solution of methyl paratoluenesulfonate is added dropwise over 20 minutes and stirred at room temperature for 4 hours. The solvent was distilled off at 50 ° C. under vacuum, and the remaining solid was washed with 50 mL hexane and vacuum dried at 160 ° C. to obtain colorless and transparent crystals of N, N′-dimethyl-2,2′-biimidazole. Identification is performed by 1 H-NMR. To 100 mL of DMF solution of 2,2′-biimidazole in 10 g, 3.3 g of sodium hydride was added in an ice bath under a nitrogen atmosphere, stirred for 1 hour in an ice bath, and methyl iodide (4.6 mL) was added dropwise. The mixture is stirred for 30 minutes in an ice bath and further for 12 hours at room temperature. The reaction solution is poured into 300 mL of ethyl acetate and filtered, and then the solvent is distilled off under reduced pressure under reduced pressure. The residue is dissolved in boiling ethyl acetate and filtered. The filtrate is again boiled in ethyl acetate and saturated with 300 mL of hexane. Let stand in a freezer for 12 hours, grow crystals, collect by suction filtration, recrystallize from ethyl acetate / hexane solvent to obtain N-methyl-2,2′-biimidazole. Identification is performed by 1 H-NMR. 1 g of N-methyl-2,2′-biimidazole was dissolved in 80 mL of DMF, 0.32 g of sodium hydride was added under a nitrogen atmosphere, stirred for 1 hour in an ice bath, and then 2.5 g of N- (6 -Bromohexyl) phthalimide and 1.0 g of sodium iodide are gradually added and stirred at 80 ° C. for 24 hours under a nitrogen atmosphere. Cool to room temperature, pour into 150 mL of water, extract twice with 150 mL of ethyl acetate, wash with aqueous sodium chloride, dry over sodium sulfate, and evaporate under reduced pressure. Purification with a neutral alumina column (ethyl acetate / hexane 10-40%) gives N-methyl-N ′-(6-phthalimidohexyl) -2,2′-biimidazole. Identification is performed by 1 H-NMR.
25mLのエタノールに2.5gのN−メチル−N'−(6−フタルイミドへキシル)−2,2'−ビイミダゾールを溶解させ、水素化ヒドラジン0.39gを加え、2時間還流、室温まで冷却し、濾過後、シリカゲルカラムにエタノールで、その後10%アンモニアのアセトニトリル溶液で生成物を回収、減圧留去し、N−(6−アミノへキシル)−N'−メチル−2,2'−ビイミダゾールを得る。同定は、1H−NMRで行う。1.1gのN−メチル−2,2'−ビイミダゾールと1.4g六塩化オスミウム酸アンモニウムを40mLのエチレングリコールに溶かし、窒素雰囲気下140℃で24時間攪拌、0.8gのN−(6−アミノへキシル)−N'−メチル−2,2'−ビイミダゾールを溶解させたエチレングリコール5mLを加え、さらに24時間攪拌後、室温に冷却、濾過する。濾液を200mLの水で薄め、40mLの陰イオン交換樹脂(DOWEX(登録商標)1X4)を加え、空気中で、24時間攪拌した。溶液を10.2gの六フッ化リン酸アンモニウムの水溶液150mLに徐々に注ぎ、沈殿物を吸引ろ過し、アセトニトリルに溶かし、六フッ化リン酸アンモニウム水溶液で再沈殿させ、水洗し、45℃で24時間真空乾燥し、オスミウム(III)(N、N'−ジメチル−2,2'−ビイミダゾール)2(N−(6−アミノへキシル)−N'−メチル−2,2'−ビイミダゾール)六フッ化リン酸塩をえる。同定は、元素分析でおこなう。 Dissolve 2.5 g of N-methyl-N ′-(6-phthalimidohexyl) -2,2′-biimidazole in 25 mL of ethanol, add 0.39 g of hydrazine hydride, reflux for 2 hours, and cool to room temperature After filtration, the product was collected on a silica gel column with ethanol, and then with 10% ammonia in acetonitrile, and evaporated under reduced pressure to give N- (6-aminohexyl) -N′-methyl-2,2′-biphenyl. Imidazole is obtained. Identification is performed by 1 H-NMR. 1.1 g of N-methyl-2,2′-biimidazole and 1.4 g of ammonium hexachloride osmate are dissolved in 40 mL of ethylene glycol and stirred at 140 ° C. for 24 hours under a nitrogen atmosphere. 0.8 g of N- (6 -Aminohexyl) -N′-methyl-2,2′-biimidazole dissolved in 5 mL of ethylene glycol is added, and the mixture is further stirred for 24 hours. The filtrate was diluted with 200 mL of water, 40 mL of an anion exchange resin (DOWEX® 1X4) was added, and the mixture was stirred in air for 24 hours. The solution is gradually poured into 150 mL of an aqueous solution of 10.2 g of ammonium hexafluorophosphate, the precipitate is suction filtered, dissolved in acetonitrile, reprecipitated with an aqueous solution of ammonium hexafluorophosphate, washed with water, and washed at 45 ° C. for 24 hours. Vacuum-dried for hours and osmium (III) (N, N′-dimethyl-2,2′-biimidazole) 2 (N- (6-aminohexyl) -N′-methyl-2,2′-biimidazole) Get hexafluorophosphate. Identification is performed by elemental analysis.
20gポリビニルピリジン(平均分子量15万)、5.6gの6−ブロモヘキサン酸を150mLのDMFに加え、攪拌機で90℃、24時間攪拌、室温まで冷却し、強攪拌中の酢酸エチル1.2Lにゆっくりと注ぐ。溶媒をデカンテーションし、固体をメタノールに溶解させ、濾過、減圧留去で溶媒を200mL程度に減らしてから、1Lのジエチルエーテル中で再沈殿を行い、50℃で24時間真空乾燥、さらに固体を粉砕し、48時間乾燥し、ポリ(4−(N−(5−カルボキシペンチル)ピリジニウム)−コ−4−ビニルピリジン)を得る。0.52gのポリ(4−(N−(5−カルボキシペンチル)ピリジニウム)−コ−4−ビニルピリジン)を10mLのDMFに分散させ、0.18gのO−(N−スクシンイミジル)―N、N、N'、N'−テトラメチルウロニウムテトラフルオロボレート(TSTU)を加え、15分間攪拌し、0.1mLのN、N−ジイソプロピルエチルアミンを加え、8時間攪拌し、0.89gのポリ(4−(N−(5−カルボキシペンチル)ピリジニウム)−コ−4−ビニルピリジン)を加え、5分間攪拌、さらに、0.1mLのN、N−ジイソプロピルエチルアミンを加え、室温で24時間攪拌し、200mLの酢酸エチルに加える。沈殿を濾過、回収し、30mLのアセトニトリルに加え、40mLのDOWEX(登録商標)1X4、100mLの水を加え、36時間攪拌し、ポリマーを溶解させる。吸引濾過を行った後に、50mLに濃縮し、分子量10000カットオフフィルタ(ミリポア)で、275kPaの窒素圧で押し出す。さらにDOWEX(登録商標)1X4のカラムに水溶媒で通し、水中で透析を行い、化学式(5)に示すポリマー(塩化物塩)を得る。 Add 20 g polyvinylpyridine (average molecular weight 150,000), 5.6 g 6-bromohexanoic acid to 150 mL DMF, stir with a stirrer at 90 ° C. for 24 hours, cool to room temperature, and add to 1.2 L of ethyl acetate with strong stirring. Pour slowly. Decant the solvent, dissolve the solid in methanol, filter, reduce the solvent to about 200 mL by distillation under reduced pressure, reprecipitate in 1 L of diethyl ether, vacuum dry at 50 ° C. for 24 hours, Grind and dry for 48 hours to obtain poly (4- (N- (5-carboxypentyl) pyridinium) -co-4-vinylpyridine). 0.52 g poly (4- (N- (5-carboxypentyl) pyridinium) -co-4-vinylpyridine) was dispersed in 10 mL DMF and 0.18 g O- (N-succinimidyl) -N, N , N ′, N′-tetramethyluronium tetrafluoroborate (TSTU) was added and stirred for 15 minutes, 0.1 mL of N, N-diisopropylethylamine was added, stirred for 8 hours, and 0.89 g of poly (4 -(N- (5-carboxypentyl) pyridinium) -co-4-vinylpyridine) was added and stirred for 5 minutes. Further, 0.1 mL of N, N-diisopropylethylamine was added, and the mixture was stirred at room temperature for 24 hours. Of ethyl acetate. The precipitate is filtered and collected, added to 30 mL acetonitrile, 40 mL DOWEX® 1X4, 100 mL water is added and stirred for 36 hours to dissolve the polymer. After performing suction filtration, the solution is concentrated to 50 mL and extruded with a molecular weight 10,000 cut-off filter (Millipore) at a nitrogen pressure of 275 kPa. Further, the polymer is passed through a DOWEX (registered trademark) 1X4 column with an aqueous solvent and dialyzed in water to obtain a polymer (chloride salt) represented by the chemical formula (5).
(調製例9)
化学式(6)に示すオスミウム錯体ポリマーの合成法を記述する。6mLの1−ビニルイミダゾールに0.5gのアゾビスイソブチロニトリルを加え、アルゴン雰囲気下70℃で2時間反応をおこなう。反応溶液を空冷し、生じた沈殿物をメタノールに溶解させ、強攪拌中のアセトンに滴下し、沈殿を濾取し、ポリ−1−ビニルイミダゾールを得る。0.76gの2,2':6',2''−ターピリジン、1.42gの六塩化オスミウム酸アンモニウムを5mLのエチレングリコールに加えアルゴン雰囲気下1時間還流をおこなう。さらに、この反応用液に0.60gの4、4'ジメチル−2,2'−ビピリジンを加えさらに24時間還流、反応溶液を空冷した後、不純物を濾取、濾液を減圧留去し、化学式(5)に示す、オスミウム(2,2':6',2''−ターピリジン)(4,4'−ジメチル−2,2'−ビピリジン)クロライド塩化物塩を得る。0.38gの(2,2':6',2''−ターピリジン)(4,4'ジメチル−2、2'−ビピリジン)クロライド塩化物塩と0.2gのポリビニルイミダゾールに200mLのエタノールを加え、窒素雰囲気下3日間還流をおこない、濾液を濾過した後、強攪拌中の1Lジエチルエーテル中に滴下、生成した沈殿物を回収、乾燥し、化学式6に示すオスミウム錯体を得る。化合物の同定は、元素分析で行われる。
(Preparation Example 9)
A method for synthesizing the osmium complex polymer represented by the chemical formula (6) will be described. 0.5 g of azobisisobutyronitrile is added to 6 mL of 1-vinylimidazole, and the reaction is performed at 70 ° C. for 2 hours under an argon atmosphere. The reaction solution is air-cooled, and the resulting precipitate is dissolved in methanol and added dropwise to acetone under strong stirring, and the precipitate is collected by filtration to obtain poly-1-vinylimidazole. 0.76 g of 2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine and 1.42 g of ammonium hexachloride osmate are added to 5 mL of ethylene glycol and refluxed for 1 hour under an argon atmosphere. Further, 0.60 g of 4,4′dimethyl-2,2′-bipyridine was added to the reaction solution, and the mixture was further refluxed for 24 hours. The reaction solution was air-cooled, and impurities were collected by filtration. An osmium (2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine) (4,4′-dimethyl-2,2′-bipyridine) chloride chloride salt shown in (5) is obtained. Add 200 mL of ethanol to 0.38 g of (2,2 ′: 6 ′, 2 ″ -terpyridine) (4,4′dimethyl-2,2′-bipyridine) chloride chloride salt and 0.2 g of polyvinylimidazole. After refluxing in a nitrogen atmosphere for 3 days and filtering the filtrate, it was dropped into 1 L diethyl ether under strong stirring, and the produced precipitate was recovered and dried to obtain an osmium complex represented by
(調製例10)
FADを除去した、アポグルコースオキシダーゼの調製法について記述する。グルコースオキシダーゼ(Aspergillus niger)をグリセロールを30%含む0.25Mリン酸ナトリウム緩衝液(pH6、3mL)に溶解する。溶液を0℃に冷却し、グリセロールを30%含むpH1.1の0.025Mリン酸ナトリウム緩衝液−硫酸溶液でpH1.7に調整する。この溶液を(Sephadex(登録商標)G−25)カラムに、グリセロールを30%含む0.1Mリン酸ナトリウム溶液(pH1.7)を溶媒として通し、280nmの波長で検知しながら回収する。デキストラン被覆チャコールを溶液に加え、1Mの水酸化ナトリウム溶液を加えることで、pH7に調整、その後4℃で1時間攪拌を行う。精製した溶液を遠心分離、0.45μmのフィルタで濾過し、0.1Mリン酸ナトリウム緩衝液を用いて透析を行い、アポグルコースオキシダーゼを得る。
(調製例11)
FADを除去した、アポD−アミノ酸オキシダーゼの調製法について記述する。D−アミノ酸オキシダーゼ(ブタ腎臓)を4℃で1Mの臭化カリウム、3.0mMのエチレンジアミン四酢酸を含む、0.1Mピロリン酸緩衝液(pH8.5)に対して、4回液を交換しながら2日間透析を行いホロD−アミノ酸オキシダーゼの色が消えるのを確認する。ついで、0.1Mピロリン酸緩衝液(pH8.5)に対して3回液を交換しながら2日間透析を行うことで、臭化カリウムを除きアポD−アミノ酸オキシダーゼを得る。
(調製例12)
PQQ修飾FADの調製法について記述する。1mMの調製例4に記載のN6-(2-アミノエチル)FAD、10mMの1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミドの0.01MのHEPES緩衝液溶液(pH7.3)に、10mMのPQQを加え2時間攪拌し、限外濾過を行い過剰のPQQを除くことで、PQQ修飾FADを得る。
(調製例13)
フェロセン修飾FADの調製法について記述する。調製例12のPQQに代えて調製例5に記載のフェロセン誘導体を使用することで、フェロセン修飾FADを得る。
(調製例14)
PQQ修飾グルコースオキシダーゼの調製法について記述する。4mg/mLの調製例10に記述のアポグルコースオキシダーゼの0.1Mリン酸緩衝液(pH7.0)に0.2mg/mLの調製例12に記述のPQQ修飾FADを加え、25℃で4時間、4℃で12時間攪拌、限外濾過を行うことで過剰のPQQ修飾FADを除去し、PQQ修飾グルコースオキシダーゼを調製する。
(調製例15)
フェロセン修飾グルコースオキシダーゼの調製法について記述する。調製例14のPQQ修飾FADに代えて調製例13に記載のフェロセン誘導体を使用することで、フェロセン修飾グルコースオキシダーゼを得る。
(調製例16)
フェロセン修飾D−アミノ酸オキシダーゼの調製法について記述する。調製例15の調製例10に記述のアポグルコースオキシダーゼに代えて調製例11に記載のアポアミノ酸オキシダーゼを使用することで、フェロセン修飾D−アミノ酸オキシダーゼを得る。
(調製例17)
燃料電池に用いるカソード用酵素電極の調製法について記述する。サンプル管中で5mLの水に、10mg/mLの濃度で調製例9に記載のオスミウムポリマーを溶解させ、0.2Mのクエン酸緩衝液(pH5)1mLに加え、さらに30mg/mLのラッカーゼ(Coriolus hirsutus)水溶液1mLを加える。攪拌した後、10mg/mLのポリエチレングリコールジグリシデルエーテル水溶液2mLを加え攪拌を行う。その後、ニッケル合金の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を1cm角に切断、洗浄、UVオゾン処理を行ったものを先に用意した酵素、オスミウムポリマー溶液に浸漬し、引き上げ、デシケータ中で2日間乾燥させ、酵素電極を調製する。
(Preparation Example 10)
A method for preparing apoglucose oxidase from which FAD has been removed is described. Glucose oxidase (Aspergillus niger) is dissolved in 0.25 M sodium phosphate buffer (
(Preparation Example 11)
A method for preparing apo D-amino acid oxidase from which FAD has been removed will be described. The D-amino acid oxidase (pig kidney) was exchanged four times against 0.1 M pyrophosphate buffer (pH 8.5) containing 1 M potassium bromide and 3.0 mM ethylenediaminetetraacetic acid at 4 ° C. Then, dialysis was performed for 2 days to confirm that the color of holo D-amino acid oxidase disappeared. Subsequently, apo D-amino acid oxidase is obtained by excluding potassium bromide by dialysis for 2 days while exchanging the solution three times against 0.1 M pyrophosphate buffer (pH 8.5).
(Preparation Example 12)
A method for preparing PQQ-modified FAD is described. 1 mM N 6- (2-aminoethyl) FAD described in Preparation Example 4 in 10 mM 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide in 0.01 M HEPES buffer solution (pH 7.3) PQQ-modified FAD is obtained by adding 10 mM PQQ, stirring for 2 hours, ultrafiltration and removing excess PQQ.
(Preparation Example 13)
A method for preparing ferrocene-modified FAD is described. A ferrocene-modified FAD is obtained by using the ferrocene derivative described in Preparation Example 5 in place of PQQ in Preparation Example 12.
(Preparation Example 14)
A method for preparing PQQ-modified glucose oxidase is described. 0.2 mg / mL PQQ-modified FAD described in Preparation Example 12 was added to 0.1 mg phosphate buffer (pH 7.0) of apoglucose oxidase described in Preparation Example 10 at 4 mg / mL, and the mixture was heated at 25 ° C. for 4 hours. Excess PQQ-modified FAD is removed by stirring at 4 ° C. for 12 hours and ultrafiltration to prepare PQQ-modified glucose oxidase.
(Preparation Example 15)
A method for preparing ferrocene-modified glucose oxidase is described. Ferrocene-modified glucose oxidase is obtained by using the ferrocene derivative described in Preparation Example 13 in place of the PQQ-modified FAD of Preparation Example 14.
(Preparation Example 16)
A method for preparing ferrocene-modified D-amino acid oxidase is described. Ferrocene-modified D-amino acid oxidase is obtained by using the apoamino acid oxidase described in Preparation Example 11 in place of the apoglucose oxidase described in Preparation Example 10 of Preparation Example 15.
(Preparation Example 17)
A method for preparing an enzyme electrode for a cathode used in a fuel cell is described. In a sample tube, the osmium polymer described in Preparation Example 9 was dissolved in 5 mL of water at a concentration of 10 mg / mL, added to 1 mL of 0.2 M citrate buffer (pH 5), and further 30 mg / mL laccase (Coriolus). 1 mL of aqueous solution. After stirring, 2 mL of a 10 mg / mL aqueous solution of polyethylene glycol diglycider ether is added and stirred. Then cut nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5mm, gold plating thickness 0.5μm, pore diameter 50μm) into 1cm square. Then, after washing and UV ozone treatment, it is immersed in the previously prepared enzyme and osmium polymer solution, pulled up, and dried in a desiccator for 2 days to prepare an enzyme electrode.
次に、本発明の酵素電極の作成法について記述する。
(実施例1)
サンプル管中で0.1Mの炭酸水素ナトリウム、調製例14に記載のPQQ修飾グルコースオキシダーゼの40mg/mL水溶液1mLを調製し、7mg/mLの過ヨウ酸ナトリウム水溶液0.5mLを加え暗所で1時間攪拌する。これに10%のポリピロールの水溶液を6mL、2.5mg/mLのポリエチレングリコールジグリシデルエーテル水溶液0.4mLに、0.42gのヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムを加えたものに、金板(1cm角、厚さ0.3mm、ニラコ)を洗浄、UVオゾン処理を行ったものを浸漬し、引き上げ、デシケータ中で2日間乾燥させ、酵素電極を調製する。
(実施例2)
実施例1の10%ポリピロール溶液に代えて、10%ポリアニリン溶液を、0.42gのヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムに代えて、0.63gのオクタシアノタングステン(IV)酸カリウムをそれぞれ使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例3)
サンプル管中で0.1M炭酸水素ナトリウム、40mg/mLの調製例14に記載のPQQ修飾グルコースオキシダーゼの水溶液1mLを調製し、7mg/mLの過ヨウ酸ナトリウム水溶液0.5mLを加え暗所で1時間攪拌する。これに10mg/mLの調製例6に示すオスミウム錯体ポリマーの水溶液を6mL、2.5mg/mLのポリエチレングリコールジグリシデルエーテル0.4mLを加えたものに、金板(1cm角、厚さ0.3mm、ニラコ)を洗浄、UVオゾン処理を行ったものを浸漬し、引き上げ、デシケータ中で2日間乾燥させ、酵素電極を調製する。
(実施例4)
サンプル管中で0.1Mの炭酸水素ナトリウム、調製例14に記載のPQQ修飾グルコースオキシダーゼの40mg/mL水溶液1mLを調製し、7mg/mLの過ヨウ酸ナトリウム水溶液0.5mLを加え暗所で1時間攪拌する。これに4mg/mLの調製例6に記載のポリビニルイミダゾールの水溶液を6mL、2.5mg/mLのポリエチレングリコールジグリシデルエーテル水溶液0.4mLに、0.42gのヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムを加えたものに、金板(1cm角、厚さ0.3mm、ニラコ)を洗浄、UVオゾン処理を行ったものを浸漬し、引き上げ、デシケータ中で2日間乾燥させ、酵素電極を調製する。
(実施例5)
実施例4の0.42gのヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムに代えて、0.63gのオクタシアノタングステン(IV)酸カリウムを使用することで、酵素電極を調製する。
Next, a method for producing the enzyme electrode of the present invention will be described.
Example 1
In a sample tube, prepare 0.1 mL of sodium bicarbonate, 1 mL of 40 mg / mL aqueous solution of PQQ-modified glucose oxidase described in Preparation Example 14, add 0.5 mL of 7 mg / mL aqueous sodium periodate, and add 1 mL in the dark. Stir for hours. A metal plate (1 cm square) was prepared by adding 0.42 g of potassium hexacyanoferrate (III) to 0.4 mL of an aqueous solution of 10% polypyrrole in 6 mL and 2.5 mg / mL polyethylene glycol diglycidel ether. , Thickness 0.3 mm, Niraco) was washed, UV ozone treated was immersed, pulled up, dried in a desiccator for 2 days to prepare an enzyme electrode.
(Example 2)
Instead of the 10% polypyrrole solution of Example 1 and using 10% polyaniline solution instead of 0.42 g potassium hexacyanoferrate (III), 0.63 g potassium octacyanotungstate (IV), respectively. Then, an enzyme electrode is prepared.
(Example 3)
Prepare 1 mL of an aqueous solution of PQQ-modified glucose oxidase as described in Preparation Example 14 in 0.1 M sodium bicarbonate, 40 mg / mL in a sample tube, add 0.5 mL of 7 mg / mL sodium periodate aqueous solution and add 1 mL in the dark. Stir for hours. To this was added 6 mL of an aqueous solution of an osmium complex polymer shown in Preparation Example 6 of 10 mg / mL and 0.4 mL of 2.5 mg / mL polyethylene glycol diglycidel ether, and a metal plate (1 cm square, thickness 0.3 mm). , Nilaco), UV ozone treated, soaked, lifted and dried in a desiccator for 2 days to prepare an enzyme electrode.
Example 4
In a sample tube, prepare 0.1 mL of sodium bicarbonate, 1 mL of 40 mg / mL aqueous solution of PQQ-modified glucose oxidase described in Preparation Example 14, add 0.5 mL of 7 mg / mL aqueous sodium periodate, and add 1 mL in the dark. Stir for hours. To this, 6 mL of an aqueous solution of polyvinylimidazole described in Preparation Example 6 of 4 mg / mL, 0.4 mL of potassium hexacyanoferrate (III) was added to 0.4 mL of a 2.5 mg / mL aqueous solution of polyethylene glycol diglycider ether. A metal plate (1 cm square, thickness 0.3 mm, Nilaco) is washed and immersed in a product that has been subjected to UV ozone treatment, pulled up, and dried in a desiccator for 2 days to prepare an enzyme electrode.
(Example 5)
An enzyme electrode is prepared by using 0.63 g potassium octacyanotungstate (IV) instead of 0.42 g potassium hexacyanoferrate (III) in Example 4.
(実施例6)
実施例5のPQQ修飾グルコースオキシダーゼに代えて、調製例15に記載のフェロセン修飾グルコースオキシダーゼを使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例7)
実施例6のフェロセン修飾グルコースオキシダーゼに代えて、調製例16に記載のフェロセン修飾アミノ酸オキシダーゼを使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例8)
実施例4の調製例6に記載のポリビニルイミダゾールに代えて、ポリビニルピリジン(平均分子量15万)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例9)
実施例5の調製例6に記載のポリビニルイミダゾールの水溶液に代えて、ポリLリシン(平均分子量15万)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例10)
実施例3の調製例6に示すオスミウム錯体ポリマーに代えて、調製例7に記載の含フェロセンポリマーを使用することで、酵素電極を調製する。
(Example 6)
An enzyme electrode is prepared by using the ferrocene-modified glucose oxidase described in Preparation Example 15 in place of the PQQ-modified glucose oxidase of Example 5.
(Example 7)
An enzyme electrode is prepared by using the ferrocene-modified amino acid oxidase described in Preparation Example 16 in place of the ferrocene-modified glucose oxidase of Example 6.
(Example 8)
An enzyme electrode is prepared by using polyvinyl pyridine (average molecular weight 150,000) instead of polyvinyl imidazole described in Preparation Example 6 of Example 4.
Example 9
An enzyme electrode is prepared by using poly-L-lysine (average molecular weight 150,000) instead of the aqueous solution of polyvinyl imidazole described in Preparation Example 6 of Example 5.
(Example 10)
An enzyme electrode is prepared by using the ferrocene-containing polymer described in Preparation Example 7 in place of the osmium complex polymer shown in Preparation Example 6 of Example 3.
(実施例11)
実施例1の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例12)
実施例2の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例13)
実施例3の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例14)
実施例4の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例15)
実施例5の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(Example 11)
Instead of the gold plate of Example 1, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Example 12)
Instead of the gold plate of Example 2, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Example 13)
Instead of the gold plate of Example 3, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Example 14)
Instead of the gold plate of Example 4, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Example 15)
Instead of the gold plate of Example 5, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(実施例16)
実施例6の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例17)
実施例7の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例18)
実施例8の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例19)
実施例9の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例20)
実施例10の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(Example 16)
Instead of the gold plate of Example 6, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Example 17)
Instead of the gold plate of Example 7, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Example 18)
Instead of the gold plate of Example 8, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Example 19)
Instead of the gold plate of Example 9, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Example 20)
Instead of the gold plate of Example 10, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(実施例21)
実施例3の金板に代えて、調製例1に記載の、ポリ(3、4−エチレンジオキシチオフェン)電極の空隙を有する導電性部材を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例22)
実施例3の金板に代えて、調製例2に記載のITO導電性部材を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例23)
実施例3の金板に代えて、フッ素ドープ酸化スズの透明導電性ガラス(旭硝子、8Ω/sq)を使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例24)
実施例3の金板に代えて、調製例3に示すグラファイトの空隙を有する導電性部材を使用することで、酵素電極を調製する。
(Example 21)
Instead of the metal plate of Example 3, an enzyme electrode is prepared by using a conductive member having a void of a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) electrode described in Preparation Example 1.
(Example 22)
An enzyme electrode is prepared by using the ITO conductive member described in Preparation Example 2 in place of the metal plate of Example 3.
(Example 23)
Instead of the gold plate of Example 3, an enzyme electrode is prepared by using a transparent conductive glass (Asahi Glass, 8Ω / sq) of fluorine-doped tin oxide.
(Example 24)
An enzyme electrode is prepared by using the conductive member having the graphite voids shown in Preparation Example 3 instead of the metal plate of Example 3.
(比較例1)
金板(1cm角、厚さ0.3mm、ニラコ)を、洗浄、UVオゾン処理を行ったものを0.02Mのシスタミン水溶液に2時間浸漬し、引き上げ、水洗をおこないシスタミン修飾部材を調製する。3mMのPQQ、10mMの1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミドの0.01MのHEPES緩衝液溶液に、1時間浸漬し、水洗することでPQQ修飾を行う。1mMの調製例4に記載のN6-(2-アミノエチル)FAD、10mMの1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミドの0.01MのHEPES緩衝液溶液(pH7.3)に、先のPQQ修飾電極を2時間浸漬し、水洗することでFAD修飾を行う。さらに4mg/mLの調製例10に記述のアポグルコースオキシダーゼの0.1Mリン酸緩衝液(pH7.0)に25℃で4時間、4℃で12時間浸漬、引き上げ、リン酸緩衝液(pH7.0)中で一時間浸漬することで、酵素電極を調製する。
(比較例2)
実施例1の酵素溶液から、ヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムを除いて酵素電極を調製する。
(比較例3)
実施例1の調製例14に記載のPQQ修飾グルコースオキシダーゼに代えて、グルコースオキシダーゼ(Aspergillus niger)を使用することで酵素電極を調製する。
(比較例4)
比較例2の10%ポリピロール溶液に代えて、10%ポリアニリン溶液を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例5)
比較例3の10%ポリピロール溶液に代えて、10%ポリアニリン溶液を、0.42gのヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムに代えて、0.63gのオクタシアノタングステン(IV)酸カリウムをそれぞれ使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例6)
実施例4の酵素溶液から、ヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムを除いて酵素電極を調製する。
(比較例7)
実施例3の調製例14に記載のPQQ修飾グルコースオキシダーゼに代えて、グルコースオキシダーゼ(Aspergillus niger)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例8)
実施例4の調製例14に記載のPQQ修飾グルコースオキシダーゼに代えて、グルコースオキシダーゼ(Aspergillus niger)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例9)
実施例5の調製例14に記載のPQQ修飾グルコースオキシダーゼに代えて、グルコースオキシダーゼ(Aspergillus niger)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例10)
実施例6の酵素溶液から、オクタシアノタングステン(IV)酸カリウムを除いて酵素電極を調製する。
(Comparative Example 1)
A metal plate (1 cm square, 0.3 mm thick, Niraco), which has been washed and UV ozone treated, is immersed in a 0.02 M cystamine aqueous solution for 2 hours, pulled up and washed with water to prepare a cystamine modifying member. PQQ modification is performed by immersing in 0.01 M HEPES buffer solution of 3 mM PQQ, 10 mM 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide for 1 hour and washing with water. 1 mM N 6- (2-aminoethyl) FAD described in Preparation Example 4 in 10 mM 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide in 0.01 M HEPES buffer solution (pH 7.3) The previous PQQ-modified electrode is immersed for 2 hours and washed with water to perform FAD modification. Furthermore, it was immersed in a 0.1 M phosphate buffer solution (pH 7.0) of apoglucose oxidase described in Preparation Example 10 at 4 mg / mL for 4 hours at 25 ° C. and then pulled up for 12 hours at 4 ° C. 0) Prepare an enzyme electrode by immersing in 1 hour.
(Comparative Example 2)
An enzyme electrode is prepared by removing potassium hexacyanoferrate (III) from the enzyme solution of Example 1.
(Comparative Example 3)
An enzyme electrode is prepared by using glucose oxidase (Aspergillus niger) instead of the PQQ-modified glucose oxidase described in Preparation Example 14 of Example 1.
(Comparative Example 4)
An enzyme electrode is prepared by using a 10% polyaniline solution instead of the 10% polypyrrole solution of Comparative Example 2.
(Comparative Example 5)
Instead of the 10% polypyrrole solution of Comparative Example 3, 10% polyaniline solution is used instead of 0.42 g potassium hexacyanoferrate (III) and 0.63 g potassium octacyanotungsten (IV) is used. Then, an enzyme electrode is prepared.
(Comparative Example 6)
An enzyme electrode is prepared by removing potassium hexacyanoferrate (III) from the enzyme solution of Example 4.
(Comparative Example 7)
An enzyme electrode is prepared by using glucose oxidase (Aspergillus niger) instead of the PQQ-modified glucose oxidase described in Preparation Example 14 of Example 3.
(Comparative Example 8)
An enzyme electrode is prepared by using glucose oxidase (Aspergillus niger) instead of PQQ-modified glucose oxidase described in Preparation Example 14 of Example 4.
(Comparative Example 9)
An enzyme electrode is prepared by using glucose oxidase (Aspergillus niger) instead of PQQ-modified glucose oxidase described in Preparation Example 14 of Example 5.
(Comparative Example 10)
An enzyme electrode is prepared by removing potassium octacyanotungsten (IV) from the enzyme solution of Example 6.
(比較例11)
実施例7の酵素溶液から、オクタシアノタングステン(IV)酸カリウムを除いて酵素電極を調製する。
(比較例12)
実施例7の調製例16に記載のフェロセン修飾アミノ酸オキシダーゼに代えて、D−アミノ酸オキシダーゼ(ブタ腎臓)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例13)
実施例3の調製例6に記載のオスミウム錯体ポリマーに代えて、調製例8のオスミウム錯体ポリマーを使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例14)
実施例4のヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムに代えて、ヘキサシアノマンガン(III)酸カリウムを使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例15)
比較例13の調製例14に記載のPQQ修飾グルコースオキシダーゼに代えて、調製例15に記載のフェロセン修飾グルコースオキシダーゼを使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例16)
実施例6のオクタシアノタングステン(IV)酸カリウムに代えて、ヘキサシアノマンガン(III)酸カリウムを使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例17)
比較例6の調製例6に記載のポリビニルイミダゾールに代えて、ポリビニルピリジン(平均分子量15万)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例18)
比較例8の調製例6に記載のポリビニルイミダゾールに代えて、ポリビニルピリジン(平均分子量15万)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例19)
実施例9の酵素溶液から、オクタシアノタングステン(IV)酸カリウムを除いて酵素電極を調製する。
(比較例20)
実施例9の調製例14に記載のPQQ修飾グルコースオキシダーゼに代えて、グルコースオキシダーゼ(Aspergillus niger)を使用することで、酵素電極を調製する。
(Comparative Example 11)
An enzyme electrode is prepared by removing potassium octacyanotungstate (IV) from the enzyme solution of Example 7.
(Comparative Example 12)
An enzyme electrode is prepared by using D-amino acid oxidase (pig kidney) instead of the ferrocene-modified amino acid oxidase described in Preparation Example 16 of Example 7.
(Comparative Example 13)
An enzyme electrode is prepared by using the osmium complex polymer of Preparation Example 8 instead of the osmium complex polymer described in Preparation Example 6 of Example 3.
(Comparative Example 14)
An enzyme electrode is prepared by using potassium hexacyanomanganate (III) instead of potassium hexacyanoferrate (III) in Example 4.
(Comparative Example 15)
An enzyme electrode is prepared by using the ferrocene-modified glucose oxidase described in Preparation Example 15 instead of the PQQ-modified glucose oxidase described in Preparation Example 14 of Comparative Example 13.
(Comparative Example 16)
An enzyme electrode is prepared by using potassium hexacyanomanganese (III) instead of potassium octacyanotungsten (IV) in Example 6.
(Comparative Example 17)
An enzyme electrode is prepared by using polyvinyl pyridine (average molecular weight 150,000) instead of polyvinyl imidazole described in Preparation Example 6 of Comparative Example 6.
(Comparative Example 18)
An enzyme electrode is prepared by using polyvinyl pyridine (average molecular weight 150,000) instead of polyvinyl imidazole described in Preparation Example 6 of Comparative Example 8.
(Comparative Example 19)
An enzyme electrode is prepared by removing potassium octacyanotungsten (IV) from the enzyme solution of Example 9.
(Comparative Example 20)
An enzyme electrode is prepared by using glucose oxidase (Aspergillus niger) instead of the PQQ-modified glucose oxidase described in Preparation Example 14 of Example 9.
(比較例21)
実施例10の調製例14に記載のPQQ修飾グルコースオキシダーゼに代えて、グルコースオキシダーゼ(Aspergillus niger)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例22)
比較例2の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例23)
比較例3の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例24)
比較例4の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例25)
比較例5の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例26)
比較例6の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例27)
比較例7の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例28)
比較例8の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例29)
比較例9の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例30)
比較例10の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(Comparative Example 21)
An enzyme electrode is prepared by using glucose oxidase (Aspergillus niger) instead of PQQ-modified glucose oxidase described in Preparation Example 14 of Example 10.
(Comparative Example 22)
Instead of the gold plate of Comparative Example 2, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 23)
Instead of the gold plate of Comparative Example 3, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 24)
Instead of the gold plate of Comparative Example 4, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 25)
Instead of the gold plate of Comparative Example 5, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 26)
Instead of the gold plate of Comparative Example 6, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 27)
Instead of the gold plate of Comparative Example 7, foam metal made of nickel alloy (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 28)
In place of the gold plate of Comparative Example 8, foam metal made of nickel alloy (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 29)
Instead of the gold plate of Comparative Example 9, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 30)
Instead of the gold plate of Comparative Example 10, a metal foam made of nickel alloy (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(比較例31)
比較例11の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例32)
比較例12の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例33)
比較例13の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例34)
比較例14の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例35)
比較例15の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例36)
比較例16の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例37)
比較例17の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例38)
比較例18の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例39)
比較例19の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例40)
比較例20の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(Comparative Example 31)
Instead of the gold plate of Comparative Example 11, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 32)
Instead of the gold plate of Comparative Example 12, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 33)
Instead of the gold plate of Comparative Example 13, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 34)
Instead of the gold plate of Comparative Example 14, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 35)
Instead of the gold plate of Comparative Example 15, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 36)
Instead of the gold plate of Comparative Example 16, foam metal made of nickel alloy (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 37)
Instead of the gold plate of Comparative Example 17, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 38)
In place of the gold plate of Comparative Example 18, foam metal made of nickel alloy (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 39)
Instead of the gold plate of Comparative Example 19, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 40)
Instead of the gold plate of Comparative Example 20, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(比較例41)
比較例21の金板に代えて、ニッケル合金製の発泡金属(三菱マテリアル、含有元素Ni、Cr、Ti、Nb、Al、Mn、Si、C、厚み0.5mm、金めっき厚0.5μm、空孔径50μm)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例42)
実施例6の金板に代えて、調製例1に記載の、ポリ(3、4−エチレンジオキシチオフェン)電極の空隙を有する導電性部材を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例43)
実施例7の金板に代えて、調製例1に記載の、ポリ(3、4−エチレンジオキシチオフェン)電極の空隙を有する導電性部材を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例44)
実施例6の金板に代えて、調製例2に記載のITO導電性部材を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例45)
実施例7の金板に代えて、調製例2に記載のITO導電性部材を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例46)
実施例6の金板に代えて、フッ素ドープ酸化スズの透明導電性ガラス(旭硝子、8Ω/sq)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例47)
実施例7の金板に代えて、フッ素ドープ酸化スズの透明導電性ガラス(旭硝子、8Ω/sq)を使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例48)
実施例6の金板に代えて、調製例3に示すグラファイトの空隙を有する導電性部材使用することで、酵素電極を調製する。
(比較例49)
実施例7の金板に代えて、調製例3に示すグラファイトの空隙を有する導電性部材使用することで、酵素電極を調製する。
(実施例25)
実施例1から24、比較例1から49に記載の酵素電極を使用して、センサを作成する。酵素電極にリードを取り付けたものを作用電極に、銀塩化銀電極を参照電極に、白金線を対極とした三極セル(図6)を使用し、電解質として、グルコースオキシダーゼを使用する酵素電極では、15mMのグルコース、0.1MのNaClを含む20mMのリン酸緩衝液(pH7.2)を使用、一方、D−アミノ酸オキシダーゼを使用する酵素電極では、15mMのD−アラニンを含む0.1Mのピロリン酸緩衝液(pH8.5)を使用する。測定は、それぞれの電極を、ポテンショスタット(東方技研、モデル2000)に接続し、窒素雰囲気下、作用電極に0.5V(vsAg/AgCl)の電位を印加した際の定常電流を記録する。容器には、ウォータージャケットセルを使用し、測定温度は、恒温槽によって37℃にたもたれる。結果を表1に示す。
(Comparative Example 41)
Instead of the gold plate of Comparative Example 21, a nickel alloy foam metal (Mitsubishi Materials, containing elements Ni, Cr, Ti, Nb, Al, Mn, Si, C, thickness 0.5 mm, gold plating thickness 0.5 μm, An enzyme electrode is prepared by using a pore diameter of 50 μm).
(Comparative Example 42)
Instead of the gold plate of Example 6, an enzyme electrode is prepared by using a conductive member having a gap of a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) electrode described in Preparation Example 1.
(Comparative Example 43)
Instead of the metal plate of Example 7, an enzyme electrode is prepared by using a conductive member having a gap of a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) electrode described in Preparation Example 1.
(Comparative Example 44)
An enzyme electrode is prepared by using the ITO conductive member described in Preparation Example 2 instead of the metal plate of Example 6.
(Comparative Example 45)
An enzyme electrode is prepared by using the ITO conductive member described in Preparation Example 2 instead of the metal plate of Example 7.
(Comparative Example 46)
An enzyme electrode is prepared by using a fluorine-doped tin oxide transparent conductive glass (Asahi Glass, 8 Ω / sq) instead of the gold plate of Example 6.
(Comparative Example 47)
An enzyme electrode is prepared by using a fluorine-doped tin oxide transparent conductive glass (Asahi Glass, 8 Ω / sq) instead of the metal plate of Example 7.
(Comparative Example 48)
An enzyme electrode is prepared by using a conductive member having a graphite gap shown in Preparation Example 3 instead of the metal plate of Example 6.
(Comparative Example 49)
An enzyme electrode is prepared by using a conductive member having a graphite gap shown in Preparation Example 3 instead of the metal plate of Example 7.
(Example 25)
Sensors are prepared using the enzyme electrodes described in Examples 1 to 24 and Comparative Examples 1 to 49. An enzyme electrode with a lead attached to an enzyme electrode is used as a working electrode, a silver-silver chloride electrode as a reference electrode, a platinum electrode as a counter electrode (FIG. 6), and an enzyme electrode using glucose oxidase as an electrolyte. 15 mM glucose, 20 mM phosphate buffer (pH 7.2) containing 0.1 M NaCl, while the enzyme electrode using D-amino acid oxidase is 0.1 M containing 15 mM D-alanine. Use pyrophosphate buffer (pH 8.5). In the measurement, each electrode is connected to a potentiostat (Toho Giken, Model 2000), and a steady current when a potential of 0.5 V (vsAg / AgCl) is applied to the working electrode in a nitrogen atmosphere is recorded. A water jacket cell is used for the container, and the measurement temperature is maintained at 37 ° C. by a thermostatic bath. The results are shown in Table 1.
実施例1から24に記載の、酵素と電子の受け渡しを行うための第1のメディエータと、第1のメディエータと電子の受け渡しを行うための第2のメディエータを用いた酵素電極を用いたセンサは、いずれも対応する導電性部材、担体、酵素を用いた酵素電極よりも高い電流密度を示す。これは、第1のメディエータの導入により、酵素/メディエータ間の電子移動速度が向上し、かつ、包括固定化を行うことにより導電性部材に固定化された酵素の密度が向上したためであると考えられる。一方、比較例13−16の酵素電極で使用した、第2のメディエータの酸化還元電位は、文献値よりそれぞれ、−0.19V(vsAg/AgCl、実施例13,15)、−1.02V(vsAg/AgCl、実施例14,16)であり、それぞれ対応する第1のメディエータの電位(最も負のものでー0.14VvsAg/AgCl)よりも負に位置するため、メディエータ1/メディエータ2間の電子移動が行われず、低い電流密度を示すものと考えられる。このことから、酵素と電子の受け渡しを行うための第1のメディエータと、第1のメディエータと電子の受け渡しを行うための第2のメディエータを用いた酵素電極の導入により、センサを高感度化可能なことが確認される。
A sensor using an enzyme electrode described in Examples 1 to 24 using a first mediator for exchanging electrons with an enzyme and a second mediator for exchanging electrons with the first mediator. These show higher current densities than the corresponding conductive members, carriers, and enzyme electrodes using enzymes. This is thought to be because the introduction of the first mediator has improved the electron transfer rate between the enzyme and the mediator, and the density of the enzyme immobilized on the conductive member has been improved by performing the comprehensive immobilization. It is done. On the other hand, the redox potential of the second mediator used in the enzyme electrode of Comparative Example 13-16 was −0.19 V (vsAg / AgCl, Examples 13 and 15) and −1.02 V (from the literature values, respectively). vsAg / AgCl, Examples 14 and 16), which are positioned more negative than the potential of the corresponding first mediator (the most negative -0.14 V vsAg / AgCl), so between
(実施例26)
実施例1から24、比較例1から49に記載の酵素電極を使用して、燃料電池を作成する。酵素電極にリードを取り付けたものを作用電極に、調製例17に記載の酵素電極を対極とし、両電極間に多孔質ポリプロピレンフィルム(厚さ20μm)を挟んだ二極セル構成(図7)で、電解質として、0.2Mクエン酸緩衝液(pH5.0)を用い、アノード燃料として、グルコースオキシダーゼを使用する酵素電極を用いるセルでは、15mMのグルコースを、D−アミノ酸オキシダーゼを使用する酵素電極を用いるセルでは、15mMのD−アラニン、カソード燃料として、飽和の酸素を用いて測定を行う。測定は、それぞれの電極を、ポテンショスタット(東方技研、モデル2000)に接続し、−1.2Vから0.1Vまで1mV/秒の速度で電圧を変化させ、電圧−電流特性を測定する。容器には、ウォータージャケットセルを使用し、測定温度は、恒温槽によって37℃にたもたれる。結果を表2に示す。
(Example 26)
Fuel cells are prepared using the enzyme electrodes described in Examples 1 to 24 and Comparative Examples 1 to 49. A bipolar cell configuration (FIG. 7) in which a lead is attached to an enzyme electrode as a working electrode, the enzyme electrode described in Preparation Example 17 as a counter electrode, and a porous polypropylene film (
実施例1から24に記載の酵素と電子の受け渡しを行うための第1のメディエータと、第1のメディエータと電子の受け渡しを行うための第2のメディエータを用いた酵素電極を用いた燃料電池は、いずれも対応する導電性部材、担体、酵素を用いた酵素電極よりも高い短絡電流密度を示す。これは、第1のメディエータの導入により、酵素/メディエータ間の電子移動速度が向上し、かつ、包括固定化を行うことにより導電性部材に固定化された酵素の密度が向上したためであると考えられる。一方、比較例13−16の酵素電極で使用した、第2のメディエータの酸化還元電位は、文献値よりそれぞれ、−0.19V(vsAg/AgCl、比較例13,15)、−1.02V(vsAg/AgCl、比較例14,16)であり、それぞれ対応するメディエータの電位(最も負のものでー0.14VvsAg/AgCl)よりも負に位置するため、メディエータ1/メディエータ2間の電子移動が行われず、低い電流密度を示すものと考えられる。最大出力に関しては、複数種のメディエータを使用することで、電圧のロスが生じるため、一部の実施例に記載の酵素電極を用いた燃料電池においては、対応する導電性部材、担体、酵素を用いた比較例に記載の酵素電極を用いた燃料電池よりも低い出力を示すものもある。しかし、全体的には、実施例に記載の酵素電極を用いた燃料電池においては、対応する導電性部材、担体、酵素を用いた比較例に記載の酵素電極を用いた燃料電池よりも高い出力を示し、このことから、酵素と電子の受け渡しを行うための第1のメディエータと、第1のメディエータと電子の受け渡しを行うための第2のメディエータを用いたの導入により、燃料電池を高出力化可能なことが確認される。
A fuel cell using an enzyme electrode using a first mediator for delivering electrons to and from the enzymes described in Examples 1 to 24, and a second mediator for delivering electrons to and from the first mediator, These show higher short-circuit current densities than the corresponding conductive members, carriers, and enzyme electrodes using enzymes. This is thought to be because the introduction of the first mediator has improved the electron transfer rate between the enzyme and the mediator, and the density of the enzyme immobilized on the conductive member has been improved by performing the comprehensive immobilization. It is done. On the other hand, the redox potential of the second mediator used in the enzyme electrode of Comparative Example 13-16 was −0.19 V (vsAg / AgCl, Comparative Examples 13 and 15) and −1.02 V (from the literature values, respectively). vsAg / AgCl, Comparative Examples 14 and 16), which are located more negative than the corresponding mediator potential (the most negative -0.14 V vsAg / AgCl), so that the electron transfer between
(実施例27)
実施例1から24、比較例1から49に記載の酵素電極を使用して、電気化学反応装置を作成する.酵素電極を作用電極に、銀塩化銀電極を参照電極に、白金線を対極とした三極セル(図6)を使用し、0.1MNaCl、20mMリン酸緩衝液(pH7.2)、10mMのグルコース、10mMのD−アラニンを含む電解液を使用し、ウォータージャケットセル中窒素雰囲気下0.4VvsAg/AgClの電位を100分間印加し、生成物を高速液体クロマトグラフィーで定量する。結果を表3に示す。
(Example 27)
Electrochemical reaction apparatuses are prepared using the enzyme electrodes described in Examples 1 to 24 and Comparative Examples 1 to 49. Using a triode cell (FIG. 6) with an enzyme electrode as a working electrode, a silver-silver chloride electrode as a reference electrode, and a platinum wire as a counter electrode, 0.1 M NaCl, 20 mM phosphate buffer (pH 7.2), 10 mM An electrolytic solution containing glucose, 10 mM D-alanine is used, and a potential of 0.4 V vs Ag / AgCl is applied for 100 minutes in a water jacket cell under a nitrogen atmosphere, and the product is quantified by high performance liquid chromatography. The results are shown in Table 3.
反応電解液からは、比較例13−16の酵素電極を使用した電気化学反応装置を除き、グルコースを基質とする酵素を使用する酵素電極を用いた反応装置の反応液からは、グルコノラクトンが検出され、ピルビン酸は検出されず、D−アラニンを基質とする酵素を使用する酵素電極を用いた反応装置の反応液からはピルビン酸が検出され、グルコノラクトンは検出されず、いずれの酵素電極を用いた反応装置においても、基質選択的に反応が進行していることがわかる。一方、比較例13−16で使用した、第2のメディエータの酸化還元電位は、文献値よりそれぞれ、−0.19V(vsAg/AgCl、比較例13,15)、−1.02V(vsAg/AgCl、比較例14,16)であり、それぞれ対応するメディエータの電位(最も負のものでー0.14VvsAg/AgCl)よりも負に位置するため、メディエータ1/2間の電子移動が行われず、低い電荷量を示すものと考えられる。このことから、酵素と電子の受け渡しを行うための第1のメディエータと、第1のメディエータと電子の受け渡しを行うための第2のメディエータを用いたの導入により、電気化学反応装置における反応を高速化を高感度化可能なことが確認される。 From the reaction electrolyte, the electrochemical reaction apparatus using the enzyme electrode of Comparative Examples 13-16 was excluded, and gluconolactone was found from the reaction liquid of the reaction apparatus using the enzyme electrode using an enzyme with glucose as a substrate. No pyruvate is detected, no pyruvate is detected, no gluconolactone is detected from the reaction solution of the reaction apparatus using an enzyme electrode using an enzyme with D-alanine as a substrate, and any enzyme It can be seen that also in the reaction apparatus using electrodes, the reaction proceeds in a selective manner with respect to the substrate. On the other hand, the redox potential of the second mediator used in Comparative Examples 13-16 was −0.19 V (vsAg / AgCl, Comparative Examples 13 and 15) and −1.02 V (vsAg / AgCl, respectively) from literature values. Comparative Examples 14 and 16), which are positioned more negative than the potential of the corresponding mediator (the most negative one is −0.14 V vs Ag / AgCl), the electron transfer between the mediators ½ is not performed and is low It is considered to indicate the amount of charge. Therefore, the introduction of the first mediator for exchanging electrons with the enzyme and the second mediator for exchanging electrons with the first mediator makes it possible to accelerate the reaction in the electrochemical reaction apparatus. It is confirmed that the sensitivity can be increased.
1 酵素
2 メディエータ
3 担体
4 導電性部材
5 電荷の流れ
6 メディエータ
7 担体
8 第1のメディエータ
9 第2のメディエータ
10 電子の流れ
11 電位(矢印の向きが負)
12 ウォータージャケットセル
13 ウォータージャケットセルのフタ
14 電解液
15 アノード(陽極、負極)
16 白金線電極
17 銀塩化銀参照電極
18 アノードリード
19 カソードリード
20 参照電極リード
21 ポテンショスタット
22 ガス吹込口
23 ガスチューブ
24 温調水流入口
25 温調水排出口
26 多孔質ポリプロピレンフィルム
27 カソード
801 電解質層
802 空孔
803 導電性部材
804 支持基板
1
12
16
Claims (11)
前記第1のメディエータと前記第2のメディエータとが担体によって、前記導電性部材に固定化されており、且つ前記第1のメディエータと前記第2のメディエータとは、互いに酸化還元電位が異なることを特徴とする酵素電極。 An enzyme electrode having a conductive member, an enzyme, and first and second mediators,
The first mediator and the second mediator are fixed to the conductive member by a carrier, and the first mediator and the second mediator have different redox potentials. Characteristic enzyme electrode.
との間の電子移動反応速度よりも速いことを特徴とする請求項1記載の酵素電極。 The redox potential of the first mediator is on the negative potential side of the redox potential of the second mediator, and the electron transfer reaction rate between the second mediator and the conductive member is The enzyme electrode according to claim 1, wherein the enzyme electrode has a faster electron transfer reaction rate between the first mediator and the conductive member.
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