JP5833123B2 - 直接移動型のバイオ電池 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば砂糖−酸素タイプ、例えばグルコース−酸素のバイオ電池又はバイオセンサに適したバイオ電極に関する。
以下の記載は、基本的にバイオ電池に関する。バイオセンサは、バイオ電池と同一の構造を有しているが、酵素反応に関する要素の内の１つ、例えばグルコースの含有量を検出するために使用されると理解すべきである。
様々なタイプのグルコース−酸素のバイオ電池が先行技術に記載されている。例えば、国際特許出願第PCT/FR2009/050639 号（B8606 ）では、バイオ電池の夫々の電極、つまりアノード及びカソードが夫々、電極線が差し込まれている液状媒体を含有しているアノード室及びカソード室に相当する。アノード室及びカソード室は、水素及び酸素によって通過され得るが、より重い他の要素の循環を回避する薄膜によって画定されている。
アノードは、酵素及び酸化還元メディエータを溶液中に有している。酵素は、砂糖の酸化に触媒作用を及ぼすことが可能であり、例えば、砂糖がグルコースである場合、グルコースオキシダーゼである。酸化還元メディエータは、電子をアノードの酵素と交換することができる低い酸化還元電位を有しており、例えば、ユビキノン(UQ)である。
カソードも、酵素及び酸化還元メディエータを溶液中に有している。酵素は、酸素の還元に触媒作用を及ぼすことが可能であり、例えばポリフェノールオキシダーゼ(PPO) である。酸化還元メディエータは、電子をカソードの酵素と交換することができる高い酸化還元電位を有しており、例えば、ヒドロキノン(QHD) である。
従って、以下のタイプの反応がアノード及びカソードで生じる。
Figure 0005833123
その後、20mVのアノード電位及び250mV のカソード電位が得られ、バイオ電池の零電流電位差が230mV になる。
国際公開第2009／036092号パンフレット
このようなバイオ電池は適切に作動するが、アノード導体及びカソード導体が、適切な液体を含有するチャンバ内に差し込まれる必要があり、これは多くの場合、実用面で不利であり、特に、このようなバイオ電池を生体内に埋め込むこと、特に心臓刺激装置、人工の括約筋又は人工心臓のような様々なアクチュエータを電力で動かすことが非常に困難になり、場合によっては不可能になる。
2010年４月８日付の公開されていない仏国特許出願第10／52657 号明細書はこのようなバイオ電池について述べている。図１に示されているように、このバイオ電池はアノード体A 及びカソード体K を備えている。アノード体は、適切な酵素及び酸化還元メディエータに関連した導体材料を含む固体から形成されている。アノード体は、アノード線1 に固着されている。同様に、カソード体は、適切な酵素及び酸化還元メディエータに関連した導体材料を含む固体から形成されている。カソード体は、カソード線3 に固着されている。例えば白金から形成されたアノード線及びカソード線が夫々、アノード体及びカソード体内に差し込まれるように示されているが、アノード体及びカソード体に単に結合されてもよい。アノード体及びカソード体は、例えば、適切な酵素及び酸化還元メディエータと混合した粉末の黒鉛を圧縮することによって形成されている。
化学的な酸化還元メディエータは、電極の表面と人工装具の中心、つまり酵素の活性中心との間に位置付けられた酸化還元メディエータ間を移動する電子により、酵素及び電極を電気的に接続し得る。
バイオ電極の構造の複雑さ（酸化還元メディエータは一般に水性媒体に可溶性であり、酸化還元メディエータを電極の表面に固定する必要がある）に加えて、このような酸化還元メディエータを使用する主な欠点は、酸化還元メディエータがバイオ電池によって与えられる電位を大きく減少させるということである。定義上、このような酸化還元メディエータは、グルコースを酸化させるために、グルコースとの特に還元型での反応を可能にすべく、グルコース酸化に触媒作用を及ぼす酵素の酸化還元中心の電圧より大きな電圧を有している必要がある。同様に、酸素を還元する酵素を接続するための酸化還元メディエータは、酸化型での反応を可能にすべくこの酵素の活性中心の電位より低い電位を有している必要がある。その結果、グルコースの酸化に触媒作用を及ぼす酵素の活性箇所と酸素の還元に触媒作用を及ぼす酵素の活性箇所との電位差は、これらの２つの反応に包含された酸化還元メディエータ間の電位差より必然的に大きい。例えば、理論上、グルコース／酸素のバイオ電池は１Ｖの電位を与えるべきであるが、酸化還元メディエータを使用することにより、バイオ電池の電位が非常に低くなる。バイオ電池の電位が更に、動的な制限及び抵抗降下の問題によって制限されることに注意すべきである。
従って、酵素を電極に（酸化還元メディエータを使用せずに）直接電気的に接続することが試みられている。しかしながら、電子の移動度は非常に低いままであり、酵素の調整を必要とすることがある。更に、このようなバイオ電池の効率は低いままである。
従って、効率が高く、埋め込み可能なバイオ電池が必要である。
このようにして、本発明の実施形態によれば、バイオ電池及びバイオセンサの分野での適用のために用いられ易く、特に動物又は人間に埋め込まれ得るバイオ電極を形成しようとしている。
より具体的には、本発明の実施形態は、対象物及び酸化剤を含有している液状媒体に浸されるためのバイオ電池の電極、又は対象物及び還元剤を含有している液状媒体に浸されるためのバイオセンサの電極であって、アノード電極が、対象物の酸化に触媒作用を及ぼし得る酵素を含有しており、カソード電極が、酸化剤の還元に触媒作用を及ぼし得る酵素を含有しており、前記アノード電極及びカソード電極は夫々、酵素と混合されたカーボンナノチューブの固体状の凝集体から形成されており、電極線に固着されており、前記酸化剤及び対象物を通過させて、前記酵素を遮断する半透膜に囲まれていることを特徴とする電極を提供する。
本発明の実施形態によれば、前記半透膜は透析膜タイプである。
本発明の実施形態によれば、前記対象物はグルコースである。
本発明の実施形態は、バイオ電池又はバイオセンサを製造する方法であって、あらゆる酸化還元メディエータを除いて、カーボンナノチューブと対象物の酸化に触媒作用を及ぼし得る酵素とを含有する溶液中の混合物を圧縮することによってアノード電極を形成し、カーボンナノチューブと酸化剤の還元に触媒作用を及ぼし得る酵素とを含有する溶液中の混合物を圧縮することによってカソード電極を形成し、前記アノード電極及びカソード電極を、前記酸化剤及び対象物を通過させて前記酵素を遮断する半透膜で囲むことを特徴とする方法を提供する。
本発明の実施形態によれば、前記カーボンナノチューブは多層タイプである。
固体電極を備えたバイオ電池を非常に概略的に示す図である。 本発明に従って製造されたバイオ電極から形成されたグルコース／酸素のバイオ電池の電圧に応じた電流及び電力性能を示す図である。 グルコースの注入に対するバイオセンサの電気化学応答を示す図である。 グルコースの濃度に応じたバイオセンサの電流応答を示す図である。
前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではなく具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。
一般的には、本発明は、電気的に接続される酵素を含有している新たなタイプの固体電極に関する。本発明は、カーボンナノチューブ、酵素、酵素を可溶化するために必要な水、及び、異なる要素間の結合剤としてのグリセロールの混合物を小さなブロック状に、例えばディスク状に圧縮することによって、密度が大きい酵素の電気接続を提供する。カーボンナノチューブは、単層又は多層のタイプである。
非常に薄く伝導性が大きいカーボンナノチューブを使用することによって、カーボンナノチューブが、活性酸化還元中心を保護するタンパク質の包囲体から形成されている大きな酵素分子内に貫通するため、酵素を固定して接続することが可能になる。
カーボンナノチューブの伝導性及び非常に小さな（約１ナノメートル程度の）直径により、触媒活性を維持する酵素との電気的な連通が可能になる。酵素の触媒機能は、生物電気化学的な検出のため、又はエネルギー変換、更に具体的には電気エネルギーの生産のために利用されてもよい。このようなバイオ電極は、バイオ電池及びバイオセンサの分野で使用されてもよい。
アノードは、例えば、燃料、例えばグルコースの酸化に触媒作用を及ぼし得るグルコースオキシダーゼ(GOX) のようなオキシダーゼを含有しているカーボンナノチューブの圧縮体から形成されている。
カソードは、例えば、酸素のような酸化剤の還元に触媒作用を及ぼし得るラッカーゼ又はビリルビンオキシダーゼのような酵素を含有しているカーボンナノチューブの圧縮体から形成されている。
そのため、以下のタイプの反応がアノード及びカソードで生じる。
Figure 0005833123
このような反応は、燃料がグルコースであり、アノードの酵素がグルコースオキシダーゼ(GOX) であり、酸化剤が酸素であり、カソードの酵素はラッカーゼである特定の場合に生じる。
一例として、アノードは、150mg のカーボンナノチューブと、30mgのグルコースオキシダーゼと、30mgのカタラーゼ（カタラーゼの機能は、O2の存在下でグルコースオキシダーゼによって形成されるH2O2（有害生成物）を除去することである：H2O2 → 1/2 O2 ＋ H2O）と、0.6ml の水と50μl のグリセロールとをセラミック性の乳鉢で混合することにより調製される。カソードは同様の方法で調製され、150mg のカーボンナノチューブ、30mgのラッカーゼ、0.6ml の水及び25μl のグリセロールがセラミック製の乳鉢で混合される。カーボンナノチューブ及び酵素から形成されたペーストが、1,500kg/cm2 の圧力で圧縮されてディスクが形成される。ディスクの表面及び厚さは夫々1.33cm2 及び0.1cm である。白金の線が、夫々のディスクの一側で、圧縮されたカーボンナノチューブに伝導性の接着剤で取り付けられ、生体適合物質と電気接点との機械的強度を補強すべくシリコン膜で覆われている。
電池として作動するために、このようなアノード体及びカソード体は、酸素と砂糖、例えばグルコースとを含有している流体に置かれる。
このバイオ電池は、１Ｖの零電流電位、1,800 μW/cm2 の最大出力及び８mAの最大電流を有している。このような性能は、酵素が直接接続される公知のバイオ電池で得られる性能（５μW/cm2 の最大出力及び0.73Ｖの最大零電流電位）よりはるかに高い。更に、このバイオ電池は、デバイスを作動させるべく十分に高い電位で相当量の電力、例えば0.8Vで800 μW を有し得る。
図２は、一例として上述されているようなバイオ電池の電位に応じた電力及び電流の曲線を示している。
図3Aは、グルコースの存在に対する、上述されているバイオ電池のように構成されたバイオセンサの電気化学応答を示しており、図3Bは、グルコースの濃度に応じて測定された電流を示している。
このバイオセンサを使用するために、電極が水性液体に差し込まれて、グルコースが加えられる。電位、例えば0.1Vが、液状の分析媒体に夫々差し込まれたバイオ電極及び基準電極間に印加され、電流が、バイオ電極と分析媒体に浸された補助電極との間で測定される。液体中に存在するグルコースの検出及び定量化が、酵素によって触媒作用が及ぼされるグルコース酸化の電流を測定することによって行われる。
0.1Vの電位で維持されたバイオセンサの性能は、感度及び最大電流密度に関して夫々17mA/M/cm2及び685 μA/cm2である。アノードの干渉を除去し得る作業電位に加えて、このバイオセンサは、従来のグルコースのバイオセンサに関しても今まで述べられた最も大きな最大電流密度を有している。
しかしながら、このようなアノード体及びカソード体を使用したバイオ電池の寿命は短いことが分かった。本発明者は、この問題が、アノード体及びカソード体から酵素が経時的に漏れるからであるとみなした。この問題を解決するために、アノード体及びカソード体は夫々、透析で現在使用されている薄膜のような微小な孔があいた薄膜に囲まれてもよい。薄膜がグルコース及び酸素を通過させて、酵素及びより大きな分子量のカーボンナノチューブの通過を防止する。アノード電極及びカソード電極は、特にアノード電極及びカソード電極の動物又は人体内への埋め込みを可能にすべく、グルコース及び酸素を通過させて酵素及びカーボンナノチューブを遮断する半透膜で全体が囲まれてもよい。
グルコース−酸素のバイオ電池の例が上述されている。いかなる砂糖−酸素のバイオ電池も本発明に従って修正されてもよく、更に一般的には、いかなるバイオ電池も、対象物の酸化に触媒作用を及ぼし得る酵素を有するアノードと、酸化剤の還元に触媒作用を及ぼし得る酵素を有するカソードとを備えている。
様々な変形例を有する様々な実施形態が上述されている。尚、当業者は、いかなる進歩性も示さずにこれらの様々な実施形態及び変形例の様々な要素を組み合わせ得ることに留意すべきである。

Claims (5)

  1. 対象物及び酸化剤を含有している液状媒体に浸されるためのバイオ電池の電極、又は対象物及び還元剤を含有している液状媒体に浸されるためのバイオセンサの電極であって、
    アノード電極が、対象物の酸化に触媒作用を及ぼし得る酵素を含有しており、カソード電極が、酸化剤の還元に触媒作用を及ぼし得る酵素を含有しており、
    前記アノード電極及びカソード電極は夫々、酵素と混合されたカーボンナノチューブの固体状の凝集体から形成されており、電極線に固着されており、
    前記酸化剤及び対象物を通過させて、前記酵素を遮断する半透膜に囲まれていることを特徴とする電極。
  2. 前記半透膜は透析膜タイプであることを特徴とする請求項１に記載の電極。
  3. 前記対象物はグルコースであることを特徴とする請求項１に記載の電極。
  4. バイオ電池又はバイオセンサを製造する方法であって、
    あらゆる酸化還元メディエータを除いて、カーボンナノチューブと対象物の酸化に触媒作用を及ぼし得る酵素とを含有する溶液中の混合物を圧縮することによってアノード電極を形成し、カーボンナノチューブと酸化剤の還元に触媒作用を及ぼし得る酵素とを含有する溶液中の混合物を圧縮することによってカソード電極を形成し、
    前記アノード電極及びカソード電極を、前記酸化剤及び対象物を通過させて前記酵素を遮断する半透膜で囲むことを特徴とする方法。
  5. 前記カーボンナノチューブは多層タイプであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
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