WO2012002290A1 - タンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイス - Google Patents

タンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイス Download PDF

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Abstract

安全・小型・フレキシブルな自立型のタンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイスを提供することを目的とする。本発明によると、複数のカーボンナノチューブが集合して形成されたカーボンナノチューブ集合体と、複数のカーボンナノチューブ間の複数の酵素と、を含むカーボンナノチューブフィルムが提供される。カーボンナノチューブフィルムは、酵素とは異種のタンパク質を含んでもよく、複数のカーボンナノチューブ間に界面活性剤を含んでもよい。

Description

タンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイス
本発明は、タンパク質を包含したカーボンナノチューブ集合体（カーボンナノチューブフォレスト（Carbon Nanotube Forest：ＣＮＴＦ）ともいう）の自立フィルム（Free standing film）に関する。特に、酵素などのタンパク質を包含したカーボンナノチューブ集合体の自立フィルム、及び、当該フィルムを電極に用いるセンサ及び発電デバイス、及びその製造方法に関する。ここで、「自立フィルム（Free standing film）」とは、支持基板を要しないフィルムのことを意味する。
近年、環境問題を皮切りに、低環境負荷な発電デバイスが求められている。また、近未来デバイスとして有力な電子ペーパーやヘルスモニタリング等のバイオエレクトロニクスデバイスの開発事情と相俟って、次世代の発電デバイスへの要求は、従来からの安全・軽量に加え、クリーン・フレキシブル・小型化に向かいつつある。このような中、生体由来の燃料によって発電するバイオ電池は、多くの魅力（身近なバイオ燃料（糖、アルコール）、温和な動作環境（常温・中性・大気圧）、燃料精製不要、セパレータ不要等）を有しているため、世界中で注目されている。
バイオ電池は、生体由来の燃料を酸化する酵素をアノードの電極に固定化し、酸素を還元する酵素をカソードの電極に固定化した構造を有し、これらの酵素による酸化還元反応を利用して生体由来の燃料から電気エネルギーを得る燃料電池の一種である。
しかし、化学電池やバイオセンサから派生したバイオ電池は、素材、コンポーネント、パッケージング技術に多くの課題がある。炭素を構成要素とする電極材料は、安全性や耐久性、また生体適合性に優れるため、センサや電池に広く用いられ、通常は炭素微粒子をバインダーで結着させたものである。例えば、低温焼成カーボンの微粒子を電極上に吸着させ、微粒子の内空間や外表面上に酵素を固定化させる手法が特許文献１に報告されている。しかし、タンパク質のサイズに合わせた孔径制御はできず、そして柔軟性もない。また、本発明者らが以前に報告した特許文献２や、非特許文献１には、基板上で垂直に配向したカーボンナノチューブ集合体への酵素固定が報告され、非特許文献２には、カーボンナノファイバーへの酵素修飾が報告されている。しかし、いずれの報告もカーボンナノチューブ集合体は支持体と一体形成され、柔軟性を有するものではない。
特開２００７－３５４３７号公報 特開２００９－２２２４５９号公報
Chow Khim Tan, Kian Ping Loh, Thong T.L John, Analyst, 133 (2008) 448 Eugenii Katz, Itamar Willner, ChemPhysChem, 5 (2004) 1084.
電極に安全・小型・フレキシブルという性能を与えることができれば、発電デバイスの設計の自由度が大きく改善され、電池性能も大きく進歩することとなる。また、これらの電極の性能はバイオセンサにも共通した要求であり、バイオセンサの開発にも大きく貢献することとなる。
本発明は、発電デバイス、バイオセンサの開発の要請に応えるべく、安全・小型・フレキシブルな自立型のタンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイスを提供することを課題とする。
（１）　本発明の一実施形態によると、複数のカーボンナノチューブが集合して形成されたカーボンナノチューブ集合体と、前記複数のカーボンナノチューブ間の複数の酵素と、を含むカーボンナノチューブフィルムが提供される。
（２）　前記カーボンナノチューブフィルムは、前記酵素とは異種のタンパク質を含んでもよい。
（３）　前記カーボンナノチューブフィルムは、前記複数のカーボンナノチューブ間に界面活性剤を含んでもよい。
（４）　前記カーボンナノチューブフィルムは、前記複数のカーボンナノチューブ間に複数のメディエータ分子を含んでもよい。
（５）　前記酵素は、オキシダーゼ又はデヒドロゲナーゼであってもよい。
（６）　前記カーボンナノチューブ集合体は、比表面積６００ｍ２／ｇ以上２６００ｍ２／ｇ以下、重量密度０．００２ｇ／ｃｍ３以上０．２ｇ／ｃｍ３以下、細孔径の分布極大が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下を有してもよい。
（７）　前記カーボンナノチューブ集合体の４本の前記カーボンナノチューブで囲まれた空隙に、前記酵素が前記カーボンナノチューブの長手方向と平行に１列で密に配列した部分を含んでもよい。
（８）　また、本発明の一実施形態によると、（１）乃至（７）の何れか一に記載のカーボンナノチューブフィルムを有する一対の電極と、燃料と、を含む燃料電池が提供される。
（９）　また、本発明の一実施形態によると、（１）乃至（７）の何れか一に記載のカーボンナノチューブフィルムを有する電極を含むセンサが提供される。
（１０）　また、本発明の一実施形態によると、基板上に成長した複数のカーボンナノチューブを有するカーボンナノチューブフィルムを前記基板から剥離し、前記カーボンナノチューブフィルムを酵素を含む溶液に浸漬する、カーボンナノチューブフィルムの製造方法が提供される。
（１１）　前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法において、前記カーボンナノチューブフィルムを前記基板から剥離した後、界面活性剤を含む第１の緩衝液に前記カーボンナノチューブフィルムを浸漬し、その後、前記カーボンナノチューブフィルムを前記酵素を含む前記溶液に浸漬してもよい。
（１２）　前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法において、前記カーボンナノチューブフィルムを前記溶液に浸漬した後、前記カーボンナノチューブフィルムを乾燥させてもよい。
（１３）　前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法において、前記溶液は、前記酵素とは異種のタンパク質を含んでもよい。
（１４）　前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法において、前記溶液に複数のメディエータ分子を含んでもよい。
（１５）　前記カーボンナノチューブフィルムの製造方法において、前記酵素は、オキシダーゼ又はデヒドロゲナーゼであってもよい。
（１６）　前記酵素を含む前記溶液は、前記カーボンナノチューブ集合体の４本の前記カーボンナノチューブで囲まれた空隙に、前記酵素が前記カーボンナノチューブの長手方向と平行に１列で密に配列する部分を含む濃度であってもよい。
本発明の方法によると、安全・小型・フレキシブルな自立型のタンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイスが提供される。
本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブフィルム１００の模式図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は上面図である。 本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブフィルム２００の模式図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は上面図である。 本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブフィルムの製造方法を示す図である。 本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブフィルム１００をフレキシブル基板１５０に貼付した例を示す図であり、（ａ）は光学写真、（ｂ）は模式図である。 本発明の一実施形態に係る発電デバイス４００の模式図。 本発明の一実施形態に係る発電デバイス４００の電極を示す図であり、（ａ）はカーボンナノチューブフィルム１００の光学写真及び模式図を示し、（ｂ）は電極の模式図及び光学写真である。 本発明の一実施例に係る包含した酵素の大きさと、乾燥後のカーボンナノチューブフィルム１００の大きさとの関係を示す図である。 実施例及び比較例のキャパシタンス容量評価の結果を示す図で、（ａ）はカーボンナノチューブフィルムの電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示し、（ｂ）はキャパシタンス容量評価の結果を示す。 実施例及び比較例のアノード電極によるフルクトース酸化の電流・電位曲線を示す図である。 実施例及び比較例のカソード電極による酸素還元の電流・電位曲線を示す図である。 バイオ発電デバイスの出力評価結果を示す図である。 本発明の一実施例に係るＬＥＤデバイスを示す図である。 カーボンナノチューブ集合体１１０と酵素１２０との理論的な空間配置を示す模式図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は斜視図である。 酵素包含量の実測結果を示す図であり、（ａ）は酵素濃度と酵素包含量の関係を示す図であり、（ｂ）は光学顕微鏡写真である。 酵素濃度と電流密度の関係を示す図である。 酵素電極の耐久性評価の結果を示す図である。 フルクトース濃度と電流密度の関係を示す図である。 カーボンナノチューブフィルムの積層と電極性能の関係を示す図であり、（ａ）はアノードの測定結果を示し、（ｂ）はカソードの測定結果を示す。 電池の性能評価の結果を示す図であり、（ａ）は電池の電圧に対する出力と電流密度の測定結果を示し、（ｂ）は耐久性試験の結果を示す図である。 カーボンナノチューブの構造が電極性能に及ぼす影響を示す図である。 カーボンナノチューブフィルムのＧ／Ｄ比と電極性能との関係を示す図である。 （ａ）はビリルビンオキシダーゼを電極触媒とするカソードの性能を示す図であり、（ｂ）はビリルビンオキシダーゼ溶液の濃度とカーボンナノチューブ集合体の収縮との関係を示す図である。 電極性能に与える界面活性剤の影響を示す図である。
以下、図面を参照して本発明に係るタンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイスとその製造方法について説明する。本発明に係るタンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイスは、カーボンナノチューブの集合体を有する電極を含む。本発明のタンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイスとその製造方法は、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び後述する実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
本発明者らは、安全・小型・フレキシブルな自立型のタンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイスを実現すべく鋭意検討を行った。その結果、優れた導電性材料であるカーボンナノチューブ集合体を利用し、脆弱な酵素をマイルドな固定化法によってカーボンナノチューブ集合体に固定化することで、柔軟且つ電池性能を改善したカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイスを提供することを想到した。
本発明者らは、これまでに、化学気相成長法（以下、ＣＶＤという）を用いた配向性の高いＣＮＴ構造体について研究し、例えば、単層ＣＮＴ構造体及びその製造方法については、Science 306, 1362-1364 (2004)や、国際公開ＷＯ２００６／０１１６５５号において報告した。また、二層ＣＮＴ（以下、二層ＣＮＴという）構造体及びその製造方法については、Nature Nanotechnology 1, 131-136 (2006)や、特開２００７－１４５６３４号公報において報告した。
本発明者らは、上述のようなＣＶＤ（以下、スーパーグロース法という）を用いて導体基板上に形成した配向単層ＣＮＴの集合体に、酸化還元タンパク質を固定化した電極材料が、ＣＮＴと酸化還元タンパク質との間の高効率の電子授受を可能とし、高効率の水素発生デバイスを実現することを特許文献２で報告した。しかし、特許文献２では導体基板を用いるため、小型で、柔軟性のある自立型のカーボンナノチューブフィルムを実現するには、更なる改良を要する。
（実施形態１）
（カーボンナノチューブフィルム）
図１に本発明の実施形態に係るカーボンナノチューブフィルム１００の模式図を示す。カーボンナノチューブフィルム１００は、ＣＮＴ１１１が集合したカーボンナノチューブ集合体１１０が、タンパク質１２０を包含した構造を有する。言い換えると、ＣＮＴ１１１が集合したカーボンナノチューブ集合体１１０を構成するＣＮＴ１１１の間にタンパク質１２０が存在する。タンパク質１２０には酸化還元活性を有するタンパク質（酵素）を用いるが、不活性又は酸化還元活性を有するタンパク質の反応を阻害しないタンパク質も含んでいてもよい。
本実施形態に係るカーボンナノチューブ集合体１１０を形成するＣＮＴ１１１としては、配向した単層ＣＮＴが好ましい。ＣＮＴ１１１は、上述したスーパーグロース法を用いて合成することができる。合成されたＣＮＴ１１１の集合体を合成基板から剥離することで、カーボンナノチューブ集合体１１０を得ることができる。
カーボンナノチューブフィルム１００に用いるカーボンナノチューブ集合体１１０の比表面積は、未開口のＣＮＴが主であれば、６００ｍ２／ｇ以上１３００ｍ２／ｇ以下が好ましい。開口のＣＮＴが主であれば１３００ｍ２／ｇ以上２６００ｍ２／ｇ以下が好ましい。カーボンナノチューブ集合体の比表面積は、液体窒素の７７Ｋでの吸脱着等温線の計測によって求めることができる。カーボンナノチューブ集合体１１０のシート抵抗は１．７４（垂直方向）、２．６１（並行方向）Ω／ｃｍ２以上である。また、カーボンナノチューブ集合体１１０の重量密度は、０．００２ｇ／ｃｍ３以上０．２ｇ／ｃｍ３以下である。
本実施形態において、カーボンナノチューブフィルム１００に用いるカーボンナノチューブ集合体１１０は、例えば、典型値として、単層ＣＮＴ含有率が９８％（カーボンナノチューブ集合体の透過型電子顕微鏡像から求めた二層ＣＮＴ及び多層ＣＮＴに対する単層ＣＮＴの本数割合）以上、細孔径（ポアサイズ）の分布極大が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、金属不純物が０．０１ｍａｓｓ％以下、炭素純度が９９．９ｍａｓｓ％以上、Ｇ／Ｄ比が５０以下、平均外径が１．５ｎｍ以上４ｎｍ以下、半値幅１ｎｍ以上、ヘルマンの配向係数０．１以上１以下である。
本実施形態に係るカーボンナノチューブフィルム１００に用いる酵素１２０としては、アノード電極へ包含させる酵素として、デヒドロゲナーゼ等の酸化酵素や、例えば、ジアフォラーゼとグルコースデヒドロゲナーゼの併用や、グルコースオキシダーゼ、フルクトースオキシダーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、アルコールオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、乳酸オキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ等の酵素から選択されることが好ましい。アノード電極へ使用可能な酵素はこれらに限定されず、糖やアルコールなどのバイオマス燃料の分解に有用なものであれば何れの酵素も用いることができる。
また、カソード電極へ包含させる酵素としては、オキシダーゼ等の酸素を基質とする酵素、例えば、ビルリビンオキシダーゼやラッカーゼなどのマルチ銅オキシダーゼ等の酵素を用いることが好ましい。しかしながら、カソード電極へ使用可能な酵素はこれらに限定されず、酸素還元に有用なものであれば何れの酵素も用いることができる。
（カーボンナノチューブフィルムの製造方法）
上述したカーボンナノチューブフィルムの製造方法について、以下に説明する。カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブ集合体１１０に酵素１２０を包含させることで製造する。カーボンナノチューブ集合体１１０は非常に高い疎水性を有しているので、カーボンナノチューブ集合体１１０に酵素１２０を包含させることは容易ではない。本発明者らは、試行錯誤を繰り返し、カーボンナノチューブ集合体１１０に酵素を包含させる方法を見出した。具体的には、生体分子は脆弱な構造であるがゆえに、包含および収縮工程には、プロセスのマイルドさを考慮する必要がある。このことは、本出願において提案する自立フィルムの収縮工程で使用した材料や条件が伴わければ、実現不可能であることを意味する。包含方法としては、静止した酵素溶液にカーボンナノチューブ集合体を浸漬する方法、及び攪拌した酵素溶液にカーボンナノチューブ集合体を浸漬する方法の２つがある。また、カーボンナノチューブ集合体１１０に酵素１２０を包含させた後、乾燥させることでカーボンナノチューブ集合体を収縮させ、カーボンナノチューブフィルム１００を小型化することができる。以下、収縮する前をカーボンナノチューブフィルム（as grown）、収縮後をカーボンナノチューブフィルム（solid）と呼ぶ。
（剥離工程）
図３は、本実施形態に係るカーボンナノチューブフィルム１００の製造方法を示す図である。本実施形態に係るカーボンナノチューブ集合体は、例えば、本願発明者らが報告したスーパーグロース法（国際公開ＷＯ２００６／０１１６５５号等）を用いて製造することができる。カーボンナノチューブフィルム１００の製造工程は、カーボンナノチューブ集合体剥離工程、前処理工程及び酵素包含工程を含み、さらに乾燥工程を含むことができる。カーボンナノチューブ集合体剥離工程は、合成基板上に合成した、高配向性のＣＮＴ集合体からシート状のカーボンナノチューブ集合体１１０を剥離する工程である。カーボンナノチューブ集合体１１０を剥離しても、カーボンナノチューブ集合体１１０を合成するために合成基板上に形成した触媒粒子は、合成基板上からはほとんど剥離することはない。このため、カーボンナノチューブ集合体剥離工程においては、触媒粒子はカーボンナノチューブ集合体１１０にはほとんど含まれず、高純度のカーボンナノチューブ集合体１１０を得ることができる。
（前処理工程）
前処理工程は、剥離したカーボンナノチューブ集合体１１０を減圧条件下で、緩衝液中に所定の時間浸漬する工程である。減圧することで、カーボンナノチューブ集合体１１０内に溜まったガスを脱気する。次の酵素包含工程において、カーボンナノチューブ集合体１１０に酵素１２０を含む溶液が浸透しやすくするため、十分に脱気する。この脱気工程を経ることによって、カーボンナノチューブ集合体への十分な酵素の包含が実現できることを見出した。緩衝液に界面活性剤を添加してもよい。また、界面活性剤の代わりにイオン性液体を用いてもよい。ＣＮＴは疎水性であるため、界面活性剤を添加することにより、水への親和性を高めることができる。また、ＣＮＴ１１１の間に水分が浸透することにより、カーボンナノチューブ集合体１１０は自立型のカーボンナノチューブフィルムが形成される。
本実施形態に係るカーボンナノチューブ集合体１１０の前処理工程に用いる界面活性剤としては、TritonX-100、Tween 20等、酵素１２０の活性に影響のない界面活性剤であれば何れのものでも用いることができる。また、緩衝液としては、リン酸緩衝生理食塩水（Phosphate buffered saline, PBS）、Mcllvaine緩衝液等、酵素１２０の活性に影響のない緩衝溶液であれば何れのものでも用いることができる。
（酵素包含工程）
次に、酵素包含工程により、カーボンナノチューブ集合体１１０に酵素１２０を包含させる。酵素包含工程において、カーボンナノチューブ集合体１１０を酵素溶液に所定の時間浸漬する。その後、酵素１２０を包含させたカーボンナノチューブ集合体１１０を緩衝液で洗浄し、カーボンナノチューブフィルム１００（as grown）を得る。ここで、酵素包含工程は、静置包含法または撹拌包含法により行うことが出来る。
静置包含法は、酵素溶液中にカーボンナノチューブ集合体１１０を所定の時間静置して、酵素１２０を包含させる方法である。また、撹拌包含法は、カーボンナノチューブ集合体１１０を撹拌させた酵素溶液に、所定の時間浸漬することで、酵素１２０を包含させる方法である。酵素包含工程には、静置包含法または撹拌包含法の何れの方法でも用いることもできるが、後述する実施例に示すように、撹拌包含法は、静置包含法に比して効率良くカーボンナノチューブ集合体１１０に酵素１２０を包含させることができる。また、酵素包含工程において、酵素溶液の濃度を変化させることで、カーボンナノチューブ集合体への酵素包含量を調節することが可能となる。
（乾燥工程）
酵素１２０を包含させたカーボンナノチューブフィルム１００は、さらに、乾燥工程により乾燥させてもよい。カーボンナノチューブフィルム１００をカーボンペーパー（Carbon Paper、以下ＣＰと略す）上で、大気圧、室温下で乾燥させると、カーボンナノチューブフィルム１００は収縮する。カーボンナノチューブフィルム１００は、乾燥させることで、小型の自立型のフィルムにすることができる。また、図２に示したように、カーボンナノチューブフィルム１００は、乾燥により収縮することでＣＮＴ１１１の間隔が酵素１２０を包含する程度に狭くなる。これにより、図２に示すように、ＣＮＴ１１１と酵素１２０とが効率良く接触し、反応密度が高いカーボンナノチューブフィルム２００（solid）を提供することができる。
また、カーボンナノチューブフィルム２００は、乾燥により収縮することでＣＮＴ１１１の間隔が酵素１２０を包含する程度になるが、酵素１２０と分子の大きさが異なる異種のタンパク質を同時に包含させることも出来る。例えば、酵素１２０よりも大きく、且つ、不活性または酵素１２０の酵素反応を阻害しないタンパク質を包含した場合、カーボンナノチューブフィルム２００の内部に酵素１２０の反応効率を向上させるような反応の場を提供することもできる。
本実施形態において、カーボンナノチューブフィルムにメディエータをさらに包含させてもよい。メディエータには公知のものを用いることができる。
（フレキシブル基板への貼付）
上述のように製造したカーボンナノチューブフィルム１００、２００は柔軟性を有すため、フレキシブルな基板に貼付して使用することも可能である。図４は、カーボンナノチューブフィルムをフレキシブル基板１５０に貼付した例を示す。本実施形態に係るフレキシブル基板１５０としては、例えば、Polyethylene Terephthalate（ＰＥＴ）やコラーゲンゲル等を用いることができる。カーボンナノチューブフィルム１００の貼り付けは、上述の酵素包含方法により酵素１２０を包含させた後に、カーボンナノチューブフィルム１００をフレキシブル基板１５０上に載せ、大気圧、室温下で乾燥させて行う。また、カーボンナノチューブフィルム２００をフレキシブル基板１５０に貼付する場合は、上述した緩衝液を用いてカーボンナノチューブフィルムを湿らせて、フレキシブル基板１５０に貼付する。カーボンナノチューブフィルムは、基板１５０等の基材に添付すると、その後、溶液につけてもＣＮＴ１１１の間隔が拡がらず、酵素１２０を包含した状態を維持する。
図４に示したように、フレキシブル基板１５０を湾曲させた状態でも、カーボンナノチューブフィルム１００は、フレキシブル基板１５０とともに湾曲し、剥離しない。とりわけ、フレキシブル基板１５０としてコラーゲンゲルシートを用いると、発電デバイスを形成した際の燃料溶液を吸収する性質を有するため、燃料一体型の小型バイオ電池を作製することができる。
以上説明したように、本実施形態に係る本発明のカーボンナノチューブフィルムは、高配向、且つ導電性に優れたカーボンナノチューブ集合体に酵素を包含させることで、酸化還元タンパク質との間の高効率の電子授受を可能とし、柔軟性のある自立型のフィルムを提供する優れた効果を奏する。また、本実施形態に係るカーボンナノチューブフィルムは、乾燥させることでＣＮＴの間隔が包含するタンパク質の大きさに調整され、小型で反応密度が高く、酵素の物理的保持・活性の保持・電子伝達効率に優れた電極として機能する。さらに、本実施形態に係るカーボンナノチューブフィルムは機械的強度と柔軟性を併せ持つため、基材に張り付けたり巻き付けたりする事が可能で、安全・クリーンな有機材料のみで構成されたフレキシブルなバイオセンサもしくは発電デバイスの作製を可能とする。
（実施形態２）
（発電デバイス）
本実施形態においては、実施形態１で説明したカーボンナノチューブフィルムを用いた発電デバイス４００について説明する。図５は、本発明の実施形態に係る発電デバイス４００の模式図である。発電デバイス４００は、容器４３０の内側にアノード電極４１１と、カソード電極４１３が所定の間隔で配置され、燃料４７０を満たした構成である。アノード電極４１１及びカソード電極４１３には配線４５０が接続され、発電デバイス４００から電気エネルギーを取り出す。容器４３０及び配線４５０は、それぞれ公知の材料を用いて形成することができる。
また、本実施形態に係る発電デバイス４００の燃料４７０としては、ブドウ糖（グルコース）、果糖（フルクトース）、メタノールやエタノールなどのアルコール、乳酸、ショ糖（スクロース）などから選択されることが好ましい。使用可能な燃料はこれらに限定されず、実施形態１で説明したアノード電極用酵素およびカソード電極用酵素の基質となるものであれば何れのものでも良い。
アノード電極４１１及びカソード電極４１３は、例えば、カーボンナノチューブフィルム１００を配線４５０に巻き付けて形成することができる。図６は、本実施形態に係る図５に示した発電デバイス４００の電極を示す図である。図６（ａ）に示すように、発電デバイス４００の電極において、カーボンナノチューブフィルムに燃料４７０が浸漬し、包含された酵素１２０が燃料４７０を基質として電気エネルギーを生成する。図６（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブフィルムは柔軟性を有するため、配線４５０に巻き付けることができ、発電デバイス４００において電極として機能する。
アノード電極４１１及びカソード電極４１３は、カーボンナノチューブフィルム１００を配線４５０に巻き付け、大気圧、室温下で乾燥させることにより形成することができる。本実施形態の発電デバイス４００の電極に用いるカーボンナノチューブフィルムとしては、実施形態１で説明したカーボンナノチューブフィルム１００、カーボンナノチューブフィルム２００を用いることができる。カーボンナノチューブフィルム１００を用いる場合は、配線４５０に巻き付ければよい。一方、カーボンナノチューブフィルム２００を用いる場合は、上述した緩衝液を用いてカーボンナノチューブフィルムを湿らせて、配線４５０に巻き付ける。カーボンナノチューブフィルムは、配線４５０等の基材に添付すると、その後、溶液につけてもＣＮＴ１１１の間隔が拡がらず、酵素１２０を包含した状態を維持する。
以上説明したように、本実施形態に係る本発明の発電デバイスは、高配向、且つ導電性に優れたカーボンナノチューブ集合体に酵素を包含させた柔軟性のある自立型のカーボンナノチューブフィルムを電極に用いて形成することができる。本実施形態に係るカーボンナノチューブフィルムは機械的強度と柔軟性を併せ持つため、基材や配線に張り付けたり巻き付けたりすることが可能で、安全・クリーンな有機材料のみで構成されたフレキシブルな発電デバイスを提供することができる。
（実施形態３）
（バイオセンサ）
実施形態１で説明した本発明のカーボンナノチューブフィルムは、実施形態２で説明したように、燃料の酸化還元反応により電気エネルギーに得ることができる。また同様に、本発明のカーボンナノチューブフィルムは、酸化・還元電流を検出することで被験物を検出するバイオセンサへの応用を可能とする。
具体的には、健康モニタリングや食品分析等で分析対象とされるブドウ糖（グルコース）、果糖（フルクトース）、エタノール、乳酸、ショ糖（スクロース）などを検出可能である。測定対象はこれらに限定されず、包含させる酵素の基質となるものであれば何れのものでも良い。
本実施形態に係るバイオセンサには、実施形態１で説明したフレキシブル基板に貼付したカーボンナノチューブフィルムや、実施形態２で説明した電極を用いることができる。また、本実施形態に係るバイオセンサには、カーボンナノチューブフィルム１００、カーボンナノチューブフィルム２００の何れをも用いることができる。
以上説明したように、実施形態に係る本発明のバイオセンサは、高配向、且つ導電性に優れたカーボンナノチューブ集合体に酵素を包含させた柔軟性のある自立型のカーボンナノチューブフィルムをセンサに用いることができる。本実施形態に係るカーボンナノチューブフィルムは機械的強度と柔軟性を併せ持つため、基材や配線に張り付けたり巻き付けたりすることが可能で、安全・クリーンな有機材料のみで構成されたフレキシブルなバイオセンサを提供することができる。
上述した実施形態の本発明に係るカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイスの例について、以下に詳細に説明する。なお、以下の実施例は、一例であって本発明のカーボンナノチューブフィルム、それを電極とするセンサ及び発電デバイスはこれらに限定されるものではない。
（カーボンナノチューブフィルムの製造）
以下に、カーボンナノチューブフィルム１００の製造方法の例を示す。
本実施例に係るカーボンナノチューブ集合体１１０を形成するＣＮＴ１１１は、上述したスーパーグロース法を用いて合成した。ピンセットを用いて、合成したＣＮＴ１１１の集合体をシリコン基板から剥離し、カーボンナノチューブ集合体１１０を得た。
カーボンナノチューブフィルム１００には、未開口のＣＮＴを主とするカーボンナノチューブ集合体１１０を用い、ＣＮＴ１１１の長さが１ｍｍ、ＣＮＴ１１１の間隔が１６ｎｍ、シート抵抗が１．７４（垂直方向）、２．６１（並行方向）Ω／ｃｍ２以上で、その他の特性は、上述の実施例１に示した範囲内であった。
（静止包含法による酵素包含）
シリコン基板から剥離したカーボンナノチューブ集合体１１０を逆型ピンセットで挟む。界面活性剤（Triton X-100）を０．１％含んだ緩衝溶液中にカーボンナノチューブ集合体を浸漬し、真空チャンバー（～１　ＭＰａ）で３０分間脱気した。この脱気工程を経ることによって、カーボンナノチューブ集合体への十分な酵素の包含が実現できる。次に、酵素溶液（アノード：D-fructose Dehydrogenese　１０　ｍｇ／ｍｌ、カソード：Laccase　４．３　μＭ、緩衝溶液はMcIlvaine Buffer（pH 5.0）を使用）中へ１２時間浸漬した。その後、ピペットで吸い取り、１０ｍｌのMcIlvaine Buffer中へ吐き出すことでカーボンナノチューブ集合体を洗浄した。これにより、カーボンナノチューブフィルム１００（as grown）を得た。
（攪拌包含法による酵素包含）
シリコン基板から剥離したカーボンナノチューブ集合体１１０を逆型ピンセットで挟む。界面活性剤（Triton X-100）を０．１％含んだ緩衝溶液中にカーボンナノチューブ集合体を浸漬し、真空チャンバー（～１　ＭＰａ）で３０分間脱気した。この脱気工程を経ることによって、カーボンナノチューブ集合体への十分な酵素の包含が実現できる。次に、続いて１　ｍｌの酵素溶液（アノード：D-fructose Dehydrogenese　０．５　ｍｇ／ｍｌ、カソード：Laccase：４．３　μＭ、緩衝溶液はMcIlvaine Buffer（pH 5.0）を使用）と撹拌子の入ったバイアル瓶に、ピンセットで挟んだカーボンナノチューブ集合体を撹拌子と干渉しないよう浸漬した。その後、４℃にて溶液を撹拌しながら１２時間浸漬した。カーボンナノチューブ集合体をピンセットから液中で開放したのち、溶液中に舞うカーボンナノチューブ集合体をピペットで吸い取った。その後、１０ｍｌの緩衝溶液（McIlvaine Buffer（pH 5.0））中へ吐き出すことで、カーボンナノチューブ集合体を洗浄した。
（カーボンナノチューブ集合体の乾燥）
カーボンナノチューブ集合体の洗浄後、カーボンペーパー（Carbon Paper、以下ＣＰと略す）上に吐出し、大気圧、室温下で乾燥させることで収縮させた。乾燥工程により収縮させたカーボンナノチューブフィルムを光学顕微鏡にて、観察した。本実施例においては、ＣＮＴ１１１の間隔が１６ｎｍのカーボンナノチューブ集合体１０１を用い、酵素１２０を含まない緩衝液のみのカーボンナノチューブフィルム２０１、酵素１２０としてLaccase（ＬＡＣ）を包含させたカーボンナノチューブフィルム２１０及びD- fructose Dehydrogenese（ＦＤＨ）を包含させたカーボンナノチューブフィルム２３０を乾燥工程により、それぞれ収縮させ、カーボンナノチューブフィルム２００（solid）を得た。図７に示すように、包含した酵素の大きさに依存して、カーボンナノチューブフィルムの収縮率が変化していることがわかる。
（カーボンナノチューブフィルムの電極性能の評価）
以下に、カーボンナノチューブフィルムの電極性能の評価結果を示す。カーボンナノチューブフィルムの電極性能評価は、燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードの二つについて行った。酵素を包含できる許容量を見積もるため、カーボンナノチューブ集合体のキャパシタンス容量を評価した。
実施例１として、収縮させていないカーボンナノチューブフィルム１０１（as grown）を用い、実施例２として、収縮させたカーボンナノチューブフィルム２０１（solid）を用いた。また、比較例として、無配向のＣＮＴを電極として用い、比較例１には１ｍｍの長さの無配向のＣＮＴ９１０を用い、比較例２には２～５μｍの長さの無配向のＣＮＴ９２０を用いた。実施例１、実施例２及び比較例１、比較例２は、それぞれ、以下のように作製した。
（カーボンナノチューブフィルムのキャパシタンス容量評価）
カーボンナノチューブフィルム１０１及び２０１のキャパシタンスを測定するための電極を作製した。シリコン基板から垂直方向に伸長しているカーボンナノチューブ集合体をピンセットによって剥がし、ＤＭＦ（N,N-dimethylformide、Sigma社）に浸漬した。ピペットでカーボンナノチューブ集合体を吸い取り、ガラス基板上に作製した金電極（電極面積、０．０１　ｃｍ２）上に乗せ、大気圧、室温下で乾燥させることで、カーボンナノチューブ集合体（as grown）を作製した。カーボンナノチューブ集合体（solid）は、ＤＭＦ中に浸漬後、カーボンペーパー上に吐出し、大気圧、室温下で乾燥させることで収縮させ、ピンセットを用いて金電極（電極面積、０．０１　ｃｍ２）上に乗せた。ＤＭＦを滴下し、大気圧、室温下で乾燥させた。無配向ＣＮＴは、カーボンナノチューブ集合体を超音波ホモジナイザーで分散させたもの（長さ：１　ｍｍ）と、市販のＣＮＴを同様に分散させたもの（長さ：２～５　μｍ）を使用した。電極の作製には、ＤＭＦを用いて、９０　ｎｇ／μｌ　ＣＮＴ溶液を作製した。超音波ホモジナイザー（Sonifier 250D BRANSON）を用いて、ＣＮＴ溶液を１０　Ｗで１５分間超音波し、ＣＮＴを分散させた。金電極上に分散溶液を２．６　μｌ滴下し、８０　℃の真空オーブン中で１．５時間乾燥させた。これらの電極を電子顕微鏡にて観察した（図８（ａ））。
キャパシタンス容量は、交流インピーダンス法にてインピーダンスＺおよび周波数ｆを実測し、（１）式に代入し算出した。
　C = 1 / (2πfz) ・・・（１）
測定器は、電気化学測定システム（Electrochemical Analyzer Model 600S、BAS社）を使用し、緩衝溶液（McIlvaine Buffer（pH 5.0））中で、±５　ｍＶの交流電場、周波数１　Ｈｚ　～１×１０５　Ｈｚを測定条件とした。図８（ｂ）に交流インピーダンス法によるキャパシタンス容量を示す。実施例１及び実施例２のカーボンナノチューブ集合体のフィルムの容量は、比較例１及び比較例２の無配向ＣＮＴと比べ２倍以上に大きいことが分かる。また、収縮前後で、カーボンナノチューブ集合体のキャパシタンス容量に大きな差がないことが分かる。
（アノード電極の性能評価）
次に、アノード電極を作製し、その性能を評価した。実施例３として静置包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブ集合体のフィルム５１０を、実施例４として撹拌包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム５２０を、実施例５として撹拌包含法を用い収縮させたカーボンナノチューブフィルム５３０をそれぞれ作製した。また、比較例３として１ｍｍの長さの無配向のＣＮＴ９１０を、比較例４として２～５μｍの長さの無配向のＣＮＴ９２０を用いた。
カーボンナノチューブフィルムを用いたアノード電極作製は、上述したカーボンナノチューブフィルムを作製後、金電極（電極面積、０．０１　ｃｍ２）上に乗せ、緩衝液を滴下させた。乾燥後、フィルムは電極上に貼り付き、カーボンナノチューブフィルム電極ができる。比較例の無配向のＣＮＴ電極は、キャパシタンス容量評価で説明した方法で作製した電極上に、酵素溶液（D-fructose Dehydrogenese　１０　ｍｇ／ｍｌ）を滴下することで酵素を取り込ませた。図９に、フルクトース酸化の電流・電位曲線を示す。電流・電位曲線は、電気化学測定システム（Electrochemical Analyzer Model 600S, BAS社）を用いた３極法（ワーキング：酵素電極、リファレンス：Ag/AgCl sat. KCl、カウンタ：白金）にて取得した。測定条件は、２００ｍＭフルクトース溶液中、掃引速度１０　ｍＶ／ｓ、室温とした。
比較例３及び比較例４の無配向のＣＮＴは、同程度の電流密度であったが、実施例３の静置包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム５１０は、比較例に対して有意に大きな電流密度を示した。また、実施例４の撹拌包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム５２０では、比較例に対して約２０倍の電流密度を示し、実施例５の撹拌包含法を用い収縮させたカーボンナノチューブフィルム５３０では、約４０倍の優れた電流密度を示した。実施例４と実施例５とは、最大電流は同程度の値を示したが、電流密度は収縮した分、実施例５の方が大きくなる。このことは、カーボンナノチューブフィルムの収縮による酵素活性の低下は見られないことを示唆する。
（カソード電極の性能評価）
同様に、カソード電極を作製し、その性能を評価した。実施例７として静置包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム５１０を、実施例８として撹拌包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム５２０を、実施例９として撹拌包含法を用い収縮させたカーボンナノチューブフィルム５３０をそれぞれ作製した。また、比較例５として１ｍｍの長さの無配向のＣＮＴ９１０を、比較例６として２～５μｍの長さの無配向のＣＮＴ９２０を用いた。
各電極の作製方法は、上述したアノード電極の作製方法と同様の方法を用いて作製した。図１０に、酸素還元の電流・電位曲線を示す。電流・電位曲線は、アノード電極の性能評価に用いた装置を用いて、同様の条件、酸素飽和条件下で取得した。
電流・電位曲線は、アノード電極の性能評価で得られた結果と同様で、比較例５及び比較例６の無配向のＣＮＴは、同程度の電流密度であったが、実施例７の静置包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム５１０は、比較例に対して有意に大きな電流密度を示した。また、実施例８の撹拌包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム５２０では、比較例に対して約２０倍の電流密度を示し、実施例９の撹拌包含法を用い収縮させたカーボンナノチューブフィルム５３０では、約６０倍の優れた電流密度を示した。実施例８と実施例９とは、最大電流は同程度の値を示したが、電流密度は収縮した分、実施例９の方が大きくなる。このことは、カーボンナノチューブフィルムの収縮による酵素活性の低下は見られないことを示唆する。
（センサおよび発電デバイスの作製及びその特性評価）
（バイオ発電デバイスの出力評価）
上述の実施例５及び実施例９の撹拌包含法を用い収縮させたカーボンナノチューブフィルム５３０を用いて、バイオ発電デバイスを作製し、電極間に異なる外部抵抗（１０　ｋΩ～２　ＭΩ）を接続させ、その際の電圧を電気化学測定システム（Electrochemical Analyzer Model 600S, BAS社）によって計測し、電流と出力を算出した。測定条件は、酸素飽和させた２００　ｍＭフルクトース溶液中とした。その結果を図１１に示す。本実施例に係るバイオ発電デバイスにより、０．６１Ｖで最大出力密度１９　μＷ／ｃｍ２を得ることができた。
（ワイヤ電極への巻き付けおよびＬＥＤ点灯試験）
さらに、上述のカーボンナノチューブフィルムをワイヤ電極へ巻き付け、ＬＥＤの点灯試験を行った。本実施例においては、チャージポンプＩＣ（S-882Z20、Seiko Instruments社）にコンデンサー（１　μＦ）および赤色ＬＥＤをハンダでボンディングした。組み立てたデバイスは、Polydimethylsiloxane（ＰＤＭＳ）で封止した。図１２に本実施例に係るＬＥＤデバイスを示す。デバイスから延びた金ワイヤ４５０（直径０．２　ｍｍ）に、カーボンナノチューブフィルム２００を巻き付けた。カーボンナノチューブフィルムの巻き付けは、上述した実施例同様に作製したカーボンナノチューブフィルムを緩衝液にて湿らせ、ワイヤ４５０上にピンセットで巻き付けた。大気圧、室温下で乾燥させた後、容器４３０に燃料４７０として２００　ｍＭフルクトース溶液を満たし、燃料４７０の中に金ワイヤ４５０を浸漬することで、ＬＥＤの点灯を確認した。
（バイオセンサの評価）
実施形態３で説明した本発明のバイオセンサの実施例を示す。図９及び図１０を参照する。図９及び図１０は、各実施例のカーボンナノチューブフィルム及び比較例の無配向のＣＮＴを用いたバイオセンサとして評価することができる。つまり、各実施例及び比較例は、図９においてはフルクトースを、図１０においては酸素をそれぞれ検出するバイオセンサである。
ここで、図９の実施例６は、フルクトースが存在しない緩衝液を実施例４の撹拌包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム５２０で検出した例であり、図１０の実施例１０は、窒素（Ｎ２）を飽和させた緩衝液を実施例８の撹拌包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム５２０で検出した例である。この結果から、本実施例の本発明に係るカーボンナノチューブフィルムは、高感度なバイオセンサとして機能することがわかる。
（酵素包含量の理論予測）
本発明に係るカーボンナノチューブフィルムにおいて、カーボンナノチューブ集合体１１０（１　ｍｍ　×　１２　μｍ　×　１　ｍｍ）へのフルクトースデヒドロゲナーゼ（ＦＤＨ，分子量：ｃａ．１４０ｋＤａ）の包含量を理論的に評価した。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、乾燥前のカーボンナノチューブフィルムにおいて、カーボンナノチューブ集合体１１０は、直径２．８　ｎｍのＣＮＴ１１１が１６　ｎｍ間隔で配列した集合体であり、その内部には多数の空隙が存在する。この空隙に対し、直径７　ｎｍのＦＤＨ（酵素１２０）を包含できる個数（Ｎｅｎｚ）は、式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
ここで、Ｈ＝１．０　ｍｍ（ＣＮＴの長さ）、ｒ＝７．０×１０－６　ｍｍ（ＦＤＨの直径）、Ｓ＝１２×１０－３　ｍｍ２（カーボンナノチューブ集合体１１０の底面積）、Ｕ＝２．６×１０－１０　ｍｍ２（１６　ｎｍ間隔で囲まれた空隙の底面積）である。この結果から、乾燥前のカーボンナノチューブ集合体１１０（１　ｍｍ　×　１２　μｍ　×　１　ｍｍ）に包含されるＦＤＨの最大包含量は、ＦＤＨの分子量とアボガドロ数の関係から６．２　μｇと求められた。
（酵素包含量の実測）
本発明に係るカーボンナノチューブフィルムにおいて、カーボンナノチューブ集合体１１０（１　ｍｍ　×　１２　μｍ　×　１　ｍｍ）へのフルクトースデヒドロゲナーゼ（ＦＤＨ，分子量：ｃａ．１４０ｋＤａ）の包含量を実験的に評価した。ＦＤＨ包含量は、Protein Quantitation Kit（C-6667, Molecular Probes社）を用いて測定した。カーボンナノチューブ集合体１１０への酵素包含は、先に示した攪拌包含法を用いた。酵素を包含させたカーボンナノチューブ集合体（ＣＮＴＦ）をリン酸ナトリウム水溶液（０．１　Ｍ　ホウ酸ナトリウム，１％　コール酸ナトリウムを含む、ｐＨ　９．３）中に浸漬し、超音波ホモジナイザーを用いて分散させた。その後、５　ｍＭ　（3-(4-carboxybenzoyl)-quinoline-2-carboxaldehyde（ATTO-TAG CBQCA）、以下、ＣＢＱＣＡという）と２０　ｍＭ　ＫＣＮを用いて、ＦＤＨにＣＢＱＣＡをラベルした。１時間半のインキュベーション後、蛍光強度を測定し、予め求めておいたキャリブレーションカーブからＦＤＨ量を求めた。
測定結果を、図１４（ａ）に示す。図１４（ａ）から明らかなように、浸漬させた酵素濃度の増加と共にカーボンナノチューブフィルム１００が包含した酵素量は増加した。また、図１４（ｂ）に示した光学顕微鏡写真から、酵素の包含量の増加と共にカーボンナノチューブフィルム２００の収縮が抑制されることが明らかとなった。つまり、浸漬させる酵素濃度によって、カーボンナノチューブフィルムへの酵素の包含量の制御が可能である。
（酵素濃度と電極性能の評価）
次に、浸漬させる酵素濃度とカーボンナノチューブフィルムの電極性能との関係について検討した。電流密度の測定には、実施例１１として酵素包含量の実測に用いたＦＤＨを包含した収縮させていないカーボンナノチューブフィルム６１０を、実施例１２としてＦＤＨを包含した収縮させたカーボンナノチューブフィルム６３０を用いた。図１５は、浸漬させる酵素濃度と電流密度との関係を示す図である。図１５の結果から、実施例１１、実施例１２ともに、３　ｍｇ／ｍｌの酵素濃度でカーボンナノチューブ集合体１１０へＦＤＨを包含させた条件で、カーボンナノチューブフィルムの電流密度が最大となった。図１４（ａ）に示したように、このＦＤＨの濃度は、カーボンナノチューブ集合体の４本のＣＮＴ１１１で囲まれた空隙に、ＦＤＨがＣＮＴ１１１の長手方向と平行に１列で密に配列したモデルから求めた理論値と一致した。
一方、３　ｍｇ／ｍｌを超える過剰な酵素濃度でカーボンナノチューブ集合体１１０にＦＤＨを包含させると、カーボンナノチューブフィルムの電流密度が低下した。この結果から、３　ｍｇ／ｍｌを超える過剰な酵素濃度でＦＤＨを包含させると、乾燥工程でのカーボンナノチューブフィルムの収縮が抑制され、カーボンナノチューブフィルムの微細化が阻害されることで、単位面積あたりの電極性能が低下したものと推察される。また、過剰な酵素濃度でのＦＤＨの包含は、カーボンナノチューブフィルムに包含した酵素の配向の変化や酵素の失活による電極性能の低下を引き起こすものと推察される。したがって、本発明に係るカーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブ集合体の４本のＣＮＴ１１１で囲まれた空隙に、酵素１２０がＣＮＴ１１１の長手方向と平行に１列で密に配列した構造を有することで、単位面積あたりの電極性能が最適となる。本発明に係るカーボンナノチューブフィルムは、浸漬させる酵素濃度を調整することで、電極性能の最適化を図ることができる。
（酵素電極の耐久性評価）
酵素電極としての耐久性は、実施例１３として３　ｍｇ／ｍｌの溶液でＦＤＨを包含させたカーボンナノチューブフィルムと、実施例１４として、これを収縮させたカーボンナノチューブフィルムを用いて評価した。耐久性の評価は、２００　ｍＭフルクトースを含んだMcllvaine buffer（pH 5.0）中で酸化電流（０．２　Ｖ、リファレンス：Ag/AgCl）を測定し、初期電流に対する経時的な減少率を求めることで行った。図１６から明らかなように、測定開始から２８時間後では、実施例１３では出力電流が４１％減少したが、実施例１４では２５％の減少に留まった。この結果から、乾燥工程により収縮したカーボンナノチューブフィルムのナノレベルの空間が、酵素の保持や活性維持に寄与するものと推察される。
（フルクトース濃度と電流密度の相関）
異なる濃度のフルクトース溶液中で電流密度を測定し、本発明に係るカーボンナノチューブフィルムのバイオセンサ用電極としての性能を評価した。電流密度の測定結果を図１７に示す。実測値は、Lineweaver-Burkeの式（３）にてフィッティングし、ミカエリシス・メンテン係数（Km,app）を算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
ここで、Issはフルクトース濃度（Ｃ）における電流密度、Imaxは最大電流密度である。
測定結果からKm,appは１０±１　ｍＭを示し、これは酵素が溶液中を拡散しているバルクの状態で計測された値と一致する。つまり、本発明に係るカーボンナノチューブフィルムは、収縮させても酵素活性が維持されていることがわかる。また、フルクトースの検出限界は１０　μＭであり、５０　ｍＭ程度までのフルクトース濃度では、電流密度と線形の相関を示すことから、本発明に係るカーボンナノチューブフィルムはバイオセンサとしても優れた性能を有することが明らかとなった。
（カーボンナノチューブフィルムの積層と電極性能の評価）
上述したカーボンナノチューブフィルムを積層させることで電極性能が向上するかを評価した。アノードの評価には、３　ｍｇ／ｍｌの溶液に浸漬してＦＤＨを包含させ、実施例１５として収縮させたカーボンナノチューブフィルムを２枚積層したものと、実施例１６として収縮させたカーボンナノチューブフィルムを１枚用いたものと、実施例１７として収縮させないカーボンナノチューブフィルムを１枚用いたものとに、２００　ｍＭフルクトースを含んだMcllvaine buffer（pH 5.0）を用い、比較例７として、収縮させないカーボンナノチューブフィルムにフルクトースを添加しないものを用いた。
測定結果を図１８（ａ）に示す。収縮させたカーボンナノチューブフィルムを２枚積層した実施例１５は、収縮させたカーボンナノチューブフィルム１枚だけの実施例１６に比して電極性能が向上することが明らかとなった。
また、同様に、カソードの評価には、０．２５　ｍｇ／ｍｌの溶液に浸漬してLaccaseを包含させ、実施例１８として収縮させたカーボンナノチューブフィルムを２枚積層したものと、実施例１９として収縮させたカーボンナノチューブフィルムを１枚用いたものと、実施例２０として収縮させないカーボンナノチューブフィルムを１枚用いたものを準備し、測定溶液には酸素を飽和させたMcllvaine buffer（pH 5.0）を用いた。比較例８である収縮させないカーボンナノチューブフィルムの測定には、窒素を飽和させたMcllvaine buffer（pH 5.0）を用いた。
測定結果を図１８（ｂ）に示す。収縮させたカーボンナノチューブフィルムを２枚積層した実施例１８は、収縮させたカーボンナノチューブフィルム１枚だけの実施例１９に比して電極性能が向上することが明らかとなった。
（電池出力の評価）
上述した実施例１５及び実施例１８の収縮させたカーボンナノチューブフィルムを２枚積層したものを用いて、電池出力の評価を行った。出力測定は、２００ｍＭフルクトースを含んだMcllvaine buffer（pH 5.0）中で行った。電池の電圧に対する出力と電流密度の測定結果を図１９（ａ）に示す。本実施例においては、０．４５　Ｖの時に、１．１６　ｍＷ／ｃｍ２の出力が得られた。開回路電圧及び最大電流密度は、それぞれ０．７７　Ｖ、３．２　ｍＡ／ｃｍ２であった。
（電池の耐久性評価）
さらに、上述の電池について、耐久性を評価した。耐久性の評価は、２００　ｍＭフルクトースを含んだMcllvaine buffer（pH 5.0）中で酸化電流（０．２　Ｖ、リファレンス：Ag/AgCl）を測定し、初期電力に対する経時的な減少率を求めることで行った。図１９（ｂ）に示すように、本実施例の電池は測定開始から３７時間経過後でも８０％の電力を維持することができた。
（カーボンナノチューブフィルムの構造と電極性能の評価）
カーボンナノチューブの構造が、電極性能に及ぼす影響を評価した。電極は、３種類（前処理による収縮をさせていないカーボンナノチューブ集合体（実施例２１）、前処理を行い収縮させたカーボンナノチューブ集合体（実施例２２）、１　ｍｍの長さの無配向のＣＮＴ（比較例９））を用い、撹拌させた混合溶液（２００　ｍＭ　フルクトース緩衝液、３　ｍｇ／ｍｌ　ＦＤＨ）中に浸漬した。図２０は、電気化学システム（Electrical Analyzer Model 600S、 BAS社）を用いた３極法（ワーキング：カーボンナノチューブ電極、リファレンス：Ag/AgCl sat. KCl、カウンタ：白金）にて取得したフルクトースの酸化電流であり、定電圧（０．５　Ｖ）で測定した。
実施例２２の前処理を行い収縮させたカーボンナノチューブ集合体は、図８（ｂ）に示したように前処理による収縮をさせていないカーボンナノチューブ集合体（実施例２）と同程度のキャパシタンス容量を持つが、ナノサイズの酵素を一度収縮させた空間に取り込ませることが困難であるため、フルクトースの酸化電流は一桁ほど小さかった。また、比較例９の無配向のＣＮＴでは、さらに１桁小さな電流値であった。
（カーボンナノチューブフィルムの質と電極性能の評価）
カーボンナノチューブフィルムの質が電極性能に及ぼす影響を評価した。電極には、２種類（Ｇ／Ｄ比が１のカーボンナノチューブ集合体（比較例１０）およびＧ／Ｄ比が４のカーボンナノチューブ集合体（実施例２３））を用い、撹拌させた混合溶液（２００　ｍＭ　フルクトース緩衝液、３　ｍｇ／ｍｌ　ＦＤＨ）中に浸漬した。図２１は、電気化学システム（Electrical Analyzer Model 600S、 BAS社）を用いた３極法（ワーキング：カーボンナノチューブ電極、リファレンス：Ag/AgCl sat. KCl、カウンタ：白金）にて取得したフルクトースの酸化電流であり、定電圧（０．５　Ｖ）で測定した。
Ｇ／Ｄ比は、ラマンスペクトルのＧバンドとＤバンドの比を示しており、値が大きいほど高い結晶性（欠陥が少ない）を示す。図２１が示すように、電極性能は、Ｇ／Ｄ比が高いカーボンナノチューブ集合体の方が良い。
（ビリルビンオキシダーゼを電極触媒とするカソードの性能評価）
マルチ銅オキシダーゼで知られるビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）を触媒に利用するカーボンナノチューブフィルムの作製と性能評価を行った。まず、浸漬させるＢＯＤ溶液の濃度とカーボンナノチューブフィルムの電極性能との関係について検討した。電流密度評価には、前処理による収縮をさせていないカーボンナノチューブ集合体１０１を用いた。図２２（ａ）は、浸漬させるＢＯＤ溶液の濃度と電流密度との関係を示す図である。ＢＯＤ溶液の濃度の増加に応じて電流値が上昇しており、約０．０５　ｍｇ／ｍｌのＢＯＤ溶液の濃度以上で飽和する結果を得た。これらＢＯＤを包含させたカーボンナノチューブフィルム２５０が、収縮する様子を光学顕微鏡にて観測した（図２２（ｂ））。観測結果から明らかなように、収縮度はカーボンナノチューブフィルムを浸漬させるＢＯＤ溶液の濃度に依存している。フィルムの収縮は、０．０５　ｍｇ／ｍｌ以上で飽和しており、初期面積の半分となる。これは、ＢＯＤサイズを約２　ｎｍで仮定し、ＣＮＴ表面をＢＯＤで飽和させたモデルと一致する。
次に、ＢＯＤを包含したカーボンナノチューブフィルム２５０の性能に与える界面活性剤の影響に関して調べた。図２３に、酸素還元の電流・電位曲線を示す。酵素の活性には、界面活性剤によるナノチューブの表面修飾が重要であることがわかる。これは、もともと疎水性であるＣＮＴ表面に界面活性剤が修飾されることで、収縮過程による水分の乾燥を抑えたものと考えられる。結果として、最大電流密度２．０　ｍＡ／ｃｍ２　at 0 V vs. Ag/AgCl が得られた。
以上説明したように、本発明によると、安全・小型・フレキシブルな自立型のタンパク質を包含したカーボンナノチューブフィルムが提供され、このカーボンナノチューブフィルムを用いることで、優れた機能を有するセンサ及び発電デバイスが提供される。
１００　本発明に係るカーボンナノチューブフィルム
１０１　酵素を包含しないカーボンナノチューブフィルム
１１０　カーボンナノチューブ集合体
１２０　酵素
１５０　フレキシブル基板
２００　本発明に係るカーボンナノチューブフィルム
２０１　酵素を包含しないカーボンナノチューブフィルム
２１０　ＬＡＣを包含したカーボンナノチューブフィルム
２３０　ＦＤＨを包含したカーボンナノチューブフィルム
２５０　ＢＯＤを包含したカーボンナノチューブフィルム
４００　本発明に係る発電デバイス
４１１　アノード電極
４１３　カソード電極
４３０　容器
４５０　配線
４７０　燃料
５１０　静置包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム
５２０　撹拌包含法を用い収縮させていないカーボンナノチューブフィルム
５３０　撹拌包含法を用い収縮させたカーボンナノチューブフィルム
６１０　ＦＤＨを包含した収縮させていないカーボンナノチューブフィルム
６３０　ＦＤＨを包含した収縮させたカーボンナノチューブフィルム
９１０　１ｍｍの長さの無配向のＣＮＴ
９２０　２～５μｍの長さの無配向のＣＮＴ

Claims (16)

  1. 複数のカーボンナノチューブが集合して形成されたカーボンナノチューブ集合体と、
    前記複数のカーボンナノチューブ集合体に含まれる複数の酵素と、
    を含むカーボンナノチューブフィルム。
  2. 前記酵素とは異種のタンパク質を含む請求項１に記載のカーボンナノチューブフィルム。
  3. 前記複数のカーボンナノチューブ間に界面活性剤を含む請求項１に記載のカーボンナノチューブフィルム。
  4. 前記複数のカーボンナノチューブ間に複数のメディエータ分子を含む請求項１に記載のカーボンナノチューブフィルム。
  5. 前記酵素は、オキシダーゼ又はデヒドロゲナーゼである請求項１に記載のカーボンナノチューブフィルム。
  6. 前記カーボンナノチューブ集合体は、比表面積６００ｍ２／ｇ以上２６００ｍ２／ｇ以下、重量密度０．００２ｇ／ｃｍ３以上０．２ｇ／ｃｍ３以下、細孔径の分布極大が５ｎｍ以上１００ｎｍ以下を有する請求項１に記載のカーボンナノチューブフィルム。
  7. 前記カーボンナノチューブ集合体の４本の前記カーボンナノチューブで囲まれた空隙に、前記酵素が前記カーボンナノチューブの長手方向と平行に１列で密に配列した部分を含む請求項１に記載のカーボンナノチューブフィルム。
  8. 請求項１に記載のカーボンナノチューブフィルムを有する一対の電極と、
    燃料と、を含む燃料電池。
  9. 請求項１に記載のカーボンナノチューブフィルムを有する電極を含むセンサ。
  10. 基板上に成長した複数のカーボンナノチューブを有するカーボンナノチューブフィルムを前記基板から剥離し、
    前記カーボンナノチューブフィルムを酵素を含む溶液に浸漬する、
    カーボンナノチューブフィルムの製造方法。
  11. 前記カーボンナノチューブフィルムを前記基板から剥離した後、界面活性剤を含む第１の緩衝液に前記カーボンナノチューブフィルムを浸漬し、その後、前記カーボンナノチューブフィルムを前記酵素を含む前記溶液に浸漬する、請求項１０に記載のカーボンナノチューブフィルムの製造方法。
  12. 前記カーボンナノチューブフィルムを前記溶液に浸漬した後、前記カーボンナノチューブフィルムを乾燥させる、請求項１０に記載のカーボンナノチューブフィルムの製造方法。
  13. 前記溶液は、前記酵素とは異種のタンパク質を含む請求項１０に記載のカーボンナノチューブフィルムの製造方法。
  14. 前記溶液に複数のメディエータ分子を含む請求項１０に記載のカーボンナノチューブフィルムの製造方法。
  15. 前記酵素は、オキシダーゼ又はデヒドロゲナーゼである請求項１０に記載のカーボンナノチューブフィルムの製造方法。
  16. 前記酵素を含む前記溶液は、前記カーボンナノチューブ集合体の４本の前記カーボンナノチューブで囲まれた空隙に、前記酵素が前記カーボンナノチューブの長手方向と平行に１列で密に配列する部分を含む濃度である請求項１０に記載のカーボンナノチューブフィルムの製造方法。
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