JP2007280944A - Enzyme immobilization electrode and its manufacturing method, fuel cell and its manufacturing method, electronic apparatus, and manufacturing method of electrode reaction utilization apparatus - Google Patents

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Takaaki Nakagawa
貴晶 中川
Tsukasa Hatakeyama
士 畠山
Atsushi Sato
敦 佐藤
Hideki Sakai
秀樹 酒井
Takashi Tomita
尚 富田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method capable of sufficiently utilizing an effective surface area of an electrode and obtaining a highly efficient enzyme immobilization electrode by easily penetrating and immobilizing an enzyme in an inside of the electrode with a complicated structure. <P>SOLUTION: When the enzyme is immobilized in the electrode with the complicated structure such as a porus carbon electrode, an organic solvent such as ethanol is contained in a solution used in immobilizing the enzyme in the electrode. The enzyme immobilization electrode manufactured as described above is used for a cathode electrode 22 or the like of a biofuel cell. In other case, the organic solvent is contained in fuel. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、酵素固定化電極およびその製造方法ならびに燃料電池およびその製造方法ならびに電子機器ならびに電極反応利用装置の製造方法に関し、特に、酵素を用いたバイオ燃料電池、このバイオ燃料電池を電源に用いる各種の機器、装置、システムなど、さらにはバイオセンサー、バイオリアクターなどに適用して好適なものである。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to an enzyme-immobilized electrode, a method for producing the same, a fuel cell, a method for producing the same, an electronic device, and a method for producing an electrode reaction utilization device, and in particular, a biofuel cell using an enzyme, and the biofuel cell It is suitable for application to various devices, devices, systems, and the like, as well as biosensors and bioreactors.

生物内で行われている生体代謝は基質選択性が高く、極めて高効率な反応機構であり、室温・中性の比較的穏やかな雰囲気下で反応が進行する特徴を持つ。ここで言う生体代謝には、酸素や糖類・脂肪・タンパク質などの種々の栄養素を、微生物や細胞の成長に必要なエネルギーに変換する呼吸や光合成などが含まれる。   Biological metabolism carried out in living organisms has a high substrate selectivity, is an extremely efficient reaction mechanism, and has a feature that the reaction proceeds in a relatively mild atmosphere at room temperature and neutrality. The biological metabolism mentioned here includes respiration and photosynthesis that convert various nutrients such as oxygen, sugars, fats, and proteins into energy necessary for the growth of microorganisms and cells.

このような生体内反応には、タンパク質からなる生体触媒、すなわち酵素が大きく関与している。この酵素の触媒作用を利用するという考え方は、人類の歴史とともに古くから実践されてきた。特に、酵素を固定化して使用するという考え方および手法は古くから検討されており、酵素を高密度で固定化することにより、少ない酵素量で高い触媒性能を示し、かつ特異性の高い酵素を一般の化学反応に用いられているような固体触媒と同様に取り扱うことができ、酵素の利用方法として非常に有用である。その応用範囲は醸造業、発酵業、繊維工業、皮革工業、食品工業、医薬品工業など多種にわたり、近年では、その触媒機能を電極系に組み込んだバイオセンサー、バイオリアクター、バイオ燃料電池など、エレクトロニクス分野への応用も検討・実用化されてきている(例えば、特許文献1〜4参照。)。   In such in vivo reactions, biocatalysts consisting of proteins, that is, enzymes, are greatly involved. The idea of utilizing the catalytic action of this enzyme has been practiced for a long time with the history of mankind. In particular, the concept and method of immobilizing an enzyme has been studied for a long time. By immobilizing an enzyme at a high density, an enzyme having high catalytic performance with a small amount of enzyme and a high specificity is generally used. It can be handled in the same manner as a solid catalyst used in the chemical reaction of, and is very useful as an enzyme utilization method. The range of applications covers a wide range of industries such as brewing, fermentation, textile industry, leather industry, food industry, and pharmaceutical industry. Application to the above has been studied and put into practical use (for example, see Patent Documents 1 to 4).

酵素を電極系に応用する場合にも同様なことが言え、電極上に酵素を高密度で固定化することにより、電極近傍で起こっている酵素反応現象を効率良く電気信号として捉えることが可能となる。ちなみに、電極系を検討する場合、タンパク質である酵素と電極との間では、一般的に、電子媒介が起こり難く、電子伝達媒体となる電子メディエーター(電子受容体化合物)が必要となるが、この電子メディエーターも酵素と同様に固定化されるのが望ましい。   The same can be said for the application of enzymes to electrode systems. By immobilizing enzymes on electrodes at high density, it is possible to efficiently capture enzyme reaction phenomena occurring near the electrodes as electrical signals. Become. By the way, when examining an electrode system, electron mediation is generally difficult between an enzyme, which is a protein, and an electrode, and an electron mediator (electron acceptor compound) that is an electron transfer medium is required. The electron mediator is preferably immobilized in the same manner as the enzyme.

特開2000−133297号公報JP 2000-133297 A 特開2003−282124号公報JP 2003-282124 A 特開2004−71559号公報JP 2004-71559 A 特開2005−13210号公報JP 2005-13210 A

しかしながら、本発明者らの検討によれば、複雑な構造を有し、有効表面積が大きい電極(例えば、ポーラスカーボン電極、カーボンペレット電極、カーボンフェルト電極、カーボンペーパー電極など)や撥水性の高い電極では、酵素や電子メディエーターが電極内部まで浸透しないためにこれらを電極内部の表面に固定化することが困難であり、電極の有効表面積を十分に利用することができなかった。そして、バイオ燃料電池においては、上記のような複雑な構造を有する電極をカソード電極またはアノード電極に用いた場合、これらの電極の有効表面積を反映する電流値を得ることが難しかった。   However, according to the study by the present inventors, an electrode having a complicated structure and a large effective surface area (for example, a porous carbon electrode, a carbon pellet electrode, a carbon felt electrode, a carbon paper electrode, etc.) or a highly water-repellent electrode However, since enzymes and electron mediators do not penetrate into the electrode, it is difficult to immobilize them on the surface inside the electrode, and the effective surface area of the electrode cannot be fully utilized. In biofuel cells, when an electrode having a complicated structure as described above is used as a cathode electrode or an anode electrode, it is difficult to obtain a current value that reflects the effective surface area of these electrodes.

そこで、この発明が解決しようとする課題は、例えばポーラスカーボン電極などの複雑な構造を有する電極の内部に酵素や電子メディエーターを容易に浸透させて固定化することができ、電極の有効表面積を十分に利用することができ、高効率の酵素固定化電極の製造方法およびこの方法により製造される高効率の酵素固定化電極ならびにこの酵素固定化電極を用いた燃料電池の製造方法およびこの方法により製造される高効率の燃料電池ならびにこの酵素固定化電極を用いた高効率の電極反応利用装置の製造方法を提供することである。
上記課題および他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
Therefore, the problem to be solved by the present invention is that, for example, an enzyme or an electron mediator can be easily infiltrated and immobilized in an electrode having a complicated structure such as a porous carbon electrode, and the effective surface area of the electrode is sufficiently increased. A highly efficient enzyme-immobilized electrode manufacturing method, a high-efficiency enzyme-immobilized electrode manufactured by this method, a fuel cell manufacturing method using this enzyme-immobilized electrode, and a method manufactured by this method And a method for producing a highly efficient electrode reaction utilizing apparatus using the enzyme-immobilized electrode.
The above and other problems will become apparent from the following description of the present specification with reference to the accompanying drawings.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、ポーラスカーボン電極などの複雑な構造を有する電極に酵素を固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を加えることにより、酵素の活性を損なうことなく、酵素を電極内部に容易に浸透させて電極内部の表面に三次元的に高密度に固定化することができることを見出した。また、燃料電池においては、燃料に有機溶媒を含ませることにより、同様な効果を得ることができることを見出した。
この発明は、本発明者らが得た上記の知見に基づいて案出されたものである。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have added an organic solvent to a solution used when immobilizing an enzyme on an electrode having a complicated structure such as a porous carbon electrode, thereby It was found that the enzyme can easily penetrate into the electrode and can be immobilized on the surface inside the electrode at a high density in a three-dimensional manner without impairing the activity. Moreover, in the fuel cell, it discovered that the same effect could be acquired by including the organic solvent in a fuel.
This invention has been devised based on the above knowledge obtained by the present inventors.

すなわち、上記課題を解決するために、第1の発明は、
電極に酵素が固定化された酵素固定化電極の製造方法であって、
上記酵素を上記電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませるようにした
ことを特徴とするものである。
第2の発明は、
電極に酵素が固定化された酵素固定化電極であって、
上記酵素を上記電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませたものを用いて製造される
ことを特徴とするものである。
That is, in order to solve the above problem, the first invention
A method for producing an enzyme-immobilized electrode in which an enzyme is immobilized on the electrode,
An organic solvent is contained in the solution used when the enzyme is immobilized on the electrode.
The second invention is
An enzyme-immobilized electrode in which an enzyme is immobilized on the electrode,
It is produced using a solution in which an organic solvent is included in a solution used when the enzyme is immobilized on the electrode.

第1および第2の発明において、酵素固定化電極においては、例えば、ポーラスカーボン電極、カーボンペレット電極、カーボンフェルト電極、カーボンペーパー電極などのカーボン系材料からなる電極や撥水性の高い電極などに酵素が固定化され、好適には酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。酵素は例えば分解酵素、特に燃料分解酵素であり、必要に応じてこれに加えて他の一種または二種以上の酵素を含む。   In the first and second inventions, the enzyme-immobilized electrode may be an enzyme such as an electrode made of a carbon-based material such as a porous carbon electrode, a carbon pellet electrode, a carbon felt electrode, or a carbon paper electrode, or an electrode with high water repellency. Is preferably immobilized, and preferably an electron mediator is also immobilized in addition to the enzyme. The enzyme is, for example, a decomposing enzyme, particularly a fuel decomposing enzyme, and optionally contains one or more other enzymes.

酵素を電極に固定化する際に用いる溶液(酵素溶液)は通常、リン酸緩衝液やトリス緩衝液などの従来公知の緩衝液に酵素を溶解させたものであり、これに有機溶媒を所要量含ませる。この酵素溶液中の有機溶媒濃度は必要に応じて選ぶことができるが、触媒電流値の増加を図るために、有機溶媒濃度は、好適には例えば5%以上65%以下の範囲、より好適には10%以上60%以下、さらに好適には20%以上40%以下の範囲とする。有機溶媒としては各種のものを用いることができ、極性溶媒、非極性溶媒のいずれであってもよく、プロトン性溶媒、非プロトン性溶媒のいずれであってもよく、二種以上の有機溶媒を用いてもよい。有機溶媒としては、具体的には、アルコール、エーテル、ケトン(アセトンなど)、芳香族系炭化水素、塩素化炭化水素化合物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。アルコールとしては、基本的にはどのようなものを用いてもよく、一価アルコールでも多価アルコールでもよく、飽和アルコールでも不飽和アルコールでもよい。アルコールとしては、具体的には、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール(イソプロパノール)、1−ブタノール、2−ブタノール(sec−ブタノール)、2−メチル−1−プロパノール(イソブタノール)、2−メチル−2−プロパノール(tert−ブタノール)などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。   A solution (enzyme solution) used for immobilizing an enzyme on an electrode is usually a solution obtained by dissolving an enzyme in a conventionally known buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution. Include. The concentration of the organic solvent in the enzyme solution can be selected as necessary, but in order to increase the catalyst current value, the concentration of the organic solvent is preferably in the range of, for example, 5% to 65%, and more preferably. Is in the range of 10% to 60%, more preferably 20% to 40%. Various organic solvents can be used, which may be either polar solvents or nonpolar solvents, may be either protic solvents or aprotic solvents, and two or more organic solvents may be used. It may be used. Specific examples of the organic solvent include alcohols, ethers, ketones (such as acetone), aromatic hydrocarbons, chlorinated hydrocarbon compounds, and the like, but are not limited thereto. Basically, any alcohol may be used, and it may be a monohydric alcohol or a polyhydric alcohol, and may be a saturated alcohol or an unsaturated alcohol. Specific examples of the alcohol include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol (isopropanol), 1-butanol, 2-butanol (sec-butanol), 2-methyl-1-propanol (isobutanol), 2 -Methyl-2-propanol (tert-butanol) and the like are exemplified, but not limited thereto.

第3の発明は、
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素が固定化されている燃料電池の製造方法であって、
上記酵素を上記カソード電極および/または上記アノード電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませるようにした
ことを特徴とするものである。
The third invention is
A method for producing a fuel cell, wherein a cathode electrode and an anode electrode have a structure facing each other via a proton conductor, and an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode,
An organic solvent is included in a solution used when the enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode.

第4の発明は、
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素が固定化されている燃料電池であって、
上記酵素を上記カソード電極および/または上記アノード電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませたものを用いて上記カソード電極および/または上記アノード電極が製造される
ことを特徴とするものである。
The fourth invention is:
A fuel cell having a structure in which a cathode electrode and an anode electrode are opposed to each other via a proton conductor, and an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode,
The cathode electrode and / or the anode electrode is produced by using an organic solvent contained in a solution used when the enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode. It is.

酵素が固定化されるカソード電極および/またはアノード電極においては、好適には、例えば、ポーラスカーボン電極、カーボンペレット電極、カーボンフェルト電極、カーボンペーパー電極などのカーボン系材料からなる電極や撥水性の高い電極などに酵素が固定化され、好適には酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。酵素は例えば分解酵素、特に燃料分解酵素であり、必要に応じてこれに加えて他の一種または二種以上の酵素を含む。   The cathode electrode and / or anode electrode on which the enzyme is immobilized is preferably an electrode made of a carbon-based material such as a porous carbon electrode, a carbon pellet electrode, a carbon felt electrode, a carbon paper electrode, or a highly water-repellent electrode. An enzyme is immobilized on an electrode or the like, and preferably an electron mediator is also immobilized in addition to the enzyme. The enzyme is, for example, a decomposing enzyme, particularly a fuel decomposing enzyme, and optionally contains one or more other enzymes.

燃料としては、各種のものを用いることができ、必要に応じて選ばれるが、代表的なものを挙げると、メタノール、エタノール、単糖類、多糖類などである。単糖類、多糖類などを燃料に用いる場合、典型的には、これらをリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの従来公知の緩衝液に溶かした燃料溶液の形で用いる。
例えば、燃料としてグルコースのような単糖類を用いる場合には、好適には、酵素として、単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素と、酸化酵素によって還元される補酵素を酸化体に戻す補酵素酸化酵素とが固定化される。この補酵素酸化酵素の作用により、補酵素が酸化体に戻るときに電子が生成され、補酵素酸化酵素から電子メディエーターを介して電極に電子が渡される。酸化酵素としては例えばグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)が、補酵素としては例えばニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD+ )あるいはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(NADP+ )が、補酵素酸化酵素としては例えばジアホラーゼ(DI)が用いられる。
Various types of fuels can be used and are selected as necessary. Typical examples include methanol, ethanol, monosaccharides, polysaccharides, and the like. When monosaccharides, polysaccharides and the like are used as fuel, they are typically used in the form of a fuel solution in which these are dissolved in a conventionally known buffer solution such as a phosphate buffer or a Tris buffer.
For example, when a monosaccharide such as glucose is used as fuel, it is preferable that the enzyme is an oxidase that promotes and decomposes monosaccharides and a coenzyme that is reduced by the oxidase is returned to the oxidized form. Enzyme oxidase is immobilized. By the action of the coenzyme oxidase, electrons are generated when the coenzyme returns to the oxidized form, and the electrons are transferred from the coenzyme oxidase to the electrode via the electron mediator. For example, glucose dehydrogenase (GDH) is used as the oxidase, nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) or nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP + ) is used as the coenzyme, and diaphorase (DI) is used as the coenzyme oxidase. ) Is used.

アノード電極に上記の電子メディエーター、補酵素としての還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NADH)、酸化酵素としてのグルコースデヒドロゲナーゼおよび補酵素酸化酵素としてのジアホラーゼを固定化する場合、最も好適には、これらを1.0(mol):0.33〜1.0(mol):(1.8〜3.6)×106 (U):(0.85〜1.7)×107 (U)の比で固定化する。ただし、U(ユニット)とは、酵素活性を示す一つの指標であり、ある温度およびpHにおいて1分間当たり1μmolの基質が反応する度合いを示す。 When the above-mentioned electron mediator, reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) as a coenzyme, glucose dehydrogenase as an oxidase, and diaphorase as a coenzyme oxidase are immobilized on the anode electrode, most preferably 1.0 (mol): 0.33-1.0 (mol): (1.8-3.6) × 10 6 (U): (0.85-1.7) × 10 7 (U) Immobilize by ratio. However, U (unit) is an index indicating enzyme activity, and indicates the degree to which 1 μmol of substrate reacts per minute at a certain temperature and pH.

燃料として多糖類(広義の多糖類であり、加水分解によって2分子以上の単糖を生じる全ての炭水化物を指し、二糖、三糖、四糖などのオリゴ糖を含む)を用いる場合には、好適には、上記の酸化酵素、補酵素酸化酵素、補酵素および電子メディエーターに加えて、多糖類の加水分解などの分解を促進し、グルコースなどの単糖類を生成する分解酵素も固定化される。多糖類としては、具体的には、例えば、デンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、マルトース、スクロース、ラクトースなどが挙げられる。これらは単糖類が二つ以上結合したものであり、いずれの多糖類においても結合単位の単糖類としてグルコースが含まれている。なお、アミロースとアミロペクチンとはデンプンに含まれる成分であり、デンプンはアミロースとアミロペクチンとの混合物である。多糖類の分解酵素としてグルコアミラーゼを用い、単糖類を分解する酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた場合には、グルコアミラーゼによりグルコースにまで分解することができる多糖類、例えばデンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、マルトースのいずれかを含むものであれば、これを燃料として発電することが可能となる。なお、グルコアミラーゼはデンプンなどのα−グルカンを加水分解しグルコースを生成する分解酵素であり、グルコースデヒドロゲナーゼはβ−D−グルコースをD−グルコノ−δ−ラクトンに酸化する酸化酵素である。   When using polysaccharides (a broadly defined polysaccharide, which refers to all carbohydrates that produce two or more monosaccharides by hydrolysis, including oligosaccharides such as disaccharides, trisaccharides, and tetrasaccharides) as fuel, Preferably, in addition to the above-mentioned oxidase, coenzyme oxidase, coenzyme and electron mediator, a degradation enzyme that promotes degradation such as hydrolysis of polysaccharides and produces monosaccharides such as glucose is also immobilized. . Specific examples of the polysaccharide include starch, amylose, amylopectin, glycogen, cellulose, maltose, sucrose, and lactose. These are a combination of two or more monosaccharides, and any polysaccharide contains glucose as a monosaccharide of the binding unit. Note that amylose and amylopectin are components contained in starch, and starch is a mixture of amylose and amylopectin. When glucoamylase is used as a polysaccharide-degrading enzyme and glucose dehydrogenase is used as an oxidase that degrades monosaccharides, polysaccharides that can be degraded to glucose by glucoamylase, such as starch, amylose, amylopectin, glycogen As long as it contains any one of maltose, it is possible to generate electricity using this as fuel. Glucoamylase is a degrading enzyme that hydrolyzes α-glucan such as starch to produce glucose, and glucose dehydrogenase is an oxidase that oxidizes β-D-glucose to D-glucono-δ-lactone.

分解酵素としてセルラーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、セルラーゼによりグルコースにまで分解することができるセルロースを燃料とすることができる。セルラーゼは、より詳しくはセルラーゼ(EC 3.2.1.4)、エキソセロビオヒドラーゼ(EC 3.2.1.91)、β−グルコシダーゼ(EC 3.2.1.21)などのいずれか少なくとも一種である。なお、分解酵素としてグルコアミラーゼとセルラーゼとを混合して用いてもよく、この場合には、自然界で生産される多糖類の大半を分解することができるため、これらを多く含むもの、例えば生ごみなどを燃料とすることが可能となる。   In a fuel cell using cellulase as a degrading enzyme and glucose dehydrogenase as an oxidase, cellulose that can be decomposed into glucose by cellulase can be used as a fuel. More specifically, the cellulase may be any of cellulase (EC 3.2.1.4), exocellobiohydrase (EC 3.2.1.91), β-glucosidase (EC 3.2.1.21) and the like. Or at least one kind. In addition, glucoamylase and cellulase may be mixed and used as the degrading enzyme. In this case, most of the polysaccharides produced in nature can be decomposed, so those containing a large amount of these, for example, garbage Etc. can be used as fuel.

また、分解酵素としてα−グルコシダーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、α−グルコシダーゼによりグルコースに分解されるマルトースを燃料とすることができる。
また、分解酵素としてスクラーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、スクラーゼによりグルコースとフルクトースとに分解されるスクロースを燃料とすることができる。スクラーゼは、より詳しくはα−グルコシダーゼ(EC 3.2.1.20)、スクロース−α−グルコシダーゼ(EC 3.2.1.48)、β−フルクトフラノシダーゼ(EC 3.2.1.26)などの少なくともいずれか一種である。
また、分解酵素としてβ−ガラクトシダーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、β−ガラクトシダーゼによりグルコースとガラクトースとに分解されるラクトースを燃料とすることができる。
必要に応じて、これらの燃料となる多糖類もアノード電極上に固定化してもよい。
In a fuel cell using α-glucosidase as a degrading enzyme and glucose dehydrogenase as an oxidase, maltose that is decomposed into glucose by α-glucosidase can be used as a fuel.
In a fuel cell using sucrose as a decomposing enzyme and glucose dehydrogenase as an oxidase, sucrose that is decomposed into glucose and fructose by sucrose can be used as a fuel. More specifically, sucrase is α-glucosidase (EC 3.2.1.20), sucrose-α-glucosidase (EC 3.2.1.48), β-fructofuranosidase (EC 3.2.1. 26) or the like.
In a fuel cell using β-galactosidase as a degrading enzyme and glucose dehydrogenase as an oxidase, lactose that is decomposed into glucose and galactose by β-galactosidase can be used as a fuel.
If necessary, these polysaccharides serving as fuels may also be immobilized on the anode electrode.

特に、デンプンを燃料とする燃料電池では、デンプンを糊化してゲル状の固形化燃料としたものを用いることもできる。この場合、糊化したデンプンを酵素などが固定化されたアノード電極に接触させるか、あるいはアノード電極上に酵素などとともに固定化する方法をとることができる。このような電極を用いると、アノード電極表面のデンプン濃度を、溶液中に溶解したデンプンを用いた場合よりも高い状態に保持することができ、酵素による分解反応がより速くなり、出力が向上するとともに、燃料の取り扱いが溶液の場合よりも容易で、燃料供給システムを簡素化することができ、しかも燃料電池を天地無用とする必要がないため、モバイル機器に用いたときに非常に有利である。   In particular, in a fuel cell using starch as a fuel, a gelatinized solid fuel obtained by gelatinizing starch can also be used. In this case, the gelatinized starch can be brought into contact with an anode electrode on which an enzyme or the like is immobilized, or can be immobilized on the anode electrode together with the enzyme or the like. When such an electrode is used, the starch concentration on the surface of the anode electrode can be maintained at a higher level than when starch dissolved in the solution is used, the enzymatic decomposition reaction is faster, and the output is improved. At the same time, handling of the fuel is easier than in the case of the solution, the fuel supply system can be simplified, and the fuel cell does not need to be used upside down, which is very advantageous when used in a mobile device. .

カソード電極に酵素が固定化される場合、この酵素は、典型的には酸素を還元する酵素を含む。この酸素を還元する酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどを用いることができる。この場合、カソード電極には、好適には、酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、フェリシアン化カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどを用いる。電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で0.64×10-6mol/mm2 以上固定化する。 When an enzyme is immobilized on the cathode electrode, the enzyme typically includes an enzyme that reduces oxygen. Examples of the enzyme that reduces oxygen include bilirubin oxidase, laccase, and ascorbate oxidase. In this case, an electron mediator is preferably immobilized on the cathode electrode in addition to the enzyme. As the electron mediator, for example, potassium hexacyanoferrate, potassium ferricyanide, potassium octacyanotungstate and the like are used. The electron mediator is preferably immobilized at a sufficiently high concentration, for example, 0.64 × 10 −6 mol / mm 2 or more on average.

アノード電極またはカソード電極としては、上述の電極を用いることができるほか、多孔体材料からなる骨格と、この骨格の少なくとも一部の表面を被覆する、カーボン系材料を主成分とする材料とを含む多孔体導電材料を用いることができる。この多孔体導電材料は、多孔体材料からなる骨格の少なくとも一部の表面に、カーボン系材料を主成分とする材料をコーティングすることにより得ることができる。この多孔体導電材料の骨格を構成する多孔体材料は、多孔率が高くても骨格を安定に維持することができるものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、導電性の有無も問わない。多孔体材料としては、好適には、高多孔率および高導電性を有する材料が用いられる。このような高多孔率および高導電性を有する多孔体材料としては、具体的には、金属材料(金属または合金)や、骨格を強固にした(もろさを改善した)カーボン系材料などを用いることができる。多孔体材料として金属材料を用いる場合、金属材料は溶液のpHや電位などの使用環境との兼ね合いにより状態安定性が異なることから様々な選択肢が考えられるが、例えば、ニッケル、銅、銀、金、ニッケル−クロム合金、ステンレス鋼などの発泡金属あるいは発泡合金は入手しやすい材料の一つである。多孔体材料としては、上記の金属材料やカーボン系材料以外に樹脂材料(例えば、スポンジ状のもの)を用いることもできる。この多孔体材料の多孔率および孔径(孔の最小径)は、この多孔体材料からなる骨格の表面にコーティングする、カーボン系材料を主成分とする材料の厚さとの兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。この多孔体材料の孔径は一般的には10nm〜1mm、典型的には10nm〜600μmである。一方、骨格の表面を被覆する材料は、導電性を有し、想定される作動電位において安定なものを用いる必要がある。ここでは、このような材料としてカーボン系材料を主成分とする材料を用いる。カーボン系材料は一般に電位窓が広く、しかも化学的に安定なものが多い。このカーボン系材料を主成分とする材料は、具体的には、カーボン系材料のみからなるものと、カーボン系材料を主成分とし、多孔体導電材料に要求される特性などに応じて選ばれる副材料を微量含む材料とがある。後者の材料の具体例を挙げると、カーボン系材料に金属などの高導電性材料を添加することにより電気伝導性を向上させた材料や、カーボン系材料にポリテトラフルオロエチレン系材料などを添加することにより表面撥水性を付与するなど、導電性以外の機能を付与した材料である。カーボン系材料にも様々な種類が存在するが、いかなるカーボン系材料であってもよく、カーボン単体のほか、カーボンに他の元素を添加したものであってもよい。このカーボン系材料は、特に、高導電性・高表面積を有する微細粉末カーボン材料が好ましい。このカーボン系材料としては、具体的には、例えば、KB(ケッチェンブラック)などの高導電性を付与したものや、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの機能性カーボン材料などを用いることができる。このカーボン系材料を主成分とする材料のコーティング方法は、必要に応じて適当な結着剤を用いるなどして多孔体材料からなる骨格の表面にコーティング可能であれば、いかなるコーティング方法を用いてもよい。この多孔体導電材料の孔径は、その孔を通して基質などを含む溶液が容易に出入り可能な程度の大きさに選ばれ、一般的には9nm〜1mm、より一般的には1μm〜1mm、さらに一般的には1〜600μmである。多孔体材料からなる骨格の少なくとも一部の表面がカーボン系材料を主成分とする材料により被覆された状態、あるいは、多孔質材料からなる骨格の少なくとも一部の表面をカーボン系材料を主成分とする材料によりコーティングした状態では、孔が全て互いに連通し、あるいは、カーボン系材料を主成分とする材料による目詰まりが発生しないようにするのが望ましい。   As the anode electrode or the cathode electrode, the above-described electrode can be used, and a skeleton made of a porous material and a material mainly composed of a carbon-based material that covers at least a part of the surface of the skeleton are included. A porous conductive material can be used. This porous conductive material can be obtained by coating at least a part of the surface of the skeleton made of the porous material with a material mainly composed of a carbon-based material. The porous material constituting the skeleton of the porous conductive material may be basically any material as long as the skeleton can be stably maintained even if the porosity is high. It does not matter whether or not there is sex. As the porous material, a material having high porosity and high conductivity is preferably used. Specifically, as such a porous material having a high porosity and high conductivity, a metal material (metal or alloy), a carbon-based material with a strong skeleton (improved brittleness), or the like is used. Can do. When a metal material is used as the porous material, various options are conceivable because the metal material has different state stability depending on the usage environment such as pH and potential of the solution. For example, nickel, copper, silver, gold A foam metal such as nickel-chromium alloy and stainless steel or a foam alloy is one of the easily available materials. As the porous material, a resin material (for example, a sponge-like material) can be used in addition to the metal material and the carbon-based material. The porosity and pore diameter (minimum pore diameter) of this porous material are in balance with the thickness of the material mainly composed of a carbon-based material that is coated on the surface of the skeleton made of this porous material. Is determined according to the required porosity and pore diameter. The pore diameter of the porous material is generally 10 nm to 1 mm, typically 10 nm to 600 μm. On the other hand, it is necessary to use a material that covers the surface of the skeleton and has conductivity and is stable at an assumed operating potential. Here, a material mainly composed of a carbon-based material is used as such a material. Carbon-based materials generally have a wide potential window, and many are chemically stable. Specifically, the carbon-based material is mainly composed of a carbon-based material, and the carbon-based material is the main component, and the secondary material is selected according to the characteristics required for the porous conductive material. Some materials contain a small amount of material. Specific examples of the latter material include a material whose electrical conductivity has been improved by adding a metal or other highly conductive material to the carbon-based material, or a polytetrafluoroethylene-based material or the like added to the carbon-based material. Thus, it is a material imparted with a function other than conductivity, such as imparting surface water repellency. There are various types of carbon-based materials, but any carbon-based material may be used. In addition to carbon alone, carbon may be added with other elements. The carbon-based material is particularly preferably a fine powder carbon material having high conductivity and a high surface area. Specific examples of the carbon-based material include materials imparted with high conductivity such as KB (Ketjen Black) and functional carbon materials such as carbon nanotubes and fullerenes. As a coating method of the material mainly composed of the carbon-based material, any coating method can be used as long as the surface of the skeleton made of the porous material can be coated by using an appropriate binder as necessary. Also good. The pore diameter of the porous conductive material is selected to a size that allows a solution containing a substrate or the like to easily enter and exit through the pores, and is generally 9 nm to 1 mm, more typically 1 μm to 1 mm, and more generally Specifically, it is 1 to 600 μm. A state in which at least a part of the surface of the skeleton made of a porous material is coated with a material mainly composed of a carbon-based material, or a surface of at least a part of the skeleton made of a porous material is mainly composed of a carbon-based material In the state coated with the material, it is desirable to prevent all the holes from communicating with each other or clogging with a material mainly composed of a carbon-based material.

プロトン伝導体として緩衝物質(緩衝液)を含む電解質を用いる場合には、高出力動作時に十分な緩衝能を得ることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができるようにするために、電解質に含まれる緩衝物質の濃度を0.2M以上2.5M以下にすることが有効であり、好適には0.2M以上2M以下、より好適には0.4M以上2M以下、さらに好適には0.8M以上1.2M以下とする。緩衝物質は、一般的には、pKa が6以上9以下のものであれば、どのようなものを用いてもよいが、具体例を挙げると、リン酸二水素イオン(H2 PO4 - )、2−アミノ−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオール(略称トリス)、2−(N−モルホリノ)エタンスルホン酸(MES)、カコジル酸、炭酸(H2 CO3 )、クエン酸水素イオン、N−(2−アセトアミド)イミノ二酢酸(ADA)、ピペラジン−N,N’−ビス(2−エタンスルホン酸)(PIPES)、N−(2−アセトアミド)−2−アミノエタンスルホン酸(ACES)、3−(N−モルホリノ)プロパンスルホン酸(MOPS)、N−2−ヒドロキシエチルピペラジン−N’−2−エタンスルホン酸(HEPES)、N−2−ヒドロキシエチルピペラジン−N’−3−プロパンスルホン酸(HEPPS)、N−[トリス(ヒドロキシメチル)メチル]グリシン(略称トリシン)、グリシルグリシン、N,N−ビス(2−ヒドロキシエチル)グリシン(略称ビシン)などである。リン酸二水素イオン(H2 PO4 - )を生成する物質は、例えば、リン酸二水素ナトリウム(NaH2 PO4 )やリン酸二水素カリウム(KH2 PO4 )などである。緩衝物質を含む電解質のpHは、好適には7付近であるが、一般的には1〜14のいずれであってもよい。 When an electrolyte containing a buffer substance (buffer solution) is used as the proton conductor, sufficient buffer capacity can be obtained during high output operation, and the ability inherent to the enzyme can be fully demonstrated. Therefore, it is effective that the concentration of the buffer substance contained in the electrolyte is 0.2 M or more and 2.5 M or less, preferably 0.2 M or more and 2 M or less, more preferably 0.4 M or more and 2 M or less, More preferably, it is 0.8M or more and 1.2M or less. Buffer substances, in general, as long as a pK a of 6 to 9, may it be used What Specific examples and, dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 - ), 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (abbreviated to Tris), 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES), cacodylic acid, carbonic acid (H 2 CO 3 ), hydrogen citrate Ions, N- (2-acetamido) iminodiacetic acid (ADA), piperazine-N, N′-bis (2-ethanesulfonic acid) (PIPES), N- (2-acetamido) -2-aminoethanesulfonic acid ( ACES), 3- (N-morpholino) propanesulfonic acid (MOPS), N-2-hydroxyethylpiperazine-N′-2-ethanesulfonic acid (HEPES), N-2-hydroxyethylpiperazine- '-3-propanesulfonic acid (HEPPS), N- [tris (hydroxymethyl) methyl] glycine (abbreviation tricine), glycylglycine, N, N-bis (2-hydroxyethyl) glycine (abbreviation bicine), etc. . Examples of the substance that generates dihydrogen phosphate ions (H 2 PO 4 ) include sodium dihydrogen phosphate (NaH 2 PO 4 ) and potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ). The pH of the electrolyte containing the buffer substance is preferably around 7, but may generally be any of 1-14.

この燃料電池は、およそ電力が必要なもの全てに用いることができ、大きさも問わないが、例えば、電子機器、移動体(自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船など)、動力装置、建設機械、工作機械、発電システム、コージェネレーションシステムなどに用いることができ、用途などによって出力、大きさ、形状、燃料の種類などが決められる。
第3および第4の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
This fuel cell can be used for almost anything that requires electric power, and can be of any size. For example, electronic devices, mobile objects (automobiles, motorcycles, aircraft, rockets, spacecrafts, etc.), power devices, construction machinery It can be used for machine tools, power generation systems, cogeneration systems, etc. The output, size, shape, type of fuel, etc. are determined depending on the application.
In the third and fourth inventions, the matters other than the above are explained in relation to the first and second inventions unless they are contrary to the nature.

第5の発明は、
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素が固定化されている燃料電池であって、
燃料に有機溶媒を含ませた
ことを特徴とするものである。
The fifth invention is:
A fuel cell having a structure in which a cathode electrode and an anode electrode are opposed to each other via a proton conductor, and an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode,
It is characterized by containing an organic solvent in the fuel.

燃料に単糖類、多糖類などを用いる場合、典型的には、これらをリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの従来公知の緩衝液に溶かした燃料溶液の形で用いる。この燃料溶液中の緩衝液に対する有機溶媒の体積比は必要に応じて選ぶことができるが、一般的には0%より大きく50%以下であり、好適には5%以上30%以下、より好適には5%以上15%以下である。
第5の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1〜第4の発明に関連して説明したことが成立する。
When using monosaccharides, polysaccharides, or the like for the fuel, they are typically used in the form of a fuel solution in which these are dissolved in a conventionally known buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution. The volume ratio of the organic solvent to the buffer solution in the fuel solution can be selected as necessary, but is generally greater than 0% and 50% or less, preferably 5% or more and 30% or less, more preferably Is 5% or more and 15% or less.
In the fifth invention, the matters other than those described above are explained in relation to the first to fourth inventions unless they are contrary to the nature.

第6の発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素が固定化されている燃料電池であって、
上記酵素を上記カソード電極および/または上記アノード電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませたものを用いて上記カソード電極および/または上記アノード電極が製造されるものである
ことを特徴とするものである。
The sixth invention is:
In an electronic device using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
A fuel cell having a structure in which a cathode electrode and an anode electrode are opposed to each other via a proton conductor, and an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode,
The cathode electrode and / or the anode electrode is produced by using an organic solvent contained in a solution used when the enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode. It is what.

第6の発明による電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器(携帯情報端末機(PDA)など)、ロボット、パーソナルコンピュータ(デスクトップ型、ノート型の双方を含む)、ゲーム機器、カメラ一体型VTR(ビデオテープレコーダ)、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。
第6の発明においては、その性質に反しない限り、第1〜第4の発明に関連して説明したことが成立する。
The electronic device according to the sixth invention may be basically any device, and includes both a portable device and a stationary device. Specific examples include a mobile phone and a mobile device. (Personal digital assistants (PDAs), etc.), robots, personal computers (including both desktop and notebook types), game machines, camera-integrated VTRs (video tape recorders), in-vehicle devices, home appliances, industrial products, etc. It is.
In the sixth aspect of the present invention, what has been described in relation to the first to fourth aspects of the invention is valid as long as not against its nature.

第7の発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素が固定化されている燃料電池であって、
燃料に有機溶媒を含ませた
ことを特徴とするものである。
第7の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1〜第6の発明に関連して説明したことが成立する。
The seventh invention
In an electronic device using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
A fuel cell having a structure in which a cathode electrode and an anode electrode are opposed to each other via a proton conductor, and an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode,
It is characterized by containing an organic solvent in the fuel.
In the seventh invention, the matters other than those described above are explained in relation to the first to sixth inventions unless they are contrary to the nature.

第8の発明は、
電極に酵素が固定化された酵素固定化電極を有する酵素反応利用装置の製造方法であって、
上記酵素を上記電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませるようにした
ことを特徴とするものである。
The eighth invention
A method for producing an enzyme reaction utilization device having an enzyme-immobilized electrode in which an enzyme is immobilized on the electrode,
An organic solvent is contained in the solution used when the enzyme is immobilized on the electrode.

第8の発明において、電極反応利用装置には、上記の燃料電池、すなわちバイオ燃料電池のほか、バイオセンサー(グルコースセンサーなど)、バイオリアクターなどが含まれ、酵素としては個々の目的に応じたものが用いられる。
第8の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1〜第7の発明に関連して説明したことが成立する。
第9の発明は、
電極に酵素を含む凝集体が固定化されている酵素固定化電極である。
この酵素固定化電極においては、好適には、凝集体はさらに電子メディエーター、あるいは補酵素、あるいはリン脂質またはその誘導体、あるいはこれらの二以上を含む。リン脂質としては基本的にはどのようなものを用いてもよく、グリセロリン脂質、スフィンゴリン脂質のいずれを用いてもよい。グリセロリン脂質としては、ホスファチジン酸、ホスファチジルコリン(レシチン)、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルグリセロール、ジホスファチジルグリセロール(カルジオリピン)などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。スフィンゴリン脂質としては、スフィンゴミエリンなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。ホスファチジルコリンの代表例はジミリストイルホスファチジルコリン(DMPC)である。凝集体は、典型的には、微粒子からなる。この微粒子は、例えば、ポリイオンコンプレックスなどにより形成されるが、これに限定されるものではない。この微粒子は、典型的には略球形であり、その直径は必要に応じて選ばれるが、例えば1μm以下である。
第10の発明は、
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素を含む凝集体が固定化されている燃料電池である。
第9および第10の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1〜第7の発明に関連して説明したことが成立する。
第11の発明は、
電極に酵素を含む層が固定され、上記層には空隙が設けられ、反応物または酸素が上記空隙を通じて上記酵素に供給される酵素固定化電極である。
この酵素固定化電極においては、酵素を含む層は、例えば、電極上に一様に存在する。この層に設けられた空隙は典型的には略球形であり、この空隙の直径が1μm以下であるが、これに限定されるものではない。また、この層は、好適には、さらに電子メディエーター、あるいは補酵素、あるいはリン脂質またはその誘導体、あるいはこれらの二以上を含む。
第11の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第1〜第10の発明に関連して説明したことが成立する。
In the eighth invention, the electrode reaction utilization device includes a biosensor (such as a glucose sensor), a bioreactor, etc. in addition to the above fuel cell, that is, a biofuel cell. Is used.
In the eighth invention, what is described in relation to the first to seventh inventions holds true for matters other than those described above, unless they are contrary to the nature thereof.
The ninth invention
This is an enzyme-immobilized electrode in which an aggregate containing an enzyme is immobilized on the electrode.
In the enzyme-immobilized electrode, preferably, the aggregate further contains an electron mediator, a coenzyme, a phospholipid or a derivative thereof, or two or more thereof. Basically, any phospholipid may be used, and either glycerophospholipid or sphingophospholipid may be used. Examples of the glycerophospholipid include, but are not limited to, phosphatidic acid, phosphatidylcholine (lecithin), phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, phosphatidylglycerol, and diphosphatidylglycerol (cardiolipin). Sphingophospholipids include, but are not limited to, sphingomyelin. A representative example of phosphatidylcholine is dimyristoyl phosphatidylcholine (DMPC). Aggregates typically consist of fine particles. The fine particles are formed of, for example, a polyion complex, but are not limited thereto. The fine particles are typically substantially spherical, and the diameter thereof is selected as necessary, but is, for example, 1 μm or less.
The tenth invention is
The fuel cell has a structure in which a cathode electrode and an anode electrode face each other via a proton conductor, and an aggregate containing an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode.
In the ninth and tenth inventions, what has been described in relation to the first to seventh inventions holds true for matters other than those described above, unless they are contrary to their properties.
The eleventh invention is
A layer containing an enzyme is fixed to the electrode, a void is provided in the layer, and a reactant or oxygen is supplied to the enzyme through the void.
In this enzyme-immobilized electrode, the layer containing the enzyme exists, for example, uniformly on the electrode. The voids provided in this layer are typically substantially spherical and have a diameter of 1 μm or less, but are not limited thereto. In addition, this layer preferably further contains an electron mediator, or a coenzyme, phospholipid or a derivative thereof, or two or more thereof.
In the eleventh invention, the matters other than those described above are explained in relation to the first to tenth inventions unless they are contrary to their properties.

上述のように構成されたこの発明においては、酵素を電極に固定化する際に用いる溶液あるいは燃料に含まれる有機溶媒の作用により、例えばポーラスカーボン電極などのように電極が複雑な構造を有する場合や電極の撥水性が高い場合でも、電極内部に酵素が容易に浸透するようになる。
また、電極に酵素を含む凝集体が固定化されている酵素固定化電極または電極に酵素を含む層が固定され、この層に空隙が設けられた酵素固定化電極では、凝集体の空隙を通して反応物の供給および生成物の排出を容易かつ円滑に行うことができる。
In the present invention configured as described above, when the electrode has a complicated structure, such as a porous carbon electrode, due to the action of the organic solvent contained in the solution or fuel used when the enzyme is immobilized on the electrode. Even when the electrode has high water repellency, the enzyme easily penetrates into the electrode.
In addition, an enzyme-immobilized electrode in which an enzyme-containing aggregate is immobilized on an electrode or an enzyme-immobilized electrode in which a layer containing an enzyme is immobilized on this electrode and a void is provided in this layer reacts through the void in the aggregate. The supply of the product and the discharge of the product can be performed easily and smoothly.

この発明によれば、電極内部への酵素の浸透が容易になるため、複雑な構造を有する電極の内部の表面全体に酵素を固定化することができる。このため、複雑な構造を有する電極の有効表面積を十分に利用して酵素を三次元的に高密度に固定化することができる。このため、電極上での酵素代謝反応を高効率に行わせることができ、高効率の酵素固定化電極を得ることができる。この酵素固定化電極を用いることにより、高効率の燃料電池あるいは電極反応利用装置を実現することができる。そして、このように高効率の燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。
また、電極に酵素を含む凝集体が固定化されている酵素固定化電極または電極に酵素を含む層が固定され、この層に空隙が設けられた酵素固定化電極により、高効率の酵素固定化電極を得ることができ、この酵素固定化電極を用いることにより、高効率の燃料電池あるいは電極反応利用装置を実現することができる。そして、このように高効率の燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。
According to this invention, since the penetration of the enzyme into the electrode is facilitated, the enzyme can be immobilized on the entire inner surface of the electrode having a complicated structure. For this reason, it is possible to immobilize the enzyme three-dimensionally at a high density by fully utilizing the effective surface area of the electrode having a complicated structure. For this reason, the enzyme metabolism reaction on the electrode can be performed with high efficiency, and a highly efficient enzyme-immobilized electrode can be obtained. By using this enzyme-immobilized electrode, a highly efficient fuel cell or electrode reaction utilizing device can be realized. By using such a highly efficient fuel cell, a high-performance electronic device can be realized.
In addition, high-efficiency enzyme immobilization is possible with an enzyme-immobilized electrode in which an enzyme-containing aggregate is immobilized on the electrode or an enzyme-immobilized electrode in which a layer containing the enzyme is immobilized on this electrode and a void is provided in this layer An electrode can be obtained, and by using this enzyme-immobilized electrode, a highly efficient fuel cell or an electrode reaction utilization device can be realized. By using such a highly efficient fuel cell, a high-performance electronic device can be realized.

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
この第1の実施形態においては、複雑な構造を有する電極などに酵素あるいは酵素および電子メディエーターを固定化して酵素固定化電極を製造する場合について説明する。
酵素固定化電極は次のようにして製造される。
酵素あるいは酵素および電子メディエーターを固定化する電極としては、例えば、ポーラスカーボン電極、カーボンペレット電極、カーボンフェルト電極、カーボンペーパー電極など、あるいは撥水性の高い電極などを用いる。ただし、電極はこれらのものに限定されるものではない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
In the first embodiment, a case where an enzyme or an enzyme and an electron mediator are immobilized on an electrode having a complicated structure to produce an enzyme-immobilized electrode will be described.
The enzyme-immobilized electrode is manufactured as follows.
As an electrode for immobilizing an enzyme or an enzyme and an electron mediator, for example, a porous carbon electrode, a carbon pellet electrode, a carbon felt electrode, a carbon paper electrode, or an electrode having high water repellency is used. However, the electrodes are not limited to these.

上記電極に固定化しようとする酵素を含む酵素溶液に上記のアルコールなどの有機溶媒を酵素溶液中の有機溶媒濃度が体積濃度で例えば5%以上65%以下、好適には10%以上60%以下、より好適には20%以上40%以下になるように含ませる。そして、上記電極をこの溶液中に浸けた後、水で洗浄し、酵素固定化電極を作製する。上記電極に酵素に加えて電子メディエーターも固定化する場合には、電子メディエーターを同じく有機溶媒に溶解させた溶液を用いる。
この第1の実施形態によれば、複雑な構造を有する電極でも、有機溶媒の作用により酵素溶液中の酵素の電極内部への浸透が容易になり、結果として電極内部の表面の全体に酵素を固定化することができ、酵素を三次元的に高密度に固定化することができる。このため、この酵素固定化電極は高効率であり、大きな触媒電流値を得ることができる。
The enzyme solution containing the enzyme to be immobilized on the electrode is mixed with an organic solvent such as the alcohol as described above, and the concentration of the organic solvent in the enzyme solution is, for example, 5% to 65%, preferably 10% to 60%. More preferably, it is contained so as to be 20% or more and 40% or less. And after immersing the said electrode in this solution, it wash | cleans with water and produces an enzyme fixed electrode. When the electron mediator is immobilized on the electrode in addition to the enzyme, a solution in which the electron mediator is dissolved in an organic solvent is used.
According to the first embodiment, even in an electrode having a complicated structure, the action of the organic solvent facilitates the penetration of the enzyme in the enzyme solution into the electrode, and as a result, the enzyme is applied to the entire surface inside the electrode. The enzyme can be immobilized at a high density three-dimensionally. For this reason, this enzyme fixed electrode is highly efficient, and can obtain a large catalyst current value.

〔実施例1〕
酵素を固定化する電極を次のようにして作製した。市販のケッチェンブラックとポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを7:3の分量比(ケッチェンブラック20mg、PVdF10mg)でNMP(N−メチル−2−ピロリドン)(1.2ml)中にて良く分散させた。一方、図1Aに示すように、市販のグラッシーカーボン電極11(電極直径3mm)を用意する。そして、図1Bに示すように、このグラッシーカーボン電極11にマイクロシリンジ12により上記の分散溶液13を10μl(ケッチェンブラック0.17mg)滴下し、100℃で十分乾燥させた。こうして、図1Cに示すように、酵素を固定化する電極14を作製した。
[Example 1]
An electrode for immobilizing the enzyme was produced as follows. A commercially available ketjen black and polyvinylidene fluoride (PVdF) were well dispersed in NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) (1.2 ml) in a 7: 3 ratio (Ketjen black 20 mg, PVdF 10 mg). It was. On the other hand, as shown in FIG. 1A, a commercially available glassy carbon electrode 11 (electrode diameter 3 mm) is prepared. Then, as shown in FIG. 1B, 10 μl (Ketjen Black 0.17 mg) of the dispersion solution 13 was dropped onto the glassy carbon electrode 11 with a microsyringe 12 and sufficiently dried at 100 ° C. Thus, as shown in FIG. 1C, an electrode 14 for immobilizing the enzyme was produced.

この電極14をリン酸緩衝液(0.1M NaH2 PO4 、イオン強度=0.3、pH=7)中にて、参照電極にAg|AgClを用い、サイクリックボルタンメトリー(CV)を行った。その結果を図2Aの曲線1に示す。また、この電極14をエタノール中で洗浄し、完全に乾燥させた後に同じくCV測定を行った。その結果を図2AおよびBの曲線2に示す。さらに、この電極14をエタノールに浸した後、水で洗浄し、CV測定を行った。その結果を図2Bの曲線3に示す。図2AおよびBから分かるように、電極14をエタノールにて洗浄後乾燥させることにより、エタノールで洗浄を行わない場合に比べて、バックグラウンド電流が10倍程度になった。また、電極14をエタノール中で洗浄した後に乾燥させない場合には、エタノールで洗浄を行わない場合に比べて、さらに50倍のバックグラウンド電流が得られた。これはエタノールにより、電極14の内部までリン酸緩衝液が染み込むことで電極14の反応面積が大きくなっていることを示している。 This electrode 14 was subjected to cyclic voltammetry (CV) in a phosphate buffer (0.1 M NaH 2 PO 4 , ionic strength = 0.3, pH = 7) using Ag | AgCl as a reference electrode. . The result is shown as curve 1 in FIG. 2A. The electrode 14 was washed in ethanol and completely dried, and then CV measurement was performed. The results are shown in curve 2 of FIGS. 2A and B. Further, this electrode 14 was immersed in ethanol, washed with water, and CV measurement was performed. The result is shown as curve 3 in FIG. 2B. As can be seen from FIGS. 2A and 2B, the electrode 14 was washed with ethanol and then dried, so that the background current became about 10 times that in the case where the electrode 14 was not washed with ethanol. Further, when the electrode 14 was not dried after being washed in ethanol, a background current 50 times higher than that obtained when the electrode 14 was not washed was obtained. This indicates that the reaction area of the electrode 14 is increased by the penetration of the phosphate buffer solution into the electrode 14 by ethanol.

次に、基質としての酸素を還元する酵素としてビリルビンオキシダーゼをリン酸緩衝液0.9mlに対し1mgの割合で溶解させた酵素溶液にエタノールを0.1ml添加した溶液(エタノール濃度10%)を調製する。そして、この溶液中に電極14を浸した後、すぐに洗浄し、CV測定を行った。その結果を図3AおよびBの曲線1に示す。比較のために、エタノールを含まない酵素溶液に電極14を浸した後、すぐに洗浄し、CV測定を行った。その結果を図3AおよびBの曲線2に示す。ただし、図3Aは緩衝液中の溶存酸素のみが基質となる時(除酸素時)、図3Bは緩衝液を攪拌して酸素を飽和量含ませた時(酸素飽和攪拌時)の測定結果である。図3AおよびBから分かるように、エタノールを含む酵素溶液に電極14を浸した場合には、エタノールを含まない酵素溶液に電極14を浸した場合に比べて、極めて大きな触媒電流値が得られている。
図4に酵素溶液中のエタノール濃度を変化させた時の触媒電流値(酸素飽和攪拌条件下の触媒限界電流(電位は0V))の変化を示す。図4から分かるように、エタノール濃度が5%以上65%以下の範囲で触媒電流値の増加が明確に観測され、特に10%以上60%以下の範囲では触媒電流値の顕著な増加が観測され、取り分け20%以上40%以下の範囲では触媒電流値の著しい増加が観測される。
Next, a solution (ethanol concentration 10%) is prepared by adding 0.1 ml of ethanol to an enzyme solution in which bilirubin oxidase is dissolved in 0.9 ml of phosphate buffer as an enzyme that reduces oxygen as a substrate. To do. And after immersing the electrode 14 in this solution, it wash | cleaned immediately and performed CV measurement. The result is shown in curve 1 of FIGS. For comparison, the electrode 14 was immersed in an enzyme solution containing no ethanol, and then immediately washed and CV measurement was performed. The results are shown in curve 2 in FIGS. 3A and B. However, FIG. 3A is a measurement result when only dissolved oxygen in the buffer solution becomes a substrate (when deoxidizing), and FIG. 3B is a measurement result when the buffer solution is stirred to include a saturated amount of oxygen (when oxygen saturation is stirred). is there. As can be seen from FIGS. 3A and B, when the electrode 14 is immersed in an enzyme solution containing ethanol, an extremely large catalyst current value is obtained as compared with the case where the electrode 14 is immersed in an enzyme solution not containing ethanol. Yes.
FIG. 4 shows changes in the catalyst current value (catalyst limit current (potential is 0 V) under oxygen saturation stirring conditions) when the ethanol concentration in the enzyme solution is changed. As can be seen from FIG. 4, an increase in the catalyst current value is clearly observed when the ethanol concentration is in the range of 5% to 65%, and a remarkable increase in the catalyst current value is observed particularly in the range of 10% to 60%. In particular, in the range of 20% to 40%, a significant increase in the catalyst current value is observed.

次に、この発明の第2の実施形態について説明する。この第2の実施形態においては、バイオ燃料電池のカソード電極に酵素を固定化する場合に第1の実施形態と同様な方法を用いる。
図5はこの第1の実施形態によるバイオ燃料電池を模式的に示す。このバイオ燃料電池では、燃料としてグルコースを用いるものとする。図6は、このバイオ燃料電池のアノード電極の構成の詳細ならびにこのアノード電極に固定化された酵素群の一例およびこの酵素群による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
図5に示すように、このバイオ燃料電池は、アノード電極21とカソード電極22とがプロトン伝導体23を介して対向した構造を有する。アノード電極21は、燃料として供給されたグルコースを酵素により分解し電子を取り出すとともにプロトン(H+ )を発生する。カソード電極22は、アノード電極21からプロトン伝導体23を通って輸送されたプロトンとアノード電極21から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。
Next explained is the second embodiment of the invention. In the second embodiment, the same method as in the first embodiment is used when an enzyme is immobilized on the cathode electrode of a biofuel cell.
FIG. 5 schematically shows the biofuel cell according to the first embodiment. In this biofuel cell, glucose is used as the fuel. FIG. 6 schematically shows details of the configuration of the anode electrode of the biofuel cell, an example of an enzyme group immobilized on the anode electrode, and an electron transfer reaction by the enzyme group.
As shown in FIG. 5, this biofuel cell has a structure in which an anode electrode 21 and a cathode electrode 22 face each other with a proton conductor 23 interposed therebetween. The anode electrode 21 decomposes glucose supplied as a fuel with an enzyme to extract electrons and generate protons (H + ). The cathode electrode 22 generates water from protons transported from the anode electrode 21 through the proton conductor 23, electrons sent from the anode electrode 21 through an external circuit, and oxygen in the air, for example.

アノード電極21は、例えばポーラスカーボンなどからなる電極21a(図6参照)上に、グルコースの分解に関与する酵素と、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素(例えば、NAD+ )と、補酵素の還元体(例えば、NADH)を酸化する補酵素酸化酵素(例えば、ジアホラーゼ)と、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極21aに渡す電子メディエーター(例えば、VK3)とが固定化材(図示せず)(例えば、ポリ−L−リシン(PLL)のようなポリカチオンとポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa))のようなポリアニオンとを用いて形成されたポリイオンコンプレックス)により固定化されて構成されている。 The anode electrode 21 includes, for example, an enzyme involved in the decomposition of glucose on an electrode 21a (see FIG. 6) made of, for example, porous carbon, and a coenzyme in which a reductant is generated by an oxidation reaction in the glucose decomposition process (for example, , NAD + ), a coenzyme oxidase (eg, diaphorase) that oxidizes a reduced form of the coenzyme (eg, NADH), and an electron generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme to the electrode 21a. The passing electron mediator (for example, VK3) uses an immobilizing material (not shown) (for example, a polycation such as poly-L-lysine (PLL) and a polyanion such as sodium polyacrylate (PAAcNa)). The polyion complex is formed by immobilization.

グルコースの分解に関与する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、好適にはNAD依存型グルコースデヒドロゲナーゼを用いることができる。この酸化酵素を存在させることにより、例えば、β−D−グルコースをD−グルコノ−δ−ラクトンに酸化することができる。
さらに、このD−グルコノ−δ−ラクトンは、グルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ(PhGDH)との二つの酵素を存在させることにより、2−ケト−6−フォスフォ−D−グルコネートに分解することができる。すなわち、D−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりD−グルコネートになり、D−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸(ATP)をアデノシン二リン酸(ADP)とリン酸とに加水分解することでリン酸化されて、6−フォスフォ−D−グルコネートになる。この6−フォスフォ−D−グルコネートは、酸化酵素PhGDHの作用により、2−ケト−6−フォスフォ−D−グルコネートに酸化される。
As an enzyme involved in the degradation of glucose, for example, glucose dehydrogenase (GDH), preferably NAD-dependent glucose dehydrogenase can be used. In the presence of this oxidase, for example, β-D-glucose can be oxidized to D-glucono-δ-lactone.
Furthermore, this D-glucono-δ-lactone can be decomposed into 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the presence of two enzymes, gluconokinase and phosphogluconate dehydrogenase (PhGDH). Can do. That is, D-glucono-δ-lactone is converted to D-gluconate by hydrolysis, and D-gluconate is converted to adenosine triphosphate (ATP) and adenosine diphosphate (ADP) in the presence of gluconokinase. And then phosphorylated to 6-phospho-D-gluconate. This 6-phospho-D-gluconate is oxidized to 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the action of the oxidase PhGDH.

また、グルコースは上記分解プロセスのほかに、糖代謝を利用してCO2 まで分解することもできる。この糖代謝を利用した分解プロセスは、解糖系によるグルコースの分解およびピルビン酸の生成ならびにTCA回路に大別されるが、これらは広く知られた反応系である。
単糖類の分解プロセスにおける酸化反応は、補酵素の還元反応を伴って行われる。この補酵素は作用する酵素によってほぼ定まっており、GDHの場合、補酵素にはNAD+ が用いられる。すなわち、GDHの作用によりβ−D−グルコースがD−グルコノ−δ−ラクトンに酸化されると、NAD+ がNADHに還元され、H+ を発生する。
In addition to the above decomposition process, glucose can also be decomposed to CO 2 by utilizing sugar metabolism. The decomposition process utilizing sugar metabolism is roughly divided into glucose decomposition and pyruvic acid generation by a glycolysis system and a TCA cycle, which are widely known reaction systems.
The oxidation reaction in the monosaccharide decomposition process is accompanied by a coenzyme reduction reaction. This coenzyme is almost determined by the acting enzyme. In the case of GDH, NAD + is used as the coenzyme. That is, when β-D-glucose is oxidized to D-glucono-δ-lactone by the action of GDH, NAD + is reduced to NADH to generate H + .

生成されたNADHは、ジアホラーゼ(DI)の存在下で直ちにNAD+ に酸化され、二つの電子とH+ とを発生する。したがって、グルコース1分子につき1段階の酸化反応で二つの電子と二つのH+ とが生成されることになる。2段階の酸化反応では、合計四つの電子と四つのH+ とが生成される。
上記プロセスで生成された電子はジアホラーゼから電子メディエーターを介して電極21aに渡され、H+ はプロトン伝導体23を通ってカソード電極22へ輸送される。
The produced NADH is immediately oxidized to NAD + in the presence of diaphorase (DI), generating two electrons and H + . Therefore, two electrons and two H + are generated by one-step oxidation reaction per glucose molecule. In the two-stage oxidation reaction, a total of four electrons and four H + are generated.
The electrons generated in the above process are transferred from diaphorase to the electrode 21 a via the electron mediator, and H + is transported to the cathode electrode 22 through the proton conductor 23.

上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、電極反応が効率よく定常的に行われるようにするために、プロトン伝導体23に含まれるリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液によって、酵素にとって最適なpH、例えばpH7付近に維持されていることが好ましい。リン酸緩衝液としては、例えばNaH2 PO4 やKH2 PO4 が用いられる。さらに、イオン強度(I.S.)は、あまり大きすぎても小さすぎても酵素活性に悪影響を与えるが、電気化学応答性も考慮すると、適度なイオン強度、例えば0.3程度であることが好ましい。ただし、pHおよびイオン強度は、用いる酵素それぞれに最適値が存在し、上述した値に限定されない。 The enzyme, coenzyme, and electron mediator described above are used for the enzyme by a buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution contained in the proton conductor 23 in order to perform the electrode reaction efficiently and constantly. It is preferably maintained at an optimum pH, for example, around pH 7. As the phosphate buffer, for example, NaH 2 PO 4 or KH 2 PO 4 is used. Further, the ionic strength (IS) is too large or too small to adversely affect the enzyme activity, but considering the electrochemical response, it should be an appropriate ionic strength, for example, about 0.3. Is preferred. However, pH and ionic strength have optimum values for each enzyme used, and are not limited to the values described above.

図6には、一例として、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がNAD+ 、補酵素の還元体であるNADHを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ(DI)、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極21aに渡す電子メディエーターがVK3である場合が図示されている。 In FIG. 6, for example, glucose dehydrogenase (GDH) is an enzyme involved in the degradation of glucose, NAD + is a coenzyme that produces a reductant in the oxidation reaction in the glucose degradation process, and a reductant of coenzyme. The case where the coenzyme oxidase that oxidizes a certain NADH is diaphorase (DI), and the electron mediator that receives electrons from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes it to the electrode 21a is VK3.

カソード電極22は、ポーラスカーボン電極、カーボンペレット電極、カーボンフェルト電極、カーボンペーパー電極など、あるいは撥水性の高い電極などに、第1の実施形態と同様に有機溶媒を用いた酵素固定化処理を行うことにより例えばビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどの酸素を分解する酵素を固定化したものである。このカソード電極22の外側の部分(プロトン伝導体23と反対側の部分)は通常、ポーラスカーボンよりなるガス拡散層により形成される。カソード電極22には、好適には、酵素に加えて、このカソード電極22との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターも固定化される。
このカソード電極22においては、上記の酸素を分解する酵素の存在下で、プロトン伝導体23からのH+ とアノード電極21からの電子とにより空気中の酸素を還元し水を生成する。
The cathode electrode 22 performs an enzyme immobilization treatment using an organic solvent on a porous carbon electrode, a carbon pellet electrode, a carbon felt electrode, a carbon paper electrode, or a highly water-repellent electrode as in the first embodiment. Thus, for example, an enzyme capable of decomposing oxygen such as bilirubin oxidase, laccase, ascorbate oxidase is immobilized. The portion outside the cathode electrode 22 (the portion opposite to the proton conductor 23) is usually formed by a gas diffusion layer made of porous carbon. Preferably, in addition to the enzyme, an electron mediator that exchanges electrons with the cathode electrode 22 is also immobilized on the cathode electrode 22.
In the cathode electrode 22, oxygen in the air is reduced by H + from the proton conductor 23 and electrons from the anode electrode 21 in the presence of the enzyme that decomposes oxygen to generate water.

プロトン伝導体23はアノード電極21において発生したH+ をカソード電極22に輸送するためのもので、電子伝導性を持たず、H+ を輸送することが可能な材料により構成されている。プロトン伝導体23としては、具体的には、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸(PFS)系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、PSSA−PVA(ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体)や、PSSA−EVOH(ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体)などからなるものが挙げられる。なかでも、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂からなるものが好ましく、具体的には、ナフィオン(商品名、米国デュポン社)が用いられる。 The proton conductor 23 is for transporting H + generated at the anode electrode 21 to the cathode electrode 22 and is made of a material that does not have electron conductivity and can transport H + . Specific examples of the proton conductor 23 include a perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) resin film, a copolymer film of a trifluorostyrene derivative, a polybenzimidazole film impregnated with phosphoric acid, and an aromatic polyether. Examples thereof include a ketone sulfonic acid film, PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer) and PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer). Among these, those made of an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group are preferable, and specifically, Nafion (trade name, DuPont, USA) is used.

以上のように構成されたバイオ燃料電池において、アノード電極21側にグルコースが供給されると、このグルコースが酸化酵素を含む分解酵素により分解される。この単糖類の分解プロセスで酸化酵素が関与することで、アノード電極21側で電子とH+ とを生成することができ、アノード電極21とカソード電極22との間で電流を発生させることができる。 In the biofuel cell configured as described above, when glucose is supplied to the anode electrode 21, the glucose is decomposed by a decomposing enzyme including an oxidase. Since oxidase is involved in this monosaccharide decomposition process, electrons and H + can be generated on the anode electrode 21 side, and a current can be generated between the anode electrode 21 and the cathode electrode 22. .

次に、バイオ燃料電池の具体的な構造例について説明する。
図7AおよびBに示すように、このバイオ燃料電池は、例えばカーボンフェルト(例えば、面積0.25cm2 )に酵素、補酵素および電子メディエータを固定化材で固定化した酵素/補酵素/電子メディエーター固定化カーボン電極からなるアノード電極21と、例えばカーボンフェルト(例えば、面積0.25cm2 )の上に酵素や電子メディエーターを固定化材で固定化した酵素/電子メディエーター固定化カーボン電極からなるカソード電極22とが、プロトン伝導体23を介して対向した構成を有している。この場合、カソード電極22の下およびアノード電極21の上にそれぞれTi集電体31、32が置かれ、集電を容易に行うことができるようになっている。符号33、34は固定板を示す。これらの固定板33、34はねじ35により相互に締結され、それらの間に、カソード電極22、アノード電極21、プロトン伝導体23およびTi集電体33、34の全体が挟み込まれている。固定板33の一方の面(外側の面)には空気取り込み用の円形の凹部33aが設けられ、この凹部33aの底面に他方の面まで貫通した多数の穴33bが設けられている。これらの穴33bはカソード電極22への空気の供給路となる。一方、固定板34の一方の面(外側の面)には燃料装填用の円形の凹部34aが設けられ、この凹部34aの底面に他方の面まで貫通した多数の穴34bが設けられている。これらの穴34bはアノード電極21への燃料の供給路となる。この固定板34の他方の面の周辺部にはスペーサー36が設けられており、固定板33、34をねじ35により相互に締結したときにそれらの間隔が所定の間隔になるようになっている。
図7Bに示すように、Ti集電体31、32の間に負荷37を接続し、固定板34の凹部34aに燃料として例えばリン酸緩衝液にグルコースを溶かしたグルコース溶液を入れて発電を行う。
Next, a specific structural example of the biofuel cell will be described.
As shown in FIGS. 7A and B, this biofuel cell includes an enzyme / coenzyme / electron mediator in which an enzyme, a coenzyme, and an electron mediator are immobilized on a carbon felt (for example, an area of 0.25 cm 2 ) with an immobilizing material. An anode electrode 21 composed of an immobilized carbon electrode, and a cathode electrode composed of an enzyme / electron mediator-immobilized carbon electrode in which an enzyme or an electron mediator is immobilized on a carbon felt (for example, an area of 0.25 cm 2 ) with an immobilizing material. 22 is opposed to the proton conductor 23 via the proton conductor 23. In this case, Ti current collectors 31 and 32 are respectively placed under the cathode electrode 22 and the anode electrode 21 so that current collection can be performed easily. Reference numerals 33 and 34 denote fixed plates. The fixing plates 33 and 34 are fastened to each other by screws 35, and the cathode electrode 22, the anode electrode 21, the proton conductor 23, and the Ti current collectors 33 and 34 are sandwiched between them. One surface (outer surface) of the fixing plate 33 is provided with a circular recess 33a for taking in air, and a plurality of holes 33b penetrating to the other surface are provided on the bottom surface of the recess 33a. These holes 33 b serve as air supply paths to the cathode electrode 22. On the other hand, a circular recess 34a for fuel loading is provided on one surface (outer surface) of the fixed plate 34, and a number of holes 34b penetrating to the other surface are provided on the bottom surface of the recess 34a. These holes 34 b serve as fuel supply paths to the anode electrode 21. A spacer 36 is provided on the periphery of the other surface of the fixing plate 34, and when the fixing plates 33 and 34 are fastened to each other with screws 35, the interval between them becomes a predetermined interval. .
As shown in FIG. 7B, a load 37 is connected between the Ti current collectors 31 and 32, and a glucose solution in which glucose is dissolved in a phosphate buffer, for example, is put into the recess 34a of the fixed plate 34 to generate power. .

次に、この発明の第3の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
この第3の実施形態によるバイオ燃料電池は、第2の実施形態によるバイオ燃料電池と同様な構成を有するが、単糖類、多糖類などの燃料をリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液に溶かした燃料溶液に有機溶媒を含ませることが異なる。燃料溶液中の緩衝液に対する有機溶媒の体積比は、一般的には0%より大きく50%以下、好適には5%以上30%以下、より好適には5%以上15%以下である。
このバイオ燃料電池においては、カソード電極22およびアノード電極21に酵素を固定化した直後にはそれらの内部に酵素があまり浸透していない場合でも、これらのカソード電極22およびアノード電極21が緩衝液および有機溶媒を含む燃料溶液と接触することにより、有機溶媒の作用で緩衝液がカソード電極22およびアノード電極21の内部に容易に浸透し、これに促される形で酵素が内部に容易に浸透して内部の表面に三次元的に高密度に固定化される。このため、第2の実施形態と同様に、高効率のバイオ燃料電池を実現することができる。
Next explained is a biofuel cell according to the third embodiment of the invention.
The biofuel cell according to the third embodiment has the same configuration as that of the biofuel cell according to the second embodiment, but a fuel such as a monosaccharide or polysaccharide is used as a buffer solution such as a phosphate buffer or a Tris buffer. The difference is that an organic solvent is included in the fuel solution dissolved in the solution. The volume ratio of the organic solvent to the buffer solution in the fuel solution is generally greater than 0% and 50% or less, preferably 5% or more and 30% or less, and more preferably 5% or more and 15% or less.
In this biofuel cell, immediately after the enzyme is immobilized on the cathode electrode 22 and the anode electrode 21, even when the enzyme does not permeate into the inside of the cathode electrode 22 and the anode electrode 21, By contacting with the fuel solution containing the organic solvent, the buffer solution easily penetrates into the cathode electrode 22 and the anode electrode 21 due to the action of the organic solvent, and the enzyme easily penetrates into the inside in a form prompted by this. It is fixed on the internal surface in a three-dimensional and high-density manner. For this reason, a highly efficient biofuel cell is realizable similarly to 2nd Embodiment.

〔実施例2〕
実施例1と同様な方法で酵素を固定化する電極14を作製した。そして、実施例1と同様なリン酸緩衝液中にビリルビンオキシダーゼをリン酸緩衝液1mlに対し1mgの割合で加え、電極14にてCV測定を行った。その結果を図8Aに示す。次に、このリン酸緩衝液中にエタノールを体積比10%になるように加えた後に同様のCV測定を行った。その結果を図8Bに示す。図8AおよびBから分かるように、リン酸緩衝液にエタノールを加えた場合においては、リン酸緩衝液にエタノールを加えない場合に比べて、100倍程度の極めて大きな触媒電流値が得られている。これはリン酸緩衝液中のエタノールの作用により、電極14の内部へのリン酸緩衝液の浸透が容易になり、これに促される形でリン酸緩衝液中のビリルビンオキシダーゼの電極14の内部への浸透が容易になった結果であると考えられる。
[Example 2]
An electrode 14 for immobilizing an enzyme was produced in the same manner as in Example 1. Then, bilirubin oxidase was added at a rate of 1 mg to 1 ml of the phosphate buffer in the same phosphate buffer as in Example 1, and CV measurement was performed with the electrode 14. The result is shown in FIG. 8A. Next, ethanol was added to the phosphate buffer so that the volume ratio was 10%, and the same CV measurement was performed. The result is shown in FIG. 8B. As can be seen from FIGS. 8A and 8B, when ethanol is added to the phosphate buffer, an extremely large catalyst current value about 100 times that obtained when ethanol is not added to the phosphate buffer is obtained. . This is due to the action of ethanol in the phosphate buffer, which facilitates the penetration of the phosphate buffer into the inside of the electrode 14, and is facilitated by this to the inside of the electrode 14 of the bilirubin oxidase in the phosphate buffer. It is thought that this is the result of the easy penetration of.

次に、この発明の第4の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
この第4の実施形態によるバイオ燃料電池は、アノード電極21の電極21aの材料に図9に示すような多孔体導電材料を用いることを除いて、第2の実施形態によるバイオ燃料電池と同様な構成を有する。
図9Aはこの多孔体導電材料の構造を模式的に示し、図9Bはこの多孔体導電材料の骨格部の断面図である。図9AおよびBに示すように、この多孔体導電材料は、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格41と、この骨格41の表面を被覆するカーボン系材料42とからなる。この多孔体導電材料は、カーボン系材料42に囲まれた多数の孔43が網目に相当する三次元網目状構造を有する。この場合、これらの孔43同士は互いに連通している。カーボン系材料42の形態は問わず、繊維状(針状)、粒状などのいずれであってもよい。
Next explained is a biofuel cell according to the fourth embodiment of the invention.
The biofuel cell according to the fourth embodiment is the same as the biofuel cell according to the second embodiment except that a porous conductive material as shown in FIG. 9 is used as the material of the electrode 21a of the anode electrode 21. It has a configuration.
FIG. 9A schematically shows the structure of the porous conductive material, and FIG. 9B is a cross-sectional view of the skeleton of the porous conductive material. As shown in FIGS. 9A and 9B, this porous conductive material includes a skeleton 41 made of a porous material having a three-dimensional network structure, and a carbon-based material 42 that covers the surface of the skeleton 41. This porous conductive material has a three-dimensional network structure in which a large number of holes 43 surrounded by the carbon-based material 42 correspond to a network. In this case, these holes 43 communicate with each other. The form of the carbon-based material 42 is not limited and may be any of a fibrous shape (needle shape) and a granular shape.

多孔体材料からなる骨格41としては、発泡金属あるいは発泡合金、例えば発泡ニッケルが用いられる。この骨格41の多孔率は一般的には85%以上、より一般的には90%以上であり、その孔径は、一般的には例えば10nm〜1mm、より一般的には10nm〜600μm、さらに一般的には1〜600μm、典型的には50〜300μm、より典型的には100〜250μmである。カーボン系材料42としては、例えばケッチェンブラックなどの高導電性のものが好ましいが、カーボンナノチューブやフラーレンなどの機能性カーボン材料を用いてもよい。
この多孔体導電材料の多孔率は一般的には80%以上、より一般的には90%以上であり、孔43の径は、一般的には例えば9nm〜1mm、より一般的には9nm〜600μm、さらに一般的には1〜600μm、典型的には30〜400μm、より典型的には80〜230μmである。
As the skeleton 41 made of a porous material, a foam metal or a foam alloy such as nickel foam is used. The porosity of the skeleton 41 is generally 85% or more, more typically 90% or more, and the pore diameter is typically, for example, 10 nm to 1 mm, more typically 10 nm to 600 μm, and more generally 1 to 600 μm, typically 50 to 300 μm, more typically 100 to 250 μm. The carbon material 42 is preferably a highly conductive material such as ketjen black, but a functional carbon material such as carbon nanotube or fullerene may be used.
The porosity of the porous conductive material is generally 80% or more, more typically 90% or more, and the diameter of the hole 43 is typically, for example, 9 nm to 1 mm, more generally 9 nm to It is 600 μm, more generally 1 to 600 μm, typically 30 to 400 μm, more typically 80 to 230 μm.

次に、この多孔体導電材料の製造方法について説明する。
図10Aに示すように、まず、発泡金属あるいは発泡合金(例えば、発泡ニッケル)からなる骨格41を用意する。
次に、図10Bに示すように、この発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格41の表面にカーボン系材料42をコーティングする。このコーティング方法としては従来公知の方法を用いることができる。一例を挙げると、カーボン粉末や適当な結着剤などを含むエマルションをスプレーにより骨格41の表面に噴射することによりカーボン系材料42をコーティングする。このカーボン系材料42のコーティング厚さは、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格41の多孔率および孔径との兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。このコーティングの際には、カーボン系材料42に囲まれた多数の孔43同士が互いに連通するようにする。
こうして、目的とする多孔体導電材料が製造される。
Next, a method for producing this porous conductive material will be described.
As shown in FIG. 10A, first, a skeleton 41 made of a foam metal or a foam alloy (for example, foam nickel) is prepared.
Next, as shown in FIG. 10B, a carbon-based material 42 is coated on the surface of the skeleton 41 made of the foam metal or foam alloy. As this coating method, a conventionally known method can be used. For example, the carbon-based material 42 is coated by spraying an emulsion containing carbon powder, an appropriate binder, or the like onto the surface of the skeleton 41 by spraying. The coating thickness of the carbon-based material 42 is determined according to the porosity and the pore diameter required for the porous conductive material in consideration of the porosity and the pore diameter of the skeleton 41 made of the foam metal or foam alloy. In this coating, a large number of holes 43 surrounded by the carbon-based material 42 are communicated with each other.
In this way, the target porous conductive material is manufactured.

この第4の実施形態によれば、第2の実施形態と同様な利点に加えて次のような利点を得ることができる。すなわち、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格41の表面をカーボン系材料42により被覆した多孔体導電材料は、孔43の径が十分に大きく、粗な三次元網目状構造を有しながら、高強度でしかも高い導電性を有し、必要十分な表面積を得ることもできる。このため、この多孔体導電材料を用いてアノード電極21の電極21aを形成し、これに酵素、補酵素および電子メディエーターを固定化することで得られる酵素/補酵素/電子メディエーター固定化電極からなるアノード電極21は、その上での酵素代謝反応を高効率に行わせることができ、あるいは、電極21aの近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えることが可能であり、しかも使用環境によらずに安定であり、高性能のバイオ燃料電池を実現することが可能である。   According to the fourth embodiment, in addition to the advantages similar to those of the second embodiment, the following advantages can be obtained. That is, the porous conductive material in which the surface of the skeleton 41 made of foam metal or foam alloy is coated with the carbon-based material 42 has a sufficiently large diameter of the holes 43 and has a rough three-dimensional network structure, while having high strength. In addition, it has high conductivity and can provide a necessary and sufficient surface area. For this reason, the electrode 21a of the anode electrode 21 is formed using this porous conductive material, and the enzyme / coenzyme / electron mediator immobilized electrode obtained by immobilizing the enzyme, coenzyme and electron mediator on the electrode 21a is formed. The anode electrode 21 can perform the enzyme metabolism reaction on the anode electrode 21 with high efficiency, or can efficiently capture the enzyme reaction phenomenon occurring near the electrode 21a as an electric signal. A stable and high-performance biofuel cell can be realized regardless of the environment.

次に、この発明の第5の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
この第5の実施形態によるバイオ燃料電池は、プロトン伝導体23がリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液を含む電解質層からなり、少なくとも、アノード電極21および/またはカソード電極22に固定化された酵素の周囲の電解質層には緩衝液が0.2M以上2.5M以下、好適には0.2M以上2M以下、より好適には0.4M以上2M以下、さらに好適には0.8M以上1.2M以下の濃度含まれている。こうすることで高い緩衝能を得ることができ、バイオ燃料電池の高出力動作時においても、酵素にとって最適なpH、例えばpH7付近に維持することができるので、酵素本来の能力を十分に発揮することができる。リン酸緩衝液としては、例えば、NaH2 PO4 やKH2 PO4 が用いられる。
上記以外のことは第2の実施形態と同様である。
Next explained is a biofuel cell according to the fifth embodiment of the invention.
In the biofuel cell according to the fifth embodiment, the proton conductor 23 is composed of an electrolyte layer containing a buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution, and is immobilized on at least the anode electrode 21 and / or the cathode electrode 22. In the electrolyte layer around the enzyme formed, a buffer solution is 0.2M to 2.5M, preferably 0.2M to 2M, more preferably 0.4M to 2M, and even more preferably 0.8M. A concentration of 1.2 M or less is included. In this way, a high buffer capacity can be obtained, and even at the time of high output operation of the biofuel cell, it can be maintained at an optimum pH for the enzyme, for example, near pH 7, so that the original ability of the enzyme can be fully exhibited. be able to. As the phosphate buffer, for example, NaH 2 PO 4 or KH 2 PO 4 is used.
Other than the above are the same as in the second embodiment.

以上のように、この第5の実施形態によれば、プロトン伝導体23を構成する電解質層に含まれる緩衝物質(緩衝液)の濃度が0.2M以上2.5M以下であることにより、十分な緩衝能を得ることができ、このためバイオ燃料電池の高出力動作時においても、カソード電極22および/またはアノード電極21に固定化された酵素の周囲の電解質層のpHを至適pH付近に維持することができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮させることができる。これによって、高出力動作が可能な高性能のバイオ燃料電池を実現することができる。   As described above, according to the fifth embodiment, the concentration of the buffer substance (buffer solution) contained in the electrolyte layer constituting the proton conductor 23 is not less than 0.2M and not more than 2.5M. Therefore, even when the biofuel cell is operated at a high output, the pH of the electrolyte layer around the enzyme immobilized on the cathode electrode 22 and / or the anode electrode 21 is kept close to the optimum pH. Can be maintained, and the ability of the enzyme can be fully exerted. Thereby, a high-performance biofuel cell capable of high output operation can be realized.

次に、この発明の第6の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
このバイオ燃料電池においては、燃料として、多糖類であるデンプンを用いる。また、デンプンを燃料に用いることに伴い、アノード電極21にデンプンをグルコースに分解する分解酵素であるグルコアミラーゼも固定化する。
このバイオ燃料電池においては、アノード電極21側に燃料としてデンプンが供給されると、このデンプンがグルコアミラーゼによりグルコースに加水分解され、さらにこのグルコースがグルコースデヒドロゲナーゼにより分解され、この分解プロセスにおける酸化反応に伴ってNAD+ が還元されてNADHが生成され、このNADHがジアホラーゼにより酸化されて2個の電子とNAD+ とH+ とに分離する。したがって、グルコース1分子につき1段階の酸化反応で2個の電子と2個のH+ とが生成される。2段階の酸化反応では合計4個の電子と4個のH+ とが生成される。こうして発生する電子はアノード電極21の電極21aに渡され、H+ はプロトン伝導体23を通ってカソード電極22まで移動する。カソード電極22では、このH+ が、外部から供給された酸素およびアノード電極21から外部回路を通って送られた電子と反応してH2 Oを生成する。
上記以外のことは第2の実施形態によるバイオ燃料電池と同様である。
この第6の実施形態によれば、第2の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、デンプンを燃料に用いていることにより、グルコースを燃料に用いる場合に比べて発電量を増加させることができるという利点を得ることができる。
Next explained is a biofuel cell according to the sixth embodiment of the invention.
In this biofuel cell, starch, which is a polysaccharide, is used as a fuel. In addition, with the use of starch as fuel, glucoamylase, which is a degrading enzyme that decomposes starch into glucose, is also immobilized on the anode electrode 21.
In this biofuel cell, when starch is supplied as fuel to the anode electrode 21 side, this starch is hydrolyzed into glucose by glucoamylase, and this glucose is further decomposed by glucose dehydrogenase. At the same time, NAD + is reduced to produce NADH, which is oxidized by diaphorase and separated into two electrons, NAD + and H + . Therefore, two electrons and two H + are generated by one-step oxidation reaction per molecule of glucose. In the two-stage oxidation reaction, a total of 4 electrons and 4 H + are generated. The electrons thus generated are transferred to the electrode 21 a of the anode electrode 21, and H + moves to the cathode electrode 22 through the proton conductor 23. In the cathode electrode 22, this H + reacts with oxygen supplied from outside and electrons sent from the anode electrode 21 through an external circuit to generate H 2 O.
Other than the above, the biofuel cell according to the second embodiment is the same as the biofuel cell according to the second embodiment.
According to the sixth embodiment, the same advantages as those of the second embodiment can be obtained, and the amount of power generation can be increased by using starch as fuel, compared with the case where glucose is used as fuel. The advantage that it can be obtained.

次に、この発明の第7の実施形態による酵素固定化電極について説明する。
この第7の実施形態においては、図11に示すように、例えばポーラスカーボンなどからなる電極51上に、グルコースの分解に関与する酵素と、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素と、補酵素の還元体を酸化する補酵素酸化酵素と、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極51に渡す電子メディエーターとが固定化材により固定化された微粒子52が多数凝集した凝集体53が固定されている。この固定化材は、典型的には、例えば、ポリ−L−リシン(PLL)のようなポリカチオンとポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa))のようなポリアニオンとを用いて形成されたポリイオンコンプレックスからなるが、これに限定されるものではない。この微粒子52をポリイオンコンプレックスにより形成する場合、この微粒子52の直径は、このポリイオンコンプレックスの形成に用いるポリカチオンおよびポリアニオンの分子量、ポリイオンコンプレックスを形成する際の乾燥温度などの乾燥条件、このポリイオンコンプレックスを形成するポリカチオンおよびポリアニオンの組成などを選択することにより制御することができる。この微粒子52は、例えば略球状で、その直径が1μm以下であるのが望ましいが、これに限定されるものではない。
Next explained is an enzyme-immobilized electrode according to the seventh embodiment of the invention.
In the seventh embodiment, as shown in FIG. 11, on the electrode 51 made of, for example, porous carbon, an enzyme involved in the decomposition of glucose and a reductant are generated in accordance with the oxidation reaction in the glucose decomposition process. A coenzyme that is oxidized, a coenzyme oxidase that oxidizes a reduced form of the coenzyme, and an electron mediator that receives electrons generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes them to the electrode 51 are fixed by the fixing material An aggregate 53 in which a large number of microparticles 52 are aggregated is fixed. This immobilization material typically comprises a polyion complex formed using, for example, a polycation such as poly-L-lysine (PLL) and a polyanion such as sodium polyacrylate (PAAcNa). However, the present invention is not limited to this. When the fine particles 52 are formed of a polyion complex, the diameter of the fine particles 52 is determined by the drying conditions such as the molecular weight of the polycation and polyanion used to form the polyion complex, the drying temperature at which the polyion complex is formed, and the polyion complex. It can be controlled by selecting the composition of the polycation and polyanion to be formed. The fine particles 52 are preferably, for example, substantially spherical and have a diameter of 1 μm or less, but are not limited thereto.

図11に示すように、この酵素固定化電極においては、凝集体53を構成する微粒子52の表面および内部が酵素の反応場となる。この場合、凝集体53は多くの空隙を含むため、この空隙を通して反応物(例えば、燃料)の反応場の酵素への供給および反応物の反応により得られる生成物の排出を容易かつ円滑に行うことができるだけでなく、この凝集体53は表面積が多く、凝集体53の内部への反応物の供給も容易であるため、全体として反応速度の向上を図ることができる。電子は凝集体53に固定化された電子メディエーターを介して、あるいは電子メディエーター間を介して電極51とやりとりすることができる。   As shown in FIG. 11, in this enzyme-immobilized electrode, the surface and the inside of the fine particles 52 constituting the aggregate 53 serve as an enzyme reaction field. In this case, since the aggregate 53 includes many voids, the reactant (for example, fuel) is supplied through the voids to the enzyme in the reaction field and the product obtained by the reaction of the reactants is easily and smoothly discharged. In addition, the aggregate 53 has a large surface area, and the reactant can be easily supplied to the inside of the aggregate 53, so that the reaction rate can be improved as a whole. The electrons can be exchanged with the electrode 51 via an electron mediator immobilized on the aggregate 53 or between the electron mediators.

〔実施例3〕
酵素固定化電極を次のようにして作製した。
溶液調製
まず、以下のようにして各種の溶液を調製した。緩衝溶液としては、0.1M NaH2 PO4 −NaOH−NaCl(I.S.=0.3、pH7)を用いた。
・GDH/DI/NADH酵素・補酵素緩衝溶液((1))
ジアホラーゼ(DI)(EC 1.6.99.−、天野エンザイム製、DH”Amano ”3)を10mg秤量し、緩衝溶液200μlに溶解させた((1)´)。酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで8℃以下で冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ8℃以下で冷蔵保存しておくことが好ましい。
グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)(NAD依存型、EC 1.1.1.47、天野エンザイム製、GDH−2)を13.8mg秤量し、緩衝溶液180μlに溶解させた。これに上記の溶液(1)´を20μl加えてよく混合し、最終的にGDH/DI=4.2/20U/μl溶液200μlとした。
・NADH緩衝溶液((2))
NADH(シグマアルドリッチ製、N−8129)を64mg秤量し、緩衝溶液0.1mlに溶解させた(640μg/μl)。
・PLL水溶液((3))
ポリ−L−リシン臭化水素酸塩(PLL)(シグマアルドリッチ製、P−2174)を適量秤量し、2wt%となるように脱イオン水に溶解させた。
・ANQアセトン溶液((4))
2−アミノ−1,4−ナフトキノン(ANQ)を10mg秤量し、アセトン溶液964μlに溶解させ60mMとした。
・PAAcNa水溶液((5))
ポリアクリル酸ナトリウム(PAAcNa)(シグマアルドリッチ製、41,604−5)を適量秤量し、0.022wt%となるように脱イオン水を加えて調製した。
固定化膜作製
上記のようにして調製した各種の溶液を下記に示す量だけ、下記の順序で、それぞれマイクロピペッターなどでグラッシーカーボンディスク電極(BAS製、002012、3mmφ、0.071cm2 )表面上に滴下・混合した後、適宜室温もしくは40℃以下で乾燥を行い、酵素固定化電極を作製した。
GDH/DI酵素緩衝溶液((1)):8μl
NADH緩衝溶液(2):2μl
PLL水溶液((3)):10μl
ANQアセトン溶液((4)):18.7μl
PAAcNa水溶液((5)):12μl
図12はこうして作製された酵素固定化電極の表面を共焦点顕微鏡(オリンパス製Fluoview FV1000×100レンズ ズーム×1)により観察した結果を示す。図12より、直径約1μmの酵素を含む微粒子が電極表面に凝集して凝集体を形成している様子が観察される。
Example 3
An enzyme-immobilized electrode was prepared as follows.
Solution preparation First, various solutions were prepared as follows. As the buffer solution, 0.1M NaH 2 PO 4 —NaOH—NaCl (IS = 0.3, pH 7) was used.
・ GDH / DI / NADH enzyme ・ Coenzyme buffer solution ((1))
10 mg of diaphorase (DI) (EC 1.6.99.-, manufactured by Amano Enzyme, DH “Amano” 3) was weighed and dissolved in 200 μl of a buffer solution ((1) ′). The buffer solution for dissolving the enzyme is preferably refrigerated at 8 ° C. or less until immediately before, and the enzyme buffer solution is preferably refrigerated at 8 ° C. or less as much as possible.
13.8 mg of glucose dehydrogenase (GDH) (NAD-dependent, EC 1.1.1.47, Amano Enzyme, GDH-2) was weighed and dissolved in 180 μl of a buffer solution. To this, 20 μl of the above solution (1) ′ was added and mixed well to finally make 200 μl of GDH / DI = 4.2 / 20 U / μl solution.
-NADH buffer solution ((2))
64 mg of NADH (manufactured by Sigma-Aldrich, N-8129) was weighed and dissolved in 0.1 ml of a buffer solution (640 μg / μl).
・ PLL aqueous solution ((3))
An appropriate amount of poly-L-lysine hydrobromide (PLL) (manufactured by Sigma-Aldrich, P-2174) was weighed and dissolved in deionized water to 2 wt%.
・ ANQ acetone solution ((4))
10 mg of 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ) was weighed and dissolved in 964 μl of an acetone solution to give 60 mM.
-PAAcNa aqueous solution ((5))
Sodium polyacrylate (PAAcNa) (manufactured by Sigma-Aldrich, 41,604-5) was weighed in an appropriate amount and prepared by adding deionized water to 0.022 wt%.
Preparation of Immobilized Membrane The various solutions prepared as described above were applied in the following order in the following order on the surface of a glassy carbon disk electrode (manufactured by BAS, 002012, 3 mmφ, 0.071 cm 2 ). After dripping and mixing, an enzyme-immobilized electrode was prepared by appropriately drying at room temperature or 40 ° C. or lower.
GDH / DI enzyme buffer solution ((1)): 8 μl
NADH buffer solution (2): 2 μl
PLL aqueous solution ((3)): 10 μl
ANQ acetone solution ((4)): 18.7 μl
PAAcNa aqueous solution ((5)): 12 μl
FIG. 12 shows the result of observing the surface of the enzyme-immobilized electrode thus produced with a confocal microscope (Olympus Fluoview FV1000 × 100 lens zoom × 1). From FIG. 12, it is observed that fine particles containing an enzyme having a diameter of about 1 μm aggregate on the electrode surface to form an aggregate.

〔実施例4〕
酵素固定化電極を次のようにして作製した。
溶液調製
以下のようにして各種の溶液を調製した。緩衝溶液としては、実施例3と同じものを用いた。
・DMPCエタノール溶液(6)
ジミリストイルホスファチジルコリン(DMPC)(和光純薬工業製、163−12771)1mgを1mlのエタノールに溶解し、0.1%(w/v)エタノール溶液とした。
GDH/DI酵素緩衝溶液((1))、NADH緩衝溶液((2))、PLL水溶液((3))、ANQアセトン溶液(4)およびPAAcNa水溶液((5))は実施例3と同様に調製した。
固定化膜作製
上記のようにして調製した各種の溶液を下記に示す量だけ、下記の順序で、それぞれマイクロピペッターなどでグラッシーカーボンディスク電極(BAS製、002012、3mmφ、0.071cm2 )表面上に滴下・混合した後、適宜室温もしくは40℃以下で乾燥を行い、酵素固定化電極を作製した。
GDH/DI酵素緩衝溶液((1)):8μl
NADH緩衝溶液((2)):2μl
PLL水溶液((3)):10μl
ANQアセトン溶液((4)):18.7μl
PAAcNa水溶液((5)):12μl
DMPCエタノール溶液(6):10μl
こうして作製された酵素固定化電極の表面を実施例3と同様に共焦点顕微鏡により観察したところ、実施例3と同様な結果が得られた。
この第7の実施形態によれば、高効率な酵素固定化電極を実現することができる。そして、この酵素固定化電極をバイオ燃料電池のカソード電極またはアノード電極に用いることにより、高効率なバイオ燃料電池を実現することができる。
Example 4
An enzyme-immobilized electrode was prepared as follows.
Solution preparation Various solutions were prepared as follows. The same buffer solution as in Example 3 was used.
DMPC ethanol solution (6)
1 mg of dimyristoylphosphatidylcholine (DMPC) (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, 163-12771) was dissolved in 1 ml of ethanol to obtain a 0.1% (w / v) ethanol solution.
GDH / DI enzyme buffer solution ((1)), NADH buffer solution ((2)), PLL aqueous solution ((3)), ANQ acetone solution (4) and PAAcNa aqueous solution ((5)) were the same as in Example 3. Prepared.
Preparation of Immobilized Membrane The various solutions prepared as described above were applied in the following order in the following order on the surface of a glassy carbon disk electrode (manufactured by BAS, 002012, 3 mmφ, 0.071 cm 2 ). After dripping and mixing, an enzyme-immobilized electrode was prepared by appropriately drying at room temperature or 40 ° C. or lower.
GDH / DI enzyme buffer solution ((1)): 8 μl
NADH buffer solution ((2)): 2 μl
PLL aqueous solution ((3)): 10 μl
ANQ acetone solution ((4)): 18.7 μl
PAAcNa aqueous solution ((5)): 12 μl
DMPC ethanol solution (6): 10 μl
When the surface of the enzyme-immobilized electrode thus prepared was observed with a confocal microscope in the same manner as in Example 3, the same result as in Example 3 was obtained.
According to the seventh embodiment, a highly efficient enzyme-immobilized electrode can be realized. A highly efficient biofuel cell can be realized by using the enzyme-immobilized electrode as a cathode electrode or an anode electrode of the biofuel cell.

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The various deformation | transformation based on the technical idea of this invention is possible.
For example, the numerical values, structures, configurations, shapes, materials, and the like given in the above-described embodiments are merely examples, and different numerical values, structures, configurations, shapes, materials, and the like may be used as necessary.

この発明の第1の実施形態による酵素固定化電極の評価用の酵素を固定化する電極の作製方法を説明するための略線図である。It is a basic diagram for demonstrating the production method of the electrode which fix | immobilizes the enzyme for evaluation of the enzyme fixed electrode by 1st Embodiment of this invention. 図1に示す電極のサイクリックボルタモグラムを示す略線図である。It is a basic diagram which shows the cyclic voltammogram of the electrode shown in FIG. 図1に示す電極に酵素を固定化した酵素固定化電極のサイクリックボルタモグラムを示す略線図である。It is a basic diagram which shows the cyclic voltammogram of the enzyme fixed electrode which fixed the enzyme to the electrode shown in FIG. 酵素溶液中のエタノール濃度を変化させた時の触媒電流値の変化を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the change of the catalyst electric current value when changing the ethanol concentration in an enzyme solution. この発明の第2の実施形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the biofuel cell by 2nd Embodiment of this invention. この発明の第2の実施形態によるバイオ燃料電池のアノード電極の構成の詳細ならびにこのアノード電極に固定化された酵素群の一例およびこの酵素群による電子の受け渡し反応を模式的に示す略線図である。FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing a configuration of an anode electrode of a biofuel cell according to a second embodiment of the present invention, an example of an enzyme group immobilized on the anode electrode, and an electron transfer reaction by the enzyme group. is there. この発明の第2の実施形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the specific structural example of the biofuel cell by the 2nd Embodiment of this invention. この発明の第3の実施形態によるバイオ燃料電池の評価用の酵素固定化電極のサイクリックボルタモグラムを示す略線図である。It is a basic diagram which shows the cyclic voltammogram of the enzyme fixed electrode for evaluation of the biofuel cell by 3rd Embodiment of this invention. この発明の第4の実施形態によるバイオ燃料電池においてアノード電極の電極材料に用いる多孔体導電材料の構造を説明するための略線図および断面図である。It is a basic diagram and sectional drawing for demonstrating the structure of the porous conductive material used for the electrode material of an anode electrode in the biofuel cell by the 4th Embodiment of this invention. この発明の第4の実施形態によるバイオ燃料電池においてアノード電極の電極材料に用いる多孔体導電材料の製造方法を説明するための略線図である。It is a basic diagram for demonstrating the manufacturing method of the porous electroconductive material used for the electrode material of an anode electrode in the biofuel cell by the 4th Embodiment of this invention. この発明の第7の実施形態による酵素固定化電極を示す略線図である。It is a basic diagram which shows the enzyme fixed electrode by 7th Embodiment of this invention. この発明の実施例3により作製された酵素固定化電極の表面の共焦点顕微鏡像である。It is a confocal microscope image of the surface of the enzyme fixed electrode produced by Example 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

21…アノード電極、21a…電極、22…カソード電極、23…プロトン伝導体、31、32…Ti集電体、33、34…固定板、37…負荷、41…骨格、42…カーボン系材料、43…孔、51…電極、52…微粒子、53…凝集体   21 ... Anode electrode, 21a ... Electrode, 22 ... Cathode electrode, 23 ... Proton conductor, 31, 32 ... Ti current collector, 33, 34 ... Fixed plate, 37 ... Load, 41 ... Skeleton, 42 ... Carbon-based material, 43 ... pores, 51 ... electrodes, 52 ... fine particles, 53 ... aggregates

Claims (20)

電極に酵素が固定化された酵素固定化電極の製造方法であって、
上記酵素を上記電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませるようにした
ことを特徴とする酵素固定化電極の製造方法。
A method for producing an enzyme-immobilized electrode in which an enzyme is immobilized on the electrode,
A method for producing an enzyme-immobilized electrode, wherein an organic solvent is contained in a solution used when the enzyme is immobilized on the electrode.
上記有機溶媒がアルコールであることを特徴とする請求項1記載の酵素固定化電極の製造方法。   2. The method for producing an enzyme-immobilized electrode according to claim 1, wherein the organic solvent is an alcohol. 上記電極に上記酵素に加えて電子メディエーターを固定化することを特徴とする請求項1記載の酵素固定化電極の製造方法。   The method for producing an enzyme-immobilized electrode according to claim 1, wherein an electron mediator is immobilized on the electrode in addition to the enzyme. 電極に酵素が固定化された酵素固定化電極であって、
上記酵素を上記電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませたものを用いて製造される
ことを特徴とする酵素固定化電極。
An enzyme-immobilized electrode in which an enzyme is immobilized on the electrode,
An enzyme-immobilized electrode produced by using an organic solvent in a solution used when immobilizing the enzyme on the electrode.
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素が固定化されている燃料電池の製造方法であって、
上記酵素を上記カソード電極および/または上記アノード電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませるようにした
ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
A method for producing a fuel cell, wherein a cathode electrode and an anode electrode have a structure facing each other via a proton conductor, and an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode,
A method for producing a fuel cell, characterized in that an organic solvent is included in a solution used when the enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode.
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素が固定化されている燃料電池であって、
上記酵素を上記カソード電極および/または上記アノード電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませたものを用いて上記カソード電極および/または上記アノード電極が製造される
ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell having a structure in which a cathode electrode and an anode electrode are opposed to each other via a proton conductor, and an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode,
A fuel characterized in that the cathode electrode and / or the anode electrode is produced by using an organic solvent contained in a solution used when the enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode. battery.
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素が固定化されている燃料電池であって、
燃料に有機溶媒を含ませた
ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell having a structure in which a cathode electrode and an anode electrode are opposed to each other via a proton conductor, and an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode,
A fuel cell characterized in that an organic solvent is contained in the fuel.
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素が固定化されている燃料電池であって、
上記酵素を上記カソード電極および/または上記アノード電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませたものを用いて上記カソード電極および/または上記アノード電極が製造されるものである
ことを特徴とする電子機器。
In an electronic device using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
A fuel cell having a structure in which a cathode electrode and an anode electrode are opposed to each other via a proton conductor, and an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode,
The cathode electrode and / or the anode electrode is produced by using an organic solvent contained in a solution used when the enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode. Electronic equipment.
一つまたは複数の燃料電池を用いる電子機器において、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素が固定化されている燃料電池であって、
燃料に有機溶媒を含ませたものである
ことを特徴とする電子機器。
In an electronic device using one or more fuel cells,
At least one of the fuel cells is
A fuel cell having a structure in which a cathode electrode and an anode electrode are opposed to each other via a proton conductor, and an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode,
An electronic device characterized by containing an organic solvent in fuel.
電極に酵素が固定化された酵素固定化電極を有する酵素反応利用装置の製造方法であって、
上記酵素を上記電極に固定化する際に用いる溶液に有機溶媒を含ませるようにした
ことを特徴とする酵素反応利用装置の製造方法。
A method for producing an enzyme reaction utilization device having an enzyme-immobilized electrode in which an enzyme is immobilized on the electrode,
A method for producing an enzyme reaction utilization device, wherein an organic solvent is included in a solution used when the enzyme is immobilized on the electrode.
電極に酵素を含む凝集体が固定化されている酵素固定化電極。   An enzyme-immobilized electrode in which an aggregate containing an enzyme is immobilized on the electrode. 上記凝集体がさらに電子メディエーターを含むことを特徴とする請求項11記載の酵素固定化電極。   The enzyme-immobilized electrode according to claim 11, wherein the aggregate further contains an electron mediator. 上記凝集体がさらに補酵素を含むことを特徴とする請求項11記載の酵素固定化電極。   The enzyme-immobilized electrode according to claim 11, wherein the aggregate further contains a coenzyme. 上記凝集体がさらにリン脂質またはその誘導体を含むことを特徴とする請求項11記載の酵素固定化電極。   The enzyme-immobilized electrode according to claim 11, wherein the aggregate further contains a phospholipid or a derivative thereof. 上記凝集体が略球形の微粒子からなることを特徴とする請求項11記載の酵素固定化電極。   The enzyme-immobilized electrode according to claim 11, wherein the aggregate comprises substantially spherical fine particles. 上記微粒子の直径が1μm以下であることを特徴とする請求項15記載の酵素固定化電極。   The enzyme-immobilized electrode according to claim 15, wherein the fine particles have a diameter of 1 µm or less. 上記微粒子がポリイオンコンプレックスにより形成されていることを特徴とする請求項15記載の酵素固定化電極。   The enzyme-immobilized electrode according to claim 15, wherein the fine particles are formed of a polyion complex. カソード電極とアノード電極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、上記カソード電極および/または上記アノード電極に酵素を含む凝集体が固定化されている燃料電池。   A fuel cell having a structure in which a cathode electrode and an anode electrode face each other via a proton conductor, and an aggregate containing an enzyme is immobilized on the cathode electrode and / or the anode electrode. 電極に酵素を含む層が固定され、上記層には空隙が設けられ、反応物または酸素が上記空隙を通じて上記酵素に供給される酵素固定化電極。   An enzyme-immobilized electrode in which a layer containing an enzyme is fixed to the electrode, a void is provided in the layer, and a reactant or oxygen is supplied to the enzyme through the void. 上記空隙は略球形であり、上記空隙の直径が1μm以下であることを特徴とする請求項19記載の酵素固定化電極。   The enzyme-immobilized electrode according to claim 19, wherein the gap is substantially spherical and the diameter of the gap is 1 µm or less.
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