JP2021082517A - 酵素発電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】印刷など安価な方法で作製が可能で、設置性を高めた酵素発電デバイスを提供すること。【解決手段】前記課題は、電極基材の片面に、正極および負極からなる一対以上の電極が設けられた酵素発電デバイスであって、前記電極基材は疎水性基材または撥水性基材であり、前記電極は酸化還元酵素および親水性化合物を含む酵素発電デバイスによって解決される。また、電極基材と電極の間に、導電性下地層を有する前記酵素発電デバイスによって解決される。【選択図】図１

Description

本発明は、酵素発電デバイスに関する。

近年開発が進められている酵素発電デバイスは、糖やアルコール、有機酸等の有機物を燃料にして、酵素反応により生成した電気エネルギーを利用する発電型デバイスである。酵素発電デバイスおいては、負極及び／または正極に酸化還元酵素を含み、多種多様な有機物と空気中の酸素を燃料として発電するエネルギーシステムであり、常温作動が可能、豊富な有機エネルギー源が活用可能、生体への高い安全性が利点として挙げられる。
酵素発電デバイスから取り出した電気エネルギーを電源として活用する以外にも、酵素が持つ基質特異性を利用し、糖などの目的とする有機物をセンシングするための自己発電型センサーとして応用する方法も提案されている。自己発電型センサーは発電と有機物センシング機能を併せ持つため、電源不要な小型軽量化、低コスト化が可能となることに加え、酵素による微小量検出や基質特異性に由来する高いセンシング精度が特長となる。そのため、生体向けのウェアラブルデバイスやインプラントデバイス等に使われるセンサーおよび電源としての利用が期待されている。
酵素発電デバイスは、常温作動、豊富な有機エネルギー源の活用、環境・生体への高い安全性等、複数の利点がある。この利点を活かしつつ経済的に製造する観点から、印刷により電極およびデバイスを形成する方法がある。一般的な一次電池や二次電池は印刷で安価に製造できても、有機化合物の電解液や電極活物質などに有害な金属や希少金属等を含有していることが多く、廃棄や回収が複雑になる課題があるが、酵素発電デバイスは簡便に廃棄できるため印刷により安価で大量に作製するメリットを享受できる可能性がある。
例えば、特許文献１では、非導電性シートの両面に電極材料を印刷する、あるいは電極材料を印刷した非導電性シートの折曲工程を経て電池を形成する方法が記されているが、工程が多く、またシート両面に電極が存在するためデバイスの設置条件が限定される。

特開２０１３−９８０７７号公報

本発明の目的は、印刷など安価な方法で作製が可能で、設置性を高めた酵素発電デバイスを提供することである。

本発明者らは、前記の諸問題を解決するために研究を重ねた結果、本発明に至った。
すなわち本発明は、電極基材の片面に、正極および負極からなる一対以上の電極が設けられた酵素発電デバイスであって、前記電極基材は疎水性基材または撥水性基材であり、前記電極は酸化還元酵素および親水性化合物を含む酵素発電デバイスに関する。

また本発明は、電極基材と電極の間に、導電性下地層を有する前記酵素発電デバイスに関する。

また本発明は、電極基材が樹脂フィルムである、前記酵素発電デバイスに関する。

また本発明は、正極、負極、および前記正極と前記負極の間の電極基材の表面の少なくとも一部が親水性である前記酵素発電デバイスに関する。

また本発明は、正極、負極、および前記正極と前記負極の間の電極基材の表面の少なくとも一部に親水性化合物を有する前記酵素発電デバイスに関する。

また本発明は、正極、負極、および前記正極と前記負極の間の電極基材の表面の少なくとも一部に親水性シートを有する前記酵素発電デバイスに関する。

また本発明は、電極基材の片面に、二対以上の電極が設けられた前記酵素発電デバイスに関する。

本発明によれば、疎水性基材または撥水性基材の同一平面上に親水性化合物を含む電極が形成されることにより、廃棄性に優れ、設置の自由度が高い酵素発電デバイスを提供できる。また、紙などの親水性のある基材を用いた場合と比較して、電解液の成分となる水が浸潤することによりデバイスの強度が下がることもなく、安定した動作が期待できる。更に、２個以上の酵素発電デバイスを同一平面上に形成することで、省スペースで高出力な酵素発電デバイスを提供できる。

実施例１の酵素発電デバイスを説明するための模式図である。 実施例２の酵素発電デバイスを説明するための模式図である。

本発明の酵素発電デバイスは、疎水性基材または撥水性基材の少なくとも片面に、正極および負極からなる一対以上の電極が設けられ、前記電極は、酸化還元酵素および親水性化合物を含み、更に、必要に応じて、負極から正極側にイオンを伝達するためのイオン伝導体を含む。
酵素発電デバイスでは、負極で酸化還元酵素により燃料又はセンシング対象物質が分解され、プロトンと電子が生成される。この反応は酸化反応である。生成された電子は、負極から正極に流れ、電気エネルギーが得られる。生成されたプロトンは正極に伝導され、正極で触媒存在下、酸素（通常、空気中の酸素）と負極から流入する電子と結合し、水が生成される。この反応は還元反応である。

＜疎水性または撥水性基材＞
本発明の酵素発電デバイスでは、電極基材は疎水性または撥水性の基材であり、水との接触角が３０度以上のものを用いることができる。
疎水性基材としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリイミド等の樹脂フィルムが例として挙げられる。
撥水性基材としては、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシアルカン、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー、ポリビニリデンフルオライド、ポリクロロトリフルオロエチレン、エチレンクロロトリフルオロエチレンコポリマー等の樹脂フィルムとして挙げられる。

＜導電性下地層＞
疎水性基材または撥水性基材と正負極との間に、導電性下地層を設けてもよい。導電性下地層は、炭素組成物や金属組成物、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン等の導電性高分子を塗布、乾燥したものやそれらを併用したものを用いてもよい。組成物の塗布方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、スクリーン印刷、インクジェット印刷、グラビア印刷、ナイフコーター、バーコーター、ブレードコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター等の一般的な方法を適用できる。

＜負極＞
負極では、燃料の酸化反応により発生した電子をカソードに供給する。負極は、好ましくは負極用ペースト組成物を用いて製造される。負極用ペースト組成物は少なくとも液状媒体とバインダーを含み、更に必要に応じて導電材や分散剤を含むことができる。各成分の割合は特に限定されず、適宜設計することができる。
（液状媒体）
酵素発電デバイス用ペースト組成物に使用される液状媒体としては特に限定されず、公知のものを用いることができる。ペースト組成物の分散性向上、並びに、電極基材上へのペースト組成物の塗工性向上のために、複数種の溶剤を混ぜて使用してもよい。
液状媒体としては、アルコール類、グリコール類、セロソルブ類、アミノアルコール類、アミン類、ケトン類、カルボン酸アミド類、リン酸アミド類、スルホキシド類、カルボン酸エステル類、リン酸エステル類、エーテル類、ニトリル類、及び水等が挙げられる。

（バインダー）
負極用ペースト組成物に使用されるバインダーは、電極構成材料を結着させるために使用される。
例えば、アクリル樹脂；ポリウレタン樹脂；ポリエステル樹脂；フェノール樹脂；エポキシ樹脂；フェノキシ樹脂；尿素樹脂；メラミン樹脂；アルキッド樹脂；ホルムアルデヒド樹脂；シリコーン樹脂；スチレン−ブタジエンゴム及びフッ素ゴム等の合成ゴム；ポリアニリン及びポリアセチレン等の導電性樹脂；ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリフッ化ビニル、パーフルオロカーボン、及びテトラフルオロエチレン等の含フッ素化合物；これらの変性物等が挙げられる。これらバインダーは、１種又は２種以上用いることができる。

溶剤として水性液状媒体を使用する場合、バインダーとして水性エマルションを使用してもよい。水性エマルションは、バインダー樹脂が水中に溶解せずに、微粒子の形態で分散した分散液である。
水性エマルションとしては特に限定されず、（メタ）アクリル系エマルション；ニトリル系エマルション；ウレタン系エマルション；ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）等のジエン系ゴムを含むジエン系エマルション；ＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の含フッ素高分子を含むフッ素系エマルション等が挙げられる。

（導電材）
負極用ペースト組成物に使用される導電材としては、金属材料や非金属材料が挙げられるが、導電性を有していれば特に限定はなく、単独あるいは併用して用いることができる。酵素発電デバイスの性能面では、導電材を用いる方が好ましい場合がある。
金属材料としては、金属系、金属酸化物系が挙げられ、金属系としては金、白金、銀、銅、鉄、鉛、亜鉛、スズ、ニッケル、チタン、アルミニウム、タングステン等が、金属酸化物系としては酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウム等が例示できる。更に、これらの金属に化学的あるいは物理的な表面処理、表面修飾を施したものを用いてもよい。また、ステンレス鋼の様な合金やドーピングされた金属材料、金属材料を複数種併用してもよい。組成物として使用する場合、形態およびその大きさについても特に限定は無く、粒状、繊維状、フレーク状等が例示でき、更にこれらを熱等により融着させて用いてもよい。また、金属および金属酸化物を導電性担体や非導電性担体に被覆したものを用いてもよい。
非金属導電材料としては、導電性炭素や導電性高分子等が挙げられる。導電性炭素としては、黒鉛、カーボンブラック、導電性炭素繊維（カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバー）、グラフェン系炭素材料（グラフェン、グラフェンナノプレートレット）、多孔質炭素、ナノポーラスカーボン、フラーレン等を単独で、もしくは２種類以上併せて使用することができる。
（分散剤）
負極用ペースト組成物に使用される分散剤は、導電材料等に対して分散剤として有効に機能し、その凝集を緩和することができる。分散剤は金属材料や導電性炭素等の非金属導電材料に対して凝集を緩和する効果が得られれば、特に限定されるものではない。

更に、負極用ペースト組成物には、増粘剤、成膜助剤、消泡剤、レベリング剤、防腐剤、ｐＨ調整剤などを必要に応じて配合できる。

負極の製造方法としては、
電極基材上あるいは導電性下地層を形成した電極基材上に、酸化還元酵素及び必要に応じてメディエータを含む負極用ペースト組成物を塗布し乾燥して、負極膜を形成する方法；転写用基材上に酸化還元酵素及び必要に応じてメディエータを含む負極用ペースト組成物を塗布し乾燥して得られた負極膜を上記電極基材上に転写する方法；上記電極基材上に酸化還元酵素及びメディエータを含まない負極用ペースト組成物を塗布し乾燥した後、得られた負極膜に酸化還元酵素及び必要に応じてメディエータを担持させる方法；転写用基材上に酸化還元酵素及びメディエータを含まない負極用ペースト組成物を塗布し乾燥して得られた負極膜を上記電極基材上に転写した後、得られた負極膜に酸化還元酵素及び必要に応じてメディエータを担持させる方法；導電性支持体に酸化還元酵素及び必要に応じてメディエータを直接担持させる方法等が挙げられる。
また、アスコルビン酸等の還元性燃料を用いる場合は、酵素以外の負極用触媒として炭素材料、導電性高分子、貴金属元素を含む触媒、卑金属元素を含む触媒で酸化反応が起こる。その場合は、酸化還元酵素の代わりに負極用触媒を使用すればよい。

前記負極用ペースト組成物の塗布方法としては、特に限定されるものではなく、導電性下地層を作製する際に使用するような前記の一般的な方法を適用できる。
酵素やメディエータを担持する方法は、特に限定されるものではなく、前記組成物に含ませて行っても良いし、塗布後乾燥した塗膜に後から行っても良い。後から行う場合では、酵素やメディエータを溶解させた液を導電性下地層用組成物や負極用ペースト組成物の塗膜に浸漬等させた後、乾燥させて担持する方法等が使用できる。

＜正極＞
正極では、負極で発生した電子を受け取り、電極中の還元反応によりこれを消費する。正極での反応が酸素を電子受容体として使用する酸素還元反応である場合、反応場となる正極触媒の活性点まで、電子及びプロトンの伝導パスと酸素の供給パスが充分に確保されていることが、効率的な発電又はセンシングを行う上で好ましい。
正極の製造方法としては、負極と同様に、正極用ペースト組成物を用いる方法が好ましい。正極用ペースト組成物は少なくとも液状媒体とバインダーを含み、更に必要に応じて導電材や分散剤を含むことができる。各成分やその割合は負極用ペースト組成物と同様で特に限定されず、適宜設計することができる。
正極の製造方法としては、電極基材上に、正極用ペースト組成物を塗布し乾燥して、正極膜を形成する方法；転写用基材上に正極用ペースト組成物を塗布し乾燥して得られた正極膜を前記基材上に転写する方法等が挙げられる。
正極用ペースト組成物の塗布方法としては例えば、ナイフコーター、バーコーター、ブレードコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、及びカーテンコーター等の各種コーターを用いた塗布法；スクリーン印刷法、インクジェット印刷、オフセット印刷等が挙げられる。

（正極用触媒）
正極用触媒としては、無機化合物または酵素を使用することができる。
無機化合物を触媒として用いる場合、酸素還元触媒として貴金属触媒、卑金属酸化物触媒、炭素触媒が挙げられる。中でも、炭素触媒は金属含有量がほとんど無いかあるいは少ないため、コストや廃棄の観点で好ましい。
貴金属触媒とは、遷移金属元素のうちルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金から選択される元素を一種以上含む触媒である。これら貴金属触媒は単体でも別の元素や化合物に担持されたものでもよい。
卑金属酸化物触媒は、ジルコニウム、タンタル、チタン、ニオブ、バナジウム、鉄、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、タングステン、およびモリブデンからなる群より選択された少なくとも１種の卑金属元素を含む酸化物を使用することができ、より好ましくはこれら卑金属元素の炭窒化物や、これら遷移金属元素の炭窒酸化物を使用することができる。
炭素触媒は、１種または２種以上の、炭素材料と、窒素元素および／または前記卑金属元素を含有する化合物とを混合し、熱処理を行い作製された炭素触媒であって、従来公知のものを使用できる。炭素触媒に用いられる炭素材料は、無機材料由来の炭素粒子および／または有機材料を熱処理して得られる炭素粒子であれば特に限定されない。
また、酵素を触媒として用いる場合、後述する酵素を使用することができる。触媒は、電位負荷や副反応における劣化がしにくく、耐久性の観点からは、無機化合物が好ましい。また、無機化合物は、導電材としても機能する場合がある。

＜酸化還元酵素＞
酸化還元酵素としては、反応により電子を授受できる酵素であれば特に限定されず、燃料又はセンシング対象物質の種類、コスト、及びデバイスの種類等に応じて適宜選択される。物質代謝など、生体内の多くの酸化還元反応を触媒する酸化還元酵素が好ましい。
負極に用いられる酸化還元酵素としては、電子を放出できるものであればよい。燃料又はセンシング対象物質として糖及び有機酸等を用いるときに好適な酸化還元酵素としては、オキシダーゼ及びデヒドロゲナーゼ等が挙げられる。中でも、他の酵素に比べ安価で安定性が高く、血液及び尿等の生体試料に含まれるグルコースを燃料又はセンシング対象物質として用いることができることから、グルコースオキシダーゼ又はグルコースデヒドロゲナーゼが好ましい場合がある。その他、フルクトースを燃料又はセンシング対象物質として用いることができるフルクトースオキシダーゼ又はフルクトースデヒドロゲナーゼ、若しくは、乳酸を燃料又はセンシング対象物質として用いることができる乳酸オキシダーゼ又は乳酸デヒドロゲナーゼが好ましい場合がある。
正極に用いられる酸化還元酵素としては、触媒として機能する、電子を消費できる酵素であればよい。例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどの酵素を用いることができる。

＜メディエータ＞
酸化還元酵素には、電極に直接電子を伝達できる直接電子移動型（ＤＥＴ型）酵素と、直接電子を伝達できない酵素とが存在する。ＤＥＴ型でない酵素の場合には、燃料又はセンシング対象物質の酸化によって生じた電子を酵素から電極に伝達する役割を担うメディエータを併用する必要がある。
メディエータとしては、電極に電子を伝達できる酸化還元物質であれば特に制限はなく、公知のものを使用できる。メディエータは、電極に担持させてもよいし、電解液に溶解させてもよい。メディエータとしては例えば、テトラチアフルバレン及びキノン類（例えば、ハイドロキノン及び１，４−ナフトキノン等）等の非金属化合物；フェロセン、フェリシアン化物、オスミウム錯体、及びこれら化合物を修飾したポリマー等が挙げられる。

＜イオン伝導体＞
イオン伝導体は負極と正極との間に配置され、負極で生成されたプロトンを正極に伝導する。イオン伝導体としては特に限定されず、例えば、リン酸緩衝液等の液体に電解質が溶解した電解液、及び固体のポリマー電解質等が挙げられる。
イオン伝導体は負極と正極との間に配置しなくてもよい。例えば、小型・軽量化及び保存性等を考慮すると、デバイス内に電解質を含むイオン伝導体を配置せず、燃料又はセンシング対象物質である尿、汗、及び血液等に含まれるイオン伝導体を使用することが好ましい場合がある。

＜燃料又はセンシング対象物質＞
燃料又はセンシング対象物質としては酸化還元酵素により分解できる有機物であれば特に限定されず、グルコース（好ましくは天然型のＤ−グルコース）及びフルクトース等の単糖類；デンプン等の多糖類；エタノール等のアルコール；乳酸等の有機酸等が挙げられる。中でも、グルコース、フルクトース、及び乳酸からなる群より選択される１種以上の有機物が好ましい。燃料は、外部から供給されてもよいし、セパレータ等に担持されるなど、酵素発電デバイスに内蔵されてもよい。

＜親水化処理＞
正極、負極、および前記正極と前記負極の間の電極基材の表面の少なくとも一部が親水性であることが好ましい。親水化処理としては、プラズマ処理、オゾン処理、ＵＶや電子線によるラジカル活性化処理等の表面改質や、親水性化合物の設置等が挙げられる。
また、親水性化合物を含んだ電極や基材に対して更に親水化処理を行ってもよい。親水化処理は、導電下地層や正極、負極を設置する前後は問わず、いずれの工程で実施してもよい。

＜親水性化合物＞
親水性化合物は、正極または負極の少なくともいずれかに含まれていればよく、親水性化合物が電極に存在することにより、水あるいはイオン伝導体や燃料等を含む水溶液が浸潤しやすくなり、酵素発電デバイスの動作が容易になる。電極内部および／または電極表面に設置する方法としては、正極あるいは負極を形成する組成物に予め混合し塗工・乾燥する方法、電極を形成してから親水性化合物を含有する溶液を滴下・乾燥する等の方法が挙げられる。
親水性化合物としては水溶性低分子化合物や水溶性高分子等の水溶性化合物、親水性粒子が挙げられ、単独でも併用して用いてもよい。
水溶性低分子化合物としては、水に溶解するものであれば特に限定はなく、グルコースやフルクトース等の糖、クエン酸等の酸、塩化ナトリウム等の塩が例として挙げられる。
水溶性高分子としては、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルピロリドン等が例として挙げられ、更に共重合体でもよい。また、水溶性高分子は水に対し完全に溶解しなくともよく、水を含むゲルとなるもの等も適用できる。
親水性粒子としては、ポリスチレン、シリカ、アルミナ等の微粒子をスルホン化等の親水処理を施したものが例として挙げられる。

親水性化合物は、正極と負極の間の基材表面に存在してもよく、例えば親水性化合物を含有する溶液を滴下・乾燥させる方法によって付与することができる。正極と負極の間の基材表面に親水性を付与することにより、水あるいはイオン伝導体や燃料を含む水溶液が浸潤した際の流路にもなる。特に、酵素反応の燃料となる化合物や電解質となる塩を、電極の間に設置しておくと、水が浸潤しやすく好ましい。

＜親水性シート＞
本発明の酵素発電デバイスは、正極、負極、および前記正極と前記負極の間の電極基材の表面の少なくとも一部に親水性シートを設置してもよい。親水性シートにより、水や燃料などを含んだ水溶液がより効率的に正極や負極あるいは正極と負極の間の基材の表面に濡れ広がり、電極反応を生起することができる。
親水性シートは、特に限定されないが、紙や布等の毛管現象を活用したシートや、ポリビニルアルコールやデンプン等の水溶性高分子からなるシートが例示できる。
親水性シートは、正極、負極、および前記正極と前記負極の間の電極基材表面の少なくとも一部に設置してもよいし、全面を覆うように設置してもよい。負極、および前記正極と前記負極の間の電極基材の表面の少なくとも一部に親水性シートが設置されていることが好ましい。

＜酵素発電デバイス＞
酵素発電デバイスの正極と負極は、前記方法により適宜、印刷・塗工され、基材の片面に一対の電極が設置されるが、イオン移動の障害にならないように、正極と負極の距離は可能な限り短い方が好ましい。また、正極および負極の塗工面に長辺と短辺が存在する場合、それぞれの電極の長辺同士が対向して設置されることが好ましい。
酵素発電デバイスは、１対の正極と負極から構成されてもよく、２対以上の正極と負極が同一平面上に存在してもよく、また更に２対以上の正極と負極が直列および／または並列に接続されてもよい。さらに、本発明の効果を損なわない範囲で、基材のもう一方の面上に１対以上の電極を備えていてもよい。

本発明の酵素発電デバイスは、酵素燃料電池、自己発電型センサー、有機物センサー、及び水分センサー等として利用することができる。
自己発電型センサーは、電源機能を有するとセンサーである。このセンサーは、酵素反応により発電した電力を用いてセンサーを駆動させることができ、外部からの電力供給が不要な電源フリーのセンサーである。
自己発電型センサーは、例えば生体向けのウェアラブルセンサー又はインプラントセンサーとしての活用が期待されている。これら生体向けデバイスでは、血液中の血糖、尿中の尿糖、汗中の糖又は乳酸、涙、及び唾液中の糖等をセンシング対象物質として利用できる。また、生体試料が燃料として利用できる有機物を含まなくても、自己発電型センサーは、予め燃料となる有機物を内蔵することで、水分等の液体成分をセンシング対象物質としたセンサー（例えば水分センサー）として利用することができる。

本発明の酵素発電デバイスを適用可能な電源としては例えば、家庭用電源、モバイル機器用電源、使い捨て電源、生体用のウェアラブル電源又はインプラント電源、バイオマス燃料用電源、ＩｏＴセンサー用電源、及び周囲の有機物を燃料として発電する環境発電（エネルギーハーベスト）電源等が挙げられる。

本発明の酵素発電デバイスを適用可能なセンサーとしては例えば、各種有機物を対象とした有機物センサー；血液、汗、尿、便、涙、唾液、及び呼気等の生体試料中の有機物又は体液を対象とした生体センサー；水分を対象にした水分センサー；果物又は食品中の糖等を対象にした食品用センサー；ＩｏＴセンサー；大気、河川、及び土壌等環境中の有機物を対象にした環境センサー；動物、昆虫、植物を対象にした動植物センサー等が挙げられる。これらセンサーは、電源とセンサーを兼ねる自己発電型センサーであってもよいし、電源を兼ねないセンサーであってもよい。

本発明の酵素発電デバイスを用いたセンシングでは、電源とセンサーのうち少なくとも一方に本発明の酵素発電デバイスを用いることができる。電源として別方式の電池（例えばコイン電池等）を用い、センサーとして本発明の酵素発電デバイスを用いてもよいし、電源及びセンサーとして本発明の酵素発電デバイスを１種以上用いてもよいし、電源として本発明の酵素発電デバイスを用い、センサーとして別方式のセンサーを用いてもよい。

生体センサーの具体例としては例えば、血液中の糖をセンシングする血糖値センサー；尿中の糖をセンシングする尿糖値センサー；汗中の乳酸値をセンシングする疲労度センサー又は熱中症センサー；汗又は尿中の水分をセンシングする発汗センサー又は排尿センサー等が挙げられる。
生体向けのウェアラブルセンサー又はインプラントセンサーの用途として例えば、おむつ内に取り付けて使用する排尿センサー又は尿糖値センサー；経皮貼付型の発汗センサー又は熱中症センサー等が挙げられる。

以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、実施例は本発明の権利範囲を何ら制限するものではない。なお、実施例および比較例における「部」は「質量部」、％は質量％を表す。

＜導電性組成物の作製＞
鱗状黒鉛ＣＢ−１５０（日本黒鉛社製）を１８部、アセチレンブラックＨＳ−１００（デンカ社製）を４．５部、バインダーとしてエマルション型アクリル樹脂分散溶液（トーヨーケム社製：Ｗ-１６８）を３部（固形分５０％）、分散剤としてカルボキシメチルセルロース水溶液５０部（固形分２％）、溶剤として水２４．５部をミキサーに入れて混合し、導電性組成物（１）を得た。

＜負極用組成物の作製＞
導電材としてファーネスブラックＶＵＬＣＡＮ（登録商標）ＸＣ７２（ＣＡＢＯＴ社製）４．８部、水性液状媒体として水４８．２部、更に分散材剤としてポリビニルピロリドン水溶液２部（固形分２０％）、カルボキシメチルセルロース水溶液４０部（固形分２％）、バインダーとしてエマルション型アクリル樹脂分散溶液（トーヨーケム社製：Ｗ-１６８）５部（固形分５０％）をミキサーに入れて混合した。その後、メディエータとしてテトラチアフルバレン０．５部、酸化還元酵素としてグルコースオキシダーゼ０．５部を加えディスパーで混合し、適宜、水を加えて粘度を調整して負極用組成物（１）を得た。

＜正極用炭素触媒の製造＞
グラフェンナノプレートレットｘＧｎＰ−Ｃ−７５０（ＸＧｓｃｉｅｎｃｅ社製）と鉄フタロシアニン Ｐ−２６（山陽色素社製）を、質量比１／０．５（グラフェンナノプレートレット／鉄フタロシアニン）となるようにそれぞれ秤量し、乾式混合を行い、混合物を
得た。上記混合物を、アルミナ製るつぼに充填し、電気炉にて窒素雰囲気下、８００℃で２時間熱処理を行い、正極用炭素触媒（１）を得た。

＜正極用組成物の作製＞
正極用炭素触媒（１）１２．８部、水性液状媒体として水４１．２部、更に分散剤としてカルボキシメチルセルロース水溶液４０部（固形分２％）、バインダーとしてエマルション型アクリル樹脂分散溶液（トーヨーケム社製：Ｗ−１６８）６部（固形分５０％）を加えミキサーで混合し、正極用組成物（１）を得た。

＜実施例１＞

＜導電性下地層の形成＞
疎水性基材としてＰＥＴ基材であるルミラー（東レ社製）の上に、間隔３ｍｍをおいて水平に２ヵ所、１０×１５ｍｍの長方形の長辺が対向して設置するようにテープでマスキング処理を行い、導電性組成物（１）をドクターブレードを用いて塗布した後、加熱乾燥して導電性下地層（１）を得た。

＜負極および正極の形成＞
前記導電性下地層上に負極および正極を形成した。
基材上に形成された２ヵ所の１０×１５ｍｍの導電性下地層のうち１ヵ所について、３×１２ｍｍの長方形以外をテープでマスキング処理を行い、負極用組成物（１）をドクターブレードにより塗布した後、乾燥して負極（１）を形成した。
続いて、もう一方の導電性下地層について、３×１２ｍｍの長方形以外をテープでマスキング処理を行い、正極用組成物（１）をドクターブレードにより塗布した後、乾燥して正極（１）を形成した。
この結果、図１に示すように、疎水性基材部を挟んで負極と正極が並ぶように配置された１対の電極が形成された。

＜水溶性化合物の塗布＞
水溶性化合物として１％カルボキシメチルセルロース水溶液を、正負極上部および負極と正極の間の塗工処理されていない基材上に塗工・乾燥し、水溶性化合物を設置した。

＜酵素発電デバイスの動作確認＞
電解液として０．１Ｍグルコースを含む０．１Ｍリン酸緩衝液を作製し、前記酵素発電デバイスの正極、負極、正極と負極の間の基材表面が浸潤するように滴下した。開回路電圧は０．３Ｖを示し、電池としての出力も確認できた。

＜実施例２＞

＜導電性下地層の形成＞
疎水性基材としてＰＥＴ基材であるルミラー（東レ社製）の上に、間隔３ｍｍをおいて水平に３ヵ所、１０×１５ｍｍの長方形の長辺が対向して設置するようにテープでマスキング処理を行い、導電性組成物（１）をドクターブレードを用いて塗布した後、加熱乾燥して導電性下地層（２）を得た。

＜負極および正極の形成＞
前記導電性下地層上に負極および正極を２対形成した。
基材上に形成された３ヵ所の１０×１５ｍｍの導電性下地層のうち中央および左の導電性下地層上のそれぞれに、３×１２ｍｍの長方形以外をテープでマスキング処理し、負極用組成物（１）をドクターブレードにより塗布した後、乾燥して負極（１）を形成した。
続いて、中央および右の導電性下地層上のそれぞれに、３×１２ｍｍの長方形以外をテープによりマスキング処理し、正極用組成物（１）をドクターブレードにより塗布した後、乾燥して正極（１）を形成した。
この結果、図２に示すように、疎水性基材部を挟んで負極と正極が並ぶように配置された２対の電極が形成された。

＜水溶性化合物の塗布＞
水溶性化合物として１％カルボキシメチルセルロース水溶液を、正負極上部および負極と正極の間の塗工処理されていない基材上に塗工・乾燥し、水溶性化合物を設置した。

＜酵素発電デバイスの動作確認＞
電解液として０．１Ｍグルコースを含む０．１Ｍリン酸緩衝液を作製し、前記酵素発電デバイスの正極、負極、正極と負極の間の基材表面が浸潤するように滴下した。開回路電圧は０．６Ｖを示し、電池として出力も確認できた。２個分の電池が直列で接続されたため、電池の電圧を高める設計も可能となった。
また、並列で接続したり、並列と直列を組み合わせて所望の電圧、出力を得ることができる。

１ ＰＥＴフィルム
２ 導電性下地層
３ 負極
４ 正極

Claims (7)

1. 電極基材の片面に、正極および負極からなる一対以上の電極が設けられた酵素発電デバイスであって、前記電極基材は疎水性基材または撥水性基材であり、前記電極は酸化還元酵素および親水性化合物を含む酵素発電デバイス。
2. 電極基材と電極の間に、導電性下地層を有する請求項１記載の酵素発電デバイス。
3. 電極基材が樹脂フィルムである、請求項１または２記載の酵素発電デバイス。
4. 正極、負極、および前記正極と前記負極の間の電極基材の表面の少なくとも一部が親水性である請求項１〜３いずれか記載の酵素発電デバイス。
5. 正極、負極、および前記正極と前記負極の間の電極基材の表面の少なくとも一部に親水性化合物を有する請求項４記載の酵素発電デバイス。
6. 正極、負極、および前記正極と前記負極の間の電極基材の表面の少なくとも一部に親水性シートを有する請求項１〜５いずれか記載の酵素発電デバイス。
7. 電極基材の片面に、二対以上の電極が設けられた請求項１〜６いずれか記載の酵素発電デバイス。
   
   

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