JP2008096352A - Manufacturing method for enzyme electrode - Google Patents

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英孝 錦織
Hisao Kato
久雄 加藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an enzyme electrode with excellent electrode performance by immobilizing an electronic mediator and/or oxidoreductase in highly dispersed condition on a conductive base material. <P>SOLUTION: In this manufacturing method for the enzyme electrode comprising the conductive base material connected to an external circuit, the oxidoreductase capable of performing electron transfer to/from the conductive base material, and the electronic mediator capable of mediating electron transfer between the conductive base material and the oxidoreductase, the electron mediator forms a complex connected in the pendant form to a polymer chain of an organic polymer material, and when a polymer-mediator solution, in which the complex is dispersed in a solvent with a dielectric constant of 24 or less, an oxidoreductase solution of dispersed oxidoreductase, and a crosslinking reagent binding the oxidoreductase to the polymer chain of the complex are applied to the surface of the conductive base material, the electron mediator and the oxidoreductase are immobilized on the surface of the conductive base material. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、酵素電極の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an 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(酸化還元酵素)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 (oxidoreductase) 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、酵素は導電性基材より構成される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ることによって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すことが可能な生物燃料電池が得られる。
酵素電極において、電子メディエータは、使用目的や研究目的等に応じて、酵素と共に電解液中に混合、分散したり、或いは、電極表面に固定することができるが、通常は、電極構成の簡易化や電極性能等の点から、酵素と共に又は電子メディエータのみが電極表面に固定化されることが多い。
In general, enzymes are less likely to be directly oxidized and reduced on the electrode surface composed of a conductive base material, so the efficiency of the electrode reaction is improved by using an electron mediator that mediates electron transfer between the enzyme and the electrode. . The electron mediator transports electrons received from an enzyme that oxidizes a substrate to an electrode, or transports electrons received from an electrode to an 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 capable of taking out a sufficient current is obtained.
In enzyme electrodes, electron mediators can be mixed, dispersed in an electrolyte solution with an enzyme, or fixed to the electrode surface depending on the purpose of use, research purpose, etc. In view of the electrode performance and the like, the enzyme or only the electron mediator is often immobilized on the electrode surface.

電子メディエータや酵素を電極(導電性基材)表面に固定化する方法としては、例えば、導電性基材上で酵素や電子メディエータを有機高分子材料と成形し、有機高分子材料の固化により形成されるポア内に酵素や電子メディエータを保持させることにより固定化する方法や、使用するpHにおいて酵素や電子メディエータと反対の電荷を持つイオン性の有機高分子材料等を用いて静電相互作用により導電性基材上に固定化する方法、酵素や電子メディエータを導電性基材に物理吸着させ固定化する方法、有機高分子材料等の官能基と酵素や電子メディエータの官能基とを共有結合させることにより固定化する方法、有機高分子材料と酵素や電子メディエータとの間に共有結合を形成する架橋試薬を用いて有機高分子材料と酵素や電子メディエータとを共有結合させることにより固定化する方法、等が挙げられる。   As a method for immobilizing the electron mediator or enzyme on the surface of the electrode (conductive substrate), for example, the enzyme or the electron mediator is formed with an organic polymer material on the conductive substrate, and the organic polymer material is solidified. By immobilizing enzymes and electron mediators in the pores, and ionic organic polymer materials having a charge opposite to that of enzymes and electron mediators at the pH used. A method of immobilizing on a conductive substrate, a method of physically adsorbing and immobilizing an enzyme or electron mediator to a conductive substrate, a functional group of an organic polymer material, etc. and a functional group of an enzyme or electron mediator being covalently bonded By using a cross-linking reagent that forms a covalent bond between the organic polymer material and the enzyme or electron mediator. Method for immobilizing by covalently coupling the chromatography data, and the like.

また、ポリイミダゾール等の有機高分子鎖に、オスミウム錯体等の電子メディエータをペンダント状に結合させたものを導電性基材表面に固定化した酵素電極も提案されており、高性能を示すことが知られている。さらには、このような電子メディエータが結合した高分子有機鎖(以下、高分子−メディエータ複合体ということがある)に酵素も結合させ、電子メディエータと酵素とを導電性基材表面に固定化した酵素電極も提案されている。   In addition, an enzyme electrode in which an organic polymer chain such as polyimidazole and an electron mediator such as an osmium complex bonded in a pendant form is immobilized on the surface of a conductive substrate has been proposed, and exhibits high performance. Are known. Furthermore, an enzyme is also bound to a polymer organic chain (hereinafter sometimes referred to as a polymer-mediator complex) to which such an electron mediator is bound, and the electron mediator and the enzyme are immobilized on the surface of the conductive substrate. Enzyme electrodes have also been proposed.

酵素や電子メディエータを固定した具体的な酵素電極としては、例えば、特許文献1や特許文献2に記載されているものが挙げられる。   Examples of specific enzyme electrodes to which an enzyme or an electron mediator is fixed include those described in Patent Document 1 and Patent Document 2.

特開2005−79001号公報JP 2005-79001 A 特開平6−174679号公報JP-A-6-174679

上記したような酵素や電子メディエータを電極表面へ固定化する方法では、酵素や電子メディエータを溶媒に分散させた溶液を用いることが多い。このとき、溶液における各成分の分散性が悪いと、酵素や電子メディエータは電極表面に凝集した状態で固定化されてしまう。電極表面における酵素や電子メディエータの分散性が不十分であると、酵素−電子メディエータ−電極の電子伝達が円滑に進行しないため、得られる酵素電極は電極性能に劣るものとなる。
特に、電子メディエータを有機高分子鎖に結合させた高分子−メディエータ複合体は、有機高分子鎖部分の分散性が低く、有機高分子鎖と共に電子メディエータの分散性が悪くなりやすい。さらに、高分子−メディエータ複合体の高分子鎖に酸化還元酵素も結合させる場合には、酵素と電子メディエータの分散性が共に悪くなり、酵素−電子メディエータ−電極の電子伝達が円滑に進行せず、有効に機能する酵素や電子メディエータが少ない、非効率的な酵素電極となってしまう。
In the method of immobilizing an enzyme or electron mediator on the electrode surface as described above, a solution in which the enzyme or electron mediator is dispersed in a solvent is often used. At this time, if the dispersibility of each component in the solution is poor, the enzyme and the electron mediator are immobilized in an aggregated state on the electrode surface. If the dispersibility of the enzyme or the electron mediator on the electrode surface is insufficient, the electron transfer of the enzyme-electron mediator-electrode does not proceed smoothly, so that the resulting enzyme electrode is inferior in electrode performance.
In particular, a polymer-mediator complex in which an electron mediator is bonded to an organic polymer chain has a low dispersibility of the organic polymer chain portion, and the dispersibility of the electron mediator together with the organic polymer chain tends to deteriorate. Furthermore, when an oxidoreductase is also bound to the polymer chain of the polymer-mediator complex, both the dispersibility of the enzyme and the electron mediator deteriorates, and the electron transfer between the enzyme-electron mediator-electrode does not proceed smoothly. This results in an inefficient enzyme electrode with few enzymes and electron mediators that function effectively.

しかしながら、従来、高分子−メディエータ複合体を用いる場合でも、この高分子−メディエータ複合体の分散性に優れた溶媒は特定されておらず、分散性が不十分な溶媒が用いられていたり、或いは、その都度、試行錯誤をして溶媒を選択するという手間を要していた。   However, conventionally, even when a polymer-mediator complex is used, a solvent having excellent dispersibility of the polymer-mediator complex is not specified, and a solvent having insufficient dispersibility is used, or Each time, it took time and effort to select a solvent through trial and error.

上記特許文献1では、実施例において、AEACPVK(2-{3-[N-(2-Aminoethyl)aminocarbonyl]propyl}-3-methyl-1,4-naphtoquinone)とジアフォラーゼ(Dp)とグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)とをポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(PEGDGE)を用いてポリビニルイミダゾール(PVI)と共に電極上へ固定化する際に、AEACPVK3、Dp、GDH、PEGDGE及びPVIを含む緩衝溶液をグラッシーカーボン電極上に塗布し、反応させて硬化させている。
また、特許文献2では、実施例において、水不溶性高分子であるポリビニルブチラール樹脂と電子メディエータである1,1’−ジメチルフェロセンをエチルカルビトールに溶解した組成物やポリビニルブチラール樹脂とジメチルフェロセン−TCNQ(7,7',8,8'‐テトラシアノキノジメタン)錯体とTCQNとをエチルカルビトールと混合した組成物を用いて酵素電極を作製している。
In the above-mentioned Patent Document 1, in the examples, AEACPVK 3 (2- {3- [N- (2-Aminoethyl) aminocarbonyl] propyl} -3-methyl-1,4-naphtoquinone), diaphorase (Dp) and glucose dehydrogenase ( GDH) is immobilized on the electrode together with polyvinyl imidazole (PVI) using polyethylene glycol diglycidyl ether (PEGDGE). A buffer solution containing AEACPVK 3 , Dp, GDH, PEGDGE and PVI is applied onto the glassy carbon electrode. It is applied, reacted and cured.
Moreover, in patent document 2, in the Example, polyvinyl butyral resin which is a water-insoluble polymer and 1,1′-dimethylferrocene which is an electron mediator are dissolved in ethyl carbitol, or polyvinyl butyral resin and dimethylferrocene-TCNQ. An enzyme electrode is prepared using a composition in which (7,7 ′, 8,8′-tetracyanoquinodimethane) complex and TCQN are mixed with ethyl carbitol.

本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、電子メディエータ及び/又は酸化還元酵素を電極表面に固定化するための担体となる有機高分子材料に結合した電子メディエータを、高分散状態で導電性基材上に固定化し、電極性能に優れた酵素電極を提供することを目的とする。   The present invention has been accomplished in view of the above situation, and an electron mediator and / or an electron mediator bonded to an organic polymer material serving as a carrier for immobilizing an oxidoreductase on the electrode surface are in a highly dispersed state. It aims at providing the enzyme electrode which was fix | immobilized on the electroconductive base material and was excellent in electrode performance.

本発明の酵素電極の製造方法は、外部回路に接続された導電性基材と、該導電性基材との間で電子伝達が可能な酸化還元酵素と、前記導電性基材と前記酸化還元酵素との間の電子伝達を媒介可能な電子メディエータと、を備える酵素電極の製造方法であって、前記電子メディエータは、有機高分子材料の高分子鎖にペンダント状に結合して高分子−メディエータ複合体を形成しており、該高分子−メディエータ複合体を誘電率が24以下の溶媒に分散させた高分子−メディエータ溶液を、前記導電性基材表面に塗布することによって、前記電子メディエータを該導電性基材表面に固定化することを特徴とするものである。   The method for producing an enzyme electrode of the present invention comprises a conductive base material connected to an external circuit, an oxidoreductase capable of transferring electrons between the conductive base material, the conductive base material, and the redox enzyme. An enzyme electrode manufacturing method comprising: an electron mediator capable of mediating electron transfer with an enzyme, wherein the electron mediator is bound in a pendant manner to a polymer chain of an organic polymer material. A polymer-mediator solution in which a complex is formed and the polymer-mediator complex is dispersed in a solvent having a dielectric constant of 24 or less is applied to the surface of the conductive substrate. It is fixed on the surface of the conductive substrate.

本発明によれば、電子メディエータを電極表面に固定化するための担体である有機高分子材料を、高分散状態で電極表面に固定することが可能であり、これに伴い電子メディエータも高分散で電極表面に固定化される。   According to the present invention, an organic polymer material that is a carrier for immobilizing an electron mediator on an electrode surface can be immobilized on the electrode surface in a highly dispersed state, and accordingly, the electron mediator is also highly dispersed. Immobilized on the electrode surface.

電子メディエータと共に酸化還元酵素も電極表面に固定化する場合には、前記高分子−メディエータ溶液と、前記酸化還元酵素を分散させた酸化還元酵素溶液と、前記高分子−メディエータ複合体において前記電子メディエータが結合している高分子鎖に前記酸化還元酵素を結合させる架橋試薬とを、前記導電性基材表面に塗布することによって、該導電性基材表面において、前記高分子−メディエータ複合体の高分子鎖に前記酸化還元酵素を結合させ、前記電子メディエータと共に前記酸化還元酵素を前記導電性基材表面に固定化することができる。   When the oxidoreductase is also immobilized on the electrode surface together with the electron mediator, the polymer-mediator solution, the oxidoreductase solution in which the oxidoreductase is dispersed, and the polymer-mediator complex in the electron mediator A cross-linking reagent that binds the oxidoreductase to the polymer chain to which the polymer is bound is applied to the surface of the conductive substrate, whereby the polymer-mediator complex is increased on the surface of the conductive substrate. The oxidoreductase can be bound to a molecular chain, and the oxidoreductase can be immobilized on the surface of the conductive substrate together with the electron mediator.

この場合、酸化還元酵素及び電子メディエータの両方を電極表面に固定化するための担体である有機高分子が、高分散状態で電極表面に固定され、これに伴い電子メディエータ及び酸化還元酵素の両方が高分散状態で電極表面に固定化される。   In this case, the organic polymer that is a carrier for immobilizing both the oxidoreductase and the electron mediator on the electrode surface is immobilized on the electrode surface in a highly dispersed state, and accordingly both the electron mediator and the oxidoreductase are Immobilized on the electrode surface in a highly dispersed state.

前記電子メディエータとしては、例えば、オスミウム錯体が挙げられ、また、前記電子メディエータが結合している有機高分子鎖としては、ポリビニルイミダゾールが挙げられる。さらに、前記誘電率が24以下の溶媒としては、例えば、エタノールが挙げられる。   Examples of the electron mediator include osmium complexes, and examples of the organic polymer chain to which the electron mediator is bonded include polyvinyl imidazole. Furthermore, examples of the solvent having a dielectric constant of 24 or less include ethanol.

本発明によれば、酸化還元酵素−電子メディエータ−電極間の電子伝達性に優れ、高い電極性能を発現する酵素電極を提供することが可能である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to provide the enzyme electrode which is excellent in the electron transfer property between oxidoreductase-electron mediator-electrode, and expresses high electrode performance.

本発明の酵素電極の製造方法は、外部回路に接続された導電性基材と、該導電性基材との間で電子伝達が可能な酸化還元酵素と、前記導電性基材と前記酸化還元酵素との間の電子伝達を媒介可能な電子メディエータと、を備える酵素電極の製造方法であって、前記電子メディエータは、有機高分子材料の高分子鎖にペンダント状に結合して高分子−メディエータ複合体を形成しており、該高分子−メディエータ複合体を誘電率が24以下の溶媒に分散させた高分子−メディエータ溶液を、前記導電性基材表面に塗布することによって、前記電子メディエータを該導電性基材表面に固定化することを特徴とするものである。   The method for producing an enzyme electrode of the present invention comprises a conductive base material connected to an external circuit, an oxidoreductase capable of transferring electrons between the conductive base material, the conductive base material, and the redox enzyme. An enzyme electrode manufacturing method comprising: an electron mediator capable of mediating electron transfer with an enzyme, wherein the electron mediator is bound in a pendant manner to a polymer chain of an organic polymer material. A polymer-mediator solution in which a complex is formed and the polymer-mediator complex is dispersed in a solvent having a dielectric constant of 24 or less is applied to the surface of the conductive substrate. It is fixed on the surface of the conductive substrate.

ここで、図1を用いて、本発明により得られる酵素電極(基質酸化型)を備えた生物燃料電池の一実施形態例を説明する。
まず、酸化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酵素は、通常、該酸化酵素と電極との間の電子伝達を仲介する電子メディエータに電子を受け渡し、該電子メディエータによって導電性基材(アノード電極)へと電子が受け渡される。そして、アノード電極である導電性基材から外部回路を通ってカソード電極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、電解液内をカソード電極まで移動する。そして、カソード電極では、電解液内を移動してき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。
Here, an embodiment of a biofuel cell provided with an enzyme electrode (substrate oxidation type) obtained by the present invention will be described with reference to FIG.
First, an oxidase oxidizes a substrate such as glucose as a fuel and receives electrons. Next, the oxidase that has received the electrons usually delivers the electrons to an electron mediator that mediates electron transfer between the oxidase and the electrodes, and the electrons are transferred to the conductive substrate (anode electrode) by the electron mediator. Delivered. And an electric current generate | occur | produces when an electron reaches | attains a cathode electrode through an external circuit from the electroconductive base material which is an anode electrode.
Protons (H + ) generated in the above process move to the cathode electrode in the electrolytic solution. In the cathode electrode, protons that have moved through the electrolyte solution, electrons that have moved from the anode side through the external circuit, and an oxidizing agent (cathode side substrate) such as oxygen or hydrogen peroxide react with each other. Water is produced.

酵素電極において、充分な電流値を得るためには、酸化還元酵素−電子メディエータ−電極間の円滑な電子伝達が重要であり、酸化還元酵素−電子メディエータ−電極の相互的な位置関係によって酵素電極の電極性能は大きく左右される。すなわち、酸化還元酵素や電子メディエータを電極表面へ固定化する際の分散状態を高めることが優れた電極性能を発現する酵素電極を得るために重要である。   In order to obtain a sufficient current value in an enzyme electrode, smooth electron transfer between the oxidoreductase-electron mediator-electrode is important, and the enzyme electrode depends on the mutual positional relationship between the oxidoreductase-electron mediator-electrode. The electrode performance is greatly affected. That is, in order to obtain an enzyme electrode that exhibits excellent electrode performance, it is important to increase the dispersion state when the oxidoreductase or electron mediator is immobilized on the electrode surface.

本発明者らは、高分子−メディエータ複合体を構成する有機高分子の電極表面における分散性を高めることによって、電子メディエータの電極表面における分散性も向上させることが可能であることに着目した。そして、高分子−メディエータ複合体の分散溶液を導電性基材表面に塗布することにより電子メディエータを電極表面に固定化する方法において、高分子−メディエータ溶液における高分子−メディエータ複合体の有機高分子材料の分散性を向上させることによって、該有機高分子材料を高分散状態で電極表面へ固定化することを実現した。
具体的には、高分子−メディエータ複合体を分散させる溶媒として、誘電率が24以下の溶媒を用いることによって、高分子−メディエータ複合体を構成する有機高分子材料の分散性が向上することを見出した。
The present inventors have focused on the fact that the dispersibility of the electron mediator on the electrode surface can be improved by increasing the dispersibility of the organic polymer constituting the polymer-mediator complex on the electrode surface. In the method of immobilizing the electron mediator on the electrode surface by applying a dispersion solution of the polymer-mediator complex to the surface of the conductive substrate, the organic polymer of the polymer-mediator complex in the polymer-mediator solution By improving the dispersibility of the material, the organic polymer material was immobilized on the electrode surface in a highly dispersed state.
Specifically, the use of a solvent having a dielectric constant of 24 or less as the solvent for dispersing the polymer-mediator complex improves the dispersibility of the organic polymer material constituting the polymer-mediator complex. I found it.

本発明において、電子メディエータは、該電子メディエータを電極表面に固定化するための担体である有機高分子材料に予め結合されているため、有機高分子材料の電極表面での分散性が向上することによって、電子メディエータの電極表面における分散性も向上する。
以上のように、本発明の製造方法により得られる酵素電極は、電子メディエータが高分散状態で電極表面に固定されているため、酸化還元酵素−電子メディエータ−電極間の電子伝達性が高く、電極特性に優れている。従って、例えば、本発明の酵素電極を生物燃料電池の電極として用いることによって、大電流を得ることが可能な発電性能に優れた生物燃料電池を提供することが可能である。
In the present invention, since the electron mediator is previously bonded to the organic polymer material that is a carrier for immobilizing the electron mediator on the electrode surface, dispersibility of the organic polymer material on the electrode surface is improved. Thus, the dispersibility of the electron mediator on the electrode surface is also improved.
As described above, the enzyme electrode obtained by the production method of the present invention has a high electron transfer property between the oxidoreductase-electron mediator-electrode because the electron mediator is immobilized on the electrode surface in a highly dispersed state, and the electrode Excellent characteristics. Therefore, for example, by using the enzyme electrode of the present invention as an electrode of a biofuel cell, it is possible to provide a biofuel cell excellent in power generation performance capable of obtaining a large current.

前記高分子−メディエータ溶液と共に、酸化還元酵素を分散させた酸化還元酵素溶液と、高分子−メディエータ複合体において電子メディエータが結合している高分子鎖に酸化還元酵素を結合させる架橋試薬とを、導電性基材表面に塗布する場合には、該導電性基材表面において、高分子−メディエータ複合体の高分子鎖に酸化還元酵素を結合させることができるため、高分子−メディエータ複合体の有機高分子を担体として、電子メディエータと共に酸化還元酵素を導電性基材表面に固定化することができる。   An oxidoreductase solution in which an oxidoreductase is dispersed together with the polymer-mediator solution, and a crosslinking reagent that binds the oxidoreductase to the polymer chain to which the electron mediator is bound in the polymer-mediator complex. When applied to the surface of the conductive substrate, since the oxidoreductase can be bound to the polymer chain of the polymer-mediator complex on the surface of the conductive substrate, the organic of the polymer-mediator complex The oxidoreductase can be immobilized on the surface of the conductive substrate together with the electron mediator using the polymer as a carrier.

このように、電極表面において、高分子−メディエータ複合体を構成する有機高分子材料と酸化還元酵素とを反応させて結合させる場合、担体である有機高分子材料の電極表面での分散性が向上することによって、酸化還元酵素の電極表面における分散性も向上する。従って、酸化還元酵素−電子メディエータ−電極間の電子伝達性をさらに高めることができる。   In this way, when the organic polymer material constituting the polymer-mediator complex and the oxidoreductase are reacted and bonded on the electrode surface, the dispersibility of the organic polymer material as a carrier on the electrode surface is improved. This improves the dispersibility of the oxidoreductase on the electrode surface. Therefore, the electron transferability between the oxidoreductase-electron mediator-electrode can be further enhanced.

以下、本発明の酵素電極の製造方法について詳しく説明していく。
導電性基材は電極を構成する基材であり、特に限定されず、一般的なものを用いることができる。例えば、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、チタン等の金属からなるものを用いることができる。
Hereinafter, the method for producing the enzyme electrode of the present invention will be described in detail.
An electroconductive base material is a base material which comprises an electrode, and is not specifically limited, A general thing can be used. For example, those made of conductive carbon such as graphite, carbon black and activated carbon, and those made of metal such as gold and titanium can be used.

本発明においては、有機高分子材料の高分子鎖に予め電子メディエータを結合させた高分子−メディエータ複合体を用いる。そして、電極である導電性基材表面で、高分子−メディエータ複合体の有機高分子材料の高分子鎖に、酸化還元酵素も結合させることにより、電子メディエータと共に酸化還元酵素を電極表面に固定化する。   In the present invention, a polymer-mediator complex in which an electron mediator is previously bonded to a polymer chain of an organic polymer material is used. Then, the oxidoreductase is immobilized on the electrode surface together with the electron mediator by binding the oxidoreductase to the polymer chain of the organic polymer material of the polymer-mediator complex on the surface of the conductive substrate as the electrode. To do.

電子メディエータとしては、特に限定されず、有機高分子鎖に結合することができるものであればよく、用いる酸化還元酵素に応じて一般的に用いられている物質の中から適宜選択すればよい。例えば、Os、Fe、Ru、Co、Cu、Ni、V、Mo、Cr、Mn、Pt、W等の金属元素を中心金属とする金属錯体;ビオローゲン等の複素環式化合物等が挙げられる。中でも、配位子を選択することで酸化還元電位を制御可能であり、用いる酸化還元酵素に最適な酸化還元電位にすることが可能であることから、オスミウムを中心金属とするオスミウム錯体が好ましい。好ましいOs錯体の具体例としては、以下の式(1)、(2)で表される二座配位子がオスミウムに配位したものが挙げられる。   The electron mediator is not particularly limited as long as it can bind to the organic polymer chain, and may be appropriately selected from substances generally used according to the oxidoreductase used. Examples thereof include metal complexes having a metal element such as Os, Fe, Ru, Co, Cu, Ni, V, Mo, Cr, Mn, Pt, and W as a central metal; heterocyclic compounds such as viologen, and the like. Among these, an osmium complex having osmium as a central metal is preferable because a redox potential can be controlled by selecting a ligand, and an optimum redox potential can be obtained for the redox enzyme used. Specific examples of preferred Os complexes include those in which bidentate ligands represented by the following formulas (1) and (2) are coordinated to osmium.

Figure 2008096352
Figure 2008096352

(上記式(1)及び(2)において、R1〜R8は、それぞれ独立してH、F、Cl、Br、I、NO2、CN、COOH、SO3H、NHNH2、SH、OH、NH2、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 8 are each independently H, F, Cl, Br, I, NO 2 , CN, COOH, SO 3 H, NHNH 2 , SH, OH. , NH 2, or a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl, alkylaminocarbonyl, dialkylaminocarbonyl, alkoxy, alkylamino, dialkylamino, alkanoylamino, aryl carboxamide, hydrazino, alkyl hydrazino, hydroxylamino, alkoxylamino amino, alkylthio , Alkenyl, aryl or alkyl.)

オスミウム錯体において、中心金属に配位する配位子は、上記式の二座配位子に限定されず、その他の2座配位子や、Cl、I、Br、F等の1座配位子等が挙げられる。   In the osmium complex, the ligand coordinated to the central metal is not limited to the bidentate ligand of the above formula, but other bidentate ligands and monodentate coordination such as Cl, I, Br, F, etc. Child etc. are mentioned.

電子メディエータがその有機高分子鎖に結合する有機高分子材料としては、特に限定されず、例えば、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)、ポリビニルイミダゾール及びポリ(4−スチレンスルホネート)等が挙げられ、中でも、電子メディエータとして金属錯体を用いる場合、金属錯体の中心金属に直接配位できるという観点から、ポリビニルイミダゾール、ポリ(4−ビニルピリジン)が好ましい。   The organic polymer material to which the electron mediator is bonded to the organic polymer chain is not particularly limited, and examples thereof include styrene / maleic anhydride copolymer, methyl vinyl ether / maleic anhydride copolymer, poly (4-vinylbenzyl chloride) copolymer, Examples include poly (allylamine) copolymers, poly (4-vinylpyridine) copolymers, poly (4-vinylpyridine), polyvinylimidazole, and poly (4-styrenesulfonate). Among them, when a metal complex is used as an electron mediator, a metal From the viewpoint that it can be directly coordinated to the central metal of the complex, polyvinyl imidazole and poly (4-vinylpyridine) are preferable.

ポリ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、金属錯体の中心金属に配位し得る。ここで、イミダゾール基やピリジン基のような配位性部位は、有機高分子材料の主鎖骨格の一部を形成するものでもよいし、或いは、主鎖骨格から連結基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。   In polyvinylimidazole and poly (4-vinylpyridine), an imidazole group and a pyridine group can function as a monodentate ligand, respectively, and can coordinate to the central metal of the metal complex. Here, the coordination site such as an imidazole group or a pyridine group may form a part of the main chain skeleton of the organic polymer material, or through a chemical structure that becomes a linking group from the main chain skeleton. Or a structure in which the main chain skeleton is directly bonded to the main chain.

高分子−メディエータ複合体において、電子メディエータは有機高分子材料の高分子鎖にペンダント状に結合している。ここで、高分子鎖にペンダント状に結合しているとは、有機高分子材料の主鎖又は側鎖に、電子メディエータが結合している状態である。電子メディエータの有機高分子鎖への結合は、直接でもよいし、或いは、スペーサー等を介した間接的なものでもよい。また、電子メディエータと高分子鎖との結合の種類に特に限定はなく、配位結合、共有結合等が挙げられる。
電子メディエータ及び有機高分子材料は、1種類のみを用いてもよいし、或いは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
In the polymer-mediator complex, the electron mediator is bonded in a pendant manner to the polymer chain of the organic polymer material. Here, the term “bonded to the polymer chain in a pendant manner” refers to a state in which an electron mediator is bonded to the main chain or side chain of the organic polymer material. The bond of the electron mediator to the organic polymer chain may be direct, or may be indirect via a spacer or the like. In addition, the type of bond between the electron mediator and the polymer chain is not particularly limited, and examples thereof include coordination bond and covalent bond.
Only one type of electron mediator and organic polymer material may be used, or two or more types may be used in combination.

本発明の製造方法は、上記のような電子メディエータが有機高分子鎖に結合した高分子−メディエータ複合体を分散させる溶媒として、誘電率が24以下のものを用いる点に大きな特徴を有する。このような誘電率を有する溶媒は、有機高分子材料の分散能が高いため、高分子−メディエータ複合体が高分散した高分子−メディエータ溶液を得ることが可能である。分散させる高分子−メディエータ複合体、特に高分子−メディエータ複合体の有機高分子材料によって、溶媒の最適な誘電率は異なるため、用いる高分子−メディエータ複合体に合わせて、適宜溶媒を選択すればよい。   The production method of the present invention is greatly characterized in that a solvent having a dielectric constant of 24 or less is used as a solvent for dispersing the polymer-mediator complex in which the electron mediator is bonded to an organic polymer chain. Since the solvent having such a dielectric constant has high dispersibility of the organic polymer material, a polymer-mediator solution in which the polymer-mediator complex is highly dispersed can be obtained. The optimal dielectric constant of the solvent varies depending on the polymer-mediator complex to be dispersed, particularly the organic polymer material of the polymer-mediator complex. Therefore, if the solvent is appropriately selected according to the polymer-mediator complex to be used Good.

誘電率が24以下の溶媒としては、例えば、ヘキサン、エタノール、プロパノール、テトラヒドロフラン等が挙げられる。例えば、高分子有機材料としてポリビニルイミダゾールを用いる場合、特に、高分子材料としてポリビニルイミダゾールを用い、且つ、電子メディエータとしてOs錯体を用いる場合には、エタノールが好適である。   Examples of the solvent having a dielectric constant of 24 or less include hexane, ethanol, propanol, tetrahydrofuran, and the like. For example, when polyvinyl imidazole is used as the polymer organic material, ethanol is particularly suitable when polyvinyl imidazole is used as the polymer material and an Os complex is used as the electron mediator.

酸化還元酵素としては、特に限定されず、基質に応じて適宜選択すればよい。例えば、基質酸化型酵素としては、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。管理の容易さや安全性の観点からGDH、ADH、GOD、AODが好ましく用いられる。
また、GDH、ADH、GOD、AOD等は、本発明にかかる酵素電極を生物燃料電池に用いる場合、燃料である基質が入手しやすいという利点もある。また、基質還元型酵素としては、例えば、ラッカーゼ、ビリルビンオキシターゼ等が挙げられる。
酸化還元酵素は、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 is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the substrate. For example, dehydrogenase, oxidase, or the like can be used as the substrate oxidizing enzyme. Specific examples include glucose dehydrogenase (GDH), alcohol dehydrogenase (ADH), aldehyde dehydrogenase, glucose oxidase (GOD), alcohol oxidase (AOD), and aldehyde oxidase. GDH, ADH, GOD, and AOD are preferably used from the viewpoint of ease of management and safety.
Further, GDH, ADH, GOD, AOD and the like have an advantage that a substrate as a fuel is easily available when the enzyme electrode according to the present invention is used in a biofuel cell. Examples of the substrate-reducing enzyme include laccase and bilirubin oxidase.
Only one type of oxidoreductase may be used alone, or two or more types may be used in combination.

高分子−メディエータ複合体の高分子鎖に酸化還元酵素を結合させる場合、通常、該酸化還元酵素は、溶媒に分散させた酸化還元酵素溶液として導電性基材表面に塗布する。酸化還元酵素溶液において、酸化還元酵素を分散させる溶媒は特に限定されないが、通常は、酸化還元酵素の活性の維持や、酸化還元酵素の凝集を防止する観点から、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)等の緩衝液が用いられ、酸化還元酵素溶液のpHが最適値、例えば、pH7程度に維持される。   When oxidoreductase is bound to the polymer chain of the polymer-mediator complex, the oxidoreductase is usually applied to the surface of the conductive substrate as an oxidoreductase solution dispersed in a solvent. In the oxidoreductase solution, the solvent in which the oxidoreductase is dispersed is not particularly limited, but usually, from the viewpoint of maintaining the activity of the oxidoreductase and preventing aggregation of the oxidoreductase, a Tris buffer solution, a phosphate buffer solution A buffer solution such as morpholinopropane sulfonic acid (MOPS) is used, and the pH of the oxidoreductase solution is maintained at an optimum value, for example, about pH 7.

酸化還元酵素を有機高分子材料の高分子鎖に結合させる架橋試薬としては、特に限定されず、用いる有機高分子材料や酸化還元酵素に合わせて適宜選択することができる。例えば、酸化還元酵素と有機高分子材料とを共有結合させうる反応性基を有するポリエチレングリコールジグリシジル(PEGDE)、グルタルアルデヒド等が挙げられる。   The cross-linking reagent for binding the oxidoreductase to the polymer chain of the organic polymer material is not particularly limited and can be appropriately selected according to the organic polymer material or oxidoreductase used. Examples thereof include polyethylene glycol diglycidyl (PEGDE) and glutaraldehyde having a reactive group capable of covalently bonding an oxidoreductase and an organic polymer material.

例えば、高分子−メディエータ複合体として、ポリビニルイミダゾール(PVI)のイミダゾール基がOs錯体に配位したもの(以下、PVI−Osということがある。下記式(3)参照)、酸化還元酵素としてGDH、架橋試薬としてPEGDEを用いた場合、電極表面上で、PVI−OsのPVIにGDHをPEGDEを介して結合することができる。   For example, as a polymer-mediator complex, an imidazole group of polyvinyl imidazole (PVI) is coordinated to an Os complex (hereinafter sometimes referred to as PVI-Os; see the following formula (3)), and GDH as an oxidoreductase When PEGDE is used as a crosslinking reagent, GDH can be bound to PVI of PVI-Os via PEGDE on the electrode surface.

架橋試薬もまた、通常、溶媒に分散させた状態で電極表面に塗布する。架橋試薬を分散させる溶媒は特に限定されず、例えば、エタノール等の有機溶媒、水系溶媒などが挙げられる。   The crosslinking reagent is also usually applied to the electrode surface in a state dispersed in a solvent. The solvent in which the crosslinking reagent is dispersed is not particularly limited, and examples thereof include an organic solvent such as ethanol and an aqueous solvent.

尚、架橋試薬は、高分子−メディエータ溶液内に、高分子−メディエータ複合体と共に分散させてもよいし、或いは、酸化還元酵素溶液内に、酸化還元酵素と共に分散させてもよい。
尚、酸化還元酵素は、上記のような高分子−メディエータ複合体の高分子鎖に結合させる方法以外の方法で電極表面に固定してもよいし、或いは、電極表面に固定せず、電解液内に分散させてもよい。
The cross-linking reagent may be dispersed together with the polymer-mediator complex in the polymer-mediator solution, or may be dispersed together with the oxidoreductase in the oxidoreductase solution.
The oxidoreductase may be immobilized on the electrode surface by a method other than the method of binding to the polymer chain of the polymer-mediator complex as described above, or may not be immobilized on the electrode surface and the electrolyte solution. It may be dispersed within.

本発明において、高分子−メディエータ溶液、酸化還元酵素溶液、架橋試薬溶液の導電性基材表面への塗布方法、塗布の順序に特に限定はない。これら溶液の塗布方法としては、例えば、滴下法等を利用することができる。導電性基材表面への塗布順序としては、電極−電子メディエータ−酸化還元酵素間の電子伝達性の観点から、酸化還元酵素−電子メディエータ−電極間の電子伝達順序に沿って、高分子−メディエータ溶液をまず塗布することが好ましく、さらに高分子−メディエータ溶液の塗布に続いて酸化還元酵素溶液を塗布し、その後、架橋試薬を塗布することが好ましい。   In the present invention, the method for applying the polymer-mediator solution, oxidoreductase solution, and crosslinking reagent solution to the surface of the conductive substrate and the order of application are not particularly limited. As a method for applying these solutions, for example, a dropping method or the like can be used. From the viewpoint of electron transfer between the electrode, electron mediator, and oxidoreductase, the order of application to the surface of the conductive substrate is polymer-mediator along the order of electron transfer between the oxidoreductase, electron mediator, and electrode. It is preferable to apply the solution first, and it is preferable to apply the oxidoreductase solution subsequent to the application of the polymer-mediator solution, and then apply the crosslinking reagent.

本発明により得られる酵素電極は、生物燃料電池の他、バイオセンサー等に用いることができる。例えば、本発明により得られる酵素電極を基質酸化型酵素電極として生物燃料電池に組み込む場合、燃料(基質)としては、一般的なものを広く利用することができ、例えば、アルコール類、アルデヒド類、糖類、ケトン類よりなる炭化水素系化合物の他、水素等が挙げられる。中でも、取り扱いの容易さ等の観点から、アルコール類、アルデヒド類、糖類及びケトン類よりなる炭化水素系化合物から選ばれる少なくとも1種が好適である。具体的には、メタノール、エタノール、プロパノール、グリセリン等のアルコール類;ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等のアルデヒド類;グルコース、フルクトース、ソルボース等の糖類;ケトン類等が挙げられる。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。   The enzyme electrode obtained by the present invention can be used for biosensors and the like in addition to biofuel cells. For example, when the enzyme electrode obtained according to the present invention is incorporated into a biofuel cell as a substrate oxidation enzyme electrode, general fuels (substrates) can be widely used. For example, alcohols, aldehydes, In addition to hydrocarbon compounds composed of sugars and ketones, hydrogen and the like can be mentioned. Among them, at least one selected from hydrocarbon compounds composed of alcohols, aldehydes, saccharides, and ketones is preferable from the viewpoint of ease of handling and the like. Specific examples include alcohols such as methanol, ethanol, propanol and glycerine; aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde; saccharides such as glucose, fructose and sorbose; ketones and the like. In addition, metabolic intermediate products such as fats, proteins, and sugars, and mixtures thereof can be used.

基質である燃料や酸化剤が分散又は溶解される電解液は、電極反応である酸化反応又は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、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、例えば、20〜30℃程度に維持されていることが好ましい。   The electrolyte solution in which the fuel or oxidant as the substrate is dispersed or dissolved is used in the tris buffer solution, phosphate buffer solution, morpholinopropane sulfonic acid so that the oxidation reaction or reduction reaction that is an electrode reaction proceeds efficiently and constantly. It is preferably maintained at an optimum pH, for example, around pH 7, by a buffer solution such as (MOPS). Moreover, in order to make an electrode reaction advance efficiently and stably, it is preferable to maintain at about 20-30 degreeC, for example.

上記のようなアノード(基質酸化型酵素電極)と対をなすカソードとしては、例えば、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、又は金、チタン等からなる導電体に担持させたものや、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、酸化剤を電極触媒に供給するような形態とすることができる。   As the cathode paired with the anode (substrate oxidation enzyme electrode) as described above, for example, an electrode generally used in a fuel cell such as platinum or a platinum alloy which is an effective catalyst for a reduction reaction of an oxidizing agent. Cathode is used as a cathode electrode with a catalyst supported on a carbonaceous material such as graphite, carbon black or activated carbon, or a conductor made of gold, titanium or the like, or a conductor made of an electrode catalyst such as platinum or platinum alloy. The oxidant may be supplied to the electrode catalyst.

或いは、上記のような基質酸化型酵素電極からなるアノードと対をなすカソードを、基質還元型酵素電極としてもよい。酸化剤を還元する酸化還元酵素としては、ラッカーゼやビリルビンオキシターゼ等の公知のものが挙げられる。酸化剤を還元する触媒として酸化還元酵素を用いる場合には、必要に応じて、公知の電子メディエータを用いてもよい。
酸化剤としては、酸素、過酸化水素等が挙げられる。カソードにおける電極反応を妨害する不純物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。
Alternatively, the cathode that is paired with the anode composed of the substrate oxidation enzyme electrode as described above may be used as the substrate reduction enzyme electrode. Examples of the oxidoreductase that reduces the oxidant include known ones such as laccase and bilirubin oxidase. When an oxidoreductase is used as a catalyst for reducing the oxidant, a known electron mediator may be used as necessary.
Examples of the oxidizing agent include oxygen and hydrogen peroxide. In order to avoid the influence of impurities that hinder the electrode reaction at the cathode, an oxygen selective membrane such as dimethylpolysiloxane may be disposed around the cathode electrode.

[基質酸化型酵素電極の作製]
(実施例1)
カーボンペーパー(10mmΦ)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とする。下記式(3))をエタノール(誘電率24)に分散させた、PVI−Os15mg/mlエタノール溶液を8μl滴下した。続いて、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。
[Preparation of substrate oxidation enzyme electrode]
(Example 1)
First, a composite of poly (1-vinylimidazole) and Os (2,2′-bipyridylamine) 2 Cl (hereinafter referred to as PVI-Os) is used on the surface of carbon paper (10 mmΦ) using a micropipette. 8 μl of a PVI-Os 15 mg / ml ethanol solution in which the following formula (3)) was dispersed in ethanol (dielectric constant 24) was dropped. Subsequently, 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.

これを常温で一晩放置して乾燥させ、PVI−Osのポリビニルイミダゾール鎖にPEGDEを介してGDHを結合させることにより、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とを固定した。
図3に示すようにして、上記にて酸化還元酵素と電子メディエータとを固定したカーボンペーパーを、外部回路と接続されたカーボン芯を有する部材の先端に、ナイロン製ネット及びOリングで固定し、基質酸化型酵素電極(試料極)とした。
This was left to stand overnight at room temperature and dried, and GDH as an enzyme and PVI-Os as a mediator were fixed on the surface of the carbon sheet by binding GDH to the polyvinylimidazole chain of PVI-Os via PEGDE. .
As shown in FIG. 3, the carbon paper in which the oxidoreductase and the electron mediator are fixed as described above is fixed to the tip of a member having a carbon core connected to an external circuit with a nylon net and an O-ring, A substrate oxidized enzyme electrode (sample electrode) was used.

Figure 2008096352
Figure 2008096352

(比較例1)
実施例1において、PVI‐Osを水(誘電率80)に分散させたPVI−Os15mg/ml水溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様にして基質酸化型酵素電極を作製した。
(Comparative Example 1)
In Example 1, a substrate oxidized enzyme electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that an aqueous solution of PVI-Os 15 mg / ml in which PVI-Os was dispersed in water (dielectric constant 80) was used.

[酵素電極の評価]
上記基質酸化型酵素電極を試料極として、下記条件下、発電試験(3電極式電気化学評価。図4参照)を行った。尚、参照極としてAg/AgCl、対極としてPtワイヤーを用いた。また、サイクリックボルタンメトリー法により得られた酸化還元ピークにより、各酵素電極の電気化学的表面積を求めた。結果を合わせて図2に示す。
[Evaluation of enzyme electrode]
Using the substrate oxidized enzyme electrode as a sample electrode, a power generation test (3-electrode electrochemical evaluation, see FIG. 4) was performed under the following conditions. In addition, Ag / AgCl 2 was used as a reference electrode, and a Pt wire was used as a counter electrode. Moreover, the electrochemical surface area of each enzyme electrode was calculated | required from the oxidation-reduction peak obtained by the cyclic voltammetry method. The results are shown together in FIG.

<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>
図2に示すように、電子メディエータが結合した有機高分子材料(PVI−Os)を誘電率が24以下の溶媒に分散させた実施例1の酵素電極は、PVI−Osを誘電率が24より大きい溶媒に分散させた比較例1の酵素電極と比較して、電流値及び電気化学表面積共に大きく、電極特性に優れたものだった。これは、電子メディエータ及び酸化還元酵素を結合し、電極表面に固定化する担体として機能するPVIを、誘電率が24以下の溶媒を用いて分散させることによって、分散溶液中におけるPVIの分散性が向上し、その結果、電極表面にPVIが高分散状態で付着され、これに伴いPVIに結合するOs錯体及びGDHの電極表面における分散性も向上したためである。
<Result>
As shown in FIG. 2, the enzyme electrode of Example 1 in which an organic polymer material (PVI-Os) bonded with an electron mediator is dispersed in a solvent having a dielectric constant of 24 or less has a dielectric constant of 24 from PVI-Os. Compared with the enzyme electrode of Comparative Example 1 dispersed in a large solvent, both the current value and the electrochemical surface area were large, and the electrode characteristics were excellent. This is because PVI that functions as a carrier that binds an electron mediator and an oxidoreductase and is immobilized on the electrode surface is dispersed using a solvent having a dielectric constant of 24 or less, whereby the dispersibility of PVI in the dispersion solution is increased. As a result, PVI was adhered to the electrode surface in a highly dispersed state, and as a result, the dispersibility of the Os complex and GDH bonded to PVI on the electrode surface was also improved.

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. 実施例における酵素電極の作製方法を示す図である。It is a figure which shows the preparation methods of the enzyme electrode in an Example. 実施例における発電試験(三電極式電気化学評価)の評価系を示す図である。It is a figure which shows the evaluation system of the electric power generation test (three-electrode-type electrochemical evaluation) in an Example.

Claims (5)

外部回路に接続された導電性基材と、該導電性基材との間で電子伝達が可能な酸化還元酵素と、前記導電性基材と前記酸化還元酵素との間の電子伝達を媒介可能な電子メディエータと、を備える酵素電極の製造方法であって、
前記電子メディエータは、有機高分子材料の高分子鎖にペンダント状に結合して高分子−メディエータ複合体を形成しており、
該高分子−メディエータ複合体を誘電率が24以下の溶媒に分散させた高分子−メディエータ溶液を、前記導電性基材表面に塗布することによって、前記電子メディエータを該導電性基材表面に固定化することを特徴とする、酵素電極の製造方法。
A conductive substrate connected to an external circuit, an oxidoreductase capable of transferring electrons between the conductive substrate, and an electron transfer between the conductive substrate and the oxidoreductase. A method for producing an enzyme electrode comprising:
The electron mediator is bonded in a pendant manner to a polymer chain of an organic polymer material to form a polymer-mediator complex,
The polymer-mediator solution in which the polymer-mediator complex is dispersed in a solvent having a dielectric constant of 24 or less is applied to the surface of the conductive substrate, thereby fixing the electron mediator to the surface of the conductive substrate. A method for producing an enzyme electrode, comprising:
前記高分子−メディエータ溶液と、前記酸化還元酵素を分散させた酸化還元酵素溶液と、前記高分子−メディエータ複合体において前記電子メディエータが結合している高分子鎖に前記酸化還元酵素を結合させる架橋試薬とを、前記導電性基材表面に塗布することによって、該導電性基材表面において、前記高分子−メディエータ複合体の高分子鎖に前記酸化還元酵素を結合させ、前記電子メディエータと共に前記酸化還元酵素を前記導電性基材表面に固定化する、請求項1に記載の酵素電極の製造方法。   The polymer-mediator solution, the oxidoreductase solution in which the oxidoreductase is dispersed, and the cross-link that binds the oxidoreductase to the polymer chain to which the electron mediator is bound in the polymer-mediator complex. By applying a reagent to the surface of the conductive substrate, the oxidoreductase is bound to the polymer chain of the polymer-mediator complex on the surface of the conductive substrate, and the oxidation media is combined with the electron mediator. The method for producing an enzyme electrode according to claim 1, wherein a reductase is immobilized on the surface of the conductive substrate. 前記電子メディエータがオスミウム錯体である、請求項1又は2に記載の酵素電極の製造方法。   The method for producing an enzyme electrode according to claim 1 or 2, wherein the electron mediator is an osmium complex. 前記電子メディエータが結合している有機高分子材料がポリビニルイミダゾールである、請求項1乃至3のいずれかに記載の酵素電極の製造方法。   The method for producing an enzyme electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the organic polymer material to which the electron mediator is bonded is polyvinylimidazole. 前記誘電率が24以下の溶媒がエタノールである、請求項1乃至4のいずれかに記載の酵素電極の製造方法。   The method for producing an enzyme electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the solvent having a dielectric constant of 24 or less is ethanol.
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