JP2021061240A - Novel mediator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アミノアントラキノン系化合物のメディエータとしての用途及び、当該化合物を含む電極改変剤、当該化合物を含む電極、当該電極を含む酵素センサー、及び電池に関する。また本発明は、アミノアントラキノン系化合物および酸化還元酵素を用いた電気化学的測定、アミノアントラキノン系化合物および酸化還元酵素を含む組成物、並びにアミノアントラキノン系化合物を含む電極に関する。 The present invention relates to the use of an aminoanthraquinone-based compound as a mediator, an electrode modifier containing the compound, an electrode containing the compound, an enzyme sensor containing the electrode, and a battery. The present invention also relates to electrochemical measurements using aminoanthraquinone compounds and oxidoreductases, compositions containing aminoanthraquinone compounds and oxidoreductases, and electrodes containing aminoanthraquinone compounds.
酵素電極においてメディエータは、酵素による酸化還元反応によって発生した電子を、電極に受け渡すための媒介物質として利用されている。酵素から電極への効率的な電子伝達のためには、メディエータが電極の近傍に局在化していることが望ましい。そのため、電極とメディエータを化学結合させる方法や、メディエータ自体を高分子化する方法など、電極にメディエータを固定化させる様々な手法が利用されている。しかしながら、化学結合法はメディエータの側鎖官能基に制限があり、メディエータ自体を高分子化する方法はメディエータの酸化還元電位が変化する可能性があるなど、従来の手法は汎用性に欠けていた。なお、グラッシーカーボン電極を強酸で処理することで表面の官能基を活性化させ、キノン類等のメディエータを吸着固定することも報告されているが、産業界ではほとんど実用化されていない。 In the enzyme electrode, the mediator is used as a mediator for transferring the electrons generated by the redox reaction by the enzyme to the electrode. For efficient electron transfer from the enzyme to the electrode, it is desirable that the mediator is localized near the electrode. Therefore, various methods for immobilizing the mediator on the electrode, such as a method of chemically bonding the electrode and the mediator and a method of polymerizing the mediator itself, are used. However, the conventional method lacks versatility, as the chemical bonding method has restrictions on the side chain functional groups of the mediator, and the method of polymerizing the mediator itself may change the redox potential of the mediator. .. It has also been reported that treating a glassy carbon electrode with a strong acid activates functional groups on the surface to adsorb and fix mediators such as quinones, but it has hardly been put into practical use in the industrial world.
さらに、いずれの方法もメディエータの電極への固定化のために煩雑な工程が必要であり、高コストとなるという問題もあった。そこで、電極への固定化に煩雑な工程を必要としない、簡便に使用できる電子メディエータが望まれていた。 Further, each method requires a complicated process for immobilizing the mediator on the electrode, and has a problem of high cost. Therefore, an electronic mediator that can be easily used without requiring a complicated process for immobilization on an electrode has been desired.
特許文献1(国際公開第2011/111531号パンフレット)は、分析物を検出するためのデバイスを開示しており、具体的には分析物感応性材料としてアントラキノン系化合物、フェナントレンキノン系化合物、ベンゾキノン系化合物、アゾベンゼン系化合物等が用いられたpHセンサーが記載されている。 Patent Document 1 (International Publication No. 2011/111531) discloses a device for detecting an analytical substance, and specifically, anthraquinone-based compound, phenanthrenequinone-based compound, and benzoquinone-based compound as analytical substance-sensitive materials. A pH sensor using a compound, an azobenzene-based compound, or the like is described.
本発明は、上記の問題を少なくとも部分的に解決しうる、新規メディエータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a novel mediator that can solve the above problems at least in part.
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意努力した結果、アミノアントラキノン系化合物が、驚くべきことに電極表面に吸着可能であり、かつ、該化合物がメディエータとして機能しうることを見出し、本発明を完成させた。本発明者らの知る限り、1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノン、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン、及び2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノンが電極に吸着するメディエータであることはこれまでに報告されておらず、これは驚くべき知見である。 As a result of diligent efforts to solve the above problems, the present inventors have found that an aminoanthraquinone-based compound can be surprisingly adsorbed on the electrode surface, and that the compound can function as a mediator. , The present invention has been completed. To the best of our knowledge, it has been reported so far that 1-acetamido-4-hydroxyanthraquinone, 1-amino-4-hydroxyanthraquinone, and 2-amino-3-hydroxyanthraquinone are mediators that adsorb to the electrode. Not, this is a surprising finding.
本開示は以下の実施形態を包含する:
[1] ポリマーに結合されることなく、若しくはポリマー化することなく電極に吸着する性質を有し、式Iの構造、
を有する化合物を含む、電極改変剤。
[2] ポリマーに結合されることなく、若しくはポリマー化することなく電極に吸着する性質を有し、式Iの構造、
を有する化合物を含む、電子伝達促進剤。
[3] 実施形態1に記載の電極改変剤又は実施形態2に記載の電子伝達促進剤を含む、電池。
[4] 前記化合物が前記電池の電極に固定化されている、実施形態3に記載の電池。
[5] 酸化還元酵素を含む、実施形態3又は4に記載の電池。
[6] 酸化還元酵素が電極に固定化されている、実施形態5に記載の電池。
[7] 実施形態1に記載の電極改変剤又は実施形態2に記載の電子伝達促進剤を含む、組成物。
[8] 実施形態1に記載の電極改変剤又は実施形態2に記載の電子伝達促進剤を含む、電極。
[9] 酵素を有する、実施形態8に記載の電極、又は、酵素を含む、実施形態7に記載の組成物。
[10] 酵素が酸化還元酵素である、実施形態9に記載の電極又は組成物。
[11] 酸化還元酵素が固定化されている、実施形態10に記載の電極。
[12] 実施形態1に記載の電極改変剤又は実施形態2に記載の電子伝達促進剤を含むセンサー、又は、実施形態10若しくは11に記載の電極を有する酵素センサー。
[13] 化合物が、以下の構造
以下の構造
以下の構造
又はその塩、無水物若しくは溶媒和物である、
実施形態1に記載の電極改変剤、
実施形態2に記載の電子伝達促進剤、
実施形態3〜6のいずれかに記載の電池、
実施形態7、9又は10に記載の組成物、
実施形態8〜11のいずれかに記載の電極、又は
実施形態12に記載の酵素センサー。
[14] 実施形態1に記載の電極改変剤又は実施形態2に記載の電子伝達促進剤を用いる工程を含む、電池の製造方法。
[15] 前記電極改変剤、又は電子伝達促進剤を、電池の電極と接触させる工程を含む、実施形態14に記載の方法。
[16] 実施形態3〜6及び13のいずれかに記載の電池を用いる、発電方法。
[17] 実施形態7、9、10及び13のいずれかに記載の組成物、
実施形態8〜11、及び13のいずれかに記載の電極、又は
実施形態12又は13に記載のセンサー
を用いる、電気化学的測定方法。
[18] 実施形態1又は13に記載の電極改変剤、
実施形態2又は13に記載の電子伝達促進剤、又は
実施形態7、9、10及び13のいずれかに記載の組成物、
を電極に接触させる工程を含む、電極を改変又は修飾する方法。
The present disclosure includes the following embodiments:
[1] The structure of the formula I, which has the property of adsorbing to the electrode without being bonded to the polymer or polymerized.
An electrode modifier comprising a compound having.
[2] The structure of the formula I, which has the property of adsorbing to the electrode without being bonded to the polymer or polymerized.
An electron transfer promoter, which comprises a compound having.
[3] A battery comprising the electrode modifier according to the first embodiment or the electron transfer promoter according to the second embodiment.
[4] The battery according to the third embodiment, wherein the compound is immobilized on an electrode of the battery.
[5] The battery according to embodiment 3 or 4, which comprises a redox enzyme.
[6] The battery according to the fifth embodiment, wherein the redox enzyme is immobilized on an electrode.
[7] A composition comprising the electrode modifier according to the first embodiment or the electron transfer promoter according to the second embodiment.
[8] An electrode containing the electrode modifier according to the first embodiment or the electron transfer promoter according to the second embodiment.
[9] The electrode according to embodiment 8 having an enzyme, or the composition according to embodiment 7 containing an enzyme.
[10] The electrode or composition according to embodiment 9, wherein the enzyme is an oxidoreductase.
[11] The electrode according to embodiment 10, wherein the redox enzyme is immobilized.
[12] A sensor containing the electrode modifier according to the first embodiment or the electron transfer promoter according to the second embodiment, or an enzyme sensor having the electrode according to the tenth or eleventh embodiment.
[13] The compound has the following structure
The following structure
Or its salt, anhydride or solvate,
The electrode modifier according to the first embodiment,
The electron transport chain according to the second embodiment,
The battery according to any one of embodiments 3 to 6.
The composition according to embodiment 7, 9 or 10.
The electrode according to any one of embodiments 8 to 11, or the enzyme sensor according to embodiment 12.
[14] A method for manufacturing a battery, which comprises a step of using the electrode modifier according to the first embodiment or the electron transfer accelerator according to the second embodiment.
[15] The method according to embodiment 14, comprising a step of bringing the electrode modifier or the electron transfer accelerator into contact with the electrodes of the battery.
[16] A power generation method using the battery according to any one of embodiments 3 to 6 and 13.
[17] The composition according to any one of embodiments 7, 9, 10 and 13.
An electrochemical measurement method using the electrode according to any one of embodiments 8 to 11 and 13, or the sensor according to embodiment 12 or 13.
[18] The electrode modifier according to embodiment 1 or 13.
The electron transfer promoter according to embodiment 2 or 13, or the composition according to any one of embodiments 7, 9, 10 and 13.
A method of modifying or modifying an electrode, which comprises the step of bringing the electrode into contact with the electrode.
本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号2019-183555号の開示内容を包含する。 This specification includes the disclosure of Japanese Patent Application No. 2019-183555, which is the basis of the priority of the present application.
本発明のアミノアントラキノン系化合物は、従来のメディエータと異なり、電極の酸処理や、メディエータ自体の高分子化等の特別な処理を必要とせずに、そのまま電極表面に吸着可能であり、そのため、簡便に電極に固定化することができる。またこのような電極は電気化学的測定に用いることができる。またこのような電極は電池に応用することができる。 Unlike conventional mediators, the aminoanthraquinone-based compound of the present invention can be adsorbed on the electrode surface as it is without requiring special treatment such as acid treatment of the electrode or polymerization of the mediator itself, and is therefore convenient. Can be immobilized on the electrode. Moreover, such an electrode can be used for an electrochemical measurement. Moreover, such an electrode can be applied to a battery.
(アミノアントラキノン系化合物)
(アミノアントラキノン系化合物が吸着した電極)
ある実施形態において本発明はアミノアントラキノン系化合物を提供する。別の実施形態において本発明はアミノアントラキノン系化合物を含む、電極改変剤を提供する。この電極改変剤は電極表面に吸着可能であり、電極の電子受容性を改変し得る。別の実施形態において本発明はアミノアントラキノン系化合物又は本発明の電極改変剤が吸着した電極を提供する。別の実施形態において本発明はアミノアントラキノン系化合物又は本発明の電極改変剤を含む電気化学的測定用組成物を提供する。組成物はさらに酵素を含みうる。酵素は酸化還元酵素であり得る。別の実施形態において本発明は、アミノアントラキノン系化合物又は本発明の電極改変剤を含む電気化学的測定用キットを提供する。本明細書において電極改変剤を電極吸着剤ということがある。
(Amino anthraquinone compound)
(Electrodes on which aminoanthraquinone compounds are adsorbed)
In certain embodiments, the present invention provides aminoanthraquinone compounds. In another embodiment, the present invention provides an electrode modifier comprising an aminoanthraquinone compound. This electrode modifier can be adsorbed on the surface of the electrode and can modify the electron acceptability of the electrode. In another embodiment, the present invention provides an electrode on which an aminoanthraquinone compound or an electrode modifier of the present invention is adsorbed. In another embodiment, the present invention provides an electrochemical measurement composition containing an aminoanthraquinone-based compound or an electrode modifier of the present invention. The composition may further contain an enzyme. The enzyme can be an oxidoreductase. In another embodiment, the present invention provides an electrochemical measurement kit containing an aminoanthraquinone-based compound or an electrode modifier of the present invention. In the present specification, the electrode modifier may be referred to as an electrode adsorbent.
本発明のアミノアントラキノン系化合物は、電極と接触させることで電極表面に吸着することができる。このとき、電極に吸着させるために、電極表面を酸処理して活性化するなどの特別の操作は必要ない。ある実施形態において、本発明の化合物が有する電極に吸着する性質とは、該化合物が電極に物理的に吸着する性質をいい、電極は炭素、金、白金等の素材等を用いることが出来る。さらに、該化合物を炭素粉末又は炭素材料などの一次材料に吸着させ次いで当該炭素粉末又は炭素材料などの一次材料を電極に固定化する態様を含むものとする。ただし、これは、本発明の化合物が有する性質についての説明であって、該化合物の使用方法を限定するものではない。すなわち、ある実施形態において本発明は、本発明の化合物を炭素粉末又は炭素材料などの一次材料に吸着させ次いで当該炭素粉末又は炭素材料などの一次材料を電極に固定化する方法を提供する。 The aminoanthraquinone-based compound of the present invention can be adsorbed on the electrode surface by being brought into contact with the electrode. At this time, no special operation such as acid treatment of the electrode surface to activate it is required in order to adsorb it to the electrode. In a certain embodiment, the property of the compound of the present invention that adsorbs to an electrode means the property that the compound physically adsorbs to the electrode, and the electrode can be made of a material such as carbon, gold, or platinum. Further, the present invention includes an embodiment in which the compound is adsorbed on a primary material such as carbon powder or carbon material, and then the primary material such as carbon powder or carbon material is immobilized on an electrode. However, this is an explanation of the properties of the compound of the present invention, and does not limit the method of using the compound. That is, in certain embodiments, the present invention provides a method of adsorbing a compound of the present invention on a primary material such as carbon powder or carbon material and then immobilizing the primary material such as carbon powder or carbon material on an electrode.
ある実施形態において、本発明は、本発明の化合物を吸着させた炭素粉末又は炭素材料などの一次材料を提供する。この炭素粉末又は炭素材料などの一次材料は、さらに電極に塗布又は適用することができる。一次材料としては、炭素、白金、金などが挙げられるがこれに限らない。炭素材料としてはカーボンブラック、カーボンファイバー、単層又は多層カーボンナノチューブ、グラフェン、ケッチェンブラック等が挙げられる。 In certain embodiments, the present invention provides a primary material, such as a carbon powder or carbon material adsorbed with a compound of the present invention. The primary material such as this carbon powder or carbon material can be further applied or applied to the electrode. Examples of the primary material include, but are not limited to, carbon, platinum, and gold. Examples of the carbon material include carbon black, carbon fiber, single-walled or multi-walled carbon nanotubes, graphene, and Ketjen black.
ある実施形態において、本発明の化合物が有する電極、炭素粉末又は炭素材料に吸着する性質とは、該化合物が電極、炭素粉末又は炭素材料に直接、物理的に吸着する性質をいい、該化合物をポリマーやリンカーに共有結合させることによる電極、炭素粉末又は炭素材料への結合する性質を言わないものとする。このような性質を本明細書において、ポリマーに結合されることなく電極に吸着する性質、或いはポリマーに結合されることなく、或いは該化合物がポリマー化することなく、炭素粉末又は炭素材料に吸着する性質ということがある。ただし、これは、本発明の化合物が有する性質についての説明であって、該化合物の使用方法を限定するものではない。すなわち、ある実施形態において本発明は、本発明の化合物をポリマーやリンカーに共有結合させることにより電極、炭素粉末又は炭素材料へ結合する方法を提供する。また、該化合物が電極、炭素粉末又は炭素材料に直接、物理的に吸着する、とは本発明の化合物自身が(モノマーとして)、炭素粉末又は炭素材料に共有結合することを妨げるものではない。なお、本明細書においてポリマーとは同一単位が、例えば10以上、多量体化しているものをいう。 In a certain embodiment, the property of the compound of the present invention to adsorb to an electrode, carbon powder or carbon material means the property of the compound to directly and physically adsorb to the electrode, carbon powder or carbon material. It does not refer to the property of covalently bonding to a polymer or linker to bond to an electrode, carbon powder or carbon material. In the present specification, such a property is adsorbed to a carbon powder or a carbon material without being bonded to a polymer or adsorbed to an electrode, or without being bonded to a polymer or polymerizing the compound. There is a property. However, this is an explanation of the properties of the compound of the present invention, and does not limit the method of using the compound. That is, in certain embodiments, the present invention provides a method of covalently bonding a compound of the present invention to a polymer or linker to bond it to an electrode, carbon powder or carbon material. Further, the fact that the compound directly and physically adsorbs to the electrode, carbon powder or carbon material does not prevent the compound of the present invention itself (as a monomer) from covalently bonding to the carbon powder or carbon material. In addition, in this specification, a polymer means a polymer in which the same unit is multimerized by, for example, 10 or more.
ある実施形態において、本発明の化合物を吸着させるための炭素粉末又は炭素材料、炭素電極、金電極、白金電極は、酸処理されていない。すなわちある実施形態において、本発明の化合物を吸着させる炭素粉末又は炭素材料から、酸処理された炭素粉末又は炭素材料、炭素電極は除かれる。 In certain embodiments, the carbon powder or carbon material, carbon electrode, gold electrode, and platinum electrode for adsorbing the compound of the present invention are not acid-treated. That is, in a certain embodiment, the acid-treated carbon powder or carbon material and carbon electrode are removed from the carbon powder or carbon material that adsorbs the compound of the present invention.
ある実施形態において、本発明の化合物を酵素と組み合わせて用いることができる。ある実施形態において、本発明の化合物を酸化還元酵素と組み合わせて用いることができる。ある実施形態において、本発明の化合物を電子伝達促進剤として用いることができる。ある実施形態において、本発明のアミノアントラキノン系化合物は、酸化還元酵素により触媒される酸化還元反応において、メディエータとして機能する。酸化還元酵素としては、EC第1群に分類される各種の酸化還元酵素、例えばグルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、アマドリアーゼ(フルクトシルペプチドオキシダーゼまたはフルクトシルアミノ酸オキシダーゼともいう)、ペルオキシダーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、D-またはL-アミノ酸オキシダーゼ、アミンオキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、コリンオキシダーゼ、キサンチンオキシダーゼ、サルコシンオキシダーゼ、D-またはL-乳酸オキシダーゼ(LOD)、アスコルビン酸オキシダーゼ、チトクロムオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、アルデヒドオキシダーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ(FDH)、ソルビトールデヒドロゲナーゼ、D-またはL-乳酸デヒドロゲナーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ、17Bヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、エストラジオール17Bデヒドロゲナーゼ、D-またはL-アミノ酸デヒドロゲナーゼ、グリセルアルデヒド3-リン酸デヒドロゲナーゼ、3-ヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼ、カタラーゼ、グルタチオンレダクターゼ、チトクロムb5レダクターゼ、アドレノキシンレダクターゼ、チトクロムb5レダクターゼ、アドレノドキシンレダクターゼ、硝酸レダクターゼ、リン酸デヒドロゲナーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、ポリアミンオキシダーゼ、ギ酸デヒドロゲナーゼ、ピラノースオキシダーゼ、ピラノースデヒドロゲナーゼ、タウロピンデヒドロゲナーゼ等が挙げられるが、これに限らない。また、複数の酵素の組合せであってもよい。上記酵素の補酵素としては、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸、フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)、ピロロキノリンキノン等が挙げられる。すなわち、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)としては、FAD依存性GDH、NAD依存性GDH、PQQ依存性GDH等が挙げられる。上記に挙げた酸化還元酵素は、例えばMethods in Enzymology(1〜602巻)に記載の方法で、種々の基質を用いた活性測定を行うことができる。 In certain embodiments, the compounds of the invention can be used in combination with enzymes. In certain embodiments, the compounds of the invention can be used in combination with oxidoreductase. In certain embodiments, the compounds of the present invention can be used as electron transfer promoters. In certain embodiments, the aminoanthraquinone compounds of the invention function as mediators in redox reactions catalyzed by oxidoreductases. Examples of oxidoreductases include various oxidoreductases classified into EC Group 1, such as glucose oxidase, glucose dehydrogenase, amadriase (also referred to as fructosyl peptide oxidase or fructosyl amino acid oxidase), peroxidase, galactose oxidase, and bilirubin oxidase. Pyruvate oxidase, D- or L-amino acid oxidase, amine oxidase, cholesterol oxidase, choline oxidase, xanthin oxidase, sarcosine oxidase, D- or L-lactate oxidase (LOD), ascorbic acid oxidase, cytochrome oxidase, alcohol dehydrogenase, cholesterol dehydrogenase , Oxidoreductase, Oxidoreductase, Fructose Dehydrogenase (FDH), Sorbitol Dehydrogenase, D- or L-Lactate Dehydrogenase, Appleic Acid Dehydrogenase, Gloxy Dehydrogenase, 17B Hydroxysteroid Dehydrogenase, Estradiol 17B Dehydrogenase, D- or L-Amino Acid Dehydrogenase Alaldehyde 3-phosphate dehydrogenase, 3-hydroxysteroid dehydrogenase, diaholase, catalase, glutathione reductase, titochrome b5 reductase, adrenoxin reductase, titochrome b5 reductase, adrenodoxine reductase, nitrate reductase, phosphate dehydrogenase, bilirubin oxidase, lacquer Examples thereof include, but are not limited to, polyamine oxidase, formate dehydrogenase, pyranose oxidase, pyranose dehydrogenase, and tauropine dehydrogenase. Moreover, it may be a combination of a plurality of enzymes. Examples of the coenzyme of the above enzyme include nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, flavin adenine dinucleotide (FAD), and pyrroloquinoline quinone. That is, examples of glucose dehydrogenase (GDH) include FAD-dependent GDH, NAD-dependent GDH, and PQQ-dependent GDH. The activities of the redox enzymes listed above can be measured using various substrates by, for example, the methods described in Methods in Enzymology (Volumes 1 to 602).
本明細書において、メディエータとして機能するとは、アミノアントラキノン系化合物が電子移動に与ることをいい、例えば電極を用いる系では、本発明のアミノアントラキノン系化合物は、酸化還元酵素から電子を受け取って還元型となり、電極に電子を渡して酸化型に戻る。このような観点から、メディエータとして機能する本発明のアミノアントラキノン系化合物のことを電子移動媒介剤、電子伝達促進剤、或いは電子メディエータ(単にメディエータともいう)と呼ぶこともできる。本明細書においてこれらの用語は同義とする。 In the present specification, the function as a mediator means that an aminoanthraquinone-based compound contributes to electron transfer. For example, in a system using an electrode, the aminoanthraquinone-based compound of the present invention receives an electron from an oxidoreductase and reduces it. It becomes a mold and passes electrons to the electrode to return to the oxidized mold. From this point of view, the aminoanthraquinone-based compound of the present invention that functions as a mediator can also be called an electron transfer mediator, an electron transfer promoter, or an electron mediator (also simply referred to as a mediator). These terms are synonymous herein.
ある実施形態において、本発明の電極から、酸処理した炭素粉末又は炭素粒子を有する電極は除かれる。 In certain embodiments, electrodes having acid-treated carbon powder or carbon particles are excluded from the electrodes of the present invention.
ある実施形態において、本発明の電極と共に用いられる酸化還元酵素は、当該電極に固定化されていてもよい。すなわち、この実施形態において本発明は、酸化還元酵素が固定化され、本発明の電極改変剤が吸着した電極を提供する。ある実施形態において本発明は、酸化還元酵素が固定化され、本発明の電極改変剤が吸着した電極を含む、酵素センサーを提供する。ある実施形態では、本発明の電極改変剤又は電子伝達促進剤を含むセンサーが提供される。 In certain embodiments, the redox enzyme used with the electrodes of the present invention may be immobilized on the electrodes. That is, in this embodiment, the present invention provides an electrode in which an oxidoreductase is immobilized and an electrode modifier of the present invention is adsorbed. In certain embodiments, the present invention provides an enzyme sensor comprising an electrode in which an oxidoreductase is immobilized and an electrode modifier of the present invention is adsorbed. In certain embodiments, a sensor comprising the electrode modifier or electron transfer promoter of the present invention is provided.
本発明のアミノアントラキノン系化合物又は該アミノアントラキノン系化合物を含む電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤は、特別な処理を必要とすることなく、電極表面に吸着することができる。したがってある実施形態では、改変された電極を作製するために、予め本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤を電極に吸着させてもよい。別の実施形態では、電気化学的測定を行う際に、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤、及び、酸化還元酵素を含む測定溶液(組成物)を使用することができる。この実施形態では、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤、及び、酸化還元酵素を含む組成物を電極に物理的に接触させると、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤が電極に吸着し、電気化学的特性が改変された電極が、測定時にその場で作製される。 The aminoanthraquinone-based compound of the present invention or an electrode modifier, an electrode adsorbent or an electron transfer promoter containing the aminoanthraquinone-based compound can be adsorbed on the electrode surface without requiring special treatment. Therefore, in a certain embodiment, the aminoanthraquinone-based compound of the present invention, the electrode modifying agent, the electrode adsorbent, or the electron transfer promoter may be adsorbed on the electrode in advance in order to prepare the modified electrode. In another embodiment, when performing an electrochemical measurement, a measurement solution (composition) containing the aminoanthraquinone compound of the present invention, an electrode modifier, an electrode adsorbent or an electron transfer promoter, and an oxidoreductase is used. Can be used. In this embodiment, the aminoanthraquinone of the present invention is obtained by physically contacting the electrode with a composition containing the aminoanthraquinone-based compound of the present invention, an electrode modifier, an electrode adsorbent or an electron transfer promoter, and an oxidative reduction enzyme. An electrode in which a system compound, an electrode modifier, an electrode adsorbent or an electron transfer promoter is adsorbed on the electrode and the electrochemical properties are modified is produced on the spot at the time of measurement.
ある実施形態では、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤を電極に吸着させるに当たり、電極を酸で前処理しない。別の実施形態では、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤を電極に吸着させるに当たり、電極を酸で前処理してもよい。なお、ここでいう酸での前処理とは、酸を含む電解質溶液を電極と接触させることを含むものとする。また、本明細書において酸とは、pH 4以下、例えばpH 4未満、pH 3以下、pH 3未満、pH 2以下、pH 2未満、pH 1の酸をいう。また、ある実施形態では、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤を、特定電位を印加することで酸化型もしくは還元型に変換した後に電極に吸着させても良い。なお、酸化型もしくは還元型に変換する手法として酸化剤や還元剤を用いても良く、特に手法は限定されない。また、ある実施形態では、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤を、高分子に包摂して、電極に吸着させてもよい。このような吸着を本明細書において包摂固定(embedded)又は包括固定(entrapped)ということがある。これは吸着固定、すなわち物理吸着による固定とは区別される。包摂固定又は包括固定では、本発明の化合物は高分子中で拡散することができるのに対して、吸着固定では本発明の化合物は拡散しない又はほとんど拡散しない。別の実施形態では、本発明の化合物、電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤を、イオン性ポリマー、例えばカチオン性ポリマーであるポリエチレンイミンやポリリジン、アニオン性ポリマーであるポリアニリン、ポリアクリル酸などを用いた静電的相互作用により電極に吸着させてもよい。別の実施形態では、本発明の化合物、電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤を、酵素に吸着もしくは架橋剤による固定を行い、酵素と共に電極に固定化させても良い。別の実施形態では、吸着させた本発明の化合物を酸化還元反応若しくは架橋剤によりポリマー化しても良い。ある実施形態では、本発明のアミノアントラキノン系化合物を電極に接する電解質槽または電解質溶液に含めてもよい。 In certain embodiments, the electrodes are not pretreated with an acid when the aminoanthraquinone compounds, electrode modifiers, electrode adsorbents or electron transfer promoters of the present invention are adsorbed on the electrodes. In another embodiment, the electrode may be pretreated with an acid in adsorbing the aminoanthraquinone compound, the electrode modifier, the electrode adsorbent or the electron transfer promoter of the present invention on the electrode. The pretreatment with an acid referred to here includes bringing an electrolyte solution containing an acid into contact with the electrode. Further, in the present specification, the acid means an acid having a pH of 4 or less, for example, pH 4 or less, pH 3 or less, pH 3 or less, pH 2 or less, pH 2 or less, and pH 1. Further, in a certain embodiment, the aminoanthraquinone compound, the electrode modifier, the electrode adsorbent or the electron transfer promoter of the present invention is converted into an oxidized form or a reduced form by applying a specific potential and then adsorbed on the electrode. Is also good. An oxidizing agent or a reducing agent may be used as a method for converting to the oxidized form or the reduced form, and the method is not particularly limited. Further, in a certain embodiment, the aminoanthraquinone compound of the present invention, an electrode modifier, an electrode adsorbent or an electron transfer promoter may be encapsulated in a polymer and adsorbed on the electrode. Such adsorption is referred to herein as embedded or entrapped. This is distinguished from adsorption fixation, that is, fixation by physical adsorption. In inclusion fixation or inclusion fixation, the compound of the present invention can be diffused in the polymer, whereas in adsorption fixation, the compound of the present invention does not diffuse or hardly diffuses. In another embodiment, the compounds of the present invention, electrode modifiers, electrode adsorbents or electron transfer promoters are used in ionic polymers such as cationic polymers such as polyethyleneimine and polylysine, and anionic polymers such as polyaniline and polyacrylic acid. It may be adsorbed on the electrode by electrostatic interaction using or the like. In another embodiment, the compound of the present invention, an electrode modifier, an electrode adsorbent or an electron transfer promoter may be adsorbed or immobilized on an enzyme with a cross-linking agent and immobilized on the electrode together with the enzyme. In another embodiment, the adsorbed compound of the present invention may be polymerized by a redox reaction or a cross-linking agent. In certain embodiments, the aminoanthraquinone compounds of the present invention may be included in an electrolyte tank or electrolyte solution in contact with the electrodes.
ある実施形態において、本発明のアミノアントラキノン系化合物は下記の一般式Iの化合物またはその塩、無水物若しくは溶媒和物でありうる:
ある実施形態において、本発明のアミノアントラキノン系化合物は1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノンでありうる。1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノンは、下記の構造
別の実施形態において、本発明のアミノアントラキノン系化合物は1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノンでありうる。1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノンは、下記の構造
別の実施形態において、本発明のアミノアントラキノン系化合物は2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノンでありうる。2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノンは、下記の構造
本明細書において用いるアルキルとは、直鎖または分枝鎖の、例えば6個の炭素原子を有する炭化水素を言う。アルキルの例としては、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、イソブチル、n-ブチル、tert-ブチル、イソペンチル、n-ペンチル、ヘプチルが挙げられるがこれに限らない。また、-C(=O)-C1-6アルキルの例としては、アセチル、プロピオニル、ブチリル、イソブチリル、バレリル、イソバレリル、ピバロイルが挙げられるがこれに限らない。 As used herein, alkyl refers to a straight-chain or branched-chain hydrocarbon having, for example, 6 carbon atoms. Examples of alkyl include, but are not limited to, methyl, ethyl, propyl, isopropyl, isobutyl, n-butyl, tert-butyl, isopentyl, n-pentyl and heptyl. Examples of -C (= O) -C 1-6 alkyl include, but are not limited to, acetyl, propionyl, butyryl, isobutyryl, valeryl, isovaleryl, and pivaloyl.
本明細書において用いる、(炭素原子など)の原子の数は、例えば「Cx-Cy アルキル」と表され、これはxからy個の炭素原子を有するアルキル基を言う。他の置換基および範囲についても同じような表記をする。 As used herein, the number of atoms (such as carbon atoms) is expressed, for example, as "Cx-Cy alkyl", which refers to an alkyl group having x to y carbon atoms. The same notation is used for other substituents and ranges.
本明細書において「場合により置換されてもよい」、「置換されたまたは置換されていない」とは、1以上の置換基での任意の置換を意味し、これには複数度の置換も含まれる。 As used herein, "optionally substituted" and "substituted or not substituted" mean any substitution with one or more substituents, including multiple substitutions. Is done.
本発明のアミノアントラキノン系化合物に酵素と共有結合させるための官能基を修飾してもよい。アミノアントラキノン系化合物と官能基の間にC1〜C20のアルキルやアミノ酸、ペプチド等をリンカーとして入れても良い。リンカーの間に適宜、ヒドロキシル基やアミノ基、アルケン等が含まれていてもよい。官能基として、例えば、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基、アルデヒド基、ヒドラジノ基、チオシアネート基、エポキシ基、ビニル基、ハロゲン基、酸エステル基、リン酸基、チオール基、ジスルフィド基、ジチオカルバメート基、ジチオホスフェート基、ジチオホスホネート基、チオエーテル基、チオ硫酸基、スクシンイミド基、マレイミド基及びチオ尿素基等が挙げられる。 The functional group for covalently bonding the aminoanthraquinone compound of the present invention with the enzyme may be modified. C1 to C20 alkyls, amino acids, peptides, etc. may be inserted as a linker between the aminoanthraquinone compound and the functional group. A hydroxyl group, an amino group, an alkene or the like may be appropriately contained between the linkers. As a functional group, for example, a hydroxyl group, a carboxyl group, an amino group, an aldehyde group, a hydradino group, a thiocyanate group, an epoxy group, a vinyl group, a halogen group, an acid ester group, a phosphoric acid group, a thiol group, a disulfide group and a dithiocarbamate group. , Dithiophosphate group, dithiophosphonate group, thioether group, thiosulfate group, succinimide group, maleimide group, thiourea group and the like.
アミノアントラキノン系化合物には、酸化還元状態及びイオン化状態があり得る。上記の化学式では、本発明のアミノアントラキノン系化合物を、中性型で還元型の形態で記載した。しかしながらこの形態のみならず、本発明のアミノアントラキノン系化合物は、酸化型、半酸化型、又は還元型であり得る。また、本発明のアミノアントラキノン系化合物は、中性型、又はカチオン型でありうる。便宜上、本発明のアミノアントラキノン系化合物、例えば上記化学式で表される本発明のアミノアントラキノン系化合物という場合、これは、中性型、又はカチオン型の、酸化型、半酸化型、又は還元型の形態のものを包含するものとする。例えば、測定系に、本発明のアミノアントラキノン系化合物として中性型で酸化型の化合物を添加した後、溶液のpHや電子授受によりそれが酸化型でカチオン型の化合物に変化することがあり得るが、そのような化合物も本発明のアミノアントラキノン系化合物に包含されるものとする。また本発明のアミノアントラキノン系化合物というとき、これはその塩、酸付加塩、無水物及び溶媒和物を包含するものとする。塩としては、第1族元素の塩や第17族元素の塩、例えばNa塩、K塩、Cl塩、Br塩等が挙げられるがこれに限らない。酸付加塩としては塩酸塩、硫酸塩、亜硫酸塩、硝酸塩が挙げられるがこれに限らない。 The aminoanthraquinone-based compound may have a redox state and an ionized state. In the above chemical formula, the aminoanthraquinone-based compound of the present invention is described in a neutral and reduced form. However, not only in this form, the aminoanthraquinone-based compound of the present invention can be in an oxidized form, a semi-oxidized form, or a reduced form. Further, the aminoanthraquinone-based compound of the present invention may be a neutral type or a cationic type. For convenience, when referring to the aminoanthraquinone-based compound of the present invention, for example, the aminoanthraquinone-based compound of the present invention represented by the above chemical formula, this is a neutral or cationic type, an oxidized type, a semi-oxidized type, or a reduced type. It shall include those in the form. For example, after adding a neutral and oxidized compound as the aminoanthraquinone compound of the present invention to the measurement system, it may be changed to an oxidized and cationic compound by the pH of the solution and electron transfer. However, such compounds are also included in the aminoanthraquinone compounds of the present invention. The aminoanthraquinone-based compound of the present invention includes its salts, acid addition salts, anhydrides and solvates. Examples of the salt include, but are not limited to, Group 1 element salts and Group 17 element salts, such as Na salt, K salt, Cl salt, and Br salt. Examples of the acid addition salt include, but are not limited to, hydrochlorides, sulfates, sulfites, and nitrates.
本発明のアミノアントラキノン系化合物は、人工合成してもよく、天然物を取得してもよい。また市販されているものであってもよい。合成する場合は、慣用の有機合成手法を用いて有機合成を行い、NMR、IR、質量分析等により生成物を確認することができる。本発明の実施は、特に明記しない限り、化学、有機合成、生化学、分子生物学、電気化学の従来技術を使用するが、それらは当業者の能力の範囲内である。このような技術は文献に説明されている。たとえば、Organic Chemistry (Jonathan Clayden (編集), Nick Greeves (著), Stuart Warren (著), Peter Wothers (著))、Oxford Univ Pr, 2000や、March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (Michael B. Smith (著), Jerry March (著))Wiley-Interscience, 6th edition, 2007を参照されたい。これらの一般的なテキストは、それぞれ参考として本明細書に組み入れられる。 The aminoanthraquinone-based compound of the present invention may be artificially synthesized or a natural product may be obtained. It may also be commercially available. In the case of synthesis, organic synthesis can be performed using a conventional organic synthesis method, and the product can be confirmed by NMR, IR, mass spectrometry, or the like. Unless otherwise specified, the practice of the present invention uses prior arts of chemistry, organic synthesis, biochemistry, molecular biology, and electrochemistry, which are within the ability of those skilled in the art. Such techniques are described in the literature. For example, Organic Chemistry (Jonathan Clayden (edit), Nick Greeves (author), Stuart Warren (author), Peter Wothers (author)), Oxford Univ Pr, 2000 and March's Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (Michael). See B. Smith (Author), Jerry March (Author)) Wiley-Interscience, 6th edition, 2007. Each of these general texts is incorporated herein by reference.
(酵素又は酸化還元酵素の固定化方法)
酵素又は酸化還元酵素は任意の公知の方法により固相に固定化されうる。酵素、例えば酸化還元酵素をビーズや膜、炭素粒子、金粒子、白金粒子、ポリマー、電極表面に固定化してもよい。固定化方法としては、架橋試薬を用いる方法、高分子マトリックス中に封入する方法、透析膜で被覆する方法、光架橋性ポリマー、導電性ポリマー、酸化還元ポリマーなどがあり、ポリマー中に固定あるいは電極上に吸着固定してもよく、またこれらを組み合わせて用いてもよい。典型的には、グルタルアルデヒドを用いて酸化還元酵素をカーボン電極上に固定化した後、アミン基を有する試薬で処理してグルタルアルデヒドをブロッキングする。固定化する酸化還元酵素の量は、電気化学的測定或いは燃料電池発電に必要な電流を生じうる量とすることができ、適宜決定しうる。
(Method of immobilizing enzyme or oxidoreductase)
The enzyme or oxidoreductase can be immobilized on the solid phase by any known method. Enzymes such as oxidoreductase may be immobilized on beads, membranes, carbon particles, gold particles, platinum particles, polymers, or electrode surfaces. Examples of the immobilization method include a method using a cross-linking reagent, a method of encapsulating in a polymer matrix, a method of coating with a dialysis membrane, a photocrosslinkable polymer, a conductive polymer, an oxidation-reduced polymer, and the like. It may be adsorbed and fixed on the top, or these may be used in combination. Typically, oxidoreductase is immobilized on a carbon electrode with glutaraldehyde and then treated with a reagent having an amine group to block glutaraldehyde. The amount of oxidoreductase to be immobilized can be an amount capable of generating a current required for electrochemical measurement or fuel cell power generation, and can be appropriately determined.
(本発明のアミノアントラキノン系化合物の吸着方法)
ある実施形態において、本発明のアミノアントラキノン系化合物は、溶液中に遊離した状態で存在していてもよく、また、ビーズや膜、炭素粒子、金粒子、白金粒子、ポリマー、電極表面に吸着、例えば物理的に吸着されていてもよい。本発明のアミノアントラキノン系化合物が電極表面に吸着していることを、電極表面に固定化されている、ということもあるが、本明細書においてこれらは同義とする。吸着方法としては、本発明のアミノアントラキノン系化合物を適当な媒体中に溶解させ、その溶液を電極と物理的に接触させる工程を含む方法が挙げられる。別の実施形態では、本発明のアミノアントラキノン系化合物を電極に噴霧してもよい。吸着させるアミノアントラキノン系化合物の量は、電気化学的測定或いは電池発電に必要な電流を生じうる量とすることができ、適宜決定しうる。
(Method for Adsorbing Amino Anthraquinone Compounds of the Present Invention)
In certain embodiments, the aminoanthraquinone compounds of the present invention may be present in a free state in a solution, and may be adsorbed on beads, membranes, carbon particles, gold particles, platinum particles, polymers, or electrode surfaces. For example, it may be physically adsorbed. The fact that the aminoanthraquinone-based compound of the present invention is adsorbed on the electrode surface may be immobilized on the electrode surface, but these are synonymous in the present specification. Examples of the adsorption method include a step of dissolving the aminoanthraquinone compound of the present invention in an appropriate medium and physically contacting the solution with the electrode. In another embodiment, the aminoanthraquinone compounds of the present invention may be sprayed onto the electrodes. The amount of the aminoanthraquinone-based compound to be adsorbed can be an amount capable of generating a current required for electrochemical measurement or battery power generation, and can be appropriately determined.
ある実施形態では、電極に本発明のアミノアントラキノン系化合物が吸着され、さらに酵素例えば酸化還元酵素が固定化されていてもよい。この場合、先に本発明のアミノアントラキノン系化合物を吸着させ次いで酵素例えば酸化還元酵素を固定化してもよく、又は先に酵素例えば酸化還元酵素を固定化させ次いで本発明のアミノアントラキノン系化合物を吸着してもよく、又は酵素例えば酸化還元酵素を固定化する操作においてアミノアントラキノン系化合物を同時に吸着させてもよい。 In certain embodiments, the aminoanthraquinone-based compound of the present invention may be adsorbed on the electrode, and an enzyme such as an oxidoreductase may be immobilized. In this case, the aminoanthraquinone-based compound of the present invention may be first adsorbed and then the enzyme such as oxidoreductase may be immobilized, or the enzyme such as oxidoreductase may be immobilized first and then the aminoanthraquinone-based compound of the present invention may be adsorbed. Alternatively, the aminoanthraquinone-based compound may be adsorbed at the same time in the operation of immobilizing the enzyme, for example, the oxidoreductase.
試料溶液に添加する本発明のアミノアントラキノン系化合物の終濃度は特に限定されず、例えば、1pM以上、2pM以上、3pM以上、4pM以上、5pM以上、6pM以上、7pM以上、8pM以上、9pM以上、10pM以上、1M以下、100mM以下、20mM以下、10mM以下、5mM以下、1mM以下、800μM以下、600μM以下、500μM以下、400μM以下、300μM以下、200μM以下、100μM以下、50μM以下、例えば1pM〜1M、1pM〜100mM、1pM〜20mM、1pM〜10mM、1pM〜5mM、2pM〜1mM、3pM〜800μM、4pM〜600μM、5pM〜500μM、6pM〜400μM、7pM〜300μM、8pM〜200μM、9pM〜100μM、10pM〜50μMの範囲であり得る。試料溶液に添加する本発明のアミノアントラキノン系化合物の終濃度は特に限定されず、例えば0.000001〜0.5%(w/v)、0.000003〜0.3%(w/v)、0.000005〜0.1%(w/v)、0.00001〜0.05%(w/v)、0.00002〜0.03%(w/v)、0.00003〜0.01%(w/v)であり得る。なお、アミノアントラキノン系化合物と他の試薬との添加順序は制限されず、同時でも逐次添加でもよい。 The final concentration of the aminoanthraquinone compound of the present invention added to the sample solution is not particularly limited, and for example, 1 pM or more, 2 pM or more, 3 pM or more, 4 pM or more, 5 pM or more, 6 pM or more, 7 pM or more, 8 pM or more, 9 pM or more, 10pM or more, 1M or less, 100mM or less, 20mM or less, 10mM or less, 5mM or less, 1mM or less, 800μM or less, 600μM or less, 500μM or less, 400μM or less, 300μM or less, 200μM or less, 100μM or less, 50μM or less, for example, 1pM to 1M, 1pM to 100 mM, 1 pM to 20 mM, 1 pM to 10 mM, 1 pM to 5 mM, 2 pM to 1 mM, 3 pM to 800 μM, 4 pM to 600 μM, 5 pM to 500 μM, 6 pM to 400 μM, 7 pM to 300 μM, 8 pM to 200 μM, 9 pM to 100 μM, 9 pM to 100 μM It can be in the range of 50 μM. The final concentration of the aminoanthraquinone compound of the present invention added to the sample solution is not particularly limited, and is, for example, 0.000001 to 0.5% (w / v), 0.000003 to 0.3% (w / v), 0.000005 to 0.1% (w / v). ), 0.00001 to 0.05% (w / v), 0.00002 to 0.03% (w / v), 0.00003 to 0.01% (w / v). The order of addition of the aminoanthraquinone compound and other reagents is not limited, and they may be added simultaneously or sequentially.
ある実施形態において酸化還元反応を行う時間又は電気化学的測定を行う時間は、60分以下、30分以下、10分以下、5分以下、又は1分以下とすることができる。または、長期間測定する酵素センサーや電池等においては、酸化還元反応を行う時間は、60分以上、120分以上、1日以上、2日以上、3日以上、1週間以上、2週間以上、3週間以上とすることができる。例えばアミノアントラキノン系化合物を酸化還元酵素と共に使用する場合、試料に含まれる又は試料中に生成すると推定されるメディエータの濃度範囲に対応して、電気化学的測定用試薬の各成分の濃度を調節することができる。 In certain embodiments, the time for redox reaction or electrochemical measurement can be 60 minutes or less, 30 minutes or less, 10 minutes or less, 5 minutes or less, or 1 minute or less. Alternatively, in enzyme sensors and batteries that measure for a long period of time, the time for redox reaction is 60 minutes or more, 120 minutes or more, 1 day or more, 2 days or more, 3 days or more, 1 week or more, 2 weeks or more, It can be 3 weeks or more. For example, when an aminoanthraquinone compound is used with an oxidoreductase, the concentration of each component of the electrochemical measurement reagent is adjusted according to the concentration range of the mediator contained in the sample or estimated to be produced in the sample. be able to.
特に断らない限り、本発明の組成物に含まれる酵素或いは本発明の電極に固定化された酵素は、精製された酵素である。酵素を含む細胞抽出物や細胞破砕液、粗酵素抽出液は、酵素以外にも様々な夾雑物質を含む。例えば微生物では粗酵素抽出液中のリボフラビン量は約53〜133μMとの報告がある(J Indust Micro Biotech 1999, 22, pp. 8-18)。このような粗酵素抽出液等は、そのまま電気化学的測定に供すると、夾雑物質が電子を受け取るなどして電極への電子の授受が妨害されるため、粗酵素抽出液において、このリボフラビン濃度では正確な電気化学的測定は困難である。そこで本発明の電気化学的測定法では、夾雑物質が除去された酵素を使用することができる。本明細書において酵素が精製されている、又は精製酵素である、とは、必ずしもタンパク質が純品である必要はなく、電気化学的測定が可能な程度に酵素標品から夾雑物質が除去されていることをいう。 Unless otherwise specified, the enzyme contained in the composition of the present invention or the enzyme immobilized on the electrode of the present invention is a purified enzyme. Cell extracts containing enzymes, cell crushed solutions, and crude enzyme extracts contain various contaminants in addition to enzymes. For example, in microorganisms, the amount of riboflavin in crude enzyme extract has been reported to be about 53 to 133 μM (J Indust Micro Biotech 1999, 22, pp. 8-18). If such a crude enzyme extract or the like is subjected to an electrochemical measurement as it is, the contaminating substances receive electrons and the transfer of electrons to the electrode is hindered. Accurate electrochemical measurements are difficult. Therefore, in the electrochemical measurement method of the present invention, an enzyme from which contaminants have been removed can be used. As used herein, the term "purified enzyme" or "purified enzyme" means that the protein does not necessarily have to be a pure product, and contaminants have been removed from the enzyme preparation to the extent that it can be measured electrochemically. It means that you are.
(酸化還元酵素の活性測定)
酸化還元酵素の活性測定を説明するに当たり、具体的な酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)とペルオキシダーゼを例とする。GDH(EC 1.1.5.9)は、グルコースの水酸基を酸化してグルコノ−δ−ラクトンを生成する反応を触媒する。このとき電子受容体が電子を受け取り、還元型電子受容体になる。GDHの活性は、この作用原理を利用し、例えば、電子受容体としてフェナジンメトサルフェート(PMS)及び2,6-ジクロロインドフェノール(DCIP)を用いた以下の測定系を用いて測定することができる。
(反応1) D-グルコ−ス + PMS(酸化型)
→ D-グルコノ-δ-ラクトン + PMS(還元型)
(反応2) PMS(還元型) + DCIP(酸化型)
→ PMS(酸化型) + DCIP(還元型)
(Measurement of redox enzyme activity)
In explaining the measurement of the activity of oxidoreductase, glucose dehydrogenase (GDH) and peroxidase will be taken as specific examples. GDH (EC 1.1.5.9) catalyzes the reaction of oxidizing the hydroxyl groups of glucose to produce glucono-δ-lactone. At this time, the electron acceptor receives an electron and becomes a reduced electron acceptor. Using this principle of action, the activity of GDH can be measured using, for example, the following measurement system using phenazinemethsulfate (PMS) and 2,6-dichloroindophenol (DCIP) as electron acceptors. ..
(Reaction 1) D-glucose + PMS (oxidized type)
→ D-glucono-δ-lactone + PMS (reduced form)
(Reaction 2) PMS (reduced type) + DCIP (oxidized type)
→ PMS (oxidized type) + DCIP (reduced type)
具体的には、まず、(反応1)において、D-グルコースの酸化に伴い、PMS(還元型)が生成する。続いて進行する(反応2)により、PMS(還元型)が酸化されるのに伴ってDCIPが還元される。この「DCIP(酸化型)」の消失度合を波長600nmにおける吸光度の変化量として検知し、この変化量に基づいて酵素活性を求めることができる。 Specifically, first, in (Reaction 1), PMS (reduced form) is produced with the oxidation of D-glucose. As the PMS (reduced form) is oxidized by the subsequent progress (reaction 2), DCIP is reduced. The degree of disappearance of this "DCIP (oxidized type)" can be detected as the amount of change in absorbance at a wavelength of 600 nm, and the enzyme activity can be determined based on this amount of change.
GDHの活性は、以下の手順に従って測定することができる。100mM リン酸緩衝液(pH7.0) 2.05mL、1M D-グルコース溶液 0.6mLおよび2mM DCIP溶液 0.15mLを混合し、37℃で5分間保温する。次いで、15mM PMS溶液 0.1mL及び酵素サンプル溶液0.1mLを添加し、反応を開始する。反応開始時、および、経時的な吸光度を測定し、酵素反応の進行に伴う600nmにおける吸光度の1分間あたりの減少量(ΔA600)を求め、次式に従いGDH活性を算出する。この際、GDH活性は、37℃において濃度200mMのD-グルコース存在下で1分間に1μmolのDCIPを還元する酵素量を1Uと定義する。 GDH activity can be measured according to the following procedure. Mix 2.05 mL of 100 mM phosphate buffer (pH 7.0), 0.6 mL of 1M D-glucose solution and 0.15 mL of 2 mM DCIP solution and incubate at 37 ° C for 5 minutes. Then 0.1 mL of 15 mM PMS solution and 0.1 mL of enzyme sample solution are added to initiate the reaction. The absorbance at the start of the reaction and over time is measured, the amount of decrease in absorbance at 600 nm per minute (ΔA600) with the progress of the enzymatic reaction is determined, and the GDH activity is calculated according to the following formula. At this time, GDH activity defines 1 U as the amount of enzyme that reduces 1 μmol of DCIP per minute in the presence of D-glucose at a concentration of 200 mM at 37 ° C.
なお、式中の3.0は反応試薬+酵素試薬の液量(mL)、16.3は本活性測定条件におけるミリモル分子吸光係数(cm2/μmol)、0.1は酵素溶液の液量(mL)、1.0はセルの光路長(cm)、ΔA600blankは100mM リン酸緩衝液(pH7.0)を酵素サンプル溶液の代わりに添加して反応開始した場合の600nmにおける吸光度の1分間あたりの減少量、dfは希釈倍数を表す。 In the formula, 3.0 is the liquid volume of reaction reagent + enzyme reagent (mL), 16.3 is the absorbance of the mmol molecule (cm 2 / μmol) under the present activity measurement conditions, 0.1 is the liquid volume of the enzyme solution (mL), and 1.0 is the liquid volume of the enzyme solution. Cell optical path length (cm), ΔA 600 blank is the amount of decrease in absorbance at 600 nm per minute when the reaction is started by adding 100 mM phosphate buffer (pH 7.0) instead of the enzyme sample solution, and df is dilution. Represents a multiple.
ペルオキシダーゼ(EC 1.11.1.7)は、化合物のペルオキシド構造を切断する反応を触媒する。このとき電子供与体から電子が引き抜かれ、酸化型電子供与体に変換される。ペルオキシダーゼの活性は、この原理を利用し、例えばペルオキシド構造を有する化合物として過酸化水素、電子供与体としてピロガロールを用いた以下の測定系を用いて測定することができる。
2ピロガロール + 3H2O2
→プルプロガリン + 5H2O + CO2
生成したプルプロガリンをエーテル抽出し、420nmの吸光度を測定することで、酵素活性を求めることができる。
Peroxidase (EC 1.11.1.7) catalyzes a reaction that cleaves the peroxide structure of a compound. At this time, electrons are extracted from the electron donor and converted into an oxidized electron donor. Using this principle, the activity of peroxidase can be measured using, for example, the following measurement system using hydrogen peroxide as a compound having a peroxide structure and pyrogallol as an electron donor.
2 Pyrogallol + 3H 2 O 2
→ Purpurogallin + 5H 2 O + CO 2
The enzyme activity can be determined by extracting the produced purpurogallin with ether and measuring the absorbance at 420 nm.
ペルオキシダーゼの酵素活性は、以下の手順に従って測定することができる。蒸留水14.0ml、用時調製した5%(w/v)ピロガロール水溶液2.0ml、用時調製した0.147Mの過酸化水素水溶液1.0ml、0.1Mリン酸緩衝液(pH6.0)2.0mlを混合し、20℃で約5分間予備加温する。これを反応混液1とする。続いて、あらかじめ氷冷した0.1Mリン酸緩衝液(pH6.0)で溶解した酵素溶液1.0mlを添加し、反応を開始する。20 ℃で正確に20秒間反応させた後、2.0Nの硫酸を1.0ml添加し反応を停止させる。反応停止後の混液から生成したプルプロガリンをエーテル15mlで抽出する。この操作を5回繰り返し、抽出液を合わせ、更にエーテルを加えて全量を100mlにする。この液につき 420nmにおける吸光度を測定する(この値をOD testとする)。
The enzymatic activity of peroxidase can be measured according to the following procedure. Mix 14.0 ml of distilled water, 2.0 ml of 5% (w / v) pyrogallol aqueous solution prepared at the time, 1.0 ml of 0.147 M aqueous hydrogen peroxide solution prepared at the time of use, and 2.0 ml of 0.1 M phosphate buffer (pH 6.0). Then preheat at 20 ° C for about 5 minutes. This is designated as the reaction mixture 1. Subsequently, 1.0 ml of an enzyme solution dissolved in 0.1 M phosphate buffer (pH 6.0) previously ice-cooled is added, and the reaction is started. After reacting at 20 ° C for exactly 20 seconds, add 1.0 ml of 2.0 N sulfuric acid to stop the reaction. Extract purpurogallin produced from the mixed solution after the reaction is stopped with 15 ml of ether. Repeat this operation 5 times, combine the extracts, and add ether to make the
盲検は反応混液1を20℃で20秒間放置後、 2.0N硫酸1.0MLを加えて混和し、次いで酵素溶液1.0MLを加えて調製する。この液につき上記同様にエーテル抽出を行って吸光度を測定する(この値をOD BLANKとする)。 For blinding, the reaction mixture 1 is left at 20 ° C. for 20 seconds, then 1.0 ML of 2.0 N sulfuric acid is added and mixed, and then 1.0 ML of the enzyme solution is added to prepare the reaction mixture. Ether extraction is performed on this solution in the same manner as above, and the absorbance is measured (this value is referred to as OD BLANK).
OD testとOD blank、および酵素溶液の希釈倍率(df)から、下式に基づいてペルオキシダーゼ活性を算出する。上記条件下で、20秒間に1.0mgのプルプロガリンを生成する酵素量を1Uと定義する。なお、下式において0.117は、1mg% プルプロガリンエーテル溶液の420nmにおける吸光度を意味する。
本発明の電気化学的測定用キットは、少なくとも1回のアッセイに十分な量の本発明のアミノアントラキノン系化合物又は該アミノアントラキノン系化合物を含む電極改変剤を含む。典型的には、本発明の電気化学的測定用キットは、本発明のアミノアントラキノン系化合物に加えて、酸化還元酵素、アッセイに必要な緩衝液、キャリブレーションカーブ作製のための基質標準溶液、ならびに指針を含む。例えば酸化還元酵素はGDHであってもよく、この場合、基質標準溶液はグルコース標準溶液であり得る。 The electrochemical measurement kit of the present invention contains an aminoanthraquinone-based compound of the present invention or an electrode modifier containing the aminoanthraquinone-based compound in an amount sufficient for at least one assay. Typically, the electrochemical measurement kits of the invention, in addition to the aminoanthraquinone compounds of the invention, are oxidoreductases, buffers required for the assay, substrate standard solutions for making calibration curves, and Includes guidelines. For example, the oxidoreductase may be GDH, in which case the substrate standard solution can be a glucose standard solution.
ある実施形態において、本発明の電気化学的測定用キットは、本発明のアミノアントラキノン系化合物と酸化還元酵素とを同一試薬として含む。別の実施形態において、本発明の電気化学的測定用キットは、アミノアントラキノン系化合物と酸化還元酵素とを別々の試薬として含む。別の実施形態では、酸化還元酵素は電極に固定化されていてもよく、そのような電極に対して用いる本発明の電気化学的測定用キットはアミノアントラキノン系化合物を単一試薬として含む。ただしここでいう単一試薬とは、当該試薬がアミノアントラキノン系化合物以外の物質を含まないことを意味するものではない。本発明のアミノアントラキノン系化合物が単一試薬中で溶解するよう、該単一試薬は、適当な媒体を含み得る。媒体は本発明のアミノアントラキノン系化合物が溶解するものであればどのようなものでもよく、水、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、アセトニトリルなどが挙げられるがこれに限らない。本発明のアミノアントラキノン系化合物は種々の形態で、例えば、粉末固体状の試薬として、ビーズや電極表面に固定化された試薬として、または適切な保存溶液中の溶液、例えば遮光されている溶液として提供することができる。 In certain embodiments, the electrochemical measurement kit of the present invention comprises the aminoanthraquinone compound of the present invention and an oxidoreductase as the same reagent. In another embodiment, the electrochemical measurement kit of the present invention contains an aminoanthraquinone compound and an oxidoreductase as separate reagents. In another embodiment, the oxidoreductase may be immobilized on an electrode, and the electrochemical measurement kit of the present invention used for such an electrode contains an aminoanthraquinone-based compound as a single reagent. However, the term "single reagent" as used herein does not mean that the reagent does not contain a substance other than an aminoanthraquinone compound. The single reagent may include a suitable medium such that the aminoanthraquinone compounds of the present invention dissolve in the single reagent. The medium may be any medium as long as it dissolves the aminoanthraquinone compound of the present invention, and examples thereof include, but are not limited to, water, methanol, ethanol, propanol, acetone, and acetonitrile. The aminoanthraquinone compounds of the present invention can be used in various forms, for example, as a powder solid reagent, as a reagent immobilized on a bead or an electrode surface, or as a solution in a suitable storage solution, for example, as a light-shielded solution. Can be provided.
電気化学的測定の一例としてグルコース濃度の測定が挙げられる。グルコース濃度の測定は、比色式電気化学的測定用の場合は、例えば、以下のように行うことができる。電気化学的測定用の反応層にはグルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、そして反応促進剤としてN-(2-アセトアミド)イミド2酢酸(ADA)、ビス(2-ヒドロキシエチル)イミノトリス(ヒドロキシメチル)メタン(Bis-Tris)、炭酸ナトリウムおよびイミダゾールからなる群より選ばれる1以上の物質を含む液状もしくは固体状の組成物を保持させておく。ここで、必要に応じてpH緩衝剤、発色試薬(変色試薬)を添加する。ここにグルコースを含む試料を加え、一定時間反応させる。この間、GDHより電子を直接受け取ることによって重合し生成する色素もしくは還元された色素の最大吸収波長に相当する吸光度をモニタリングする。レート法であれば、吸光度の時間あたりの変化率から、エンドポイント法であれば、試料中のグルコースがすべて酸化された時点までの吸光度変化から、予め標準濃度のグルコース溶液を用いて作製したキャリブレーションカーブを元にして、試料中のグルコース濃度を算出することができる。 One example of an electrochemical measurement is the measurement of glucose concentration. In the case of colorimetric electrochemical measurement, the glucose concentration can be measured, for example, as follows. Glucose dehydrogenase (GDH) is used for the reaction layer for electrochemical measurement, and N- (2-acetamide) imide diacetic acid (ADA) and bis (2-hydroxyethyl) iminotris (hydroxymethyl) methane (Bis) are used as reaction promoters. A liquid or solid composition containing one or more substances selected from the group consisting of -Tris), sodium carbonate and imidazole is retained. Here, a pH buffer and a color-developing reagent (color-changing reagent) are added as needed. A sample containing glucose is added thereto, and the mixture is reacted for a certain period of time. During this period, the absorbance corresponding to the maximum absorption wavelength of the dye produced by polymerization or reduced dye by directly receiving electrons from GDH is monitored. Calibration prepared in advance using a glucose solution of standard concentration from the rate of change in absorbance per hour for the rate method and the change in absorbance up to the point when all glucose in the sample was oxidized for the endpoint method. The glucose concentration in the sample can be calculated based on the ion curve.
この方法において使用できる発色試薬(変色試薬)としては、例えば2,6-ジクロロインドフェノール(DCIP)を電子受容体として添加し、600nmにおける吸光度の減少をモニタリングすることでグルコースの定量が可能である。また、発色試薬としてニトロテトラゾリウムブルー(NTB)を加え、570nm吸光度を測定することにより生成するジホルマザンの量を決定し、グルコース濃度を算出することが可能である。なお、いうまでもなく、使用する発色試薬(変色試薬)はこれらに限定されない。 As a color-developing reagent (color-changing reagent) that can be used in this method, for example, 2,6-dichloroindophenol (DCIP) can be added as an electron acceptor, and glucose can be quantified by monitoring the decrease in absorbance at 600 nm. .. Further, it is possible to determine the amount of diformazan produced by adding nitrotetrazolium blue (NTB) as a color-developing reagent and measuring the absorbance at 570 nm, and to calculate the glucose concentration. Needless to say, the color-developing reagent (color-changing reagent) used is not limited to these.
ある実施形態において、本発明の化合物が電極に吸着する性質を利用して、本発明の化合物を検出できるセンサーを作製することができる。本発明の化合物、例えば1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノン、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン、又は2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノンを含む溶液中に電極、例えば炭素電極を挿し、該溶液中、もしくは一定時間経過後に別の測定溶液中に挿し変え、電気化学的測定、例えばCV或いはクロノアンペロメトリーにより本発明の化合物の量を定量的若しくは定性的に検出することが出来る。 In a certain embodiment, the property that the compound of the present invention is adsorbed on the electrode can be utilized to prepare a sensor capable of detecting the compound of the present invention. An electrode, for example, a carbon electrode, is inserted into a solution containing the compound of the present invention, for example, 1-acetamide-4-hydroxyanthraquinone, 1-amino-4-hydroxyanthraquinone, or 2-amino-3-hydroxyanthraquinone. Alternatively, the amount of the compound of the present invention can be quantitatively or qualitatively detected by electrochemical measurement, for example, CV or chronoamperometry, by inserting the compound into another measurement solution after a lapse of a certain period of time.
(酵素センサー)
ある実施形態において本発明は、酸化還元酵素が固定化され、本発明の電極改変剤が吸着した電極を含む、酵素センサーを提供する。酵素センサーの電極としては、例えばカーボン電極、金電極、白金電極などが挙げられ、この電極上に酸化還元酵素を塗布または固定化することができる。さらに、導電性材料としてCo、Pd、Rh、Ir、Ru、Os、Re、Ni、Cr、Fe、Mo、Ti、Al、Cu、V、Nb、Zr、Sn、In、Ga、Mg、Pb、Au、Pt、Agのうち少なくとも一種類の元素を含む金属微粒子が含まれていてもよく、これらは、合金であっても、めっきを施したものであってよい。カーボンとして、カーボンナノチューブやカーボンブラック、グラファイト、フラーレン、及びその誘導体等も含まれる。酸化還元酵素の固定化方法としては、上記の「酵素又は酸化還元酵素の固定化方法」の段落を参照のこと。
(Enzyme sensor)
In certain embodiments, the present invention provides an enzyme sensor comprising an electrode in which an oxidoreductase is immobilized and an electrode modifier of the present invention is adsorbed. Examples of the electrode of the enzyme sensor include a carbon electrode, a gold electrode, a platinum electrode, and the like, and an oxidoreductase can be applied or immobilized on the electrode. Furthermore, as conductive materials, Co, Pd, Rh, Ir, Ru, Os, Re, Ni, Cr, Fe, Mo, Ti, Al, Cu, V, Nb, Zr, Sn, In, Ga, Mg, Pb, Metal fine particles containing at least one element of Au, Pt, and Ag may be contained, and these may be alloys or plated. Examples of carbon include carbon nanotubes, carbon black, graphite, fullerenes, and derivatives thereof. For the method of immobilizing the oxidoreductase, refer to the paragraph "Immersion of enzyme or oxidoreductase" above.
ある実施形態において、本発明の酵素センサーの一例としてグルコースセンサーが挙げられる。このグルコースセンサーは、電極に吸着された本発明のアミノアントラキノン系化合物及び電極に固定化されたGDH又はグルコースオキシダーゼ(GOD)を有しうる。該グルコースセンサーは持続血糖測定や連続グルコースモニタリングに使用可能である。 In certain embodiments, an example of the enzyme sensor of the present invention is a glucose sensor. The glucose sensor may have the aminoanthraquinone compound of the invention adsorbed on the electrode and GDH or glucose oxidase (GOD) immobilized on the electrode. The glucose sensor can be used for continuous blood glucose measurement and continuous glucose monitoring.
本発明の電極、酵素センサー、及び電気化学的測定用組成物は、ポテンショスタットやガルバノスタットなどを用いることにより、種々の電気化学的な測定手法に用いることができる。電気化学的測定法としては、アンペロメトリー、例えばクロノアンペロメトリー、ポテンシャルステップ・クロノアンペロメトリー、ボルタンメトリー、例えばサイクリックボルタンメトリー、微分パルスボルタンメトリー、ポテンショメトリー、クーロメトリーなどの様々な手法が挙げられる。例えば測定対象基質がグルコースであれば、アンペロメトリー法により、グルコースが還元される際の電流を測定することで、試料中のグルコース濃度を算出することができる。印加電圧は条件や装置の設定にもよるが、例えば-1000mV〜+1000mV(vs. Ag/AgCl)などとすることができる。 The electrode, enzyme sensor, and composition for electrochemical measurement of the present invention can be used for various electrochemical measurement methods by using a potentiostat, galvanostat, or the like. Electrochemical measurement methods include various methods such as amperometry, such as chronoamperometry, potential step chronoamperometry, voltammetry, such as cyclic voltammetry, differential pulse voltammetry, potentialometry, and coulometry. For example, when the substrate to be measured is glucose, the glucose concentration in the sample can be calculated by measuring the current when glucose is reduced by the amperometry method. The applied voltage can be, for example, -1000 mV to +1000 mV (vs. Ag / AgCl), although it depends on the conditions and the setting of the device.
なお、試験化合物が電極に吸着するか否かは、サイクリックボルタンメトリーにより確認することができる。掃引速度を変化させ、例えば4mV/secから200mV/secの範囲で変化させ、酸化電流の最大値(IOmax)がどのように変化するか調べる。一般的に、メディエータが電極に吸着している場合、サイクリックボルタンメトリーの掃引速度とIOmaxの値は比例関係になることが知られている。メディエータが拡散している場合は、掃引速度の0.5乗にIOmaxが比例する。IOmaxと、掃引速度の関係から、化合物が吸着しているか、拡散しているかを決定する。 Whether or not the test compound is adsorbed on the electrode can be confirmed by cyclic voltammetry. Change the sweep rate, for example, in the range of 4 mV / sec to 200 mV / sec, and investigate how the maximum value of oxidation current (I Omax ) changes. It is generally known that when the mediator is adsorbed on the electrode, the sweep rate of cyclic voltammetry and the value of I Omax are in a proportional relationship. If the mediator is diffused, I Omax is proportional to the sweep rate to the 0.5th power. From the relationship between I Omax and the sweep rate, it is determined whether the compound is adsorbed or diffused.
電気化学的測定の一例としてグルコースの電気化学的測定が挙げられる。ある実施形態において、本発明は、グルコースを含みうる試料と、アミノアントラキノン系化合物と、精製されたグルコースオキシダーゼ又は精製されたグルコースデヒドロゲナーゼとを接触させる工程及び電流を測定する工程を含む、グルコースの電気化学的測定方法を提供する。該アミノアントラキノン系化合物は溶液中に存在するか又は電極に吸着されていてもよく、酵素は電極に固定化されていてもよい。 An example of an electrochemical measurement is the electrochemical measurement of glucose. In certain embodiments, the present invention comprises contacting a sample that may contain glucose with an aminoanthraquinone compound with purified glucose oxidase or purified glucose dehydrogenase, and measuring current. Provided is a chemical measurement method. The aminoanthraquinone-based compound may be present in the solution or adsorbed on the electrode, and the enzyme may be immobilized on the electrode.
例えばグルコース濃度の電気化学的測定は、以下のようにして行うことができる。恒温セルに緩衝液を入れ、一定温度に維持する。作用電極としてGDH又はGODを固定化した電極を用い、対極(例えば白金電極)および参照電極(例えばAg/AgCl電極やAg/Ag+電極)を用いる。反応液に本発明のアミノアントラキノン系化合物を添加する。カーボン電極に一定の電圧を印加して、電流が定常になった後、グルコースを含む試料を加えて電流の増加を測定する。標準濃度のグルコース溶液により作製したキャリブレーションカーブに従い、試料中のグルコース濃度を計算することができる。印加する電位は、例えば+800mV以下、+700mV以下、+600mV以下、+500mV以下、+400mV以下、+300mV以下、+200mV以下、+100mV以下、+50mV以下とすることができ、-200mV以上、-100mV以上、-50mV以上、例えば0mV以上、とすることができ、例えば+800mV〜-200mV、+800mV〜-100mV、+800mV〜-50mV、+600mV〜0mV、+500mV〜0mV、+400mV〜0mV、+300mV〜0mV、+200mV〜0mVとすることができる(いずれも銀塩化銀参照電極に対し)。グルコースが含まれる測定溶液のpHはpH3〜10の範囲内であり得る。例えば、pH5、pH6、pH7、pH8、pH9、pH10であり、溶液中に緩衝剤として、グリシン、酢酸、クエン酸、リン酸、炭酸、グッド緩衝剤等が含まれていてもよい。GDHやGOD以外の酵素、及びグルコース以外の基質を用いる場合でも適宜、pHを変えて測定することができる。 For example, the electrochemical measurement of glucose concentration can be performed as follows. A buffer solution is placed in a constant temperature cell and maintained at a constant temperature. A GDH or GOD-immobilized electrode is used as the working electrode, and a counter electrode (for example, a platinum electrode) and a reference electrode (for example, an Ag / AgCl electrode or an Ag / Ag + electrode) are used. The aminoanthraquinone compound of the present invention is added to the reaction solution. A constant voltage is applied to the carbon electrode, and after the current becomes steady, a sample containing glucose is added and the increase in current is measured. The glucose concentration in the sample can be calculated according to the calibration curve prepared with the glucose solution of the standard concentration. The applied potential can be, for example, +800 mV or less, + 700 mV or less, + 600 mV or less, + 500 mV or less, + 400 mV or less, + 300 mV or less, + 200 mV or less, + 100 mV or less, + 50 mV or less, and -200 mV or more. , -100 mV or more, -50 mV or more, for example 0 mV or more, for example + 800 mV to -200 mV, + 800 mV to -100 mV, + 800 mV to -50 mV, + 600 mV to 0 mV, + 500 mV to 0 mV, + 400 mV. It can be ~ 0 mV, +300 mV ~ 0 mV, +200 mV ~ 0 mV (all with respect to the silver chloride reference electrode). The pH of the measurement solution containing glucose can be in the pH range of 3-10. For example, the values are pH5, pH6, pH7, pH8, pH9, and pH10, and the solution may contain glycine, acetic acid, citric acid, phosphoric acid, carbonic acid, a good buffer, and the like as buffers. Even when an enzyme other than GDH or GOD and a substrate other than glucose are used, the pH can be appropriately changed for measurement.
具体的な例としては、グラッシーカーボン(GC)電極に予めアミノアントラキノン系化合物、例えば1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノン、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン、又は2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノンを固定化し、続いて0.2U〜150U、例えば0.5U〜100UのGDH又はGODを固定化し、グルコース濃度に対する応答電流値を測定する。電解セル中に、100mM リン酸カリウム緩衝液(pH6.0)10.0mlを添加する。GC電極をポテンショスタットBAS100B/W(BAS製)に接続し、37℃で溶液を撹拌し、銀塩化銀参照電極に対して+600mVを印加する。これらの系に1M D-グルコース溶液を終濃度が5、10、20、30、40、50mMになるよう添加し、添加ごとに定常状態の電流値を測定する。この電流値を既知のグルコース濃度(5、10、20、30、40、50mM)に対してプロットし、検量線を作成する。これよりGDH又はGOD酵素固定化電極でグルコースの定量が可能となる。 As a specific example, an aminoanthraquinone compound such as 1-acetamide-4-hydroxyanthraquinone, 1-amino-4-hydroxyanthraquinone, or 2-amino-3-hydroxyanthraquinone is previously immobilized on a glassy carbon (GC) electrode. Then, 0.2U to 150U, for example 0.5U to 100U of GDH or GOD is immobilized, and the response current value with respect to the glucose concentration is measured. Add 10.0 ml of 100 mM potassium phosphate buffer (pH 6.0) into the electrolytic cell. Connect the GC electrode to the potentiostat BAS100B / W (manufactured by BAS), stir the solution at 37 ° C. and apply + 600 mV to the silver chloride reference electrode. Add 1M D-glucose solution to these systems to a final concentration of 5, 10, 20, 30, 40, 50 mM, and measure the steady-state current value for each addition. This current value is plotted against a known glucose concentration (5, 10, 20, 30, 40, 50 mM) to create a calibration curve. This makes it possible to quantify glucose with a GDH or GOD enzyme-immobilized electrode.
電気化学測定のもう一つの例として、過酸化水素の電気化学的測定を挙げることができる。ある実施形態において、本発明は、過酸化水素を含みうる試料と、アミノアントラキノン系化合物と、精製されたペルオキシダーゼを接触させる工程及び電流を測定する工程を含む、過酸化水素の電気化学的測定方法を提供する。該アミノアントラキノン系化合物は溶液中に存在するか又は電極に吸着されていてもよく、酵素は電極に固定化されていてもよい。 Another example of electrochemical measurement is the electrochemical measurement of hydrogen peroxide. In certain embodiments, the present invention comprises a step of contacting a sample that may contain hydrogen peroxide with an aminoanthraquinone compound and a purified peroxidase, and a step of measuring an electric current. I will provide a. The aminoanthraquinone-based compound may be present in the solution or adsorbed on the electrode, and the enzyme may be immobilized on the electrode.
例えば過酸化水素濃度の電気化学的測定は、以下のようにして行うことができる。恒温セルに緩衝液を入れ、一定温度に維持する。作用電極としてペルオキシダーゼを固定化した電極を用い、対極(例えば白金電極)および参照電極(例えばAg/AgCl電極やAg/Ag+電極)を用いる。反応液に本発明のアミノアントラキノン系化合物を添加する。カーボン電極に一定の電圧を印加して、電流が定常になった後、過酸化水素を含む試料を加えて電流の減少を測定する。標準濃度の過酸化水素溶液により作製したキャリブレーションカーブに従い、試料中の過酸化水素濃度を計算することができる。印加する電位は、例えば+600mV以下、+500mV以下、+400mV以下、+300mV以下、+200mV以下、+100mV以下、0mV以下、-100mV以下、-200mV以下、-300mV以下、-400mV以下、-500mV以下とすることができ、-1000mV以上、-900mV以上、例えば-800mV以上、とすることができ、例えば+600mV〜-800mV、+600mV〜-700mV、+500mV〜-600mV、+400mV〜-500mV、+300mV〜-400mV、+200mV〜-300mV、+100mV〜-200mV、+100mV〜-100mVとすることができる(いずれも銀塩化銀参照電極に対し)。過酸化水素が含まれる測定溶液のpHはpH3〜10の範囲内であり得る。例えば、pH5、pH6、pH7、pH8、pH9、pH10であり、溶液中に緩衝剤として、グリシン、酢酸、クエン酸、リン酸、炭酸、グッド緩衝剤等が含まれていてもよい。ペルオキシダーゼ以外の酵素、及び過酸化水素以外の基質を用いる場合でも適宜、pHを変えて測定することができる。 For example, the electrochemical measurement of the hydrogen peroxide concentration can be performed as follows. A buffer solution is placed in a constant temperature cell and maintained at a constant temperature. An electrode on which peroxidase is immobilized is used as a working electrode, and a counter electrode (for example, a platinum electrode) and a reference electrode (for example, an Ag / AgCl electrode or an Ag / Ag + electrode) are used. The aminoanthraquinone compound of the present invention is added to the reaction solution. A constant voltage is applied to the carbon electrode, and after the current becomes steady, a sample containing hydrogen peroxide is added and the decrease in current is measured. The hydrogen peroxide concentration in the sample can be calculated according to the calibration curve prepared with the standard concentration hydrogen peroxide solution. The applied potentials are, for example, + 600 mV or less, + 500 mV or less, + 400 mV or less, + 300 mV or less, + 200 mV or less, + 100 mV or less, 0 mV or less, -100 mV or less, -200 mV or less, -300 mV or less, -400 mV or less,- It can be 500 mV or less, -1000 mV or more, -900 mV or more, for example -800 mV or more, for example + 600 mV to -800 mV, + 600 mV to -700 mV, + 500 mV to -600 mV, + 400 mV to- It can be 500 mV, +300 mV to -400 mV, +200 mV to -300 mV, + 100 mV to -200 mV, + 100 mV to -100 mV (all with respect to the silver chloride reference electrode). The pH of the measurement solution containing hydrogen peroxide can be in the range of pH 3-10. For example, the values are pH5, pH6, pH7, pH8, pH9, and pH10, and the solution may contain glycine, acetic acid, citric acid, phosphoric acid, carbonic acid, a good buffer, and the like as buffers. Even when an enzyme other than peroxidase and a substrate other than hydrogen peroxide are used, the pH can be appropriately changed for measurement.
具体的な例としては、グラッシーカーボン(GC)電極に予めアミノアントラキノン系化合物、例えば1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノン、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン、又は2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノンを固定化し、続いて0.2U〜150U、例えば0.5U〜100Uのペルオキシダーゼを固定化し、グルコース濃度に対する応答電流値を測定する。電解セル中に、100mM リン酸カリウム緩衝液(pH7.0)10.0mlを添加する。GC電極をポテンショスタットBAS100B/W(BAS製)に接続し、銀塩化銀参照電極に対して+600mVを印加する。 これらの系に過酸化水素溶液を終濃度が0.05、0.1、0.2、0.5、1mMになるよう添加し、添加ごとに定常状態の電流値を測定する。この電流値を既知の過酸化水素濃度(0.05、0.1、0.2、0.5、1mM)に対してプロットし、検量線を作成する。これよりペルオキシダーゼ酵素固定化電極で過酸化水素の定量が可能となる。 As a specific example, an aminoanthraquinone compound such as 1-acetamide-4-hydroxyanthraquinone, 1-amino-4-hydroxyanthraquinone, or 2-amino-3-hydroxyanthraquinone is previously immobilized on a glassy carbon (GC) electrode. Then, 0.2U to 150U, for example 0.5U to 100U of peroxidase is immobilized, and the response current value with respect to the glucose concentration is measured. Add 10.0 ml of 100 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) into the electrolytic cell. Connect the GC electrode to the potentiostat BAS100B / W (manufactured by BAS) and apply + 600 mV to the silver chloride reference electrode. Add hydrogen peroxide solution to these systems so that the final concentration is 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1 mM, and measure the steady-state current value for each addition. This current value is plotted against known hydrogen peroxide concentrations (0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1 mM) to create a calibration curve. This makes it possible to quantify hydrogen peroxide with the peroxidase enzyme-immobilized electrode.
さらに電気化学測定のために印刷電極を用いることもできる。これにより測定に必要な溶液量を低減することができる。電極は絶縁基板上に形成しうる。具体的には、フォトリゾグラフィ技術や、スクリーン印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷などの印刷技術により、電極を基板上に形成させ得る。絶縁基板の素材としては、シリコン、ガラス、セラミック、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなどが挙げられ、各種の溶媒や薬品に対する耐性の強いものを用いることができる。作用極の面積は、所望の応答電流に応じて設定することができる。例えばある実施形態では、作用極の面積を1mm2以上、1.5mm2以上、2mm2以上、2.5mm2以上、3mm2以上、4mm2以上、5mm2以上、6mm2以上、7mm2以上、8mm2以上、9mm2以上、10mm2以上、12mm2以上、15mm2以上、20mm2以上、30mm2以上、40mm2以上、50mm2以上、1cm2以上、2cm2以上、3cm2以上、4cm2以上、5cm2以上、例えば10cm2以上とすることができる。ある実施形態では、作用極の面積を10cm2以下、5cm2以下、例えば1cm2以下、とすることができる。対極も同様でありうる。また、作用極上にカーボンナノチューブやグラフェン、ケッチェンブラック等を固定化し、みかけの表面積を大きくすることも出来る。この場合、見かけの面積は10倍以上、50倍以上、100倍以上、1000倍以上増え得る。 Further, a printed electrode can be used for electrochemical measurement. This makes it possible to reduce the amount of solution required for measurement. Electrodes can be formed on an insulating substrate. Specifically, electrodes can be formed on a substrate by a photolithography technique or a printing technique such as screen printing, gravure printing, or flexographic printing. Examples of the material of the insulating substrate include silicon, glass, ceramic, polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polyester and the like, and those having strong resistance to various solvents and chemicals can be used. The area of the working electrode can be set according to the desired response current. For example, in one embodiment, the area of the working electrode is 1 mm 2 or more, 1.5 mm 2 or more, 2 mm 2 or more, 2.5 mm 2 or more, 3 mm 2 or more, 4 mm 2 or more, 5 mm 2 or more, 6 mm 2 or more, 7 mm 2 or more, 8 mm. 2 or more, 9 mm 2 or more, 10 mm 2 or more, 12 mm 2 or more, 15 mm 2 or more, 20 mm 2 or more, 30 mm 2 or more, 40 mm 2 or more, 50 mm 2 or more, 1 cm 2 or more, 2 cm 2 or more, 3 cm 2 or more, 4 cm 2 or more , 5 cm 2 or more, for example 10 cm 2 or more. In some embodiments, the area of the working electrode can be 10 cm 2 or less, 5 cm 2 or less, for example 1 cm 2 or less. The opposite pole can be similar. In addition, carbon nanotubes, graphene, Ketjen black, etc. can be immobilized on the working surface to increase the apparent surface area. In this case, the apparent area can be increased 10 times or more, 50 times or more, 100 times or more, 1000 times or more.
ある実施形態において、本発明の電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤は、電極と共に使用する場合には、作用極の面積1cm2当たり、0.1pmol以上、0.2pmol以上、0.3pmol以上、0.4pmol以上、0.5pmol以上、1pmol以上、10mmol以下、5mmol以下、1mmol以下、800μmol以下、600μmol以下、500μmol以下、400μmol以下、300μmol以下、200μmol以下、100μmol以下、50μmol以下、例えば0.1pmol〜10mmol、0.1pmol〜5mmol、0.2pmol〜1mmol、0.3pmol〜800μmol、0.4pmol〜600μmol、0.5pmol〜500μmol、0.6pmol〜400μmol、0.7pmol〜300μmol、0.8pmol〜200μmol、0.9pmol〜100μmol、1pmol〜50μmolの物質量にて使用しうる。これらの数値は作用極の面積を1cm2とした場合であり、作用極の面積を増大又は低減させた場合、もしくは比表面積の大きいカーボンナノチューブ、グラフェン等を用いた際には見かけの表面積が増大し、対応する物質量の本発明の電極改変剤を使用し得る。ある実施形態において、本発明の電極改変剤、電極吸着剤又は電子伝達促進剤は、電解質に溶解させて使用する場合には、0.1nmmol/L以上、1nmmol/L以上、10nmmol/L以上、100nmmol/L以上、1μmmol/L以上、10μmmol/L以上、100μmmol/L以上、1mmol/L以上、10mmol/L以上、100mmol/L以上、1mol/L以上、10mol/L以上、飽和濃度以下、100mol/L以下、例えば1mmol〜飽和濃度、10mmol〜100mol/Lの濃度で使用しうる。 In certain embodiments, the electrode modifiers, electrode adsorbents or electron transfer promoters of the present invention, when used with electrodes, have 0.1 pmol or more, 0.2 pmol or more, 0.3 pmol or more, per 1 cm 2 of working electrode area. 0.4 pmol or more, 0.5 pmol or more, 1 pmol or more, 10 mmol or less, 5 mmol or less, 1 mmol or less, 800 μmol or less, 600 μmol or less, 500 μmol or less, 400 μmol or less, 300 μmol or less, 200 μmol or less, 100 μmol or less, 50 μmol or less, for example 0.1 pmol to 10 mmol, 0.1 pmol to 5 mmol, 0.2 pmol to 1 mmol, 0.3 pmol to 800 μmol, 0.4 pmol to 600 μmol, 0.5 pmol to 500 μmol, 0.6 pmol to 400 μmol, 0.7 pmol to 300 μmol, 0.8 pmol to 200 μmol, 0.9 pmol to 100 μmol, 1 pmol to 50 μmol Can be used in quantity. These values are for the case where the area of the working electrode is 1 cm 2, and the apparent surface area increases when the area of the working electrode is increased or decreased, or when carbon nanotubes, graphene, etc. with a large specific surface area are used. However, the electrode modifier of the present invention with a corresponding amount of substance can be used. In certain embodiments, the electrode modifier, electrode adsorbent or electron transfer promoter of the present invention is 0.1 nmmol / L or more, 1 nmmol / L or more, 10 nmmol / L or more, 100 nmmol when used by being dissolved in an electrolyte. / L or more, 1 μmmol / L or more, 10 μmmol / L or more, 100 μmmol / L or more, 1 mmol / L or more, 10 mmol / L or more, 100 mmol / L or more, 1 mol / L or more, 10 mol / L or more, saturation concentration or less, 100 mol / It can be used at a concentration of L or less, for example, 1 mmol to saturation concentration and 10 mmol to 100 mol / L.
(本発明の電池)
ある実施形態において本発明は、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤、又は電子伝達促進剤を有する電池を提供する。ある実施形態において、本発明の電池では、本発明の化合物が当該電池の電極に固定化されている。ある実施形態において、本発明の電池は酸化還元酵素を有する。ある実施形態において酸化還元酵素は電池の有する電極に固定化されていてもよい。ある実施形態において本発明は、本発明の電池を用いる発電方法を提供する。
(Battery of the present invention)
In certain embodiments, the present invention provides a battery comprising the aminoanthraquinone compound of the present invention, an electrode modifier, an electrode adsorbent, or an electron transfer promoter. In certain embodiments, in the battery of the invention, the compounds of the invention are immobilized on the electrodes of the battery. In certain embodiments, the batteries of the present invention have an oxidoreductase. In certain embodiments, the redox enzyme may be immobilized on the electrodes of the battery. In certain embodiments, the present invention provides a power generation method using the batteries of the present invention.
(本発明の電池)
ある実施形態において本発明は、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤、又は電子伝達促進剤を有する燃料電池用のアノード又はカソード及び当該アノード又はカソードを備えた燃料電池を提供する。ある実施形態において本発明は、本発明のアミノアントラキノン系化合物や、アミノアントラキノン系化合物が吸着した電極を使用した発電方法やGDHやGODなどといった酸化還元酵素をアノード電極に固定化し、酸化還元酵素に対応した基質、例えばグルコースを燃料とする発電方法を提供する。適宜、上記に示した酸化還元酵素を固定化した場合に、固定化した酸化還元酵素の基質となる化合物を燃料とすることができる。ある実施形態において本発明は、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤、又は電子伝達促進剤を有するフロー電池を提供する。電解質槽に含まれる電解質溶液は、電池に合わせて適宜選定することができ、水溶液であっても有機溶媒であっても構わない。また電解質溶液のpHは、pH 1〜14の範囲で適当に設定し得る。
(Battery of the present invention)
In certain embodiments, the present invention provides an anode or cathode for a fuel cell having the aminoanthraquinone-based compound of the present invention, an electrode modifier, an electrode adsorbent, or an electron transfer promoter, and a fuel cell having the anode or cathode. To do. In a certain embodiment, the present invention uses an aminoanthraquinone-based compound of the present invention, a power generation method using an electrode on which an aminoanthraquinone-based compound is adsorbed, or an oxidoreductase such as GDH or GOD is immobilized on an anode electrode to form an oxidoreductase. Provided is a power generation method using a corresponding substrate, for example, glucose as a fuel. When the above-mentioned oxidoreductase is immobilized, a compound serving as a substrate for the immobilized oxidoreductase can be used as a fuel. In certain embodiments, the present invention provides a flow battery comprising the aminoanthraquinone compound of the present invention, an electrode modifier, an electrode adsorbent, or an electron transfer promoter. The electrolyte solution contained in the electrolyte tank can be appropriately selected according to the battery, and may be an aqueous solution or an organic solvent. The pH of the electrolyte solution can be appropriately set in the range of pH 1 to 14.
ある実施形態において、本発明の燃料電池は、本発明のアミノアントラキノン系化合物が吸着したアノード又はカソード、燃料槽、カソード、酸化還元酵素を有するアノード、及び電解質を備えている。また本発明の燃料電池は、必要に応じて、アノードとカソードとの間に負荷抵抗を配置することができ、そのための配線を備えうる。ある実施形態において負荷抵抗は、本発明の燃料電池の一部である。ある実施形態において、負荷抵抗は、本発明の燃料電池の一部ではなく、本発明の燃料電池は、適当な負荷抵抗に接続できるよう構成されている。本発明の燃料電池において酸化還元酵素はアノードの一部を構成する。例えば酸化還元酵素はアノードに近接若しくは接触していてもよく、固定化されていてもよく、又は吸着していてもよい。燃料槽は電極に固定化された酸化還元酵素の基質となる化合物を含む。例えば、グルコースデヒドロゲナーゼを電極に固定化した場合、燃料はグルコースであり得る。ある実施形態において本発明の燃料電池はアノードとカソードを分離するイオン交換膜を有し得る。イオン交換膜は1nm〜20nmの孔を有し得る。アノードは炭素電極のような一般的な電極であり得る。例えば、カーボンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンナノチューブ、グラフェン等の導電性炭素質からなる電極や、金、白金等の金属からなる電極を用いることができる。具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト、グラッシーカーボン、HOPG(高配向性熱分解グラファイト)等が挙げられる。対をなすカソードとしては、例えば、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、カーボンブラック、グラファイト、カーボンクロス、カーボンフェルト、活性炭、カーボンナノチューブ、グラフェンのような炭素質材料、又は金、白金等からなる導電体に担持させた電極や、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(カソード側基質、酸素等)を電極触媒に供給するような形態とすることができる。ある実施形態では、本発明の電極から水銀電極を除く。 In certain embodiments, the fuel cell of the present invention comprises an anode or cathode adsorbed by the aminoanthraquinone compound of the present invention, a fuel tank, a cathode, an anode having an oxidoreductase, and an electrolyte. Further, the fuel cell of the present invention can be provided with a load resistor between the anode and the cathode, if necessary, and can be provided with wiring for that purpose. In certain embodiments, the load resistance is part of the fuel cell of the present invention. In certain embodiments, the load resistance is not part of the fuel cell of the invention, and the fuel cell of the invention is configured to be connectable to a suitable load resistance. In the fuel cell of the present invention, the oxidoreductase constitutes a part of the anode. For example, the redox enzyme may be in close proximity to or in contact with the anode, may be immobilized, or may be adsorbed. The fuel tank contains a compound that serves as a substrate for oxidoreductase immobilized on an electrode. For example, if glucose dehydrogenase is immobilized on an electrode, the fuel can be glucose. In certain embodiments, the fuel cell of the present invention may have an ion exchange membrane that separates the anode and cathode. The ion exchange membrane can have pores of 1 nm to 20 nm. The anode can be a common electrode such as a carbon electrode. For example, electrodes made of conductive carbonaceous materials such as carbon black, graphite, activated carbon, carbon nanotubes, and graphene, and electrodes made of metals such as gold and platinum can be used. Specific examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, glassy carbon, and HOPG (highly oriented pyrolytic graphite). As the paired cathode, for example, an electrode catalyst generally used in a fuel cell such as platinum or a platinum alloy is used as a carbon such as carbon black, graphite, carbon cloth, carbon felt, activated carbon, carbon nanotube, and graphene. An electrode supported on a quality material or a conductor made of gold, platinum, etc., or a conductor made of an electrode catalyst itself such as platinum or a platinum alloy is used as a cathode electrode, and an oxidizing agent (cathode side substrate, oxygen, etc.) is used as an electrode. It can be in the form of supplying to the catalyst. In certain embodiments, the mercury electrode is removed from the electrodes of the present invention.
別の実施形態では、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として、基質還元型酵素電極を使用しうる。酸化剤を還元する酸化還元酵素としては、ペルオキシダーゼやラッカーゼ、ビリルビンオキシターゼなど公知の酵素が挙げられる。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、公知の電子伝達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。 In another embodiment, the substrate reducing enzyme electrode can be used as the cathode paired with the anode composed of the substrate oxidizing enzyme electrode as described above. Examples of the redox enzyme that reduces the oxidizing agent include known enzymes such as peroxidase, laccase, and bilirubin oxidase. When an oxidoreductase is used as a catalyst for reducing the oxidant, a known electron transfer mediator may be used, if necessary. Examples of the oxidizing agent include oxygen and hydrogen peroxide.
ある実施形態において、カソードにおける電極反応を妨害する不純物(アスコルビン酸や尿酸等)による影響を回避するために、酸素選択性の膜(例えばジメチルポリシロキサンの膜)をカソード電極の周囲に配置することができる。 In certain embodiments, an oxygen-selective membrane (eg, a dimethylpolysiloxane membrane) is placed around the cathode electrode to avoid the effects of impurities (such as ascorbic acid and uric acid) that interfere with the electrode reaction at the cathode. Can be done.
本発明の発電方法は、酸化還元酵素を有するアノードに燃料となる酸化還元酵素の基質となる化合物を供給する工程を含む。酸化還元酵素を有するアノードに燃料が供給されると、基質が酸化され、同時に生成した電子を、酸化還元酵素は、該酸化還元酵素と電極との間の電子伝達を仲介する電子伝達メディエータ、例えばアミノアントラキノン系化合物へと受け渡し、該電子伝達メディエータによって導電性基材(アノード電極)へ電子が受け渡される。アノード電極から配線(外部回路)を通って電子がカソード電極に到達することで、電流が発生する。ある実施形態において本発明の発電方法は、アミノアントラキノン系化合物の酸化還元反応が生じる工程を含む。アミノアントラキノン系化合物は電子の授受によりプロトンとの結合脱離が生じるため、酸化還元反応によって良好に充放電が可能となる。 The power generation method of the present invention includes a step of supplying a compound serving as a substrate of the oxidoreductase as a fuel to the anode having the oxidoreductase. When fuel is supplied to the anode having oxidoreductase, the substrate is oxidized and the electrons generated at the same time are generated by the oxidoreductase, which is an electron transfer mediator that mediates electron transfer between the oxidoreductase and the electrode, for example. It is transferred to an aminoanthraquinone-based compound, and electrons are transferred to a conductive substrate (anode electrode) by the electron transfer mediator. An electric current is generated when electrons reach the cathode electrode from the anode electrode through wiring (external circuit). In certain embodiments, the power generation method of the present invention comprises a step of causing a redox reaction of an aminoanthraquinone compound. Since the aminoanthraquinone-based compound undergoes bond elimination with a proton by the transfer of electrons, it can be charged and discharged satisfactorily by a redox reaction.
上記過程において発生するプロトン(H+)は、電解質溶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、電解質溶液内をアノードから移動してきたプロトンと、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。これを利用し発電を行うことができる。カソード側にアミノアントラキノン系化合物を含む電極を配置し、アミノアントラキノン系化合物の酸化体が電子を受け取り、還元体へ反応することを利用し、発電を行うこともできる。 The protons (H + ) generated in the above process move to the cathode electrode in the electrolyte solution. Then, at the cathode electrode, the protons that have moved from the anode in the electrolyte solution, the electrons that have moved from the anode side through the external circuit, and the oxidizing agent (cathode side substrate) such as oxygen and hydrogen peroxide react. Water is produced. This can be used to generate electricity. An electrode containing an aminoanthraquinone-based compound may be arranged on the cathode side, and the oxidant of the aminoanthraquinone-based compound receives an electron and reacts with the reducing body to generate power.
(本発明の有機電池)
ある実施形態において本発明は、本発明のアミノアントラキノン系化合物、電極改変剤、電極吸着剤、又は電子伝達促進剤を有する有機電池を提供する。電極改変剤、電極吸着剤、又は電子伝達促進剤は電極に吸着していてもよい。有機電池に用いる電極材料としては、キノンやインディゴ誘導体、メトキシ基を有するベンゾキノン化合物、インディゴカルミン、ペンタセンテトロン等が挙げられるがこれに限らない。有機ラジカル電池に用いる電極材料としては、ニトロキシラジカルを有する化合物、例えば2,2,6,6−テトラメチルピペリジン-N-オキシルをポリマー、例えばポリメタクリレート、又はアクリレートに結合させた電極材料やリチウムが挙げられるがこれに限らない。例えば高分子、54巻、12月号、2005、p.886を参照のこと。有機電池では、本発明の電極改変剤をアノード側、カソード側の活物質として使用しうる。
(Organic Battery of the Present Invention)
In certain embodiments, the present invention provides an organic battery comprising the aminoanthraquinone compound of the present invention, an electrode modifier, an electrode adsorbent, or an electron transfer promoter. The electrode modifier, the electrode adsorbent, or the electron transfer promoter may be adsorbed on the electrode. Examples of the electrode material used for the organic battery include, but are not limited to, quinone, an indigo derivative, a benzoquinone compound having a methoxy group, indigocarmine, pentacentetron and the like. As the electrode material used for the organic radical battery, a compound having a nitroxy radical, for example, 2,2,6,6-tetramethylpiperidin-N-oxyl, which is bonded to a polymer, for example, polymethacrylate or acrylate, or lithium. However, it is not limited to this. See, for example, Polymer, Vol. 54, December, 2005, p.886. In an organic battery, the electrode modifier of the present invention can be used as an active material on the anode side and the cathode side.
本発明のアミノアントラキノン系化合物を含む電極改変剤や、該電極改変剤が吸着した電極は、種々の電気化学的測定に用いることができる。また、該電極は、酸化還元酵素を固定化することで、酵素センサーに利用することができる。さらに本発明のアミノアントラキノン系化合物を含む電極改変剤や、該電極改変剤が吸着した電極は、燃料電池や有機電池に用いることができる。これらは例示であり、本発明のアミノアントラキノン系化合物を含む電極改変剤又は該電極改変剤が吸着した電極の用途はこれに限らない。 The electrode modifier containing the aminoanthraquinone compound of the present invention and the electrode on which the electrode modifier is adsorbed can be used for various electrochemical measurements. Further, the electrode can be used as an enzyme sensor by immobilizing an oxidoreductase. Further, the electrode modifier containing the aminoanthraquinone compound of the present invention and the electrode to which the electrode modifier is adsorbed can be used for a fuel cell or an organic battery. These are examples, and the use of the electrode modifier containing the aminoanthraquinone compound of the present invention or the electrode on which the electrode modifier is adsorbed is not limited to this.
本発明のアミノアントラキノン系化合物は、そのまま電極に吸着させてもよいが、架橋試薬等による化学修飾により電極に連結してもよい。架橋試薬としては、1-ピレン酪酸N-ヒドロキシスクシンイミドエステルが挙げられるがこれに限らない。また、アミノアントラキノン系化合物をグラフト重合によって、直接電極に修飾させることもでき得る。 The aminoanthraquinone-based compound of the present invention may be adsorbed on the electrode as it is, or may be linked to the electrode by chemical modification with a cross-linking reagent or the like. Examples of the cross-linking reagent include, but are not limited to, 1-pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester. Further, the aminoanthraquinone-based compound can be directly modified to the electrode by graft polymerization.
以下の実施例により、本発明をさらに例証する。ただし、本発明の技術的範囲は、それらの例により何ら限定されるものではない。 The present invention is further illustrated by the following examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to those examples.
材料及び方法
材料や試薬は特に断らない限り、市販されているか、又は当技術分野で慣用の手法、公知文献の手順に従って入手又は調製したものである。単層カーボンナノチューブは、シグマ社製、名城ナノカーボン社製、又はゼオンナノテクノロジー社製を用いた。多層カーボンナノチューブは、シグマ社製、名城ナノカーボン社製、又は関東化学社製を用いた。カーボンナノチューブは低分子界面活性剤、水溶性高分子、水溶性多糖などを含む水溶液中で超音波処理することで適宜分散させたものを用いた。界面活性剤として、Triton X-100、ドデシル硫酸ナトリウム塩等が用いられるが、これに限らない。化合物1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノン、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン、及び2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノンは、東京化成工業社より市販品を入手した。
Materials and Methods Unless otherwise noted, materials and reagents are commercially available or obtained or prepared according to methods commonly used in the art and procedures in publicly known literature. As the single-walled carbon nanotubes, those manufactured by Sigma, Meijo Nanocarbon, or Zeon Nanotechnology were used. As the multi-walled carbon nanotubes, those manufactured by Sigma, Meijo Nanocarbon, or Kanto Chemical Co., Ltd. were used. The carbon nanotubes used were appropriately dispersed by sonication in an aqueous solution containing a low-molecular-weight surfactant, a water-soluble polymer, a water-soluble polysaccharide, and the like. Triton X-100, sodium dodecyl sulfate, etc. are used as the surfactant, but the surfactant is not limited to this. Compounds 1-acetamido-4-hydroxyanthraquinone, 1-amino-4-hydroxyanthraquinone, and 2-amino-3-hydroxyanthraquinone were commercially available from Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.
実施例1.アミノアントラキノン系化合物と炭素電極との吸着性確認
3種のアミノアントラキノン系化合物(1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノン、東京化成工業社製、製品コードA1130)、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン、東京化成工業社製、製品コードA0314)、及び2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノン、東京化成工業社製、製品コードA0315)を用いて、印刷電極によるサイクリックボルタンメトリー(CV)を行った。具体的には、カーボンの作用電極(12.6mm2)、銀の参照電極が印刷されてなる、SCREEN-PRINTED ELECTRODES(DropSens社製、製品番号DRP-C110)上に、終濃度10μg/mlの1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノン、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン、又は2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノン 10%エタノール水溶液15μlと、1.5Mの塩化カリウムを含有した20mMリン酸カリウム緩衝液45μlを滴下した。その後電極を専用コネクター(DropSens社製、DRP-CAC)を用いて、ALS 電気化学アナライザー 814D(BAS社製)に接続した。電極上に印刷された作用極、参照極、対極を用いて、所定の範囲で電位を掃引したサイクリックボルタンメトリーを行った。掃引する電位の範囲は、1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノンは+300mVから+1000mV(vs. Ag/AgCl)、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノンは+200mVから+800mV(vs. Ag/AgCl)、2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノンは+200mVから+600mV(vs. Ag/AgCl)とした。掃引速度を4mV/secから200mV/secの範囲で変化させ、酸化電流の最大値(IOmax)がどのように変化するか調べた。一般的に、メディエータが電極に吸着している場合、サイクリックボルタンメトリーの掃引速度とIOmaxの値は比例関係になることが知られている。メディエータが拡散している場合は、掃引速度の0.5乗にIOmaxが比例する。
Example 1. Confirmation of adsorptivity between aminoanthraquinone compounds and carbon electrodes Three types of aminoanthraquinone compounds (1-acetamide-4-hydroxyanthraquinone, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., product code A1130), 1-amino-4-hydroxyanthraquinone, Tokyo Cyclic voltammetry (CV) was performed using printed electrodes using product code A0314) manufactured by Kasei Kogyo Co., Ltd., and 2-amino-3-hydroxyanthraquinone, product code A0315) manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd. Specifically, a carbon working electrode ( 12.6 mm 2 ) and a silver reference electrode are printed on SCREEN-PRINTED ELECTRODES (DropSens, product number DRP-C110) with a final concentration of 10 μg / ml. -Add 15 μl of a 10% aqueous ethanol solution of acetamide-4-hydroxyanthraquinone, 1-amino-4-hydroxyanthraquinone, or 2-amino-3-hydroxyanthraquinone and 45 μl of 20 mM potassium phosphate buffer containing 1.5 M potassium chloride. did. After that, the electrode was connected to the ALS electrochemical analyzer 814D (BAS) using a dedicated connector (DRP-CAC, DropSens). Cyclic voltammetry was performed by sweeping the potential in a predetermined range using the working electrode, the reference electrode, and the counter electrode printed on the electrode. The range of potentials to be swept is + 300 mV to + 1000 mV (vs. Ag / AgCl) for 1-acetamido-4-hydroxyanthraquinone and + 200 mV to +800 mV (vs. Ag / AgCl) for 1-amino-4-hydroxyanthraquinone. , 2-Amino-3-hydroxyanthraquinone was adjusted from +200 mV to +600 mV (vs. Ag / AgCl). The sweep rate was changed in the range of 4 mV / sec to 200 mV / sec, and how the maximum value of oxidation current (I Omax ) changed was investigated. It is generally known that when the mediator is adsorbed on the electrode, the sweep rate of cyclic voltammetry and the value of I Omax are in a proportional relationship. If the mediator is diffused, I Omax is proportional to the sweep rate to the 0.5th power.
1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノンを用いたサイクリックボルタンメトリーを実施し、掃引速度とIOmaxをプロットした結果を図1に示す。R2の値は0.9952となった。一方、横軸を掃引速度の0.5乗として結果をプロットすると、R2の値は0.9765と低下した。すなわち、掃引速度とIOmaxが比例関係にあることが確認され、1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノンがカーボン電極に吸着することが示された。 Cyclic voltammetry using 1-acetamide-4-hydroxyanthraquinone was performed, and the results of plotting the sweep rate and I Omax are shown in FIG. The value of R 2 was 0.9952. On the other hand, when the results were plotted with the horizontal axis as the 0.5th power of the sweep rate, the value of R 2 decreased to 0.9765. That is, it was confirmed that the sweep rate and I Omax were in a proportional relationship, and it was shown that 1-acetamido-4-hydroxyanthraquinone was adsorbed on the carbon electrode.
1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノンの代わりに1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン、を用いて同様の試験を行った結果を図2に示す。R2の値は0.9954となった。一方、横軸を掃引速度の0.5乗として結果をプロットすると、R2の値は0.9681と低下した。すなわち、掃引速度とIOmaxが比例関係にあることが確認され、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノンがカーボン電極に吸着することが示された。 FIG. 2 shows the results of a similar test using 1-amino-4-hydroxyanthraquinone instead of 1-acetamido-4-hydroxyanthraquinone. The value of R 2 was 0.9954. On the other hand, when the results were plotted with the horizontal axis as the 0.5th power of the sweep rate, the value of R 2 decreased to 0.9681. That is, it was confirmed that the sweep rate and IOmax were in a proportional relationship, and it was shown that 1-amino-4-hydroxyanthraquinone was adsorbed on the carbon electrode.
また、同様の試験を2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノンを用いて行った結果を図3に示す。R2の値は0.9987となった。一方、横軸を掃引速度の0.5乗として結果をプロットすると、R2の値は0.9687と低下した。すなわち、掃引速度とIOmaxが比例関係にあることが確認され、2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノンがカーボン電極に吸着することが示された。 The results of conducting a similar test using 2-amino-3-hydroxyanthraquinone are shown in FIG. The value of R 2 was 0.9987. On the other hand, when the results were plotted with the horizontal axis as the 0.5th power of the sweep rate, the value of R 2 decreased to 0.9687. That is, it was confirmed that the sweep rate and IOmax were in a proportional relationship, and it was shown that 2-amino-3-hydroxyanthraquinone was adsorbed on the carbon electrode.
比較例(p−フェニレンジアミン)
終濃度100μg/mlのp-フェニレンジアミン10%エタノール溶液10μl、100mMリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)10μlを上記の印刷電極に滴下し、-200mVから+400mV(vs.Ag/Ag+)の範囲で電圧を掃引したサイクリックボルタンメトリーを行った結果を図4に示す。R2の値は0.9565となった。一方、横軸を掃引速度の0.5乗としてプロットすると、R2の値は0.9899と増加したことから、IOmaxが掃引速度の0.5乗に比例することが確認された。これは、p−フェニレンジアミンが電極に吸着せず、拡散していることを示している。
Comparative example (p-phenylenediamine)
10 μl of p-phenylenediamine 10% ethanol solution with a final concentration of 100 μg / ml and 10 μl of 100 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) were added dropwise to the above printed electrode, and the solution was -200 mV to + 400 mV (vs. Ag / Ag +). The result of cyclic voltammetry in which the voltage is swept in the range is shown in FIG. The value of R 2 was 0.9565. On the other hand, when plotting the horizontal axis as the 0.5th power of the sweep speed, the value of R 2 increased to 0.9899, confirming that I Omax is proportional to the 0.5th power of the sweep speed. This indicates that p-phenylenediamine is not adsorbed on the electrode but is diffused.
実施例2.アミノアントラキノン系化合物を用いた電気化学的評価
FAD依存性GDHと本発明のアミノアントラキノン系化合物の1種(1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン)を用いて、印刷電極を用いたサイクリックボルタンメトリーを行った。具体的には、カーボンの作用電極(2.64mm2)、銀塩化銀の参照電極が印刷されてなる、丸型カーボン電極(バイオデバイステクノロジー社製、DEP-Chip EP-PP)を、専用コネクターを用いて、ALS電気化学アナライザー 814D(BAS社製)に接続し、2000U/mlのFADGDH-AA(キッコーマンバイオケミファ社製、製品番号60100)溶液2μl、1.5Mの塩化カリウムを含有した50mMのリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)8μl、10μg/mlに調製した1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノンの10%エタノール水溶液10μlを電極上に滴下した。そして、-400mVから800mV(vs. Ag/AgCl)の範囲で電圧を掃引したサイクリックボルタンメトリーを行った。掃引速度は50mV/secとした。続いて、500mMグルコース水溶液を2μl添加し、同様にサイクリックボルタンメトリーを行った。
Example 2. Electrochemical evaluation using aminoanthraquinone compounds
Cyclic voltammetry using a printed electrode was performed using FAD-dependent GDH and one of the aminoanthraquinone compounds of the present invention (1-amino-4-hydroxyanthraquinone). Specifically, a round carbon electrode (manufactured by Biodevice Technology Co., Ltd., DEP-Chip EP-PP) with a carbon working electrode (2.64 mm 2 ) and a silver chloride reference electrode printed on it, with a dedicated connector. 50 mM phosphate containing 2 μl of 2000 U / ml FADGDH-AA (Kikkoman Biochemifa, product number 60100) solution, 1.5 M potassium chloride, connected to ALS electrochemical analyzer 814D (BAS). 10 μl of a 10% ethanol aqueous solution of 1-amino-4-hydroxyanthraquinone prepared in 8 μl of potassium buffer (pH 7.0) and 10 μg / ml was added dropwise onto the electrode. Then, cyclic voltammetry was performed in which the voltage was swept in the range of -400 mV to 800 mV (vs. Ag / AgCl). The sweep rate was 50 mV / sec. Subsequently, 2 μl of a 500 mM glucose aqueous solution was added, and cyclic voltammetry was performed in the same manner.
+600mV印加時の酸化電流は、グルコース非添加時で123nAであったのに対し、グルコース添加時は716nAであった。グルコースに対する応答電流が観測されることから、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノンがメディエータとして機能していることが示された。 The oxidation current when + 600 mV was applied was 123 nA when glucose was not added, whereas it was 716 nA when glucose was added. Observation of the response current to glucose indicated that 1-amino-4-hydroxyanthraquinone was functioning as a mediator.
続いて、ペルオキシダーゼ(東洋紡社製、製品番号PEO-301、西洋ワサビ由来)と3種のアミノアントラキノン系化合物(1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノン、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン、2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノン)を用いて、印刷電極によるサイクリックボルタンメトリーを行った。具体的には、1100U/mlのペルオキシダーゼ溶液5μl、1.5Mの塩化カリウムを含有した20mMのリン酸カリウム緩衝液(pH7.0)25μl、10μg/mlのアミノアントラキノン系化合物の10%エタノール溶液15μlを電極上に滴下し、掃引速度30mV/sec、掃引範囲を+200mVから+800mV(vs. Ag/AgCl)としてサイクリックボルタンメトリーを実施した。さらに、3mMの過酸化水素水溶液を5μl添加し、同様にサイクリックボルタンメトリーを実施した。また対照実験として、アミノアントラキノン系化合物を含まない条件下で同様の試験を実施し、電流値を比較した。なお、ペルオキシダーゼは野生型酵素を使用してもよい。 Subsequently, peroxidase (manufactured by Toyobo Co., Ltd., product number PEO-301, derived from Western wasabi) and three aminoanthraquinone compounds (1-acetamido-4-hydroxyanthraquinone, 1-amino-4-hydroxyanthraquinone, 2-amino- Cyclic voltammetry using a printed electrode was performed using 3-hydroxyanthraquinone). Specifically, 5 μl of 1100 U / ml peroxidase solution, 25 μl of 20 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) containing 1.5 M potassium chloride, and 15 μl of 10% ethanol solution of 10 μg / ml aminoanthraquinone compound. The solution was dropped onto the electrode, and cyclic voltammetry was performed with a sweep rate of 30 mV / sec and a sweep range of +200 mV to +800 mV (vs. Ag / AgCl). Furthermore, 5 μl of a 3 mM hydrogen peroxide aqueous solution was added, and cyclic voltammetry was carried out in the same manner. As a control experiment, the same test was carried out under the condition that the aminoanthraquinone compound was not contained, and the current values were compared. A wild-type enzyme may be used as the peroxidase.
+400mV時における、過酸化水素存在下と非存在下での還元電流の差は、アミノアントラキノン系化合物を含まない条件下では152nAであったのに対し、1-アセトアミド-4-ヒドロキシアントラキノン存在下では266nA、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノン存在下では284nA、2-アミノ-3-ヒドロキシアントラキノン存在下では241nAであった。アミノアントラキノン化合物存在下では、非存在下と比較し過酸化水素に対する応答電流が増大していることから、これらの化合物はペルオキシダーゼに対してもメディエータとして機能していることが示された。したがって、本発明のメディエーターは、アノード電極のみならず、カソード電極においても利用できることが示された。 The difference in reduction current between the presence and absence of hydrogen peroxide at +400 mV was 152 nA under the condition without aminoanthraquinone compounds, whereas it was 152 nA in the presence of 1-acetamide-4-hydroxyanthraquinone. It was 266nA, 284nA in the presence of 1-amino-4-hydroxyanthraquinone, and 241nA in the presence of 2-amino-3-hydroxyanthraquinone. In the presence of the aminoanthraquinone compound, the response current to hydrogen peroxide was increased as compared with the absence of the aminoanthraquinone compound, indicating that these compounds also function as mediators for peroxidase. Therefore, it was shown that the mediator of the present invention can be used not only for the anode electrode but also for the cathode electrode.
実施例3.アミノアントラキノン系化合物を電極に化学修飾した際の電気化学的評価
80μlの多層カーボンナノチューブ溶液(1.4 wt%、MWCNT溶液)を、5 mm角のカーボンクロス(東陽テクニカ社製)へ複数回に分けて塗布した。これを十分に乾燥させた後、超純水を用いて洗浄を行った。続いて、1-ピレン酪酸N-ヒドロキシスクシンイミドを100μg塗布し、十分に乾燥させた。さらに、エタノールに溶解させた本発明のアミノアントラキノン系化合物である1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノンを20μg塗布、乾燥後、20mg/mlのペルオキシダーゼを20μl塗布し、室温で乾燥させた。作製した電極を超純水で洗浄した。洗浄後の電極を作用極とし、銀塩化銀を参照極、白金を対極として、10mlの100mM リン酸カリウム緩衝液(pH7)中に3極を浸漬させ、サイクリックボルタンメトリーを行った。掃引速度20mV/sec、掃引範囲を+0mVから+700mV(vs. Ag/AgCl)とした。終濃度1 mMとなるよう過酸化水素溶液を滴下し、過酸化水素の添加前後の還元電流の差異を観測した。その結果、+0.3V時において、過酸化水素未添加時よりも過酸化水素添加時の方が0.54mA/cm2大きい還元電流が流れた。
Example 3. Electrochemical evaluation of electrodes chemically modified with aminoanthraquinone compounds
80 μl of a multi-walled carbon nanotube solution (1.4 wt%, MWCNT solution) was applied to a 5 mm square carbon cloth (manufactured by Toyo Corporation) in multiple times. After it was sufficiently dried, it was washed with ultrapure water. Subsequently, 100 μg of 1-pyrenebutyrate N-hydroxysuccinimide was applied and sufficiently dried. Further, 20 μg of 1-amino-4-hydroxyanthraquinone, which is an aminoanthraquinone compound of the present invention dissolved in ethanol, was applied and dried, and then 20 μl of 20 mg / ml peroxidase was applied and dried at room temperature. The prepared electrode was washed with ultrapure water. Cyclic voltammetry was performed by immersing the three electrodes in 10 ml of 100 mM potassium phosphate buffer (pH 7) with the washed electrode as the working electrode, silver chloride as the reference electrode, and platinum as the counter electrode. The sweep speed was 20 mV / sec, and the sweep range was + 0 mV to + 700 mV (vs. Ag / AgCl). A hydrogen peroxide solution was added dropwise to a final concentration of 1 mM, and the difference in reduction current before and after the addition of hydrogen peroxide was observed. As a result, at + 0.3V, a reduction current that was 0.54mA / cm 2 larger when hydrogen peroxide was added flowed than when hydrogen peroxide was not added.
一方、0.5mm角のカーボンクロスに多層カーボンナノチューブ分散溶液を表裏20μlずつ塗布し、60℃で1時間以上乾燥させ、終濃度5mg/mlのペルオキシダーゼと5%グルタルアルデヒド溶液を20μl塗布し、2時間室温で乾燥させることで電極を作製した場合には、過酸化水素溶液の添加前後のサイクリックボルタモグラムを比較した結果、+200mVから+700mV(vs. Ag/AgCl)の範囲では還元電流の差異はみられなかった。 On the other hand, 20 μl of a multi-walled carbon nanotube dispersion solution is applied to a 0.5 mm square carbon cloth, dried at 60 ° C. for 1 hour or more, and 20 μl of a final concentration of 5 mg / ml peroxidase and 5% glutaraldehyde solution is applied. When the electrodes were prepared by drying at room temperature for a period of time, as a result of comparing the cyclic voltammograms before and after the addition of the hydrogen peroxide solution, the difference in reduction current was in the range of +200 mV to +700 mV (vs. Ag / AgCl). It was not seen.
実施例4.燃料電池の構築
5mm×5mmのカーボンクロス(東陽テクニカ社製)に多層カーボンナノチューブ溶液を数回に分けて80μl塗布し、60℃で乾燥させた。純水で洗浄後、さらに乾燥させ、本発明の1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノンを吸着固定させ、超純水で洗浄した。続けて、20mg/mlのペルオキシダーゼ(東洋紡社製、製品番号PEO-301)を20μl塗布し、25℃で乾燥させ、25%グルタルアルデヒド蒸気中に上記のカーボンクロスを20分間さらすことでペルオキシダーゼを架橋固定し、カソード電極とした。また、同様の手順でカーボンクロスに多層カーボンナノチューブを塗布、乾燥させた。メディエータとして、N-イソプロピル-N'-フェニル-p-フェニレンジアミンを吸着固定したのち、20mg/mlのFAD依存性グルコースデヒドロゲナーゼ(GLD1、フナコシ社製)を20μl塗布し、25℃で乾燥させ、25%グルタルアルデヒド蒸気中にカーボンクロスを20分間さらすことで架橋固定したものをアノード電極とする。200mM D-グルコースを含む100mM リン酸カリウム緩衝液(pH7)に上記のカソード電極、アノード電極を浸漬させて、可変抵抗及びポテンショスタットと接続した。オープンサーキットポテンシャルにて電圧を測定した。その結果、開回路電圧が0.37Vとなった。つまり、1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノンはカソード電極の活物質として機能することが示された。また、200mM D-グルコースおよび1mM過酸化水素を含む100mM リン酸カリウム緩衝液(pH7)に対して、上記のカソード電極、アノード電極を浸漬させて測定した際には、開回路電圧が0.5Vとなり、10kΩ接続時には0.15mA/cm2の電流が流れた。したがって、本発明の1-アミノ-4-ヒドロキシアントラキノンを吸着固定させた電極を用いて燃料電池を構築することができた。
Example 4. Construction of fuel cell
80 μl of a multi-walled carbon nanotube solution was applied to a 5 mm × 5 mm carbon cloth (manufactured by Toyo Corporation) in several batches, and dried at 60 ° C. After washing with pure water, the mixture was further dried, and the 1-amino-4-hydroxyanthraquinone of the present invention was adsorbed and fixed, and washed with ultrapure water. Subsequently, 20 μl of 20 mg / ml peroxidase (manufactured by Toyobo Co., Ltd., product number PEO-301) was applied, dried at 25 ° C., and the above carbon cloth was exposed to 25% glutaraldehyde vapor for 20 minutes to crosslink the peroxidase. It was fixed and used as a cathode electrode. Further, the multi-walled carbon nanotubes were applied to the carbon cloth and dried in the same procedure. As a mediator, after adsorbing and fixing N-isopropyl-N'-phenyl-p-phenylenediamine, 20 μl of 20 mg / ml FAD-dependent glucose dehydrogenase (GLD1, manufactured by Funakoshi) was applied, dried at 25 ° C, and 25. % Glutaraldehyde The anode electrode is obtained by cross-linking and fixing carbon cloth by exposing it to steam for 20 minutes. The above cathode electrode and anode electrode were immersed in 100 mM potassium phosphate buffer (pH 7) containing 200 mM D-glucose, and connected to a variable resistor and a potentiostat. The voltage was measured at the open circuit potential. As a result, the open circuit voltage was 0.37V. That is, it was shown that 1-amino-4-hydroxyanthraquinone functions as an active material for the cathode electrode. Further, when the above-mentioned cathode electrode and anode electrode were immersed in a 100 mM potassium phosphate buffer solution (pH 7) containing 200 mM D-glucose and 1 mM hydrogen peroxide, the open circuit voltage was 0.5 V. , 0.15mA / cm 2 current flowed when connected to 10kΩ. Therefore, it was possible to construct a fuel cell using the electrode on which 1-amino-4-hydroxyanthraquinone of the present invention was adsorbed and fixed.
また、多層カーボンナノチューブの代わりに単層カーボンナノチューブを用いることもできる。 Further, single-walled carbon nanotubes can be used instead of the multi-walled carbon nanotubes.
本発明のアミノアントラキノン系化合物を含む電極改変剤又は該電極改変剤が吸着した電極を用いることにより、電池等の各種の電気化学的測定を行うことができる。 By using the electrode modifier containing the aminoanthraquinone compound of the present invention or the electrode to which the electrode modifier is adsorbed, various electrochemical measurements of a battery or the like can be performed.
本明細書で言及又は引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。 All publications, patents and patent applications mentioned or cited herein are incorporated herein by reference in their entirety.
Claims (18)
を有する化合物を含む、電極改変剤。 The structure of formula I, which has the property of adsorbing to the electrode without being bonded to the polymer or polymerized,
An electrode modifier comprising a compound having.
を有する化合物を含む、電子伝達促進剤。 The structure of formula I, which has the property of adsorbing to the electrode without being bonded to the polymer or polymerized,
An electron transfer promoter, which comprises a compound having.
以下の構造
以下の構造
又はその塩、無水物若しくは溶媒和物である、
請求項1に記載の電極改変剤、
請求項2に記載の電子伝達促進剤、
請求項3〜6のいずれか1項に記載の電池、
請求項7、9又は10に記載の組成物、
請求項8〜11のいずれか1項に記載の電極、又は
請求項12に記載の酵素センサー。 The compound has the following structure
The following structure
Or its salt, anhydride or solvate,
The electrode modifier according to claim 1,
The electron transfer promoter according to claim 2.
The battery according to any one of claims 3 to 6.
The composition according to claim 7, 9 or 10.
The electrode according to any one of claims 8 to 11, or the enzyme sensor according to claim 12.
請求項8〜11、及び13のいずれか1項に記載の電極、又は
請求項12又は13に記載のセンサー
を用いる、電気化学的測定方法。 The composition according to any one of claims 7, 9, 10 and 13.
An electrochemical measurement method using the electrode according to any one of claims 8 to 11 and 13 or the sensor according to claim 12 or 13.
請求項2又は13に記載の電子伝達促進剤、又は
請求項7、9、10及び13のいずれか1項に記載の組成物、
を電極に接触させる工程を含む、電極を改変又は修飾する方法。 The electrode modifier according to claim 1 or 13.
The electron transport chain according to claim 2 or 13, or the composition according to any one of claims 7, 9, 10 and 13.
A method of modifying or modifying an electrode, which comprises the step of bringing the electrode into contact with the electrode.
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WO2024101215A1 (en) * | 2022-11-11 | 2024-05-16 | 東洋紡株式会社 | Method for measuring matrix in specimen |
-
2020
- 2020-10-05 JP JP2020168467A patent/JP2021061240A/en active Pending
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