JP2008059805A - Enzyme electrode and biological fuel cell and biosensor provided with the same - Google Patents

Enzyme electrode and biological fuel cell and biosensor provided with the same Download PDF

Info

Publication number
JP2008059805A
JP2008059805A JP2006232614A JP2006232614A JP2008059805A JP 2008059805 A JP2008059805 A JP 2008059805A JP 2006232614 A JP2006232614 A JP 2006232614A JP 2006232614 A JP2006232614 A JP 2006232614A JP 2008059805 A JP2008059805 A JP 2008059805A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electron mediator
electrode
enzyme
potential
enzyme electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006232614A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hidetaka Nishigori
英孝 錦織
Hisao Kato
久雄 加藤
Kenji Kano
健司 加納
Seiya Tsujimura
清也 辻村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyoto University
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Kyoto University
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyoto University, Toyota Motor Corp filed Critical Kyoto University
Priority to JP2006232614A priority Critical patent/JP2008059805A/en
Publication of JP2008059805A publication Critical patent/JP2008059805A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an enzyme electrode which can attain a high voltage and a high power current and provide a high performance fuel cell and an enzyme sensor provided with the enzyme electrode. <P>SOLUTION: The enzyme electrode is provided with an electrode, an oxidoreductase and an electron mediator to mediate an electron transfer between the electrode and the oxidoreductase. The electron mediator has a plurality of kinds of electron mediators including at least a first electron mediator and a second mediator, and depending on a kind of a substance to be used as each of the electron mediator, a substrate oxidation type enzyme electrode or a substrate reduction type enzyme electrode can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、酵素電極並びにこれを備える生物燃料電池及びバイオセンサに関する。   The present invention relates to an enzyme electrode, and a biofuel cell and biosensor including the enzyme electrode.

酵素は、その高い基質特異性から種々の物質の存在量を測定する分析、例えば、酵素センサー等に利用されている。酵素を利用した酵素センサーとしては、例えば、分析の対象である対象物質(基質)と酵素との酸化還元反応により生じる電流を測定し、対象物質の定量を行うセンサーがある。具体的には、グルコースを酸化する酵素とグルコースとの間における酸化還元反応に伴って発生する電流が、グルコース濃度に比例することを利用したグルコースセンサーがある。
さらに、最近では、白金等の金属触媒に代わる燃料電池用新規触媒としても、酵素の研究開発が進められている。酵素と基質との酸化還元反応に伴い発生する電流を利用した酵素電極は、酵素センサーや燃料電池の他にも広範囲な分野においてその利用が期待されている。
Enzymes are used in analysis for measuring the abundance of various substances due to their high substrate specificity, such as enzyme sensors. As an enzyme sensor using an enzyme, for example, there is a sensor that measures a current generated by an oxidation-reduction reaction between a target substance (substrate) to be analyzed and an enzyme, and quantifies the target substance. Specifically, there is a glucose sensor that utilizes the fact that an electric current generated with an oxidation-reduction reaction between an enzyme that oxidizes glucose and glucose is proportional to the glucose concentration.
Furthermore, recently, research and development of enzymes have been promoted as new catalysts for fuel cells that can replace metal catalysts such as platinum. Enzyme electrodes that use the current generated by the oxidation-reduction reaction between an enzyme and a substrate are expected to be used in a wide range of fields in addition to enzyme sensors and fuel cells.

一般的に、酵素は電極表面で直接酸化還元されにくいため、酵素と電極間の電子伝達を媒介する電子メディエータを用いた電極反応の効率化が行われている。電子メディエータは、基質を酸化した酵素から受け取った電子を電極へ輸送、又は、電極から受け取った電子を基質を還元する酵素へ輸送するものである。酵素−電子メディエータ−電極間のスムーズな電子輸送によって、酵素電極の電流値が増加し、充分な電流を取り出せる生物燃料電池が得られる。電子メディエータは、酵素と共に電解液中に混合、分散されるか、或いは、電極に固定等される。   In general, since an enzyme is difficult to be directly oxidized and reduced on the electrode surface, the efficiency of the electrode reaction using an electron mediator that mediates electron transfer between the enzyme and the electrode has been increased. The electron mediator transports electrons received from the enzyme that oxidizes the substrate to the electrode, or transports electrons received from the electrode to the enzyme that reduces the substrate. By smooth electron transport between the enzyme-electron mediator-electrode, the current value of the enzyme electrode increases, and a biofuel cell from which a sufficient current can be extracted is obtained. The electron mediator is mixed and dispersed in the electrolytic solution together with the enzyme, or fixed to the electrode.

電子メディエータとしては、種々の物質が用いられており、例えば、特許文献1にはビピリジン又はピリジルイミダゾールを有する二座配位子を含む遷移金属錯体、特許文献2には、ポリマー骨格と、該ポリマー骨格に共有結合したスペーサーと、特定の構造を有する複数の遷移金属錯体とを有し、該遷移金属錯体の配位子のうち少なくとも一つが前記スペーサーのいずれかに共有結合したポリマー遷移金属錯体が記載されている。
また、特許文献3には、キノン系分子の誘導体からなる電子メディエータが記載されており、具体的には、sodium anthraquinone-2-sulfonate(AQS)の誘導体や2-methyl-1,4-naphtoquinone(VK3)の誘導体等が記載されている。さらに、非特許文献1では、ビリルビン酸化酵素の電子メディエータとして、金属錯体[Fe(CN)63−/4−、[W(CN)83−/4−、[Os(CN)63−/4−、[Mo(CN)83−/4−が用いられている。
Various materials are used as the electron mediator. For example, Patent Document 1 discloses a transition metal complex containing a bidentate ligand having bipyridine or pyridylimidazole, and Patent Document 2 includes a polymer skeleton and the polymer. A polymer transition metal complex having a spacer covalently bonded to the skeleton and a plurality of transition metal complexes having a specific structure, wherein at least one of the ligands of the transition metal complex is covalently bonded to any of the spacers. Are listed.
Patent Document 3 describes an electron mediator comprising a derivative of a quinone molecule. Specifically, a derivative of sodium anthraquinone-2-sulfonate (AQS) or 2-methyl-1,4-naphtoquinone ( Derivatives of VK 3 ) are described. Furthermore, in Non-Patent Document 1, metal complexes [Fe (CN) 6 ] 3− / 4− , [W (CN) 8 ] 3− / 4− , [Os (CN) 6 are used as electron mediators of bilirubin oxidase. ] 3− / 4− and [Mo (CN) 8 ] 3− / 4− are used.

特表2003−514823号公報Special table 2003-514823 gazette 特表2003−514924号公報Special table 2003-514924 gazette 特開2005−79001号公報JP 2005-79001 A The chemical Record, Vol.4, 192-203(2004)The chemical Record, Vol.4, 192-203 (2004)

燃料電池の電位は、アノード、カソードでそれぞれ起こる反応の酸化還元電位で決定するものであり、熱力学的に決定される。高い電池電圧を得るためには、アノードで起こる反応とカソードで起こる反応の電位差を大きくする必要がある。   The potential of the fuel cell is determined by the oxidation-reduction potential of the reaction that occurs at each of the anode and the cathode, and is determined thermodynamically. In order to obtain a high battery voltage, it is necessary to increase the potential difference between the reaction occurring at the anode and the reaction occurring at the cathode.

電子メディエータを介して酵素−電極間の電子伝達が行われる酵素電極において、得られる電極電位は電子メディエータの酸化還元電位に依存する。ゆえに、アノード電極(基質酸化型酵素電極)においては、電子メディエータの酸化開始電位が、当該電子メディエータに直接電子を渡す酵素の酸化還元電位より高い範囲内で低ければ低い(卑な電位)ほど、エネルギー損失は小さく、電池を組んだ場合に得られる電圧は高くなる。一方、カソード電極(基質還元型酵素電極)においては、電子メディエータの還元開始電位が、当該電子メディエータから電子を渡される酵素の酸化還元電位より低い範囲内で高ければ高いほど(貴な電位)ほど、エネルギー損失が小さく、電池を組んだ場合に得られる電圧が高くなる。   In an enzyme electrode in which electron transfer between an enzyme and an electrode is performed via an electron mediator, the obtained electrode potential depends on the redox potential of the electron mediator. Therefore, in the anode electrode (substrate oxidation enzyme electrode), the lower the oxidation start potential of the electron mediator within the range higher than the oxidation-reduction potential of the enzyme that directly passes electrons to the electron mediator (base potential), Energy loss is small, and the voltage obtained when a battery is assembled is high. On the other hand, in the cathode electrode (substrate reduction type enzyme electrode), the higher the nodal reduction start potential of the electron mediator is within a range lower than the redox potential of the enzyme passed from the electron mediator (the noble potential), The energy loss is small, and the voltage obtained when the battery is assembled is high.

また、電子メディエータを介して酵素−電極間の電子伝達が行われる酵素電極において、得られる電流は電子メディエータの酸化還元反応速度に依存する。すなわち、電子メディエータの酸化還元反応速度が大きければ大きいほど酵素電極の電流は大きくなる。   In addition, in an enzyme electrode in which electron transfer is performed between the enzyme and the electrode via the electron mediator, the current obtained depends on the redox reaction rate of the electron mediator. That is, the larger the redox reaction rate of the electron mediator, the larger the current of the enzyme electrode.

従って、アノード電極として酵素電極(基質酸化型酵素電極)を備える燃料電池の場合、電子メディエータの酸化開始電位が低ければ低いほど、取り出せる電圧が高く、また、電子メディエータの酸化還元反応速度が大きければ大きいほど、電流密度が高く、優れた発電性能を示す。つまり、アノード電極として酵素電極を備える燃料電池において、高性能な電子メディエータとは、酸化開始電位が低く、且つ、酸化還元反応速度が大きいものである。
一方、カソード電極として酵素電極(基質還元型酵素電極)を備える燃料電池の場合、電子メディエータの還元開始電位が高ければ高いほど、取り出せる電圧が高く、また、電子メディエータの酸化還元反応速度が大きければ大きいほど、電流密度が高く、優れた発電性能を示す。つまり、カソード電極として酵素電極を備える燃料電池において、高性能な電子メディエータとは、還元開始電位が高く、且つ、酸化還元反応速度が大きいものである。
また、得られる電流或いは電圧が大きい酵素電極を備える酵素センサーは、感度が高く、微量成分の検知が可能となる。
Therefore, in the case of a fuel cell having an enzyme electrode (substrate oxidation enzyme electrode) as an anode electrode, the lower the oxidation start potential of the electron mediator, the higher the voltage that can be taken out, and the higher the redox reaction rate of the electron mediator. The larger the value, the higher the current density and the better power generation performance. That is, in a fuel cell including an enzyme electrode as an anode electrode, a high-performance electron mediator is one that has a low oxidation start potential and a high redox reaction rate.
On the other hand, in the case of a fuel cell having an enzyme electrode (substrate reduction enzyme electrode) as a cathode electrode, the higher the reduction start potential of the electron mediator, the higher the voltage that can be taken out, and the higher the redox reaction rate of the electron mediator. The larger the value, the higher the current density and the better power generation performance. That is, in a fuel cell having an enzyme electrode as a cathode electrode, a high-performance electron mediator has a high reduction start potential and a high redox reaction rate.
In addition, an enzyme sensor including an enzyme electrode having a large current or voltage is highly sensitive and can detect a trace component.

しかしながら、上記特許文献1〜3や非特許文献1に記載の各電子メディエータは、酸化還元反応速度は大きいものの、酸化開始電位が高かったり、又は、酸化開始電位は低いものの、酸化還元反応速度が小さかったり、アノード電極(基質酸化型酵素電極)の電子メディエータに求められる酸化還元反応速度と酸化開始電位を両立していない。或いは、酸化還元反応速度は大きいものの、還元開始電位が低かったり、又は、還元開始電位は高いものの、酸化還元反応速度が小さかったり、カソード電極(基質還元型酵素電極)の電子メディエータに求められる酸化還元反応速度と還元開始電位を両立していない。   However, each of the electron mediators described in Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1 has a high oxidation-reduction reaction rate, but has a high oxidation start potential or a low oxidation start potential, but has a low redox reaction rate. The redox reaction rate required for the electron mediator of the anode electrode (substrate oxidation enzyme electrode) is not compatible with the oxidation initiation potential. Alternatively, although the oxidation-reduction reaction rate is high, the reduction initiation potential is low, or the reduction initiation potential is high, but the oxidation-reduction reaction rate is low, or the oxidation required for the electron mediator of the cathode electrode (substrate reduction enzyme electrode) The reduction reaction rate and reduction initiation potential are not compatible.

本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、高電圧及び高い発電電流が得られる酵素電極を提供することを目的とする。また、当該酵素電極を備えた高性能な燃料電池及び酵素センサーを提供する。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an enzyme electrode capable of obtaining a high voltage and a high generated current. In addition, a high-performance fuel cell and enzyme sensor provided with the enzyme electrode are provided.

本発明により提供される第一の酵素電極は、電極と、基質を酸化する酸化還元酵素と、該酸化還元酵素から電子を受け取り、前記電極へと電子を伝達する電子メディエータと、を備える基質酸化型酵素電極であって、前記電子メディエータとして、少なくとも第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータを含む2種以上を備え、前記第一の電子メディエータは、該第一の電子メディエータの酸化開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差が、前記第二の電子メディエータの酸化開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差よりも大きく、且つ、酸化電流の最大値(絶対値)が前記第二の電子メディエータの酸化電流の最大値(絶対値)よりも大きい、ことを特徴とするものである。   A first enzyme electrode provided by the present invention comprises an electrode, an oxidoreductase that oxidizes a substrate, and an electron mediator that receives an electron from the oxidoreductase and transfers the electron to the electrode. The enzyme electrode comprises two or more types including at least a first electron mediator and a second electron mediator as the electron mediator, wherein the first electron mediator has an oxidation start potential of the first electron mediator. And the redox potential of the redox enzyme is larger than the difference between the oxidation start potential of the second electron mediator and the redox potential of the redox enzyme, and the maximum value of the oxidation current (absolute value). ) Is larger than the maximum value (absolute value) of the oxidation current of the second electron mediator.

上記基質酸化型酵素電極は、第一の電子メディエータによって、高電位域において高電流密度が得られ、第二の電子メディエータによって、低電位域においてもある程度の電流密度が得られるため、高い電流密度が得られると共に低電位から高電位にわたる広い電位範囲において良好な電流密度が確保されており、且つ、第二の電子メディエータによって高電圧を取り出すことが可能である。   The substrate oxidized enzyme electrode has a high current density because a high current density is obtained in a high potential region by the first electron mediator and a certain current density is obtained even in a low potential region by the second electron mediator. And a good current density is secured in a wide potential range from a low potential to a high potential, and a high voltage can be taken out by the second electron mediator.

前記基質酸化型酵素電極において、前記第一の電子メディエータ及び前記第二の電子メディエータの具体的な組み合わせは特に限定されず、例えば、前記第一の電子メディエータが、下記式(1)で表されるビピリジン又はビピリジン誘導体からなる二座配位子が少なくとも1つオスミウムに配位した第一のオスミウム錯体であり、前記第二の電子メディエータが、下記式(2)で表されるビピリジルアミン又はビピリジルアミン誘導体からなる二座配位子が少なくとも1つオスミウムに配位した第二のオスミウム錯体である組み合わせが挙げられる。   In the substrate oxidized enzyme electrode, the specific combination of the first electron mediator and the second electron mediator is not particularly limited. For example, the first electron mediator is represented by the following formula (1). The biosidylamine or bipyridyl represented by the following formula (2) is a first osmium complex in which at least one bidentate ligand composed of bipyridine or a bipyridine derivative is coordinated to osmium. Examples thereof include a combination in which at least one bidentate ligand composed of an amine derivative is a second osmium complex coordinated to osmium.

Figure 2008059805
Figure 2008059805

(上記式(1)及び(2)において、R1〜R16は、それぞれ独立してH、F、Cl、Br、I、NO、CN、COOH、SOH、NHNH、SH、OH、NH、或いは、置換若しくは未置換のアルコキシカルボニル、アルキルアミノカルボニル、ジアルキルアミノカルボニル、アルコキシ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ、アルカノイルアミノ、アリールカルボキシアミド、ヒドラジノ、アルキルヒドラジノ、ヒドロキシルアミノ、アルコキシルアミノ、アルキルチオ、アルケニル、アリール又はアルキルのいずれかである。) (In the above formulas (1) and (2), R 1 to R 16 are each independently H, F, Cl, Br, I, NO 2 , CN, COOH, SO 3 H, NHNH 2 , SH, OH. , NH 2 or substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl, alkylaminocarbonyl, dialkylaminocarbonyl, alkoxy, alkylamino, dialkylamino, alkanoylamino, arylcarboxyamide, hydrazino, alkylhydrazino, hydroxylamino, alkoxylamino, alkylthio , Alkenyl, aryl or alkyl.)

本発明により提供される第二の酵素電極は、電極と、基質を還元する酸化還元酵素と、前記電極から電子を受け取り、前記酸化還元酵素へと電子を伝達する電子メディエータとを備える基質還元型酵素電極であって、前記電子メディエータとして、少なくとも第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータを含む2種以上を備え、前記第一の電子メディエータは、該第一の電子メディエータの還元開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差が、前記第二の電子メディエータの還元開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差よりも大きく、且つ、還元電流の最大値(絶対値)が前記第二の電子メディエータの還元電流の最大値(絶対値)よりも大きい、ことを特徴とするものである。   A second enzyme electrode provided by the present invention is a substrate reduction type comprising an electrode, an oxidoreductase that reduces a substrate, and an electron mediator that receives an electron from the electrode and transfers the electron to the oxidoreductase. An enzyme electrode comprising at least two types including at least a first electron mediator and a second electron mediator as the electron mediator, wherein the first electron mediator has a reduction initiation potential of the first electron mediator and The difference between the redox potential of the redox enzyme is larger than the difference between the reduction start potential of the second electron mediator and the redox potential of the redox enzyme, and the maximum value (absolute value) of the reduction current Is larger than the maximum value (absolute value) of the reduction current of the second electron mediator.

上記基質還元型酵素電極によれば、第一の電子メディエータによって、低電位域において高電流密度が得られ、第二の電子メディエータによって、高電位域においてもある程度の電流密度が得られるため、低電位から高電位にわたる広い電位範囲において良好な電流密度が確保されており、且つ、第二の電子メディエータによって高電圧を取り出すことができる。   According to the substrate-reducing enzyme electrode, a high current density is obtained in the low potential region by the first electron mediator, and a certain current density is obtained in the high potential region by the second electron mediator. A good current density is ensured in a wide potential range from a potential to a high potential, and a high voltage can be taken out by the second electron mediator.

前記基質還元型酵素電極において、前記第一の電子メディエータ及び前記第二の電子メディエータの具体的な組み合わせは特に限定されず、例えば、前記第一の電子メディエータが[W(CN)83-/4-を含む金属錯体であり、前記第二のメディエータが[Mo(CN)83-/4-を含む金属錯体である組み合わせが挙げられる。 In the substrate-reducing enzyme electrode, the specific combination of the first electron mediator and the second electron mediator is not particularly limited. For example, the first electron mediator is [W (CN) 8 ] 3− The metal complex containing / 4- , and the second mediator is a metal complex containing [Mo (CN) 8 ] 3- / 4- .

前記基質酸化型酵素電極及び前記基質還元型酵素電極は、例えば、生物燃料電池やバイオセンサに利用することができる。   The substrate oxidation enzyme electrode and the substrate reduction enzyme electrode can be used in, for example, a biofuel cell or a biosensor.

本発明の酵素電極によれば、高電圧且つ高電流密度を得ることが可能である。従って、本発明の酵素電極を備える燃料電池は発電性能に優れるものである。また、本発明の酵素電極を備える酵素センサーは感度が高く、微量成分の検出も可能である。   According to the enzyme electrode of the present invention, it is possible to obtain a high voltage and a high current density. Therefore, the fuel cell provided with the enzyme electrode of the present invention has excellent power generation performance. Moreover, the enzyme sensor provided with the enzyme electrode of the present invention has high sensitivity and can detect trace components.

本発明により提供される第一の酵素電極は、電極と、酸化還元酵素と、前記電極及び前記酵素間の電子伝達を媒介する電子メディエータと、を備える酵素電極であって、前記電子メディエータとして、少なくとも第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータを含む2種以上を備えており、前記第一の電子メディエータの酸化開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差が、前記第二の電子メディエータの酸化開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差よりも大きく、且つ、前記第一の電子メディエータの酸化電流の最大値(絶対値)が前記第二の電子メディエータの酸化電流の最大値(絶対値)よりも大きいことを特徴とする基質酸化型酵素電極である。   A first enzyme electrode provided by the present invention is an enzyme electrode comprising an electrode, an oxidoreductase, and an electron mediator that mediates electron transfer between the electrode and the enzyme, and as the electron mediator, 2 or more including at least a first electron mediator and a second electron mediator, and the difference between the oxidation initiation potential of the first electron mediator and the oxidation-reduction potential of the redox enzyme is The oxidation current of the second electron mediator is greater than the difference between the oxidation start potential of the electron mediator and the redox potential of the redox enzyme, and the maximum value (absolute value) of the oxidation current of the first electron mediator is It is a substrate oxidation type enzyme electrode characterized by being larger than the maximum value (absolute value).

また、本発明により提供される第二の酵素電極は、電極と、酸化還元酵素と、前記電極及び前記酵素間の電子伝達を媒介する電子メディエータと、を備える酵素電極であって、前記電子メディエータとして、少なくとも第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータを含む2種以上を備えており、前記第一の電子メディエータの還元開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差が、前記第二の電子メディエータの還元開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差よりも大きく、且つ、前記第一の電子メディエータの還元電流の最大値(絶対値)が前記第二の電子メディエータの還元電流の最大値(絶対値)よりも大きいことを特徴とする基質還元型酵素電極である。   The second enzyme electrode provided by the present invention is an enzyme electrode comprising an electrode, an oxidoreductase, and an electron mediator that mediates electron transfer between the electrode and the enzyme, wherein the electron mediator And at least two kinds including a first electron mediator and a second electron mediator, and the difference between the reduction initiation potential of the first electron mediator and the redox potential of the oxidoreductase is A difference between the reduction initiation potential of the second electron mediator and the redox potential of the redox enzyme, and the maximum value (absolute value) of the reduction current of the first electron mediator is greater than that of the second electron mediator. A substrate-reducing enzyme electrode characterized by being larger than the maximum value (absolute value) of the reduction current.

従来、酵素電極において用いられている電子メディエータは、酸化還元酵素の酸化還元電位と該電子メディエータの酸化開始電位又は還元開始電位との電位差が大きいものは、酸化還元反応速度が大きく、高電流密度が得られる傾向があり、酸化還元酵素の酸化還元電位と該電子メディエータの酸化開始電位又は還元開始電位との電位差が小さく、高電圧が得られるものは、酸化還元反応速度が小さいという傾向がある。
すなわち、従来の電子メディエータは、基質酸化型酵素電極用としては、酸化電流値は大きいものの酸化開始電位が高い、又は、酸化開始電位は低いものの酸化電流値が小さいという傾向があり、高電流密度と高電圧との両立を可能とするものはなかった。また、基質還元型酵素電極用としては、還元電流値は大きいものの還元開始電位が低い、又は、還元開始電位は高いものの還元電流値が小さいという傾向があり、高電流密度と高電圧との両立を可能とするものはなかった。
Conventionally, an electron mediator used in an enzyme electrode has a large oxidation-reduction reaction rate and a high current density when the potential difference between the oxidation-reduction potential of the oxidoreductase and the oxidation initiation potential or reduction initiation potential of the electron mediator is large. If the potential difference between the redox potential of the redox enzyme and the oxidation start potential or reduction start potential of the electron mediator is small and a high voltage is obtained, the redox reaction rate tends to be low .
That is, conventional electron mediators have a large oxidation current value but a high oxidation start potential or a low oxidation start potential but a low oxidation current value for a substrate oxidation enzyme electrode. There was nothing that made it possible to achieve both high voltage and high voltage. For substrate-reducing enzyme electrodes, the reduction current value is large but the reduction initiation potential is low, or the reduction initiation potential is high but the reduction current value tends to be small. There was nothing that made it possible.

そこで、本発明者らは、高電圧と高電流密度とが両立した酵素電極を実現すべく、鋭意検討した結果、(1)酸化開始電位が高く、酸化電流値が大きい第一の電子メディエータと、酸化開始電位が低く、酸化電流値が小さい第二の電子メディエータとを組み合わせるか、或いは、(2)還元開始電位が低く、還元電流値が大きい第一の電子メディエータと、還元開始電位が高く、還元電流値が小さい第二の電子メディエータとを組み合わせることによって、高電流密度と高電圧とが両立した酵素電極が得られることを見出した。また、本発明の酵素電極では、低電位から高電位にわたる広い電位範囲おいて、良好な発電電流を確保することができる。   Therefore, the inventors of the present invention have intensively studied to realize an enzyme electrode having both high voltage and high current density. As a result, (1) a first electron mediator having a high oxidation start potential and a large oxidation current value is obtained. Or a second electron mediator having a low oxidation start potential and a low oxidation current value, or (2) a first electron mediator having a low reduction start potential and a large reduction current value, and a high reduction start potential. The inventors have found that an enzyme electrode having both high current density and high voltage can be obtained by combining with a second electron mediator having a small reduction current value. In the enzyme electrode of the present invention, a good generated current can be secured in a wide potential range from a low potential to a high potential.

すなわち、(1)の場合、第一の電子メディエータによって、高電位域において高電流密度が得られ、第二の電子メディエータによって、低電位域においてもある程度の電流密度が得られるため、低電位から高電位にわたる広い電位範囲において良好な電流密度が確保されており、且つ、第二の電子メディエータによって高電圧を取り出すことが可能な基質酸化型酵素電極を提供することができる。一方、(2)の場合、第一の電子メディエータによって、低電位域において高電流密度が得られ、第二の電子メディエータによって、高電位域においてもある程度の電流密度が得られるため、低電位から高電位にわたる広い電位範囲において良好な電流密度が確保されており、且つ、第二の電子メディエータによって高電圧を取り出すことが可能な基質還元型酵素電極を提供することができる。   That is, in the case of (1), a high current density is obtained in the high potential region by the first electron mediator, and a certain current density is obtained in the low potential region by the second electron mediator. It is possible to provide a substrate-oxidized enzyme electrode in which a good current density is secured in a wide potential range over a high potential and a high voltage can be taken out by the second electron mediator. On the other hand, in the case of (2), a high current density is obtained in the low potential region by the first electron mediator, and a certain current density is obtained in the high potential region by the second electron mediator. It is possible to provide a substrate-reducing enzyme electrode in which a good current density is ensured in a wide potential range over a high potential and a high voltage can be taken out by the second electron mediator.

以下、本発明の酵素電極を、(1)基質酸化型と(2)基質還元型とに分けてそれぞれ説明していく。
(1)基質酸化型酵素電極
本発明にかかる基質酸化型酵素電極は、電極と、酸化還元酵素と、前記電極及び前記酵素間の電子伝達を媒介する電子メディエータと、を備える酵素電極であって、前記電子メディエータとして、少なくとも第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータを含む2種以上を備えており、前記第一の電子メディエータの酸化開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差が、前記第二の電子メディエータの酸化開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差よりも大きく、且つ、前記第一の電子メディエータの酸化電流の最大値(絶対値)が前記第二の電子メディエータの酸化電流の最大値(絶対値)よりも大きいことを特徴とするものである。
Hereinafter, the enzyme electrode of the present invention will be described separately for (1) a substrate oxidation type and (2) a substrate reduction type.
(1) Substrate oxidized enzyme electrode A substrate oxidized enzyme electrode according to the present invention is an enzyme electrode comprising an electrode, an oxidoreductase, and an electron mediator that mediates electron transfer between the electrode and the enzyme. The electron mediator comprises at least two kinds including at least a first electron mediator and a second electron mediator, and the difference between the oxidation start potential of the first electron mediator and the redox potential of the redox enzyme Is greater than the difference between the oxidation start potential of the second electron mediator and the redox potential of the redox enzyme, and the maximum value (absolute value) of the oxidation current of the first electron mediator is the second It is characterized by being larger than the maximum value (absolute value) of the oxidation current of the electron mediator.

上述したように、本発明により提供される基質酸化型酵素電極は、酸化開始電位が第二の電子メディエータと比較して高く(貴)、且つ、酸化電流の最大値(絶対値)が該第二の電子メディエータと比較して大きい第一の電子メディエータと、酸化開始電位及び最大酸化電流値において該第一の電子メディエータと上記のような関係を有する第二の電子メディエータとを組み合わせて用いているため、高電位域では第一の電子メディエータにより高電流が得られ、低電位域でも第二の電子メディエータにより発電電流を維持することができる。また、酸化還元酵素の酸化還元電位と酸化開始電位との差が小さい第二の電子メディエータを用いることで、エネルギーロスが少なく、高電圧を取り出すことが可能である。尚、酸化電流は、負の値で示されることが一般的であり、酸化電流の最大値(絶対値)が大きいというのは、負の値が大きいことになる。   As described above, the substrate oxidation enzyme electrode provided by the present invention has a higher oxidation initiation potential than the second electron mediator (noble) and a maximum oxidation current (absolute value). A first electron mediator that is larger than the second electron mediator and a combination of the first electron mediator having the above-described relationship with the first electron mediator at the oxidation start potential and the maximum oxidation current value. Therefore, a high current can be obtained by the first electron mediator in the high potential region, and a generated current can be maintained by the second electron mediator even in the low potential region. Further, by using the second electron mediator in which the difference between the oxidation-reduction potential of the oxidoreductase and the oxidation initiation potential is small, it is possible to take out a high voltage with little energy loss. The oxidation current is generally indicated by a negative value, and a large maximum value (absolute value) of the oxidation current means a large negative value.

第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータは、(第一の電子メディエータの酸化開始電位と酸化還元酵素の酸化還元電位との差)>(第二の電子メディエータの酸化開始電位と酸化還元酵素の酸化還元電位との差)、すなわち、(第一の電子メディエータの酸化開始電位)>(第二の電子メディエータの酸化開始電位)であり、且つ、(第一の電子メディエータの最大酸化電流)>(第二の電子メディエータの最大酸化電流)であれば、その組み合わせは特に限定されず、一般的に用いられている電子メディエータの中から、選択して組み合わせてよい。   The first electron mediator and the second electron mediator are: (difference between the oxidation start potential of the first electron mediator and the redox potential of the redox enzyme)> (the oxidation start potential of the second electron mediator and the redox enzyme) Of the first electron mediator)> (oxidation start potential of the first electron mediator)> (oxidation start potential of the second electron mediator) and (maximum oxidation current of the first electron mediator) > (Maximum oxidation current of the second electron mediator), the combination is not particularly limited, and may be selected and combined from commonly used electron mediators.

基質酸化型酵素電極において用いられる第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータは、従来の基質酸化型酵素電極において用いられている電子メディエータの中から、適宜選択し、組み合わせて用いることができる。具体的な第一の電子メディエータと第二の電子メディエータの組み合わせとしては、例えば、第一の電子メディエータとして、下記式(1)で表されるビピリジン又はビピリジン誘導体からなる二座配位子が少なくとも1つオスミウムに配位した第一のオスミウム錯体と、第二の電子メディエータとして、下記式(2)で表されるビピリジルアミン又はビピリジルアミン誘導体からなる二座配位子が少なくとも1つオスミウムに配位した第二のオスミウムの組み合わせが挙げられる。   The first electron mediator and the second electron mediator used in the substrate oxidation enzyme electrode can be appropriately selected from the electron mediators used in the conventional substrate oxidation enzyme electrode and used in combination. As a specific combination of the first electron mediator and the second electron mediator, for example, as the first electron mediator, at least a bidentate ligand composed of a bipyridine or a bipyridine derivative represented by the following formula (1) is used. At least one bidentate ligand composed of a bipyridylamine or a bipyridylamine derivative represented by the following formula (2) is coordinated to osmium as the first osmium complex coordinated with one osmium and the second electron mediator. The second osmium combination is listed.

Figure 2008059805
Figure 2008059805

(上記式(1)及び式(2)において、R1〜R16は、それぞれ独立してH、F、Cl、Br、I、NO、CN、COOH、SOH、NHNH、SH、OH、NH、或いは、置換若しくは未置換のアルコキシカルボニル、アルキルアミノカルボニル、ジアルキルアミノカルボニル、アルコキシ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ、アルカノイルアミノ、アリールカルボキシアミド、ヒドラジノ、アルキルヒドラジノ、ヒドロキシルアミノ、アルコキシルアミノ、アルキルチオ、アルケニル、アリール又はアルキルのいずれかである。) (In the above formula (1) and formula (2), R 1 to R 16 are each independently H, F, Cl, Br, I, NO 2 , CN, COOH, SO 3 H, NHNH 2 , SH, OH, NH 2 , or substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl, alkylaminocarbonyl, dialkylaminocarbonyl, alkoxy, alkylamino, dialkylamino, alkanoylamino, arylcarboxyamide, hydrazino, alkylhydrazino, hydroxylamino, alkoxylamino, Any of alkylthio, alkenyl, aryl or alkyl.)

上記第一のオスミウム錯体及び第二のオスミウム錯体それぞれにおいて、オスミウムに対する上記式(1)又は(2)の二座配位子の配位数は、特に限定されず、1つ〜3つ配位させることができる。上記式(1)又は(2)の二座配位子を複数配位させる場合、これら二座配位子は互いに異なっていてもよいし、同じでもよい。   In each of the first osmium complex and the second osmium complex, the coordination number of the bidentate ligand of the above formula (1) or (2) with respect to osmium is not particularly limited, and is 1 to 3 coordinations. Can be made. When a plurality of bidentate ligands of the above formula (1) or (2) are coordinated, these bidentate ligands may be different from each other or the same.

第一及び第二のオスミウム錯体には、上記式(1)又は(2)の二座配位子以外の配位子が配位していてもよい。例えば、配位性部位を有するポリマーが、該配位性部位においてオスミウム原子に配位していてもよい。ここで、配位性部位は、前記ポリマーの主鎖骨格の一部を形成するものでもよいし、或いは、主鎖骨格からスペーサーとなる化学構造を介して又は主鎖骨格に直接ペンダント状に結合した構造でもよい。例えば、ポリ(N−ビニルイミダゾール)やポリ(4−ビニルピリジン)は、それぞれイミダゾール基やピリジン基が一座配位子として機能可能であり、中心金属であるオスミウムに配位し得る。Os錯体がポリマー上に固定されることによって、電子メディエータである当該Os錯体を電極に固定することが容易となる。   A ligand other than the bidentate ligand of the above formula (1) or (2) may be coordinated with the first and second osmium complexes. For example, a polymer having a coordination site may be coordinated to an osmium atom at the coordination site. Here, the coordination site may form a part of the main chain skeleton of the polymer, or may be bonded in a pendant form directly from the main chain skeleton through a chemical structure serving as a spacer or to the main chain skeleton. The structure may be sufficient. For example, in poly (N-vinylimidazole) and poly (4-vinylpyridine), an imidazole group and a pyridine group can function as a monodentate ligand and can coordinate to osmium, which is a central metal. By fixing the Os complex on the polymer, it becomes easy to fix the Os complex, which is an electron mediator, to the electrode.

オスミウム錯体がポリマー上に固定されている他の形態としては、該Os錯体の配位子にポリマーが共有結合している形態が挙げられる。例えば、Os錯体の配位子が有する反応性基と、ポリマーが有する反応性基とが反応し、共有結合した形態が挙げられる。このとき、ポリマーと配位子は、スペーサーとなる化学構造を介して結合していてもよい。   As another form in which the osmium complex is fixed on the polymer, a form in which the polymer is covalently bonded to the ligand of the Os complex can be mentioned. For example, a reactive group possessed by the ligand of the Os complex and a reactive group possessed by the polymer are reacted and covalently bonded. At this time, the polymer and the ligand may be bonded via a chemical structure serving as a spacer.

上記Os錯体が配位結合又は共有結合により固定されるポリマーとしては、スチレン/無水マレイン酸コポリマー、メチルビニルエーテル/無水マレイン酸コポリマー、ポリ(4−ビニルベンジルクロライド)コポリマー、ポリ(アリルアミン)コポリマー、ポリ(4−ビニルピリジン)コポリマー、ポリ(4−ビニルピリジン)、ポリ(N−ビニルイミダゾール)及びポリ(4−スチレンスルホネート)のいずれかが好ましい。中でも、Os錯体に直接配位できるという観点から、ポリ(N−ビニルイミダゾール)、ポリ(4−ビニルピリジン)が好ましい。   Examples of the polymer in which the Os complex is fixed by coordination bond or covalent bond include styrene / maleic anhydride copolymer, methyl vinyl ether / maleic anhydride copolymer, poly (4-vinylbenzyl chloride) copolymer, poly (allylamine) copolymer, poly Any of (4-vinylpyridine) copolymer, poly (4-vinylpyridine), poly (N-vinylimidazole) and poly (4-styrenesulfonate) are preferred. Among these, poly (N-vinylimidazole) and poly (4-vinylpyridine) are preferable from the viewpoint that they can be directly coordinated to the Os complex.

また、オスミウム錯体におけるその他の配位子としては、例えば、Cl、F、Br、I、CN、CO、CHCOO、NH、NO、ピリジン、イミダゾールより選ばれる少なくとも1種が挙げられるが、これらに限定されず、その他の錯形成可能なものでもよい。配位子は、Os錯体がポリマー上に固定されているかどうか(電子メディエータを酵素電極表面へ固定するか、それとも電解液へ分散するかどうか)、或いは、得られるOs錯体の酸化還元電位等を考慮して、適宜選択すればよい。 Examples of the other ligand in the osmium complex include at least one selected from Cl, F, Br, I, CN, CO, CH 3 COO, NH 3 , NO, pyridine, and imidazole. However, the present invention is not limited to these, and other complexable materials may be used. The ligand determines whether the Os complex is immobilized on the polymer (whether the electron mediator is immobilized on the enzyme electrode surface or dispersed in the electrolyte solution), or the oxidation-reduction potential of the obtained Os complex. It may be selected as appropriate in consideration.

本発明において用いられる第一のオスミウム錯体及び第二のオスミウム錯体の具体例としては、下記式(3)、(4)で示されるものが挙げられる。   Specific examples of the first osmium complex and the second osmium complex used in the present invention include those represented by the following formulas (3) and (4).

Figure 2008059805
Figure 2008059805

ここで、上記式(4)に示したポリ(N−イミダゾール)とOs錯体との複合体[Poly(N−vinylimidazole)complexed with Os(2,2'−bipyridilamine)Cl]の合成方法について説明する。 Here, a method for synthesizing a complex of poly (N-imidazole) and Os complex represented by the above formula (4) [Poly (N-vinylimidozole) complexed with Os (2,2′-bipyridine) 2 Cl] will be described. To do.

まず、(NH[OsCl](1mmol)と2.0当量の2,2'−bipyridilamine(2mmol)を、1,2−エタノジオール(18mL)中で1時間、アルゴン雰囲気下還流する。冷却後、反応混合物を1M Na 30mLで処理する。得られる反応混合物を氷浴中で30分間冷却し、沈殿するOs錯体を冷水とジエチルエーテルで完全に洗浄し、バキューム乾燥させると、cis−[OsCl(2,2'−bipyridilamine)]が得られる。
次に、ポリ−1−ビニルイミダゾール(PVI)と、上記にて得られたcis−[OsCl(2,2'−bipyridilamine)]とを、エタノール200mL中で二日間、PVI(200mg、2.1mmol)と還流させ、ろ過し、得られた溶液を1.5Lのジエチルエーテル中に攪拌しながら注ぐことによって、ポリ−1−ビニルイミダゾール(PVI)と、cis−[OsCl(2,2'−bipyridilamine)]との複合体を得ることができる。
First, (NH 4 ) 2 [OsCl 6 ] (1 mmol) and 2.0 equivalents of 2,2′-bipyridylamine (2 mmol) are refluxed in 1,2-ethanodiol (18 mL) for 1 hour under an argon atmosphere. . After cooling, the reaction mixture is treated with 30 mL of 1M Na 2 S 2 O 4 . The resulting reaction mixture is cooled in an ice bath for 30 minutes, the precipitated Os complex is thoroughly washed with cold water and diethyl ether and vacuum dried to yield cis- [OsCl 2 (2,2′-bipyridylamine) 2 ]. can get.
Next, poly-1-vinylimidazole (PVI) and cis- [OsCl 2 (2,2′-bipyridylamine) 2 ] obtained above were combined in 200 mL of ethanol for 2 days with PVI (200 mg, 2 .1 mmol), filtered, and the resulting solution is poured into 1.5 L of diethyl ether with stirring to give poly-1-vinylimidazole (PVI) and cis- [OsCl 2 (2,2 '-Bipyridilamine) 2 ] can be obtained.

本発明の基質酸化型酵素電極において、備えられる第一の電子メディエータと第二の電子メディエータの比率は特に限定されない。   In the substrate oxidation enzyme electrode of the present invention, the ratio of the first electron mediator and the second electron mediator provided is not particularly limited.

基質を酸化する酸化還元酵素としては、特に限定されず、例えば、デヒドロゲナーゼや、オキシダーゼ等を用いることができる。具体的には、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ(GOD)、アルコールオキシダーゼ(AOD)、アルデヒドオキシダーゼ等が挙げられる。本発明の酵素電極を燃料電池用電極として用いる場合には、燃料の入手及び管理の安易さ、並びに安全性の観点からGDH、ADH、GOD、AODが好ましく用いられる。酵素は、1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   The oxidoreductase that oxidizes the substrate is not particularly limited, and for example, dehydrogenase, oxidase, or the like can be used. Specific examples include glucose dehydrogenase (GDH), alcohol dehydrogenase (ADH), aldehyde dehydrogenase, glucose oxidase (GOD), alcohol oxidase (AOD), and aldehyde oxidase. When the enzyme electrode of the present invention is used as an electrode for a fuel cell, GDH, ADH, GOD, and AOD are preferably used from the viewpoints of easy fuel acquisition and management and safety. Only one kind of enzyme may be used alone, or two or more kinds of enzymes may be used in combination.

基質酸化型酵素電極において、酸化還元酵素の基質としては、生物学的栄養源を広く利用することができ、例えば、炭水化物やその発酵生産物が挙げられ、特に、アルコール、糖及びアルデヒドが好ましく用いられる。具体的には、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセリン、ポリビニルアルコール等のアルコール;グルコース、フルクトース、ソルボース等の糖類;ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等のアルデヒド等が挙げられる。その他にも、脂肪類、タンパク質、糖等の代謝中間生成物、これら混合物などを用いることができる。
本発明の酵素電極を燃料電池用電極として用いる場合には、取り扱いが極めて容易であること、入手が容易であること、環境への負荷が小さいこと等の観点から、特にグルコース、アルコールが好適に用いられる。
In the substrate oxidase enzyme electrode, biological nutrient sources can be widely used as the substrate for the oxidoreductase, and examples thereof include carbohydrates and fermentation products thereof. In particular, alcohols, sugars and aldehydes are preferably used. It is done. Specific examples include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, glycerin and polyvinyl alcohol; sugars such as glucose, fructose and sorbose; aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde. In addition, metabolic intermediate products such as fats, proteins, and sugars, and mixtures thereof can be used.
When the enzyme electrode of the present invention is used as an electrode for a fuel cell, glucose and alcohol are particularly preferred from the viewpoints of easy handling, availability, and low environmental load. Used.

電極としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等の導電性炭素質からなるものや、金電極等を用いることができる。
酸化還元酵素、電子メディエータは、電極反応である酸化反応が効率よく定常的に進行するように、トリス緩衝液、リン酸緩衝液、モルホリノプロパンスルホン酸(MOPS)等の緩衝液によって、最適なpH、例えば、pH7付近に維持されることが好ましい。
また、酸化還元酵素、電子メディエータは、電解溶液に溶解、分散させた状態で用いてもよいが、固定化材料によって電極表面に固定化されることが好ましい。酸化還元酵素、電子メディエータを電極に固定し、電極近傍にて酵素反応を進行させることによって、効率よく電極へ電子を伝達させることが可能となるからである。
As the electrode, it is possible to use a conductive carbonaceous material such as graphite, carbon black or activated carbon, a gold electrode, or the like.
The oxidoreductase and electron mediator have an optimum pH by using a buffer solution such as Tris buffer solution, phosphate buffer solution, morpholinopropane sulfonic acid (MOPS) so that the oxidation reaction, which is an electrode reaction, proceeds efficiently and constantly. For example, it is preferable that the pH be maintained in the vicinity of pH 7.
Further, the oxidoreductase and the electron mediator may be used in a state of being dissolved and dispersed in the electrolytic solution, but it is preferable that the oxidoreductase and the electron mediator be immobilized on the electrode surface by an immobilizing material. This is because it is possible to efficiently transfer electrons to the electrode by fixing the oxidoreductase and the electron mediator to the electrode and allowing the enzyme reaction to proceed in the vicinity of the electrode.

酸化還元酵素、電子メディエータの電極への固定方法は特に限定されない。例えば、電子メディエータとして、上記したように、Os錯体がポリマーに共有結合又は配位結合等によって結合した上記式(3)や(4)で表されるPVI−Osなどを用いる場合には、電極の基板となる導電体(例えば、カーボンシートなど)表面に、電子メディエータであるPVI−Osを含有する溶液を滴下し、続いて、酸化還元酵素(GDHなど)を含む溶液を滴下し、さらに、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(以下、PEGDE)等の架橋試薬を滴下することで、電子メディエータであるPVI−Osのポリビニルイミダゾール鎖にPEGDEを介して酸化還元酵素を結合させ、乾燥させる方法が挙げられる。架橋試薬としては、一般的なものを用いることができ、PEGDEのほか、グルタルアルデヒド等を用いることもできる。   The method for fixing the oxidoreductase and the electron mediator to the electrode is not particularly limited. For example, when the PVI-Os represented by the above formulas (3) and (4) in which an Os complex is bonded to a polymer by a covalent bond or a coordinate bond as described above is used as an electron mediator, an electrode A solution containing PVI-Os, which is an electron mediator, is dropped on the surface of a conductor (for example, a carbon sheet, etc.) serving as a substrate, and then a solution containing an oxidoreductase (GDH, etc.) is dropped. An example is a method in which a crosslinking reagent such as polyethylene glycol diglycidyl ether (hereinafter referred to as PEGDE) is added dropwise to bond an oxidoreductase to the polyvinyl imidazole chain of PVI-Os, which is an electron mediator, via PEGDE, followed by drying. As the crosslinking reagent, a general reagent can be used, and glutaraldehyde or the like can be used in addition to PEGDE.

電子メディエータとして、Os錯体がポリマーに結合していないものを用いる場合にも、酵素や電子メディエータ等を電極に固定化するために一般的に用いられているポリマーや架橋試薬を用いることができる。具体的には、ポリマーとして、ポリビニルイミダゾール、ポリアリルアミン、ポリアミノ酸、ポリピロール、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール等を用いることができる。また、架橋試薬としては、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、グルタルアルデヒド等を用いることができる。   Even when an electron mediator in which an Os complex is not bonded to a polymer is used, a polymer or a crosslinking reagent generally used for immobilizing an enzyme, an electron mediator, or the like on an electrode can be used. Specifically, polyvinyl imidazole, polyallylamine, polyamino acid, polypyrrole, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, or the like can be used as the polymer. Moreover, as a crosslinking reagent, polyethylene glycol diglycidyl ether, glutaraldehyde, etc. can be used.

尚、本発明の酵素電極において、上記2種の電子メディエータは、共に電極表面に固定又は電解液に分散されていなくてもよく、一方のみを電極表面に固定し、他方を電解液に分散させてもよい。
電極反応が効率よく定常的に進行するようにするためには、酸化還元酵素、電子メディエータの温度が、例えば、20〜30℃程度に維持されていることが好ましい。
In the enzyme electrode of the present invention, both of the above two types of electron mediators may not be fixed to the electrode surface or dispersed in the electrolyte solution, only one of them may be fixed on the electrode surface and the other may be dispersed in the electrolyte solution. May be.
In order for the electrode reaction to proceed efficiently and constantly, the temperature of the oxidoreductase and the electron mediator is preferably maintained at, for example, about 20 to 30 ° C.

(2)基質還元型酵素電極
本発明にかかる基質還元型酵素電極は、電極と、酸化還元酵素と、前記電極及び前記酵素間の電子伝達を媒介する電子メディエータと、を備える酵素電極であって、前記電子メディエータとして、少なくとも第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータを含む2種以上を備えており、前記第一の電子メディエータの還元開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差が、前記第二の電子メディエータの還元開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差よりも大きく、且つ、前記第一の電子メディエータの還元電流の最大値(絶対値)が前記第二の電子メディエータの還元電流の最大値(絶対値)よりも大きいことを特徴とする。
(2) Substrate-reducing enzyme electrode A substrate-reducing enzyme electrode according to the present invention is an enzyme electrode comprising an electrode, an oxidoreductase, and an electron mediator that mediates electron transfer between the electrode and the enzyme. The electron mediator comprises at least two kinds including at least a first electron mediator and a second electron mediator, and the difference between the reduction start potential of the first electron mediator and the redox potential of the redox enzyme Is greater than the difference between the reduction initiation potential of the second electron mediator and the redox potential of the redox enzyme, and the maximum value (absolute value) of the reduction current of the first electron mediator is the second It is characterized by being larger than the maximum value (absolute value) of the reduction current of the electron mediator.

上述したように、本発明により提供される基質還元型酵素電極は、還元開始電位が第二の電子メディエータと比較して低く(卑)、且つ、酸化還元電流の最大値が該第二の電子メディエータと比較して大きい第一の電子メディエータと、還元開始電位及び最大還元電流値において該第一の電子メディエータと上記のような関係を有する第二の電子メディエータとを組み合わせて用いているため、低電位域では第一の電子メディエータにより高電流が得られ、高電位域でも第二の電子メディエータにより電流を維持することができる。また、酸化還元酵素の酸化還元電位と還元開始電位との差が小さい第二の電子メディエータを用いることで、エネルギーロスが少なく、高電圧を取り出すことが可能である。   As described above, the substrate reduction enzyme electrode provided by the present invention has a reduction initiation potential lower (base) than that of the second electron mediator, and the maximum value of the redox current is the second electron. Since the first electron mediator larger than the mediator is used in combination with the second electron mediator having the above-described relationship with the first electron mediator at the reduction initiation potential and the maximum reduction current value, A high current is obtained by the first electron mediator in the low potential region, and a current can be maintained by the second electron mediator even in the high potential region. Further, by using the second electron mediator in which the difference between the redox potential of the oxidoreductase and the reduction start potential is small, it is possible to take out a high voltage with little energy loss.

第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータは、(第一の電子メディエータの還元開始電位と酸化還元酵素の酸化還元電位との差)>(第二の電子メディエータの還元開始電位と酸化還元酵素の酸化還元電位との差)、すなわち、(第一の電子メディエータの還元開始電位)<(第二の電子メディエータの還元開始電位)であり、且つ、(第一の電子メディエータの最大酸化電流)>(第二の電子メディエータの最大酸化電流)であれば、その組み合わせは特に限定されず、一般的に用いられている電子メディエータの中から、選択して組み合わせてよい。   The first electron mediator and the second electron mediator are (difference between the reduction start potential of the first electron mediator and the redox potential of the redox enzyme)> (reduction start potential of the second electron mediator and the redox enzyme) Of the first electron mediator) <(reduction start potential of the first electron mediator) <(reduction start potential of the second electron mediator) and (maximum oxidation current of the first electron mediator) > (Maximum oxidation current of the second electron mediator), the combination is not particularly limited, and may be selected and combined from commonly used electron mediators.

基質還元型酵素電極において用いられる第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータは、従来の基質還元酵素電極において用いられている電子メディエータの中から、適宜選択し、組み合わせて用いることができる。具体的な第一の電子メディエータと第二の電子メディエータの組み合わせてとしては、例えば、第一の電子メディエータとして[W(CN)83-/4-を含む金属錯体と、第二のメディエータとして[Mo(CN)83-/4-を含む金属錯体の組み合わせが挙げられる。
上記[W(CN)83-/4-を含む金属錯体、[Mo(CN)83-/4-を含む金属錯体は、カリウムイオン等のカウンターイオンによってその電荷が中和された状態であってもよいし、また、水和物であってもよい。
The first electron mediator and the second electron mediator used in the substrate-reducing enzyme electrode can be appropriately selected from the electron mediators used in the conventional substrate-reducing enzyme electrode and used in combination. As a specific combination of the first electron mediator and the second electron mediator, for example, a metal complex containing [W (CN) 8 ] 3− / 4− as the first electron mediator and the second mediator And a combination of metal complexes containing [Mo (CN) 8 ] 3- / 4- .
The metal complex containing [W (CN) 8 ] 3- / 4- and the metal complex containing [Mo (CN) 8 ] 3- / 4- were neutralized by counter ions such as potassium ions. The state may be sufficient, and a hydrate may be sufficient.

本発明の基質還元型酵素電極において、備えられる第一の電子メディエータと第二の電子メディエータの比率は特に限定されない。   In the substrate-reducing enzyme electrode of the present invention, the ratio of the first electron mediator and the second electron mediator provided is not particularly limited.

基質を還元する酸化還元酵素としては、特に限定されず、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、等を用いることができる。酵素還元性能等の観点からは、ビリルビンオキシダーゼが好ましく用いられる。酵素は、1種のみを単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   The oxidoreductase that reduces the substrate is not particularly limited, and for example, bilirubin oxidase, laccase, ascorbate oxidase, and the like can be used. From the viewpoint of enzyme reduction performance, bilirubin oxidase is preferably used. Only one kind of enzyme may be used alone, or two or more kinds of enzymes may be used in combination.

基質還元型酵素電極において、酸化還元酵素の基質としては、酸素、過酸化水素等の酸化剤を利用することができる。空気中の酸素を利用できる等の観点から、特に酸素が好適に用いられる。   In the substrate-reducing enzyme electrode, an oxidizing agent such as oxygen or hydrogen peroxide can be used as a substrate for the oxidoreductase. From the standpoint that oxygen in the air can be used, oxygen is particularly preferably used.

電極としては、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等の導電性炭素質からなるものや、金電極等を用いることができる。
酸化還元酵素、電子メディエータは、電極反応である還元反応が効率よく定常的に進行するように、トリス緩衝液、リン酸緩衝液、モルホリノプロパンスルホン酸(MOPS)等の緩衝液によって、最適なpH、例えば、pH7付近に維持されることが好ましい。
また、上記基質酸化型酵素電極同様、酸化還元酵素、電子メディエータは、電解溶液に溶解、分散させた状態で用いてもよいが、固定化材料によって電極表面に固定化されることが好ましい。酸化還元酵素、電子メディエータを電極に固定し、電極近傍にて酵素反応を進行させることによって、効率のよい電極−酵素間の電子伝達が可能となるからである。
As the electrode, it is possible to use a conductive carbonaceous material such as graphite, carbon black or activated carbon, a gold electrode, or the like.
The oxidoreductase and electron mediator are optimized for pH by using buffer solutions such as Tris buffer, phosphate buffer, morpholinopropane sulfonic acid (MOPS) so that the reduction reaction, which is an electrode reaction, proceeds efficiently and constantly. For example, it is preferable that the pH be maintained in the vicinity of pH 7.
Further, like the substrate oxidation enzyme electrode, the oxidoreductase and the electron mediator may be used in a state of being dissolved and dispersed in the electrolytic solution, but it is preferably immobilized on the surface of the electrode by an immobilizing material. This is because an oxidoreductase and an electron mediator are fixed to the electrode, and an enzyme reaction is allowed to proceed in the vicinity of the electrode, thereby enabling efficient electron transfer between the electrode and the enzyme.

酸化還元酵素、電子メディエータの電極への固定方法は特に限定されず、上述したような酵素や電子メディエータ等を電極に固定化するために一般的に用いられているポリマー、例えば、ポリ−L−リジン等や、架橋試薬、例えば、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(PEGDE)等を用いて行うことができる。   The method for immobilizing the oxidoreductase and electron mediator to the electrode is not particularly limited, and a polymer generally used for immobilizing the enzyme, electron mediator or the like as described above to the electrode, such as poly-L- It can be carried out using lysine or the like or a crosslinking reagent such as polyethylene glycol diglycidyl ether (PEGDE).

電極反応が効率よく定常的に進行するようにするためには、酸化還元酵素、電子メディエータの温度が、例えば、20〜30℃程度に維持されていることが好ましい。   In order for the electrode reaction to proceed efficiently and constantly, the temperature of the oxidoreductase and the electron mediator is preferably maintained at, for example, about 20 to 30 ° C.

以下、本発明の酵素電極を備える燃料電池について、基質酸化型酵素電極を備えた燃料電池を例に説明する(図1参照)。
まず、酸化還元酵素が燃料であるグルコース等の基質を酸化し、電子を受け取る。次に、電子を受け取った酸化還元酵素は、第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータに電子を受け渡し、当該第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータによって電極(アノード)へ電子が受け渡される。そして、アノードから外部回路を通ってカソードに電子が到達することで、電流が発生する。上記過程において発生するプロトン(H)は、プロトン伝導膜又はプロトン伝導膜のない電解液内をカソードまで移動する。
Hereinafter, a fuel cell provided with the enzyme electrode of the present invention will be described by taking a fuel cell provided with a substrate oxidation enzyme electrode as an example (see FIG. 1).
First, an oxidoreductase oxidizes a substrate such as glucose as a fuel and receives electrons. Next, the oxidoreductase receiving the electrons delivers the electrons to the first electron mediator and the second electron mediator, and the electrons are delivered to the electrode (anode) by the first electron mediator and the second electron mediator. It is. Then, when electrons reach the cathode from the anode through the external circuit, a current is generated. Protons (H + ) generated in the above process move to the cathode through the proton conducting membrane or the electrolyte without the proton conducting membrane.

そして、カソードでは、電解液内を移動して到達したプロトンと、外部回路を経てアノード側から移動してきた電子と、酸素や過酸化水素等の酸化剤(カソード側基質)とが反応して水が生成される。カソード電極としては、本発明の基質還元型酵素電極を用いてもよいし、酸化剤の還元反応に有効な触媒である白金や白金合金等、燃料電池において一般的に用いられている電極触媒をグラファイト、カーボンブラック、活性炭のような炭素質材料や、金等からなる電極に担持させたり、又は、白金や白金合金等の電極触媒そのものからなる導電体をカソード電極として用いてもよい。或いは、ラッカーゼやビリルビンオキシターゼ等の公知の酸化還元酵素を電極触媒として用い、1種の電子メディエータを備えた酵素電極をカソード電極としてもよい。   At the cathode, protons that have moved through the electrolyte, electrons that have moved from the anode side through an external circuit, and an oxidant (cathode side substrate) such as oxygen or hydrogen peroxide react to form water. Is generated. As the cathode electrode, the substrate-reducing enzyme electrode of the present invention may be used, or an electrode catalyst generally used in a fuel cell such as platinum or a platinum alloy which is an effective catalyst for the oxidant reduction reaction may be used. A cathode made of a carbonaceous material such as graphite, carbon black or activated carbon, an electrode made of gold or the like, or a conductor made of an electrode catalyst such as platinum or platinum alloy may be used as the cathode electrode. Alternatively, a known oxidoreductase such as laccase or bilirubin oxidase may be used as an electrode catalyst, and an enzyme electrode equipped with one kind of electron mediator may be used as a cathode electrode.

カソード電極における電極反応を妨害する不純物(例えば、アスコルビン酸、尿酸等)による影響を回避するために、ジメチルポリシロキサン等の酸素選択性の膜をカソード電極の周囲に配置してもよい。   In order to avoid the influence of impurities (for example, ascorbic acid, uric acid, etc.) that interfere with the electrode reaction at the cathode electrode, an oxygen selective membrane such as dimethylpolysiloxane may be arranged around the cathode electrode.

一方、本発明の基質還元型酵素電極を備える燃料電池において、アノード電極は、酸化還元酵素が燃料であるグルコース等の基質を酸化し、受け取った電子を電子メディエータ受け渡し、当該電子メディエータによって電極(アノード)へ電子が受け渡されるような酵素電極であってもよいし、或いは、燃料電池において一般的に用いられているような白金や白金合金等の燃料(例えば、水素、メタノール等)の酸化反応に対して触媒活性を有する電極触媒を用いた電極形態であってもよい。   On the other hand, in the fuel cell comprising the substrate-reducing enzyme electrode of the present invention, the anode electrode oxidizes a substrate such as glucose as a fuel by the oxidoreductase, and passes the received electrons to the electron mediator. It may be an enzyme electrode that delivers electrons to), or an oxidation reaction of a fuel such as platinum or a platinum alloy (eg, hydrogen, methanol, etc.) that is generally used in fuel cells. Alternatively, an electrode configuration using an electrode catalyst having catalytic activity may be used.

そして、カソードでは、外部回路を経てアノード側から移動してきた電子がカソード電極から第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータへと受け渡され、さらに、これら第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータから酸化還元酵素へと電子が受け渡される。そして、酸化還元酵素によって、酸素等の基質が還元され水が生成する。
上述したように、本発明の酵素電極は、高電流を取り出すことが可能であり、且つ、高電圧を発生させることが可能であるため、発電電流が大きく、且つ、電圧のロスが少ない発電性能に優れた燃料電池を提供することができる。
In the cathode, the electrons that have moved from the anode side via the external circuit are transferred from the cathode electrode to the first electron mediator and the second electron mediator, and further, the first electron mediator and the second electron Electrons are transferred from the mediator to the oxidoreductase. A substrate such as oxygen is reduced by oxidoreductase to produce water.
As described above, since the enzyme electrode of the present invention can extract a high current and can generate a high voltage, the power generation performance is large and the loss of voltage is small. It is possible to provide an excellent fuel cell.

本発明の酵素電極は、燃料電池用電極の他、酵素センサー等のバイオセンサ、酵素トランジスタ等に用いることができる。
本発明の酵素電極をバイオセンサに用いる場合、酵素と基質の酸化還元反応の進行によって、発生した電流又は電圧を検知することで、基質の存在の有無或いは濃度を測定することができる。本発明の酵素電極によれば、高電流密度及び高電圧が得られるため、感度の高いバイオセンサを提供することができる。本発明の酵素電極は電子メディエータの酸化還元反応速度が大きいことから、当該酵素電極を備えるバイオセンサは、電子メディエータの酸化還元反応が妨害種による妨害を受けにくく、測定精度が高いという利点もある。
The enzyme electrode of the present invention can be used for biosensors such as enzyme sensors, enzyme transistors, etc., in addition to fuel cell electrodes.
When the enzyme electrode of the present invention is used in a biosensor, the presence or concentration of the substrate can be measured by detecting the current or voltage generated by the progress of the redox reaction between the enzyme and the substrate. According to the enzyme electrode of the present invention, since a high current density and a high voltage can be obtained, a highly sensitive biosensor can be provided. Since the enzyme electrode of the present invention has a high redox reaction rate of the electron mediator, the biosensor equipped with the enzyme electrode also has the advantage that the redox reaction of the electron mediator is not easily disturbed by interfering species and has high measurement accuracy. .

[酵素電極の作製]
(実施例1:基質酸化型酵素電極)
カーボンペーパー(Φ10mm)の表面に、マイクロピペットを用いて、まず、ポリ(1−ビニルイミダゾール)とOs(2,2’−ビピリジルアミン)Clとの複合体(以下、PVI−Os(2)とする。)の15mg/ml水溶液を4μl滴下した。続いて、ポリ(1−ビニルイミダゾール)とOs(4,4’−ジメチル−2,2’−ビピリジン)Clとの複合体(以下、PVI−Os(1)とする。)の15mg/ml水溶液を、マイクロピペットにより4μl滴下した。さらに、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)の5mg/mLリン酸緩衝溶液を8μl滴下した。
次に、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(PEGDE)の3mg/ml水溶液を8μl滴下した。これを常温で一晩放置して乾燥させ、PVI−Os(1)及びPVI−Os(2)のポリビニルイミダゾール鎖にPEGDEを介してGDHを結合させると同時に、カーボンシート表面に、酵素であるGDHとメディエータであるPVI−Os(1)及びPVI−Os(2)とを固定した。
図4に示すようにして、上記にて酵素と電子メディエータとを固定した酵素電極をナイロン製ネット及びOリングにより先端に固定した試料極を作製した。
[Production of enzyme electrode]
(Example 1: Substrate oxidation enzyme electrode)
First, a composite of poly (1-vinylimidazole) and Os (2,2′-bipyridylamine) 2 Cl (hereinafter referred to as PVI-Os (2)) on the surface of carbon paper (Φ10 mm) using a micropipette. 4 μl of a 15 mg / ml aqueous solution was added dropwise. Subsequently, 15 mg / ml of a complex of poly (1-vinylimidazole) and Os (4,4′-dimethyl-2,2′-bipyridine) 2 Cl (hereinafter referred to as PVI-Os (1)). 4 μl of the aqueous solution was dropped by a micropipette. Furthermore, 8 μl of 5 mg / mL phosphate buffer solution of glucose dehydrogenase (GDH) was dropped.
Next, 8 μl of a 3 mg / ml aqueous solution of polyethylene glycol diglycidyl ether (PEGDE) was dropped. This was allowed to stand overnight at room temperature and dried, and GDH was bonded to the polyvinyl imidazole chains of PVI-Os (1) and PVI-Os (2) via PEGDE. And PVI-Os (1) and PVI-Os (2) as mediators were fixed.
As shown in FIG. 4, a sample electrode was prepared in which the enzyme electrode on which the enzyme and the electron mediator were fixed as described above was fixed to the tip with a nylon net and an O-ring.

(比較例1:基質酸化型酵素電極)
実施例1の酵素電極において、PVI−Os(2)の15mg/ml水溶液及びPVI−Os(1)の15mg/ml水溶液をそれぞれ4μl滴下したところを、PVI−Os(1)の15mg/ml水溶液を8μl滴下し、PVI−Os(2)の15mg/ml水溶液は滴下しなかったこと以外は、同様にして、酵素電極を備えた試料極を作製した。
(Comparative Example 1: Substrate oxidation enzyme electrode)
In the enzyme electrode of Example 1, 4 μl each of a 15 mg / ml aqueous solution of PVI-Os (2) and a 15 mg / ml aqueous solution of PVI-Os (1) were dropped to obtain a 15 mg / ml aqueous solution of PVI-Os (1). Was added dropwise, and a sample electrode equipped with an enzyme electrode was prepared in the same manner except that a 15 mg / ml aqueous solution of PVI-Os (2) was not dropped.

(比較例2:基質酸化型酵素電極)
比較例1の酵素電極において、PVI−Os(1)の代わりにPVI−Os(2)の15mg/ml水溶液を8μl滴下した以外は、同様にして、酵素電極を備えた試料極を作製した。
(Comparative Example 2: Substrate oxidation enzyme electrode)
A sample electrode provided with an enzyme electrode was prepared in the same manner except that 8 μl of a 15 mg / ml aqueous solution of PVI-Os (2) was dropped in the enzyme electrode of Comparative Example 1 instead of PVI-Os (1).

[酵素電極の評価]
上記試料極を用いて、下記条件下、3電極式電気化学評価を行った(図5参照)。尚、参照極としてAg/AgCl、対極としてPtワイヤーを用いた。
[Evaluation of enzyme electrode]
Using the sample electrode, a three-electrode electrochemical evaluation was performed under the following conditions (see FIG. 5). In addition, Ag / AgCl 2 was used as a reference electrode, and a Pt wire was used as a counter electrode.

<試験条件>
・温度:室温(約27℃)
・電解液:MOPS 30mM、CaCl 3mM、KCl 100mM、及びグルコース80mMを含む水溶液(pH7.0)
<Test conditions>
・ Temperature: Room temperature (about 27 ℃)
Electrolyte solution: aqueous solution (pH 7.0) containing MOPS 30 mM, CaCl 2 3 mM, KCl 100 mM, and glucose 80 mM

<結果>
結果を図2に示す。図2に示すように、電子メディエータとして、PVI−Os(1)の1種のみを用いた比較例1の酵素電極では、200mV付近で大電流(約−1400μA)が発生したが、酸化開始電位が−100mV程度と高く、0V以下の低電位範囲においては低い電流しか得られなかった。
<Result>
The results are shown in FIG. As shown in FIG. 2, in the enzyme electrode of Comparative Example 1 using only one kind of PVI-Os (1) as an electron mediator, a large current (about −1400 μA) was generated in the vicinity of 200 mV. However, only a low current was obtained in a low potential range of 0 V or less.

一方、電子メディエータとして、PVI−Os(2)の1種のみを用いた比較例2の酵素電極では、酸化開始電位が−250mV程度と比較例1と比較して低く、0V未満の電位範囲においても電流が得られ、電圧ロスの低減が可能なものだった。しかしながら、最大酸化電流が−400μAに満たない低いものであり、また、100mV以上のような電位域において、−200μAと低い電流しか得られなかった。   On the other hand, in the enzyme electrode of Comparative Example 2 using only one type of PVI-Os (2) as the electron mediator, the oxidation initiation potential is about -250 mV, which is lower than that of Comparative Example 1, and in a potential range of less than 0 V. Current was obtained, and voltage loss could be reduced. However, the maximum oxidation current was as low as less than −400 μA, and only a low current of −200 μA was obtained in a potential region such as 100 mV or higher.

これに対して、PVI−Os(2)よりも酸化開始電位が高く、且つ、該PVI−Os(2)よりも酸化電流の最大値が大きいPVI−Os(1)と、PVI−Os(2)とを組み合わせて用いた本発明に係る実施例1の酵素電極は、酸化電流の最大値が−600μAであり、比較例1の酸化電流最大値には劣るものの、比較例2の酸化電流最大値に優る良好なものであった。また、実施例1の酵素電極は、比較例2同様、酸化開始電位が−250mV程度であり、比較例1の酸化開始電位よりも低く、0V未満の電位範囲においても電流が得られ、電圧ロスの低減が可能なものであった。
以上の結果から、酸化開始電位及び最大酸化電流値において異なる特性を有する2種のメディエータを備えた実施例1の酵素電極によれば、低電位域において電流を取り出すことが可能であり、電圧ロスが小さいにも関わらず、高電位域においても良好な電流を取り出すことが可能であることがわかる。
On the other hand, PVI-Os (1) and PVI-Os (2) having a higher oxidation starting potential than PVI-Os (2) and a larger oxidation current value than PVI-Os (2). ) Used in combination with the enzyme electrode of Example 1 according to the present invention has a maximum oxidation current of −600 μA, which is inferior to the maximum oxidation current of Comparative Example 1, but the maximum oxidation current of Comparative Example 2 It was better than the value. In addition, the enzyme electrode of Example 1 has an oxidation start potential of about −250 mV as in Comparative Example 2, and an electric current is obtained even in a potential range lower than the oxidation start potential of Comparative Example 1 and less than 0 V, resulting in a voltage loss. Can be reduced.
From the above results, according to the enzyme electrode of Example 1 including two kinds of mediators having different characteristics in the oxidation start potential and the maximum oxidation current value, it is possible to take out current in a low potential region, and voltage loss. It can be seen that a good current can be taken out even in a high potential region even though the current is small.

[酵素電極の作製]
(実施例2:基質還元型酵素電極)
カーボンペーパー(Φ10mm)の表面に、マイクロピペットを用いて、まず、KMo(CN)・HOの5.8mg/ml水溶液を4μl滴下した。続いて、KW(CN)・HOの5.8mg/ml水溶液を、マイクロピペットにより4μl滴下した。さらに、ビリルビンオキシダーゼ(BOD)のを8μl滴下した。次に、ポリ−L−リジンの35mg/ml水溶液を8μl滴下した。これを常温で一晩放置して乾燥させ、ポリ−L−リジンを固化させることにより、KMo(CN)・HO、KW(CN)・HO及びBODをカーボンペーパー表面に固定した。
図4に示すようにして、上記にて酵素と電子メディエータとを固定した酵素電極をナイロン製ネット及びOリングにより先端に固定した試料極を作製した。
[Production of enzyme electrode]
(Example 2: Substrate reducing enzyme electrode)
First, 4 μl of a 5.8 mg / ml aqueous solution of K 4 Mo (CN) 8 .H 2 O was dropped on the surface of carbon paper (Φ10 mm) using a micropipette. Subsequently, 4 μl of a 5.8 mg / ml aqueous solution of K 4 W (CN) 8 .H 2 O was dropped by a micropipette. Further, 8 μl of bilirubin oxidase (BOD) was added dropwise. Next, 8 μl of a 35 mg / ml aqueous solution of poly-L-lysine was dropped. Carbon which left to dry overnight at ambient temperature, by solidifying a poly -L- lysine, K 4 Mo (CN) 8 · H 2 O, the K 4 W (CN) 8 · H 2 O and BOD Fixed to the paper surface.
As shown in FIG. 4, a sample electrode was prepared in which the enzyme electrode on which the enzyme and the electron mediator were fixed as described above was fixed to the tip with a nylon net and an O-ring.

(比較例3:基質還元型酵素電極)
実施例2の酵素電極において、KMo(CN)・HOの5.8mg/ml水溶液及びKW(CN)・HOの5.8mg/ml水溶液をそれぞれ4μl滴下したところを、KW(CN)・HOの5.8mg/ml水溶液を8μl滴下し、KMo(CN)・HOの5.8mg/ml水溶液は滴下しなかったこと以外は、同様にして、酵素電極を備えた試料極を作製した。
(Comparative Example 3: Substrate reducing enzyme electrode)
In the enzyme electrode of Example 2, 4 μl each of 5.8 mg / ml aqueous solution of K 4 Mo (CN) 8 · H 2 O and 5.8 mg / ml aqueous solution of K 4 W (CN) 8 · H 2 O was dropped. However, 8 μl of a 5.8 mg / ml aqueous solution of K 4 W (CN) 8 · H 2 O was dropped, and a 5.8 mg / ml aqueous solution of K 4 Mo (CN) 8 · H 2 O was not dropped. Except for the above, a sample electrode provided with an enzyme electrode was produced in the same manner.

(比較例4:基質還元型酵素電極)
比較例3の酵素電極において、KW(CN)・HOの代わりにKMo(CN)・HOの5.8mg/ml水溶液を8μl滴下した以外は、同様にして、酵素電極を備えた試料極を作製した。
(Comparative Example 4: Substrate reducing enzyme electrode)
In the enzyme electrode of Comparative Example 3, except that 8 μl of a 5.8 mg / ml aqueous solution of K 4 Mo (CN) 8 · H 2 O was dropped instead of K 4 W (CN) 8 · H 2 O in the same manner. A sample electrode provided with an enzyme electrode was prepared.

[酵素電極の評価]
上記試料極を用いて、下記条件下、3電極式電気化学評価を行った(図5参照)。尚、参照極としてAg/AgCl、対極としてPtワイヤーを用いた。
[Evaluation of enzyme electrode]
Using the sample electrode, a three-electrode electrochemical evaluation was performed under the following conditions (see FIG. 5). In addition, Ag / AgCl 2 was used as a reference electrode, and a Pt wire was used as a counter electrode.

<試験条件>
・温度:室温(約27℃)
・電解液:MOPS 30mM、CaCl 3mM、KCl 100mMを含む水溶液(pH7.0)(溶存酸素)
<Test conditions>
・ Temperature: Room temperature (about 27 ℃)
Electrolyte: MOPS 30 mM, CaCl 2 3 mM, KCl 100 mM aqueous solution (pH 7.0) (dissolved oxygen)

<結果>
結果を図3に示す。図3に示すように、電子メディエータとして、KW(CN)・HOの1種のみを用いた比較例3の酵素電極では、300mV以下の低電位範囲で最大還元電流(約100μA)が発生したが、還元開始電位が500mV程度と低く、400mV以上の高電位範囲においてはほとんど電流が得られなかった。
<Result>
The results are shown in FIG. As shown in FIG. 3, in the enzyme electrode of Comparative Example 3 using only one kind of K 4 W (CN) 8 .H 2 O as an electron mediator, the maximum reduction current (about 100 μA) in a low potential range of 300 mV or less. However, the reduction initiation potential was as low as about 500 mV, and almost no current was obtained in the high potential range of 400 mV or higher.

一方、電子メディエータとして、KMo(CN)・HOの1種のみを用いた比較例4の酵素電極では、還元開始電位が700mV程度と比較例3と比較して高く、400mVを超えるような高電位範囲においても電流が得られ、電圧ロスの低減が可能なものだった。しかしながら、最大還元電流が60μA程度と低いものであり、また、400mV以下のような電位域において、50μA程の低い電流しか得られなかった。 On the other hand, in the enzyme electrode of Comparative Example 4 using only one kind of K 4 Mo (CN) 8 .H 2 O as an electron mediator, the reduction initiation potential is about 700 mV, which is higher than that of Comparative Example 3, and 400 mV Current could be obtained even in the high potential range, and voltage loss could be reduced. However, the maximum reduction current is as low as about 60 μA, and only a current as low as about 50 μA was obtained in a potential region of 400 mV or less.

これに対して、KMo(CN)・HOよりも還元開始電位が低く、且つ、該KMo(CN)・HOよりも還元電流の最大値が大きいKW(CN)・HOと、KMo(CN)・HOとを組み合わせて用いた本発明に係る実施例2の酵素電極は、還元電流の最大値が340μA程度であり、比較例3及び比較例4の還元電流最大値の両方に優る高い値を示した。また、実施例2の酵素電極は、比較例4同様、還元開始電位が700mV程度であり、比較例3の還元開始電位よりも高く、500mV以上の高電位範囲においても電流が得られ、特に、550mV付近では130μA程度の高電流が流れ、電圧ロスの低減が可能なものであった。尚、実施例2の酵素電極において、550mVという高電位域で得られた130μAという電流は、比較例3及び比較例4の最大還元電流値よりも高かった。
以上の結果から、酸化開始電位及び最大酸化電流値において異なる特性を有する2種のメディエータを備えた実施例2の酵素電極によれば、高電位域において高電流を取り出すことが可能であり、電圧ロスが小さいにも関わらず、低電位域においても非常に高い電流を取り出すことが可能であることがわかる。
In contrast, K 4 Mo (CN) 8 · H 2 low reduction onset potential than O, and, the K 4 Mo (CN) 8 · H is larger maximum value of the reduction current than 2 O K 4 W The enzyme electrode of Example 2 according to the present invention using (CN) 8 · H 2 O and K 4 Mo (CN) 8 · H 2 O in combination has a maximum reduction current of about 340 μA, A higher value than both the reduction current maximum values of Comparative Example 3 and Comparative Example 4 was exhibited. In addition, the enzyme electrode of Example 2 has a reduction initiation potential of about 700 mV, as in Comparative Example 4, and is higher than the reduction initiation potential of Comparative Example 3, and a current is obtained even in a high potential range of 500 mV or more. In the vicinity of 550 mV, a high current of about 130 μA flows and voltage loss can be reduced. In the enzyme electrode of Example 2, the current of 130 μA obtained in the high potential region of 550 mV was higher than the maximum reduction current value of Comparative Example 3 and Comparative Example 4.
From the above results, according to the enzyme electrode of Example 2 including two kinds of mediators having different characteristics in the oxidation start potential and the maximum oxidation current value, it is possible to take out a high current in a high potential region, Although the loss is small, it can be seen that a very high current can be extracted even in a low potential region.

本発明の酵素電極を備えた生物燃料電池の一形態例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows one example of the biofuel cell provided with the enzyme electrode of this invention. 実施例における評価結果を示すグラフである。It is a graph which shows the evaluation result in an Example. 実施例における評価結果を示すグラフである。It is a graph which shows the evaluation result in an Example. 実施例における試料極の作製方法を示す図である。It is a figure which shows the preparation methods of the sample electrode in an Example. 実施例における三電極式電気化学評価法の評価系を示す図である。It is a figure which shows the evaluation system of the three-electrode-type electrochemical evaluation method in an Example.

Claims (6)

電極と、基質を酸化する酸化還元酵素と、該酸化還元酵素から電子を受け取り、前記電極へと電子を伝達する電子メディエータと、を備える基質酸化型酵素電極であって、
前記電子メディエータとして、少なくとも第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータを含む2種以上を備え、
前記第一の電子メディエータは、該第一の電子メディエータの酸化開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差が、前記第二の電子メディエータの酸化開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差よりも大きく、且つ、酸化電流の最大値(絶対値)が前記第二の電子メディエータの酸化電流の最大値(絶対値)よりも大きい、ことを特徴とする酵素電極。
A substrate oxidizing enzyme electrode comprising: an electrode; an oxidoreductase that oxidizes a substrate; and an electron mediator that receives electrons from the oxidoreductase and transmits the electrons to the electrode,
The electron mediator comprises at least two kinds including at least a first electron mediator and a second electron mediator,
In the first electron mediator, the difference between the oxidation start potential of the first electron mediator and the redox potential of the redox enzyme is such that the oxidation start potential of the second electron mediator and the redox enzyme of the redox enzyme An enzyme electrode characterized by being larger than a difference from a potential and having a maximum oxidation current (absolute value) larger than a maximum oxidation current (absolute value) of the second electron mediator.
前記第一の電子メディエータは、下記式(1)で表されるビピリジン又はビピリジン誘導体からなる二座配位子が少なくとも1つオスミウムに配位した第一のオスミウム錯体であり、
前記第二の電子メディエータは、下記式(2)で表されるビピリジルアミン又はビピリジルアミン誘導体からなる二座配位子が少なくとも1つオスミウムに配位した第二のオスミウム錯体である、請求項1に記載の酵素電極。
Figure 2008059805
(上記式(1)及び(2)において、R1〜R16は、それぞれ独立してH、F、Cl、Br、I、NO、CN、COOH、SOH、NHNH、SH、OH、NH、或いは、置換若しくは未置換のアルコキシカルボニル、アルキルアミノカルボニル、ジアルキルアミノカルボニル、アルコキシ、アルキルアミノ、ジアルキルアミノ、アルカノイルアミノ、アリールカルボキシアミド、ヒドラジノ、アルキルヒドラジノ、ヒドロキシルアミノ、アルコキシルアミノ、アルキルチオ、アルケニル、アリール又はアルキルのいずれかである。)
The first electron mediator is a first osmium complex in which at least one bidentate ligand composed of bipyridine or a bipyridine derivative represented by the following formula (1) is coordinated to osmium,
The second electron mediator is a second osmium complex in which at least one bidentate ligand composed of a bipyridylamine or a bipyridylamine derivative represented by the following formula (2) is coordinated to osmium. The enzyme electrode according to 1.
Figure 2008059805
(In the above formulas (1) and (2), R 1 to R 16 are each independently H, F, Cl, Br, I, NO 2 , CN, COOH, SO 3 H, NHNH 2 , SH, OH. , NH 2 or substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl, alkylaminocarbonyl, dialkylaminocarbonyl, alkoxy, alkylamino, dialkylamino, alkanoylamino, arylcarboxyamide, hydrazino, alkylhydrazino, hydroxylamino, alkoxylamino, alkylthio , Alkenyl, aryl or alkyl.)
電極と、基質を還元する酸化還元酵素と、前記電極から電子を受け取り、前記酸化還元酵素へと電子を伝達する電子メディエータとを備える基質還元型酵素電極であって、
前記電子メディエータとして、少なくとも第一の電子メディエータ及び第二の電子メディエータを含む2種以上を備え、
前記第一の電子メディエータは、該第一の電子メディエータの還元開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差が、前記第二の電子メディエータの還元開始電位と前記酸化還元酵素の酸化還元電位との差よりも大きく、且つ、還元電流の最大値(絶対値)が前記第二の電子メディエータの還元電流の最大値(絶対値)よりも大きい、ことを特徴とする酵素電極。
A substrate-reducing enzyme electrode comprising: an electrode; an oxidoreductase that reduces a substrate; and an electron mediator that receives electrons from the electrode and transfers the electrons to the oxidoreductase,
The electron mediator comprises at least two kinds including at least a first electron mediator and a second electron mediator,
In the first electron mediator, the difference between the reduction start potential of the first electron mediator and the redox potential of the redox enzyme is such that the reduction start potential of the second electron mediator and the redox potential of the redox enzyme An enzyme electrode characterized by being larger than the difference from the potential and having a maximum reduction current (absolute value) greater than a maximum reduction current (absolute value) of the second electron mediator.
前記第一の電子メディエータが[W(CN)83-/4-を含む金属錯体であり、前記第二のメディエータが[Mo(CN)83-/4-を含む金属錯体である、請求項3に記載の酵素電極。 The first electron mediator is a metal complex containing [W (CN) 8 ] 3- / 4- , and the second mediator is a metal complex containing [Mo (CN) 8 ] 3- / 4-. The enzyme electrode according to claim 3. 請求項1乃至4のいずれかに記載の酵素電極を備える生物燃料電池。   A biofuel cell comprising the enzyme electrode according to claim 1. 請求項1乃至4のいずれかに記載の酵素電極を備えるバイオセンサ。   A biosensor comprising the enzyme electrode according to claim 1.
JP2006232614A 2006-08-29 2006-08-29 Enzyme electrode and biological fuel cell and biosensor provided with the same Pending JP2008059805A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006232614A JP2008059805A (en) 2006-08-29 2006-08-29 Enzyme electrode and biological fuel cell and biosensor provided with the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006232614A JP2008059805A (en) 2006-08-29 2006-08-29 Enzyme electrode and biological fuel cell and biosensor provided with the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008059805A true JP2008059805A (en) 2008-03-13

Family

ID=39242308

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006232614A Pending JP2008059805A (en) 2006-08-29 2006-08-29 Enzyme electrode and biological fuel cell and biosensor provided with the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008059805A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115594843A (en) * 2022-11-04 2023-01-13 可孚医疗科技股份有限公司(Cn) Synthesis method of electron mediator, biosensor and preparation method of biosensor
WO2023054231A1 (en) * 2021-09-29 2023-04-06 日東電工株式会社 Mixed reagent for electrochemical measurement

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023054231A1 (en) * 2021-09-29 2023-04-06 日東電工株式会社 Mixed reagent for electrochemical measurement
CN115594843A (en) * 2022-11-04 2023-01-13 可孚医疗科技股份有限公司(Cn) Synthesis method of electron mediator, biosensor and preparation method of biosensor
CN115594843B (en) * 2022-11-04 2023-12-12 可孚医疗科技股份有限公司 Synthesis method of electronic mediator, biosensor and preparation method of biosensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kang et al. Glucose biosensors based on platinum nanoparticles-deposited carbon nanotubes in sol–gel chitosan/silica hybrid
Nöll et al. Strategies for “wiring” redox-active proteins to electrodes and applications in biosensors, biofuel cells, and nanotechnology
US8048660B2 (en) Immobilized enzymes and uses thereof
Tian et al. Bienzymatic amperometric biosensor for glucose based on polypyrrole/ceramic carbon as electrode material
Krikstolaityte et al. Biofuel cell based on anode and cathode modified by glucose oxidase
US7544438B2 (en) Electron mediator, electron mediator immobilized electrode, and biofuel cell using the electrode
EP1472361B1 (en) Biosensor carrying redox enzymes
Wang et al. Real-time multiple signal amplification self-powered biosensing platform for ultrasensitive detection of MicroRNA
Kwon et al. Nanoscale enzyme reactors in mesoporous carbon for improved performance and lifetime of biosensors and biofuel cells
JP2005501253A (en) Self-powered biosensor
JP2008071584A (en) Electron transfer mediator modification enzyme electrode, and biological fuel cell equipped with this
CN103380527A (en) Microbial fuel cell, fuel and microbes for said fuel cell, bioreactor and biosensor
JP2005501253A5 (en)
Pandey et al. Ethanol biosensors and electrochemical oxidation of NADH
US20070077483A1 (en) Enzyme electrode and method of producing the same
US20110200889A1 (en) Fuel cell, electronic device, and buffer solution for fuel cell
Korani et al. Nickel-phendione complex covalently attached onto carbon nanotube/cross linked glucose dehydrogenase as bioanode for glucose/oxygen compartment-less biofuel cell
Shi et al. Self-powered dual-mode sensing strategy based on graphdiyne and DNA nanoring for sensitive detection of tumor biomarker
KR20190143644A (en) Novel Ruthenium-based electron transfer mediator, preparation method thereof, redox reagent composition and biosensor comprising the same
Hickey et al. Fundamentals and applications of bioelectrocatalysis
KR20190123169A (en) Novel redox polymer comprising transition metal complex and Electrochemical biosensor using the same
JP2008096352A (en) Manufacturing method for enzyme electrode
JP2005069836A (en) Electrode, protein measuring instrument and measuring method for enzyme activity
JP2008059805A (en) Enzyme electrode and biological fuel cell and biosensor provided with the same
Pinyou et al. Wiring Xanthine Oxidase Using an Osmium‐Complex‐Modified Polymer for Application in Biosensing.