WO2012105462A1 - 燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体、酵素反応利用装置、タンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体 - Google Patents

燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体、酵素反応利用装置、タンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体 Download PDF

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nicotinamide adenine
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洋樹 三田
俊 山ノ井
酒井　秀樹
戸木田　裕一
誠一郎 田畑
恒俊 寒川
貴晶 中川
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ソニー株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a fuel cell, a fuel cell manufacturing method, an electronic device, a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode, a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier, an enzyme reaction utilization device, a protein-immobilized electrode, and a protein-immobilized carrier. More specifically, the present disclosure is suitable for application to, for example, a biofuel cell, a biosensor, a bioreactor, or the like that uses glucose as a fuel or a substrate, or various electronic devices that use a biofuel cell as a power source. is there.
  • Enzymes that use nicotinamide adenine dinucleotide as a coenzyme have high substrate specificity and are highly suitable for biosensors and highly active fuel cells that use multistage enzyme reactions (biofuel cells). Examples include enzymes (see, for example, Patent Documents 1 to 12).
  • biosensors, biofuel cells, bioreactors and the like attempts have been made to immobilize nicotinamide adenine dinucleotide on electrodes and carriers. For example, it has been proposed to bind a derivative of NAD + to a carrier such as Sepharose by a covalent bond (see Patent Document 13).
  • Non-Patent Document 4 it has been reported that a NAD + derivative is covalently bonded to chitosan and applied to a biosensor. Moreover, immobilization by NADH covalent bond to a polymer by alkylation has been reported (see Non-Patent Document 5). In addition, immobilization of NADH to mesoporous silica by covalent bonding has been reported (see Non-Patent Document 6). Furthermore, it has been reported that NAD + is adsorbed and immobilized on a carbon nanotube and applied to a biosensor (see Non-Patent Document 7).
  • Patent Documents 13 and 14 and Non-Patent Documents 1 to 7 immobilization of nicotinamide adenine dinucleotide is insufficient, and elution of nicotinamide adenine dinucleotide cannot be effectively prevented. For this reason, elution of nicotinamide adenine dinucleotide causes performance degradation of biosensors, biofuel cells, bioreactors and the like.
  • the methods of Cited Documents 1 to 6 for adding various functional groups to nicotinamide adenine dinucleotide cause a new problem that the substrate reactivity of the enzyme is significantly impaired by the addition of these functional groups. It ’s not a good idea.
  • enzymes that use nicotinamide adenine dinucleotide as a coenzyme which is effective for biosensors and have high substrate specificity
  • enzymes that use nicotinamide adenine dinucleotide as a coenzyme that are effective in biofuel cells have been avoided.
  • nicotinamide adenine dinucleotide In bioreactors using an enzyme that uses nicotinamide adenine dinucleotide as a coenzyme, nicotinamide adenine dinucleotide is relatively expensive, but a new or repurified one is added every hour for each reaction. It must be expensive. Therefore, the problem to be solved by the present disclosure is that it is possible to effectively prevent elution of nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative or enzyme immobilized on an electrode, and to prevent performance degradation due to elution. It is to provide a fuel cell and a manufacturing method thereof. Another problem to be solved by the present disclosure is to provide a high-performance electronic device using the above-described excellent fuel cell.
  • Still another problem to be solved by the present disclosure is that a protein-immobilized electrode that can effectively prevent elution of a protein such as an enzyme immobilized on an electrode or a carrier, and can prevent performance degradation due to elution, and It is to provide a protein-immobilized carrier.
  • nicotinamide adenine dinucleotide can be firmly immobilized while maintaining high reactivity with enzymes, etc., by using carbon having ultrafine pores of nanometer size on the surface. It was found that elution of amide adenine dinucleotide can be effectively prevented.
  • nicotinamide adenine dinucleotide was kept highly reactive with enzymes, etc., even when using inorganic compounds having other properties similar to carbon or other inorganic compounds instead of carbon, It came to the conclusion that it was possible to fix
  • the present disclosure Positive electrode, Negative electrode, A proton conductor provided between the positive electrode and the negative electrode,
  • the negative electrode has carbon and / or an inorganic compound having pores with a size of 2 nm to 100 nm on the surface, and nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof are immobilized on the carbon and / or the inorganic compound.
  • It is a fuel cell which consists of an electrode.
  • this disclosure is When manufacturing a fuel cell having a positive electrode, a negative electrode, and a proton conductor provided between the positive electrode and the negative electrode,
  • As the negative electrode an electrode having carbon and / or an inorganic compound with pores having a size of 2 nm or more and 100 nm or less on the surface is used, and nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof is immobilized on the carbon and / or the inorganic compound. It is a manufacturing method of the fuel cell which has the process to convert.
  • this disclosure is ⁇ Has one or more fuel cells, At least one of the above fuel cells Positive electrode, Negative electrode, A proton conductor provided between the positive electrode and the negative electrode,
  • the negative electrode has carbon and / or an inorganic compound having pores with a size of 2 nm to 100 nm on the surface, and nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof are immobilized on the carbon and / or the inorganic compound. It is the electronic device which consists of the electrode which has it.
  • nicotinamide adenine dinucleotide is NAD + / NADH
  • a derivative of nicotinamide adenine dinucleotide is nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP +
  • N nitrogen
  • NAD + And NADP + Since the molecular weights are 663 and 744, respectively, the sizes of both are almost the same. Other derivatives have small functional groups, so NAD + The difference is considered to be smaller.
  • NAD + Originally it has two phosphate groups in the skeleton, so NADP + However, it is considered that the chemical interaction with the surface of the carbon or inorganic compound does not change greatly.
  • the surface of the carbon and / or inorganic compound is preferably used.
  • pores having a size (pore diameter) of 2 nm or more and 100 nm or less a pore having a size of 0.5 nm or more and less than 2 nm is further included.
  • the surface of the carbon and / or inorganic compound has pores having a size of 0.5 nm to less than 2 nm and pores having a size of 4 nm to 20 nm.
  • the carbon having a pore having a size of 2 nm to 100 nm or a pore having a size of 0.5 nm to less than 2 nm on the surface is, for example, at least selected from the group consisting of carbon particles, carbon sheets, and carbon fibers.
  • One type can be used.
  • the carbon particles include, for example, at least one selected from the group consisting of activated carbon, carbon black, and biocarbon, but may be other than these.
  • Examples of the activated carbon include wood charcoal such as oak charcoal, kunugi charcoal, cedar charcoal, oak charcoal, hinoki charcoal, rubber charcoal, bamboo charcoal, oga charcoal, and coconut shell charcoal.
  • Carbon black includes furnace black, acetylene black, channel black, thermal black, ketjen black and the like.
  • Biocarbon is made from plant-derived material with a silicon content of 5% by weight or more, and has a specific surface area of 10 m as measured by the nitrogen BET method. 2 / G or more, silicon content is 1% by weight or less, pore volume by BJH method and MP method is 0.1 cm 3 / G or more porous carbon material (see Patent Document 16).
  • the inorganic compound is, for example, a compound containing various metals, silicon (Si), and the like, typically from the group consisting of oxide, nitride, carbide, sulfide, sulfate, phosphate, and chloride. At least one selected.
  • the metal include aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), hafnium (Hf), zirconium (Zr), niobium (Nb), vanadium (V), cerium (Ce), and tin (Sn).
  • the oxide examples include silicon dioxide (silica) (SiO 2 ), Aluminum oxide (alumina) (Al 2 O 3 ), Titanium oxide (TiO 2 ), Tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), Hafnium oxide (HfO) 2 ), Zirconium oxide (ZrO) 2 ), Niobium oxide (NbO), vanadium oxide (V 2 O 5 , V 2 O 3 , VO 2 ), Cerium oxide (CeO) 2 ), Tin oxide (SnO) 2 ), Zinc oxide (ZnO), gallium oxide (Ga) 2 O), magnesium oxide (MgO), barium oxide (BaO), indium oxide (InO) 2 ), Lithium oxide (Li 2 O), copper oxide (Cu 2 O, CuO), iridium oxide (IrO 2 ), Calcium oxide (CaO), strontium titanate (SrTiO) 3 ), Ruthenium oxide (RuO) 2 ) And the like, but is not limited thereto.
  • nitride examples include silicon nitride (Si 3 N 4 ), Titanium nitride (TiN), tungsten nitride (WN), boron nitride (BN), lithium nitride (LiN), and the like, but are not limited thereto.
  • carbide examples include, but are not limited to, silicon carbide (SiC), HfC (hafnium carbide), zirconium carbide (ZrC), tungsten carbide (WC), titanium carbide (TiC), chromium carbide (CrC), and the like. Is not to be done.
  • the sulfide examples include, but are not limited to, zinc sulfide (ZnS).
  • Examples of the sulfate include nickel sulfate (NiSO 4 ) And the like, but is not limited thereto.
  • Examples of the phosphate include aluminum phosphate (AlPO 4 ) And the like, but is not limited thereto.
  • As chloride for example, aluminum chloride (AlCl 3 ), Copper chloride (CuCl 2 ) And the like, but is not limited thereto.
  • chloride for example, aluminum chloride (AlCl 3 ), Copper chloride (CuCl 2 ) And the like, but is not limited thereto.
  • these inorganic compounds preferably, for example, those having the property of a solid acid (a solid substance whose surface is acidic) such as Al 2 O 3 , V 2 O 5 , ZnS, NiSO 4 , AlPO 4 AlCl 3 Etc. are used.
  • inorganic compounds are similar to carbon in binding to nicotinamide adenine dinucleotide or its derivative by electrostatic interaction, polarity, van der Waals force, etc., and adsorption of nicotinamide adenine dinucleotide or its derivative is Is possible.
  • These inorganic compounds are classified into conductive and non-conductive, but even if non-conductive, it is the electron mediator that ultimately delivers electrons to the electrode. Adenine dinucleotide and / or a derivative or enzyme thereof can be held in this inorganic compound, and electrons can be transferred to the electrode by an electron mediator.
  • the electrode material examples include platinum (Pt), silver (Ag), gold (Au), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), osmium (Os), niobium (Nb), molybdenum (Mo), indium ( In), iridium (Ir), zinc (Zn), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), palladium (Pd), rhenium ( A simple substance or an alloy of at least one metal selected from the group consisting of Re), tantalum (Ta), tungsten (W), zirconium (Zr), germanium (Ge), and hafnium (Hf) can be used.
  • Electrode materials include alumel, brass (brass), duralumin, bronze, nickel, platinum rhodium, permalloy, permender, silver, phosphor bronze alloys, conductive polymers such as polyacetylene, carbon felt, carbon paper , Carbon-based materials such as carbon fiber or carbon fine particle laminates, HfB 2 , NbB, CrB 2 And B 4 Borides such as C, nitrides such as TiN and ZrN, VSi 2 , NbSi 2 , MoSi 2 , TaSi 2 And the like, as well as composite materials of these materials can be used.
  • the entire electrode may be composed of carbon and / or an inorganic compound having pores with a size of 2 nm to 100 nm or a pore with a size of 0.5 nm to less than 2 nm on the surface.
  • carbon and / or an inorganic compound for example, Polymers containing fluorine atoms such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polyvinyl fluoride (PVF), copolymers thereof, copolymers of these monomers with ethylene, styrene, etc.
  • a polymer may be used. Furthermore, in addition to polymers such as polystyrene, polyethylene, and polypropylene, hydrophilic polymers such as polyacrylic acid, polylysine, and carboxymethylcellulose, and conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, and polyaniline sulfonic acid that is a derivative thereof may be used. Further, these polymers may be blended and used.
  • various fuels such as glucose can be used, and are selected as necessary. Examples of fuels other than glucose include various organic acids involved in the citric acid cycle, sugars and organic acids involved in the pentose phosphate cycle and glycolysis.
  • citric acid cycle Various organic acids involved in the citric acid cycle are lactic acid, pyruvic acid, acetyl CoA, citric acid, isocitric acid, ⁇ -ketoglutaric acid, succinyl CoA, succinic acid, fumaric acid, malic acid, oxaloacetic acid and the like.
  • Sugars and organic acids involved in the pentose phosphate cycle and glycolysis are glucose 6-phosphate, 6-phosphogluconolactone, 6-phosphogluconoic acid, ribulose 5-phosphate, glyceraldehyde 3-phosphate, fructose 6-phosphate, xylulose 5-phosphate, sedheptulose 7-phosphate, erythrose 4-phosphate, phosphoenolpyruvate, 1,3-bisphosphoglycerate, ribose 5-phosphate and the like.
  • alcohol such as methanol or ethanol may be used.
  • These fuels are typically used in the form of a fuel solution obtained by dissolving these fuels in a conventionally known buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution.
  • a buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution.
  • the carbon and / or inorganic compound of an electrode having carbon and / or an inorganic compound having a pore having a size of 2 nm or more and 100 nm or less or a pore having a size of 0.5 nm or more and less than 2 nm on the surface In addition to nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof, one or more kinds of enzymes having nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof as a coenzyme are immobilized.
  • These enzymes and nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivatives are used to extract electrons from the fuel.
  • These enzymes typically include an oxidase that promotes and decomposes the oxidation of fuel such as glucose, and further converts the coenzyme reduced with the oxidation of the fuel back into an oxidant and via an electron mediator. Includes coenzyme oxidase that delivers electrons to the negative electrode.
  • these enzymes include an oxidase that promotes and decomposes oxidation of fuel such as glucose, and a coenzyme oxidase that returns a coenzyme reduced by the oxidase to an oxidant. .
  • oxidase By the action of the coenzyme oxidase, electrons are generated when nicotinamide adenine dinucleotide, which is a coenzyme, returns to the oxidized form, and electrons are transferred from the coenzyme oxidase to the negative electrode via the electron mediator.
  • examples of oxidase include glucose dehydrogenase (GDH) (particularly NAD + / NADH-dependent glucose dehydrogenase), and as a coenzyme oxidase, for example, diaphorase (DI) is used.
  • immobilizing an enzyme on the carbon and / or inorganic compound from the viewpoint of immobilizing the enzyme more preferably, a site that binds to the carbon and / or inorganic compound and a site that binds to the enzyme
  • the compound for immobilizing an enzyme is used and bonded to the carbon and / or inorganic compound via the compound for immobilizing an enzyme.
  • This enzyme immobilization compound typically binds to carbon and / or inorganic compounds within the pores of the surface of the carbon and / or inorganic compounds.
  • the enzyme immobilization compound various conventionally known compounds can be used, and are selected as necessary.
  • binding of an enzyme to carbon and / or an inorganic compound via the enzyme immobilization compound is also effective for direct electron transfer from the enzyme to the carbon and / or inorganic compound.
  • an electrode having carbon and / or an inorganic compound having a pore having a size of 2 nm or more and 100 nm or less or a pore having a size of 0.5 nm or more and less than 2 nm on the surface In addition to nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof, an electron mediator is immobilized while maintaining high reactivity with an enzyme or the like.
  • any electron mediator may be used, but a compound having a quinone skeleton is preferably used. Specifically, for example, 2,3-dimethoxy-5-methyl-1 is used. , 4-benzoquinone (Q0) or a compound having a naphthoquinone skeleton, such as 2-amino-1,4-naphthoquinone (ANQ), 2-amino-3-methyl-1,4-naphthoquinone (AMNQ), 2-methyl Various naphthoquinone derivatives such as -1,4-naphthoquinone (VK3), 2-amino-3-carboxy-1,4-naphthoquinone (ACNQ) and vitamin K1 are used.
  • Q0 4-benzoquinone
  • ANQ 2-amino-1,4-naphthoquinone
  • APNQ 2-amino-3-methyl-1,4-naphthoquinone
  • VK3 2-
  • the electron mediator may contain one or two or more other compounds that function as an electron mediator, if necessary.
  • this enzyme typically contains an enzyme that reduces oxygen.
  • the enzyme that reduces oxygen include bilirubin oxidase, laccase, and ascorbate oxidase.
  • an electron mediator is preferably immobilized on the positive electrode in addition to the enzyme.
  • the electron mediator for example, potassium hexacyanoferrate or potassium octacyanotungstate is used.
  • the electron mediator is preferably sufficiently high in concentration, for example 0.64 ⁇ 10 4 on average. -6 mol / mm 2 Immobilize above.
  • Various proton conductors can be used and are selected as necessary. Specifically, for example, cellophane, perfluorocarbon sulfonic acid (PFS) -based resin film, and trifluorostyrene derivative can be used together.
  • Polymer film Polybenzimidazole film impregnated with phosphoric acid, aromatic polyether ketone sulfonic acid film, PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer), PSSA-EVOH (polystyrene sulfonate ethylene vinyl alcohol copolymer) And an ion exchange resin having a fluorine-containing carbon sulfonic acid group (Nafion (trade name, DuPont, USA), etc.).
  • a buffer solution buffer substance
  • sufficient buffer capacity can be obtained during high output operation, and the ability inherent to the enzyme can be fully exhibited. It is desirable to do.
  • the concentration of the buffer substance contained in the electrolyte is 0.2 M or more and 2.5 M or less, preferably 0.2 M or more and 2 M or less, more preferably 0.4 M or more and 2 M or less, More preferably, it is 0.8M or more and 1.2M or less.
  • the buffer substance is generally pK a Can be used as long as it is 6 or more and 9 or less, but specific examples include dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 ⁇ ), 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol (abbreviated to Tris), 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES), cacodylic acid, carbonic acid (H 2 CO 3 ), Hydrogen citrate ion, N- (2-acetamido) iminodiacetic acid (ADA), piperazine-N, N′-bis (2-ethanesulfonic acid) (PIPES), N- (2-acetamido) -2- Aminoethanesulfonic acid (ACES), 3- (N-morpholino) propanesulfonic acid (MOPS), N-2-hydroxyethylpiperazine-N'-2-ethanesulfonic acid (HEPES), N-2-hydroxyethylpiperazine- N'
  • Dihydrogen phosphate ion (H 2 PO 4 ⁇ For example, sodium dihydrogen phosphate (NaH). 2 PO 4 ) And potassium dihydrogen phosphate (KH) 2 PO 4 ) Etc.
  • a compound containing an imidazole ring is also preferable.
  • compounds containing an imidazole ring include imidazole, triazole, pyridine derivatives, bipyridine derivatives, imidazole derivatives (histidine, 1-methylimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-ethylimidazole, imidazole-2 -Ethyl carboxylate, imidazole-2-carboxaldehyde, imidazole-4-carboxylic acid, imidazole-4,5-dicarboxylic acid, imidazol-1-yl-acetic acid, 2-acetylbenzimidazole, 1-acetylimidazole, N-acetyl Imidazole, 2-aminobenzimidazole, N- (3-aminopropyl) imidazole, 5-amino-2- (trifluoromethyl) benzimidazole, 4-azabenzimidazole, 4-aza-2-mercap Benzimidazole, imidazole, 1-benzyl imid
  • hydrochloric acid HCl
  • acetic acid CH 3 COOH
  • phosphoric acid H 3 PO 4
  • sulfuric acid H 2 SO 4
  • the pH of the electrolyte containing the buffer substance is preferably around 7, but may be any of 1 to 14 in general.
  • Various materials can be used as the electrode material of the positive electrode, and for example, carbon materials such as porous carbon, carbon pellets, carbon felt, and carbon paper are used.
  • a porous conductive material including a skeleton made of a porous material and a material mainly composed of a carbon-based material covering at least a part of the surface of the skeleton can be used (Patent Document). 12).
  • This fuel cell can be used for almost anything that requires electric power, and can be of any size.
  • electronic devices mobile objects (automobiles, motorcycles, aircraft, rocket spacecrafts, etc.), power equipment, construction machinery, It can be used for machines, power generation systems, cogeneration systems, etc.
  • the output, size, shape, type of fuel, etc. are determined depending on the application.
  • Electronic devices may be basically any type, and include both portable and stationary devices. Specific examples include cell phones, mobile devices (portable information terminals).
  • this disclosure is An electrode having carbon and / or an inorganic compound having pores with a size of 2 nm or more and 100 nm or less on the surface, and nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof immobilized on the carbon and / or inorganic compound This is a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode.
  • this disclosure is From a carrier having carbon and / or an inorganic compound having pores having a size of 2 nm or more and 100 nm or less on the surface, and nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof immobilized on the carbon and / or inorganic compound A nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier.
  • This nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier can be used for various applications including production of pharmaceuticals and cosmetics.
  • this nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier may be used in a bioreactor to produce pharmaceuticals and cosmetics, or the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier itself may be used as a component to produce pharmaceuticals and cosmetics. May be.
  • this nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier can be used, for example, for oral drugs, implants, blood preparations in vitro, and the like.
  • NAD + Since there are so many oxidoreductases that use / NADH as a substrate, for patients deficient in these enzymes, the carbon with pores that keeps both the enzyme and NADH on the surface while maintaining activity or Inorganic compounds function effectively and continuously. For example, acetaldehyde dehydrogenase and NAD + Both carbons and inorganic compounds having pores, both of which are kept active on the surface, can be used for detoxification of alcohol poisoning. NAD for Alzheimer's disease + / NADH itself is known to be effective and can be used to treat patients with Alzheimer's disease.
  • this disclosure is Nicotinamide having carbon and / or an inorganic compound having pores having a size of 2 nm or more and 100 nm or less on the surface, and nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof immobilized on the carbon and / or inorganic compound
  • It is an enzyme reaction utilization apparatus having an adenine dinucleotide-immobilized electrode or a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier.
  • the enzyme reaction utilization device is, for example, a fuel cell (biofuel cell), a biosensor, or a bioreactor.
  • the fuel cell and the method for producing the fuel cell have been described. That is true.
  • the material having pores on the surface may be conductive or non-conductive.
  • the carbon and / or inorganic compound has various charges (positive and / or negative) or reactivity as required. At least one type of functional group can be imparted.
  • a protein-immobilized electrode comprising carbon and / or an inorganic compound having pores having a size of 2 nm or more and 100 nm or less on the surface, and a protein immobilized on the carbon and / or inorganic compound.
  • a protein-immobilized carrier comprising carbon and / or an inorganic compound having pores with a size of 2 nm or more and 100 nm or less on the surface and a protein immobilized on the carbon and / or inorganic compound.
  • the above protein-immobilized electrode and protein-immobilized carrier can be used for various applications.
  • the protein may basically be anything, but examples include enzymes, antibodies, hormones, albumin, fluorescent proteins (GFP, RFP, etc.), keratin, collagen, actin, myosin, etc. .
  • GFP fluorescent proteins
  • the protein-immobilized electrode and the protein-immobilized carrier become the enzyme-immobilized electrode and the enzyme-immobilized carrier, respectively.
  • the enzyme-immobilized electrode can be used for, for example, a negative electrode of a fuel cell or an electrode of a biosensor.
  • the enzyme-immobilized carrier can be used in, for example, a bioreactor.
  • protein immobilization having sites that bind to carbon and / or inorganic compounds and sites that bind to proteins is preferable.
  • This protein immobilization compound typically binds to carbon and / or inorganic compounds within the pores of the surface of the carbon and / or inorganic compounds.
  • binding of a protein to carbon and / or an inorganic compound via a protein immobilizing compound is also effective for direct electron transfer from the protein to the carbon and / or inorganic compound.
  • a peptide-immobilized electrode comprising carbon and / or an inorganic compound having pores with a size of 2 nm or more and 100 nm or less on the surface, and a peptide immobilized on the carbon and / or inorganic compound.
  • a peptide-immobilized carrier comprising carbon and / or an inorganic compound having pores with a size of 2 nm or more and 100 nm or less on the surface, and a peptide immobilized on the carbon and / or inorganic compound.
  • the above peptide-immobilized electrode and peptide-immobilized carrier can be used for various applications.
  • the peptide may basically be anything.
  • these peptide-immobilized electrodes and peptide-immobilized carriers are concerned, what has been described in relation to the above-mentioned protein-immobilized electrodes and protein-immobilized carriers is valid as long as the properties are not contradicted.
  • the above protein-immobilized electrode, protein-immobilized carrier, peptide-immobilized electrode, and peptide-immobilized carrier can be applied to various uses as described below, for example. -The chemical and biological characteristics of proteins and peptides can be retained, and the retained amount can be controlled.
  • a protein-immobilized electrode using an enzyme as a protein is used in a biofuel cell or biosensor, it is possible to reduce the amount of enzyme used, and to improve stability such as repetition characteristics. Is also possible. -By preliminarily immobilizing proteins on carbon and / or inorganic compounds containing adsorbate in nanopores, elution of adsorbate can be suppressed. For example, in biofuel cells, It is possible to reduce the amount of use of electron mediators and coenzymes (NADH, etc.). -Even if it does not perform bridge
  • a specific substance can be removed from a solution or the atmosphere by bonding with a functional group or a reactive group modified with pyrene in a pyrene derivative.
  • -Carbon and / or inorganic compounds in which pyrene derivatives holding an activating substance that causes a binding reaction with a protein such as NHS ester are adsorbed to nanopores can be used as a protein removal agent from solution or the like.
  • a ligand as an antigen can be bound and held on an immobilized antibody or the like, and they can be used for sensing such as ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay).
  • ELISA enzyme-linked immunosorbent assay
  • the activity can be controlled by stable immobilization and adjustment of the amount retained on the surface.
  • a stable and reusable reactor or heterogeneous catalyst using this as a carrier can be realized.
  • a carbon / inorganic compound having nanopores in which these functional groups are imparted at a high density can be constructed by adsorbing pyrene derivatives having various functional groups to the nanopores.
  • carbon / inorganic compound particles having nanopores that are positively or negatively charged can be easily constructed, and can be used for ink for electronic paper.
  • nicotinamide adenine dinucleotide or a derivative thereof is firmly immobilized by adsorption to the pores of carbon or an inorganic compound having pores with a size of 2 nm to 100 nm on the surface.
  • an enzyme can also be immobilized in the pore, particularly for immobilizing an enzyme having a site that binds to carbon and / or an inorganic compound and a site that binds to the enzyme. The enzyme can be firmly immobilized by immobilizing the enzyme via the compound.
  • nicotinamide adenine dinucleotide, its derivative or enzyme prevents nicotinamide adenine dinucleotide, its derivative or enzyme from eluting from the electrode or carrier.
  • nicotinamide adenine dinucleotide or its derivative or enzyme is immobilized in the pores of carbon or an inorganic compound while maintaining high reactivity with the enzyme.
  • the protein or peptide is firmly immobilized by adsorption to the pores of carbon or an inorganic compound having pores having a size of 2 nm to 100 nm on the surface. This prevents the protein or peptide from eluting from the electrode or carrier. In this case, the protein or peptide is immobilized in the pores of carbon or an inorganic compound while maintaining high activity.
  • nicotinamide adenine dinucleotide or a derivative thereof immobilized on an electrode it is possible to effectively prevent elution of nicotinamide adenine dinucleotide or a derivative thereof immobilized on an electrode and to obtain a fuel cell capable of preventing performance degradation due to elution.
  • a high-performance electronic device By using this excellent fuel cell, a high-performance electronic device can be realized.
  • a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode or a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier that can effectively prevent elution of nicotinamide adenine dinucleotide or a derivative thereof from the electrode or the carrier can be obtained.
  • nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode or nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier an excellent enzyme reaction utilization apparatus can be obtained.
  • a protein-immobilized electrode or protein-immobilized carrier or peptide-immobilized electrode or peptide-immobilized carrier that can effectively prevent the elution of protein or peptide from the electrode or carrier can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a schematic diagram illustrating a specific example of carbon having nanopores in the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is a schematic diagram illustrating a specific example of carbon having nanopores in the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment.
  • FIG. 2C is a schematic diagram illustrating a specific example of carbon having nanopores in the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a schematic diagram illustrating a specific example of carbon having nanopores in the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is
  • FIG. 3 schematically shows a cross-sectional shape of nanopores existing on the surface of carbon particles when carbon particles are used as carbon having nanopores in the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing the distribution of fibrous carbon and carbon particles when fibrous carbon is used as the electrode material of the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment. is there.
  • FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the distribution of the foam metal and the carbon particles when the foam metal is used as the electrode material of the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the results of constant voltage measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode shown in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the measurement results of the elution rate of nicotinamide adenine dinucleotide performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode shown in FIG.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the results of cyclic voltammetry measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode shown in FIG.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the results of cyclic voltammetry measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode shown in FIG.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the results of cyclic voltammetry measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode shown in FIG.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the results of cyclic voltammetry measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode shown in FIG.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the results of cyclic voltammetry measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating the results of constant voltage measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode illustrated in FIG. 6 using various carbons.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the results of constant current measurement performed using the multi-layered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode shown in FIG. 6 using various carbons.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the results of constant current measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode shown in FIG. 6 using various carbons.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating the results of constant voltage measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode illustrated in FIG. 6 using various carbons.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the results of constant current measurement performed using the multi-layered nicotinamide adenine dinucleotide-im
  • FIG. 15A is a drawing-substituting photograph showing a scanning electron microscope image of a natural graphite provided on a carbon electrode made of fibrous carbon.
  • FIG. 15B is a drawing-substituting photograph showing a scanning electron microscope image of biocarbon provided on a carbon electrode made of fibrous carbon.
  • FIG. 15C is a drawing-substituting photograph showing a scanning electron microscope image of Ketjen Black provided on a carbon electrode made of fibrous carbon.
  • FIG. 16A is a drawing-substituting photograph showing a scanning electron microscope image of a natural graphite provided on a carbon electrode made of fibrous carbon.
  • FIG. 16B is a drawing-substituting photograph showing a scanning electron microscope image of biocarbon provided on a carbon electrode made of fibrous carbon.
  • FIG. 16C is a drawing-substituting photograph showing a scanning electron microscope image of Ketjen Black provided on a carbon electrode made of fibrous carbon.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing the measurement results of the pore distribution of biocarbon and ketjen black.
  • FIG. 18 is a schematic diagram illustrating measurement results of various carbon pore distributions.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing the results of cyclic voltammetry measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode shown in FIG. 6 using various carbons.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing the results of cyclic voltammetry measurement performed using the multilayered nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode shown in FIG. 6 using various carbons.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing a biofuel cell according to the second embodiment.
  • FIG. 21 shows details of the configuration of the negative electrode of the biofuel cell according to the second embodiment, an example of an enzyme group and a coenzyme encapsulated in a liposome immobilized on the negative electrode, and an electron of the enzyme group and the coenzyme. It is a basic diagram which shows a delivery reaction typically.
  • FIG. 22A is a schematic diagram illustrating a specific configuration example of a biofuel cell according to the second embodiment.
  • FIG. 22B is a schematic diagram illustrating a specific configuration example of the biofuel cell according to the second embodiment.
  • FIG. 23 is a schematic diagram showing a bioreactor according to the third embodiment.
  • FIG. 24 is a schematic diagram showing an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the fourth embodiment.
  • FIG. 25 is a schematic diagram showing a specific example of an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the fourth embodiment.
  • FIG. 26 is a schematic diagram showing the results of constant current measurement using the enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to Example 5.
  • FIG. 27A is a schematic diagram showing the results of measuring the enzyme elution rate using the enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to Example 5.
  • FIG. 27B is a schematic diagram showing the results of measuring the enzyme elution rate using the enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to Example 5.
  • FIG. 28 is a schematic diagram showing the results of constant current measurement performed by changing the amount of nicotinamide adenine dinucleotide immobilized on the enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide immobilized electrode according to Example 5.
  • FIG. 29 is a schematic diagram showing measurement results of pore distribution when NHS pyrene is applied to the surface of biocarbon and when it is not applied.
  • FIG. 30 is a schematic diagram showing an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode in which an enzyme is immobilized on nanopores of biocarbon via NHS pyrene.
  • FIG. 31 is a schematic diagram showing a comparison of enzyme immobilization ability of an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode using five types of compounds as enzyme immobilization compounds.
  • FIG. 32 is a schematic diagram showing a comparison of the results of constant voltage measurement performed using an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode using five types of compounds as enzyme-immobilizing compounds.
  • FIG. 31 is a schematic diagram showing a comparison of enzyme immobilization ability of an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode using five types of compounds as enzyme immobilizing compounds.
  • FIG. 33 is a schematic diagram showing a comparison of measurement results of the elution rate of an enzyme from an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode using five types of compounds as the enzyme immobilization compound.
  • FIG. 34 is a schematic diagram showing a comparison of the results of constant voltage measurement performed using an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode using five types of compounds as enzyme-immobilizing compounds.
  • FIG. 35 is a schematic diagram for explaining the substance removing agent according to the fifth embodiment.
  • FIG. 36 is a schematic diagram showing carbon particles used in the substance removing agent according to the fifth embodiment.
  • FIG. 37 is a schematic diagram for explaining an antigen removing agent according to the seventh embodiment.
  • FIG. 38 is a schematic diagram showing a carbon sheet used in the antigen removing agent according to the seventh embodiment.
  • FIG. 39 is a schematic diagram for explaining a vaccine according to the eighth embodiment.
  • FIG. 40 is a schematic diagram showing carbon particles used in the vaccine according to the eighth embodiment.
  • FIG. 41 is a schematic diagram showing a bioreactor according to the ninth embodiment.
  • FIG. 1 shows a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment. As shown in FIG.
  • the surface of the electrode 11 has a nanometer size, specifically, 2 nm to 100 nm, preferably 2 nm to 30 nm, more preferably Carbon 12 having pores having a size of 4 nm or more and 20 nm or less, or further having a pore size of 0.5 nm or more and less than 2 nm (hereinafter, these pores are referred to as “nanopores”) is formed.
  • the carbon 12 having nanopores is shown in a layered form on the electrode 11, but the electrode 11 is made of fibrous carbon or the like, and has a structure with a gap like a porous body.
  • the electrode 11 may be dispersed inside the electrode 11.
  • One molecule or two or more molecules of nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof are adsorbed and immobilized on the nanopore of carbon 12 having the nanopore.
  • you may comprise a nicotinamide adenine dinucleotide fixed electrode only with the carbon 12 to which the nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative (s) were fixed, without using the electrode 11.
  • the carbon 12 having nanopores is, for example, one or two of carbon particles, carbon sheets, carbon fibers, and the like. 2A, B and C show carbon particles, carbon sheets and carbon fibers, respectively. As shown in FIG.
  • the carbon particle 13 has a plurality of nanopores 13a on the surface.
  • the carbon particles 13 are drawn in a spherical shape, but the shape of the carbon particles 13 is not limited and may be any of an elliptical shape, a cubic shape, a rectangular parallelepiped shape, and the like. Also, two or more types of carbon particles 13 having different shapes may be mixed.
  • the size of the carbon particles 13 is not particularly limited, and is, for example, 10 nm to 1 mm, typically 100 nm to 500 ⁇ m.
  • the carbon sheet 14 has a plurality of nanopores 14a on the surface. In FIG.
  • the carbon sheet 14 is drawn in a flat plate shape, but the carbon sheet 14 may be entirely or partially curved.
  • the shape of the carbon sheet 14 is not limited and may be any of square, rectangle, circle, ellipse, triangle, hexagon, and the like.
  • the thickness of the carbon sheet 14 is not specifically limited, For example, they are 10 nm or more and 1 mm or less, typically 100 nm or more and 500 micrometers or less.
  • the carbon fiber 15 has a plurality of nanopores 15a on the surface. In FIG.
  • the carbon fiber 15 is drawn so as to have a circular cross-sectional shape, but the cross-sectional shape of the carbon fiber 15 is not limited and may be any of a circular shape, an elliptical shape, a square shape, a rectangular shape, and the like. Good. Two or more types of carbon fibers 15 having different cross-sectional shapes may be mixed.
  • the thickness (diameter) of the carbon fiber 15 is not particularly limited, and is, for example, 10 nm to 1 mm, typically 100 nm to 500 ⁇ m.
  • FIG. 3 schematically shows a cross-sectional shape of nanopores 13a on the surface of carbon particles 13 as an example of carbon 12 having nanopores. As shown in FIG.
  • the nanopores 13a may have different cross-sectional shapes, pore diameters, depths, and the like. In addition, smaller nanopores may exist inside the nanopores 13a.
  • One molecule or two or more molecules of nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative 16 are adsorbed and immobilized on the inner wall of the nanopore 13a.
  • the carbon 12 having nanopores includes, for example, at least one selected from the group consisting of activated carbon, carbon black, and biocarbon, but may be other than these.
  • the material of the electrode 11 is selected as necessary from among those already described.
  • FIG. 4 An example of a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode when fibrous carbon is used as the material of the electrode 11 is shown in FIG. As shown in FIG. 4, carbon particles 13 having nanopores 13 a are dispersed in the gaps between the fibrous carbons 17 in the aggregate of fibrous carbons 17. As a material of the electrode 11, a foam metal such as nickel foam may be used. An example of a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode in the case where a foam metal is used as the material of the electrode 11 is shown in FIG. As shown in FIG.
  • carbon particles 13 are dispersed as carbon having nanopores immobilized on a skeleton 18 made of a porous material having a three-dimensional network structure.
  • the surface of the skeleton 18 may be covered with a carbon-based material.
  • the form of the carbon-based material covering the surface of the skeleton 18 is not limited and may be any of a fibrous shape (needle shape) and a granular shape.
  • the porosity of the foam metal coated with the foam metal or the carbon-based material is generally 85% or more, or 90% or more, and the pore diameter is generally, for example, 10 nm to 1 mm, or 10 nm to 600 ⁇ m, or 1 It is ⁇ 600 ⁇ m, typically 50 to 300 ⁇ m, more typically 100 to 250 ⁇ m.
  • the carbon-based material for example, a highly conductive material such as ketjen black is preferable, but a functional carbon material such as carbon nanotube or fullerene may be used.
  • the porosity of the porous conductive material is generally 80% or more, or 90% or more, and the pore diameter is generally, for example, 9 nm to 1 mm, alternatively 9 nm to 600 ⁇ m, alternatively 1 to 600 ⁇ m, typically It is 30 to 400 ⁇ m, more typically 80 to 230 ⁇ m.
  • the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode may be formed by alternately laminating electrodes 11 and carbon 12 having nanopores. One molecule or two or more molecules of nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof are immobilized on the carbon 12 having each nanopore.
  • the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode is composed of the electrodes 11 and the carbon 12 having nanopores alternately laminated, whereby the nicotinamide adenine dinucleotide and / or the derivative thereof are immobilized. Further, since the carbon 12 having nanopores is sandwiched between the electrodes 11, it is possible to more effectively prevent nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof from eluting to the outside.
  • One or more kinds of enzymes having nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof as a coenzyme or an electron mediator may be immobilized on the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode. By doing so, an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode or an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide / electron mediator-immobilized electrode can be obtained.
  • NAD + / NAD-dependent glucose dehydrogenase and diaphorase are used as enzymes, and those having a quinone skeleton, for example, are used as electron mediators.
  • the immobilization of the enzyme and the electron mediator at the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode will be described.
  • the carbon particles 13 shown in FIG. 3 are used as the carbon 12 having nanopores.
  • the enzyme 19 can be adsorbed and immobilized on the surface of the carbon particle 13, but when adsorbed into the nanopore 13 a larger than the enzyme 19, the enzyme 19 is firmly adsorbed and firmly immobilized on the carbon particle 13. It is thought.
  • FIG. 3 only one enzyme 19 is shown, but two or more kinds of one or more kinds of enzymes may be immobilized. Furthermore, it is considered that the electron mediator 20 also enters the nanopore 13a and is immobilized. Thus, when the enzyme 19 and the electron mediator 20 are immobilized on the nanopore 13a, the nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative 16 immobilized on the nanopore 13a and the enzyme 19 approach each other. Therefore, an enzymatic reaction using nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative 16 as a coenzyme is efficiently and rapidly performed.
  • the electron mediator 20 When the electron mediator 20 is also immobilized on the nanopore 13a, the electron mediator 20 and the enzyme 19 come close to each other, so that an electron transfer reaction from the enzyme 19 to the electron mediator 20 is also performed by the electron mediator 20 to the carbon particles 13.
  • the delivery reaction is also carried out efficiently and quickly.
  • nicotinamide adenine dinucleotide and / or derivative 16 thereof, NAD + / NAD-dependent glucose dehydrogenase as enzyme 19, and diaphorase and electron mediator having a quinone skeleton are all immobilized in nanopore 13a.
  • the entire enzymatic reaction using glucose as a fuel or substrate is carried out extremely efficiently and rapidly.
  • an immobilizing material may be formed so as to cover the carbon 12 having nanopores in order to make the immobilization of nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative or enzyme stronger. May be.
  • a conventionally known material can be used as the immobilizing material, and is selected as necessary.
  • the immobilizing material for example, a combination of glutaraldehyde (GA) and poly-L-lysine (PLL), a polycation such as poly-L-lysine (PLL) or a salt thereof and polyacrylic are used.
  • a polyion complex formed using a polyanion such as an acid (for example, sodium polyacrylate (PAAcNa)) or a salt thereof can be used.
  • This nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode can be produced, for example, as follows.
  • a case where carbon particles 13 are used as carbon 12 having nanopores will be described.
  • a dispersion in which carbon particles are mixed with a water-soluble polymer and dispersed in water is prepared.
  • the dispersion liquid is applied onto the electrode 11 and dried to immobilize the carbon particles 13 on the electrode 11.
  • the water-soluble polymer for example, polyacrylic acid, polylysine, polyethyleneimine, polyaniline 2-sulfonic acid, polyethylene glycol and the like are used.
  • a dispersion liquid in which a water-insoluble polymer and carbon particles 13 are dispersed in an organic solvent is prepared, and the dispersion liquid is applied on the electrode 11 and dried to fix the carbon particles 13 on the electrode 11.
  • the water-insoluble polymer include polymers containing fluorine atoms such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), and copolymers thereof. Or a copolymer of these monomers and ethylene, styrene, or the like can be used.
  • nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative 16 is prepared, and this solution is applied on the electrode 11 on which the carbon particles 13 having nanopores are immobilized and dried. By doing so, nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative 16 is adsorbed and immobilized on the nanopores 13a of the carbon particles 13.
  • nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative 16 on the carbon particles 13 it is preferable to dry completely at, for example, room temperature or a temperature of about 40 ° C.
  • an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode or an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide / electron mediator-immobilized electrode is formed, enzyme 19 or further electron mediator 20 is immobilized on electrode 11 in the same manner. .
  • enzyme 19 or further electron mediator 20 is immobilized on electrode 11 in the same manner.
  • smaller molecules may be blocked by larger molecules such as the enzyme 19, it is preferable to apply molecules having a lower molecular weight first.
  • the electron mediator 20 since the molecular weight generally increases in the order of the electron mediator 20, nicotinamide adenine dinucleotide or derivative 16 and the enzyme 19, the electron mediator 20 first, then nicotinamide adenine dinucleotide or derivative 16 thereof, and finally It is preferable to apply enzyme 19 to the gel.
  • a polymer may be added and a carbon particle may be bound, or a polymer film may be formed in the surface and a carbon particle may be fixed more firmly.
  • a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode was prepared as follows.
  • a carbon electrode made of fibrous carbon was used as the electrode 11.
  • a dispersion in which carbon particles were mixed with a water-soluble polymer and dispersed in water was prepared. The dispersion was applied on the carbon electrode and dried to immobilize the carbon particles on the carbon electrode.
  • Biocarbon was used as the carbon particles. This biocarbon was produced in the same manner as in Example 1 of Patent Document 16. Specifically, the ground rice husk (produced in Kagoshima Prefecture, Isehikari rice husk) was first carbonized by heating in a nitrogen stream at 500 ° C. for 5 hours to obtain a carbide.
  • this carbide was placed in an alumina crucible and heated to 1000 ° C. at a rate of 5 ° C./min in a nitrogen stream (10 liters / min). And after carbonizing at 1000 degreeC for 5 hours and converting into a carbonaceous substance (porous carbon material precursor), it cooled to room temperature. In addition, nitrogen gas was kept flowing during carbonization and cooling. Next, this porous carbon material precursor was subjected to an acid treatment by immersing it overnight in a 46% by volume hydrofluoric acid aqueous solution, and then washed with water and ethyl alcohol until the pH reached 7. And the porous carbon material, ie, biocarbon, was obtained by making it dry at the end.
  • a carbonaceous substance porous carbon material precursor
  • NADH manufactured by Sigma Aldrich, N-8129
  • a buffer solution 10 mM phosphate buffer, pH 7
  • This NADH buffer solution was applied onto the carbon electrode on which the carbon particles were immobilized as described above, and dried at room temperature.
  • a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode having a multilayer structure as shown in FIG. 6 was produced.
  • Example 2 a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that ketjen black (KB) was used as the carbon particles.
  • KB ketjen black
  • Example 3 a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that activated carbon (activated carbon 1) activated with zinc chloride was used as the carbon particles.
  • Example 4 a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that activated carbon (activated carbon 2) activated with water vapor was used as the carbon particles.
  • activated carbon activated carbon 2
  • a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that fibrous carbon was used as the carbon particles.
  • MCMB mesocarbon microbeads
  • Comparative Example 3 a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that glassy carbon (GC) particles were used as the carbon particles. ⁇ Experimental result> Glucose was used as fuel, and this was dissolved in 10 mM phosphate buffer (pH 7) to prepare a fuel solution.
  • GC glassy carbon
  • NAD as an enzyme + / NADH-dependent glucose dehydrogenase (GDH) (EC 1.1.1.47, Amano Enzyme) and diaphorase (DI) (EC 1.8.1.4, Amano Enzyme)
  • GDH glycol dehydrogenase
  • DI diaphorase
  • quinone derivatives as electron mediators AQ2S (anthraquinone-2-sulfonic acid) was dissolved.
  • nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrodes of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 the repetition characteristics were verified by electrochemical observation of the catalytic current by the enzyme.
  • the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was used as the working electrode of the electrochemical measuring apparatus, Ag
  • the current value was measured at a constant voltage of ⁇ 0.2 V.
  • the same cleaning was performed by replacing ultrapure water again. .
  • the fuel solution was added again, and after pipetting, the same constant voltage measurement was performed.
  • FIG. 7 shows the ratio of the measured current value to the first measurement 5 minutes after the start of measurement.
  • BC biocarbon
  • KB ketjen black
  • FIG. 8 shows the results of measuring the elution amount of nicotinamide adenine dinucleotide in each fuel solution by high performance liquid chromatography (HPLC) in the same test as described above.
  • FIG. 8 shows that when biocarbon (BC) or ketjen black (KB), which are carbon particles having nanopores, is used, nicotinamide adenine dinucleotide is strongly adsorbed to the carbon particles and almost no elution is observed. It was confirmed that it was not possible.
  • BC biocarbon
  • KB ketjen black
  • NAD as an enzyme on a carbon electrode made of fibrous carbon with biocarbon (BC) as carbon particles + / NADH-dependent glucose dehydrogenase and diaphorase (DI) were immobilized, and cyclic voltammetry (CV) measurement was performed by repeatedly exchanging the fuel solution containing nicotinamide adenine dinucleotide and an electron mediator in addition to glucose.
  • CV cyclic voltammetry
  • biocarbon In addition to glucose, NAD is used as an enzyme. + CV measurement was performed by repeatedly exchanging fuel solutions containing / NADH-dependent glucose dehydrogenase and diaphorase (DI), nicotinamide adenine dinucleotide and an electron mediator. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 10, the peak current value of the electron mediator increases every time the fuel solution is exchanged. Therefore, the electron mediator contained in each fuel solution is strongly capable of reacting with biocarbon (BC) having nanopores. It was confirmed that it was retained. An electron mediator is immobilized on a carbon electrode made of fibrous carbon and biocarbon (BC) is provided as carbon particles.
  • NAD on a carbon electrode made of fibrous carbon with biocarbon (BC), activated carbon 1 or fibrous carbon (Ctrl) as carbon particles + / NADH-dependent glucose dehydrogenase and diaphorase (DI), nicotinamide adenine dinucleotide and an electron mediator were applied, and the fuel solution was changed repeatedly to perform constant voltage measurement ( ⁇ 0.35 V) and constant current measurement (1.5 mAcm -2 )
  • the result of the constant voltage measurement is shown in FIG.
  • FIG. 12 compares the current value (current density i) after one hour in constant voltage measurement with respect to the number of replacements of the fuel solution in the case of using biocarbon (BC) or fibrous carbon (Ctrl) as carbon particles. It is shown.
  • FIG. 12 compares the current value (current density i) after one hour in constant voltage measurement with respect to the number of replacements of the fuel solution in the case of using biocarbon (BC) or fibrous carbon (Ctrl) as carbon particles. It is shown.
  • FIG. 13 shows the results of constant current measurement when biocarbon (BC) or fibrous carbon (Ctrl) is used as the carbon particles.
  • FIG. 13 compares the change over time in the potential E when the fuel solution is exchanged every 2 hours until 12 hours later when biocarbon (BC) or fibrous carbon (Ctrl) is used as the carbon particles. It is shown.
  • biocarbon (BC) is used as the carbon particles
  • fibrous carbon (Ctrl) is used as the carbon particles
  • the potential E becomes 0 when the fuel solution is exchanged twice.
  • FIG. 14 shows the results of constant current measurement when biocarbon (BC) or activated carbon 1 is used as the carbon particles.
  • FIG. 14 shows the change over time in the potential E when the fuel solution is changed every 12 hours until 12 hours later, in comparison with the case where biocarbon (BC) or activated carbon 1 is used as the carbon particles. is there. As shown in FIG.
  • FIGS. 15A, B and C and FIGS. 16A, B and C Scanning electron microscope (SEM) images of natural graphite (Ctrl), biocarbon (BC), or ketjen black (KB) immobilized as carbon particles on a carbon electrode made of fibrous carbon were observed.
  • SEM Scanning electron microscope
  • the pore distribution of the fixed particles was measured.
  • 17A and 17B show the measurement results of the pore distribution of biocarbon (BC) and ketjen black (KB).
  • FIG. 18 shows the pore distribution of biocarbon (BC), ketjen black (KB), activated carbon 1 and activated carbon 2 estimated by the NLDFT / GCMC method.
  • biocarbon (BC) is 2050m 2 / G to 5m 2 / G
  • biocarbon (BC) is 2050m 2 / G
  • Ketjen Black (KB) is 1170m 2 / G
  • activated carbon 1 (zinc chloride activated) is 1850m 2 / G
  • activated carbon 2 (steam activated) is 1310 m 2 / G and pore volume of about 0.01 cm for natural graphite (Ctrl), mesocarbon microbeads (MCMB) and glassy carbon (GC) particles 3 / G
  • biocarbon (BC) is 1.95 cm 3 / G
  • Ketjen Black (KB) is 2.44 cm 3 / G
  • activated carbon 1 is 1.73 cm 3 / G
  • activated carbon 2 is 0.90cm 3 / G.
  • biocarbon has remarkably micropores ranging from 0.5 nm to 2 nm and mesopores ranging from 2 nm to 20 nm, whereas Ketjen Black (KB) has 0. It was estimated that there were micropores from about 5 nm to 2 nm and mesopores near 20 nm, and that pores were also present in the boundary region between mesopores and macropores near 100 nm.
  • Activated carbon 1 has few micropores, but mesopores ranging from 2 nm to 20 nm are prominently present. In activated carbon 2, micropores from about 0.5 nm to 2 nm are prominently present, but mesopores of 4 nm or more are scarce.
  • the specific surface area is approximately 1500 (m 2 / G) or more, pore volume 1.5 cm 3 / G or more is preferable.
  • An electron mediator is immobilized on a carbon electrode made of fibrous carbon and provided with activated carbon 1, activated carbon 2, mesocarbon microbeads (MCMB) and glassy carbon (GC) particles as carbon particles.
  • MCMB mesocarbon microbeads
  • GC glassy carbon
  • nicotinamide adenine dinucleotide and / or carbon nanopores are formed in the carbon 12 nanopores.
  • the derivative can be firmly immobilized while maintaining high reactivity with an enzyme or the like. For this reason, elution of nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative from the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode can be effectively prevented. Also, when an enzyme or electron mediator is immobilized on the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode, elution of these enzyme or electron mediator can be effectively prevented.
  • FIG. 20 schematically shows this biofuel cell.
  • glucose is used as a fuel.
  • FIG. 21 schematically shows the details of the configuration of the negative electrode of this biofuel cell, an example of an enzyme group and a coenzyme enclosed in the liposome 12 immobilized on the negative electrode, and an electron transfer reaction by the enzyme group and the coenzyme. Shown in As shown in FIGS.
  • this biofuel cell has a structure in which a negative electrode 21 and a positive electrode 22 face each other with an electrolyte layer 23 therebetween.
  • the negative electrode 21 decomposes glucose supplied as a fuel with an enzyme to take out electrons and protons (H + ).
  • the positive electrode 22 generates water by protons transported from the negative electrode 21 through the electrolyte layer 23, electrons sent from the negative electrode 21 through an external circuit, and oxygen in the air, for example.
  • the enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment is used as the negative electrode 21, the enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment is used.
  • the enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode is obtained by immobilizing liposomes 12 having holes 17 capable of permeating glucose in the lipid bimolecular membrane on the electrode 11.
  • Encapsulated in the liposome 12 are enzymes involved in the degradation of glucose, a coenzyme that produces a reductant during the oxidation process in the glucose degradation process, and a coenzyme oxidase that oxidizes the reductant of the coenzyme. ing.
  • an electron mediator that receives electrons generated from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes it to the electrode 11 is also immobilized.
  • an enzyme involved in the degradation of glucose for example, glucose dehydrogenase (GDH), preferably NAD-dependent glucose dehydrogenase can be used.
  • GDH glucose dehydrogenase
  • ⁇ -D-glucose can be oxidized to D-glucono- ⁇ -lactone.
  • this D-glucono- ⁇ -lactone can be decomposed into 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the presence of two enzymes, gluconokinase and phosphogluconate dehydrogenase (PhGDH).
  • gluconokinase and phosphogluconate dehydrogenase PhGDH
  • D-glucono- ⁇ -lactone is converted to D-gluconate by hydrolysis, and D-gluconate is converted from adenosine triphosphate (ATP) to adenosine diphosphate (ADP) and phosphate in the presence of gluconokinase. And then phosphorylated to 6-phospho-D-gluconate.
  • ATP adenosine triphosphate
  • ADP adenosine diphosphate
  • This 6-phospho-D-gluconate is oxidized to 2-keto-6-phospho-D-gluconate by the action of the oxidase PhGDH.
  • glucose can be converted to CO using sugar metabolism. 2 Can also be disassembled.
  • the decomposition process utilizing sugar metabolism is roughly divided into glucose decomposition and pyruvic acid generation by a glycolysis system and a TCA cycle, which are widely known reaction systems.
  • the oxidation reaction in the monosaccharide decomposition process is accompanied by a coenzyme reduction reaction. This coenzyme is almost determined by the acting enzyme. In the case of GDH, the coenzyme contains NAD. + Is used.
  • the above enzyme, coenzyme, and electron mediator are optimal for the enzyme by using a buffer solution such as a phosphate buffer solution or a Tris buffer solution contained in the electrolyte layer 23 so that the electrode reaction can be performed efficiently and constantly. It is preferably maintained at a low pH, for example, around pH 7.
  • phosphate buffers include NaH. 2 PO 4 And KH 2 PO 4 Is used.
  • the ionic strength (IS) is too large or too small to adversely affect the enzyme activity, but considering the electrochemical response, it should be an appropriate ionic strength, for example, about 0.3. Is preferred.
  • pH and ionic strength have optimum values for each enzyme used, and are not limited to the values described above. In FIG.
  • an enzyme involved in glucose degradation is glucose dehydrogenase (GDH), and a coenzyme that produces a reductant in the oxidation reaction in the glucose degradation process is NAD. +
  • the coenzyme oxidase that oxidizes NADH, which is a reduced form of the coenzyme is diaphorase (DI)
  • DI diaphorase
  • the electron mediator that receives electrons from the coenzyme oxidase accompanying the oxidation of the coenzyme and passes it to the electrode 11 is ACNQ Is shown.
  • the positive electrode 22 is obtained by immobilizing an enzyme that decomposes oxygen, such as bilirubin oxidase, laccase, and ascorbate oxidase, on an electrode made of an electrode material such as porous carbon.
  • the outer part of the positive electrode 22 (the part opposite to the electrolyte layer 23) is usually formed by a gas diffusion layer made of porous carbon, but is not limited thereto.
  • an electron mediator that transfers electrons to and from the positive electrode 22 is also immobilized on the positive electrode 22.
  • H from the electrolyte layer 23 is present in the presence of the enzyme that decomposes oxygen.
  • + And oxygen from the negative electrode 21 reduce oxygen in the air to produce water.
  • the electrolyte layer 23 is H generated in the negative electrode 21. + Is transported to the positive electrode 22 and does not have electron conductivity. + It is comprised with the material which can be transported. Specific examples of the electrolyte layer 23 include those already mentioned, such as cellophane.
  • the biofuel cell configured as described above, when glucose is supplied to the negative electrode 21 side, the glucose is decomposed by a decomposing enzyme including an oxidase. Since oxidase is involved in the monosaccharide decomposition process, electrons and H on the negative electrode 21 side. + And a current can be generated between the negative electrode 21 and the positive electrode 22.
  • a specific structural example of the biofuel cell will be described. As shown in FIGS.
  • this biofuel cell has a configuration in which the negative electrode 21 and the positive electrode 22 face each other with the electrolyte layer 23 therebetween.
  • Ti current collectors 41 and 42 are placed under the positive electrode 22 and the negative electrode 21, respectively, so that current collection can be performed easily.
  • Reference numerals 43 and 44 denote fixed plates.
  • the fixing plates 43 and 44 are fastened to each other by screws 45, and the positive electrode 22, the negative electrode 21, the electrolyte layer 23, and the Ti current collectors 41 and 42 are sandwiched between them.
  • One surface (outer surface) of the fixing plate 43 is provided with a circular recess 43a for taking in air, and a plurality of holes 43b penetrating to the other surface are provided in the bottom surface of the recess 43a.
  • holes 43 b serve as air supply paths to the positive electrode 22.
  • a circular recess 44a for fuel loading is provided on one surface (outer surface) of the fixing plate 44, and a number of holes 44b penetrating to the other surface are provided on the bottom surface of the recess 44a. These holes 44 b serve as a fuel supply path to the negative electrode 21.
  • a spacer 46 is provided on the periphery of the other surface of the fixing plate 44, and when the fixing plates 43 and 44 are fastened to each other with screws 45, the interval between them becomes a predetermined interval. . As shown in FIG.
  • a load 47 is connected between the Ti current collectors 41 and 42, and a glucose solution in which glucose is dissolved in a phosphate buffer, for example, is put into the recess 44a of the fixed plate 44 to generate power.
  • the enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment as the negative electrode 21
  • the elution of nicotinamide adenine dinucleotide from the negative electrode 21 is effective. Can be prevented. For this reason, performance degradation of the biofuel cell due to elution of nicotinamide adenine dinucleotide from the negative electrode 21 can be prevented.
  • FIG. 23 shows a bioreactor according to the third embodiment.
  • a nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier 51 is installed in the column reactor.
  • This nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized support 51 is provided with carbon 12 having nanopores on a predetermined substrate, as in the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the first embodiment.
  • Nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof are immobilized, and in addition, an enzyme having nicotinamide adenine dinucleotide and / or a derivative thereof as a coenzyme is immobilized.
  • a solution containing the reaction product is caused to flow through the column reactor and brought into contact with the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized support 51. Then, a product is obtained from the reaction product by an enzyme reaction with the enzyme immobilized on the nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier 51.
  • the same advantages as those of the first embodiment can be obtained in the bioreactor.
  • the elution of nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative from nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized carrier 51 can be effectively prevented, so that nicotinamide adenine dinucleotide and / or its derivative can be reacted hourly. It is not necessary to add a new or re-purified product every time, and the cost can be reduced. ⁇ 4.
  • FIG. 24 shows an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode according to the fourth embodiment.
  • this enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode a site that binds to carbon on the surface of carbon 12 having nanopores formed on the surface of the electrode (not shown).
  • Enzyme 19 is bound via an enzyme immobilization compound 61 having a site that binds to the enzyme.
  • the carbon 12 of the enzyme immobilization compound 61 is bonded to the surface of the carbon 12, and the enzyme 19 is bonded to the site of the enzyme immobilization compound 61 that binds to the enzyme.
  • bonded with carbon of the compound 61 for enzyme immobilization enters the inside of the nanopore of carbon 12, and is adsorb
  • the molecular weight of the enzyme immobilization compound 61 is preferably, for example, 1000 or less, and the charge is preferably divalent or less.
  • Examples of the enzyme immobilization compound 61 include biotin molecules that can enter the carbon 12 nanopores and be adsorbed on the surface of the carbon 12, or fluorescein that is adsorbed on the surface of the carbon 12 by a ⁇ bond. And molecules having chirality, various polycyclic aromatic compounds (PAHs), and the like can be used, and are selected as necessary. Specific examples of the enzyme immobilization compound 61 are as follows.
  • Pyrene derivatives include, for example, amine group, sulfone group, sulfhydryl group, carboxyl group, hydroxyl group, azide group, azo group, nitro group, nitrile group, cyano group, allene group, isonitrile group, urea group, aldehyde group, ketone group, It has functional groups and reactive groups such as NHS ester, imide ester, maleimide, pyridyldithiol, allyl azide, haloacetate, isocyanate, carbodiimide, allyl azide, diazirine, hydrazide, psoralen, iodo, pyridine disulfide, vinyl sulfone.
  • the functional group and the reactive group may be separated from pyrene by using an alkyl group, polyethylene glycol, or the like as a spacer. These functional groups, reactive groups, spacers and other modifications may be bonded to carbon at any position of pyrene.
  • Pyrene derivatives can bind to proteins via their functional groups and reactive groups.
  • biotin, glutathione, a sugar molecule or a molecule serving as an antigen a protein that specifically binds to these can be immobilized.
  • Example 5 in addition to nicotinamide adenine dinucleotide added to biopores (BC) as carbon 12 having nanopores on a carbon electrode made of fibrous carbon, AQ2S ( Anthraquinone-2-sulfonic acid) was immobilized, and NAD + / NADH-dependent glucose dehydrogenase (GDH) (EC 1.1.47, manufactured by Amano Enzyme) and diaphorase (DI) (EC 1.8.1) were used as enzymes. .4, manufactured by Amano Enzyme) was immobilized via NHS pyrene to prepare an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode.
  • GDH NADH-dependent glucose dehydrogenase
  • DI diaphorase
  • Example 25 shows a case where the enzyme immobilization compound 61 is NHS pyrene.
  • an enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode was prepared in the same manner as in Example 5 except that NHS pyrene as the enzyme-immobilizing compound 61 was not used.
  • Glucose was used as a fuel, and this was dissolved in 1.0 M phosphate buffer (KPB, KH 2 PO 4 ) to prepare a fuel solution (pH 7.5) having a glucose concentration of 0.8 M.
  • Example 5 adsorbed on the substrate, the voltage is maintained for 7 hours.
  • the waste solution was collected when the fuel solution was replaced every hour, and the eluted enzyme was analyzed by analyzing the enzyme contained in the first and second waste solutions by SDS-PAGE.
  • FIG. 27A shows the measurement results when biocarbon was used as carbon 12 having nanopores and GDH and DI were used as enzymes.
  • FIG. 27B shows the measurement results when Ketjen black is used as the carbon 12 having nanopores and bilirubin oxidase (BOD) is used as the enzyme. From FIGS.
  • Fmoc N-[(9H-Fluoren-9-ylmethyoxy) carbonyloxysuccinimide (Fmoc)
  • Fmoc molecular weight is 431
  • ⁇ NHS-Fluorescein Fluorescein
  • NPCA Succinimidyl (2R) -6- (Tetrahydro-2H-pyran-2-yloxy) -2,5,7,8-tetramethylchloro-2-carboxylate (NPCA)
  • NPCA ⁇ -bonding ability
  • This NPCA has optical activity and is expected to have optical resolution and optical stereo discrimination depending on the application.
  • NHS-Biotin Biotin
  • the chemical structure is as follows: This Biotin (molecular weight is 341) does not have ⁇ -binding ability. Biotin itself is water-soluble vitamin B7 and is considered to be highly safe.
  • FIG. 33 shows a comparison result of the enzyme elution rate when the fuel solution was exchanged once in the same manner as in Example 5 using this enzyme / nicotinamide adenine dinucleotide-immobilized electrode, and the current value (current density I (mA) / Cm 2 )) is shown in FIG. In FIG. 33 and FIG.
  • the enzyme 19 when the enzyme is immobilized using Pyrene, Fmoc, Fluorescein, NPCA and Biotin, the same current value as that obtained when the enzyme is immobilized without using them can be obtained.
  • the enzyme 19 since the enzyme 19 is bound to the surface of the carbon 12 having nanopores via the enzyme immobilization compound 61, the enzyme 19 is firmly retained while maintaining its activity. Elution can be prevented very effectively.
  • the electrode in which the enzyme immobilization compound 61 is adsorbed to the nanopores 13a of the carbon particles 13 having the nanopores, particularly the carbon particles 13 having the nanopores 13a direct electron transfer by the enzyme 19 is performed by orientation control or the like. Efficiency can be improved. ⁇ 5.
  • a substance removing agent will be described. As shown in FIG. 35, in this substance removing agent, a compound similar to the enzyme immobilization compound 61 and charged positively or negatively is adsorbed to the carbon particles 13 having the nanopores 13a on the surface. Thus, carbon particles 13 that are charged positively or negatively are obtained. Then, the carbon particles 13 are dispersed in a solution in which a substance 81 to be removed such as a toxic substance or a virus is dissolved. Then, the substance 81 to be removed contained in the solution is captured by the reactive group of the positively or negatively charged compound adsorbed on the surface of the carbon particle 13.
  • a substance 81 to be removed such as a toxic substance or a virus
  • FIG. 36 shows an example in which the above compound is a pyrene derivative 71 and the substance 81 to be removed is captured by the pyrene derivative 71.
  • the carbon particles are not only charged positively and negatively but also adsorbed and held on the surface of the carbon particles 13 by molecules adsorbable on the surfaces of the nanopores 13a, such as pyrene holding various functional groups at the tips.
  • Various properties corresponding to the functional group can be imparted to 13.
  • this protein remover a compound similar to the compound for protein immobilization and having a functional group capable of binding to protein is adsorbed to the carbon particles 13 having the nanopores 13a on the surface thereof, thereby being positive.
  • negatively charged carbon particles 13 are obtained.
  • the carbon particles 13 are dispersed in a solution in which the protein to be removed is dissolved.
  • the protein to be removed dissolved in the solution is captured by the reactive group of the positively or negatively charged compound adsorbed on the surface of the carbon particle 13.
  • the carbon particles 13 in which the protein to be removed is captured can be recovered by electrophoresis. In this way, the protein to be removed can be removed from the solution.
  • a novel protein removing agent can be realized.
  • an antigen removing agent will be described. As shown in FIG. 37, in this antigen removing agent, an antibody having a specific interaction with an antigen on the surface of a carbon sheet 14 having nanopores 14a via a compound similar to a compound for protein immobilization. Are combined. And this carbon sheet 14 is put in the solution in which the antigen 101 to be removed is dissolved. Then, the antigen 101 dissolved in the solution binds to the antibody adsorbed on the surface of the carbon sheet 14. Thus, the antigen 101 dissolved in the solution can be removed.
  • FIG. 37 an antibody having a specific interaction with an antigen on the surface of a carbon sheet 14 having nanopores 14a via a compound similar to a compound for protein immobilization. are combined. And this carbon sheet 14 is put in the solution in which the antigen 101 to be removed is dissolved. Then, the antigen 101 dissolved in the solution binds to the antibody adsorbed on the surface of the carbon sheet 14. Thus, the anti
  • FIG. 38 shows an example in which the above compound is a pyrene derivative 71, the antibody 102 is bound to the pyrene derivative 71, and the antigen 101 is bound to the antibody 102.
  • a measuring device for sensing the antigen 101 can be obtained.
  • a novel antigen removing agent can be realized.
  • a vaccine will be described. As shown in FIG.
  • MHC class I or MHC class II or their extracellular regions are connected to nanopores 13a via binding compounds.
  • the carbon particles 13 are bonded to the surface.
  • An antigen 111 such as a pathogen or a peptide derived therefrom is bound to the MHC bound to the surface of the carbon particle 13.
  • the MHC-antigen complex is immobilized on the surface of the carbon particles 13.
  • the carbon particles 13 on which the MHC-antigen complex is immobilized can be taken into the body by oral, nasal, abdominal, subcutaneous injection, etc., and function as a vaccine by presenting the antigen to the immune reaction system in the mucous membrane or blood. it can.
  • the T cell 112 is activated by binding the TCR 112a of the T cell 112 to the antigen 111.
  • the above-mentioned binding compound is pyrene derivative 71
  • MHC 113 is bound to this pyrene derivative 71
  • antigen 101 is bound to this MHC 113
  • TCR 112a of T cell 112 is bound to this antigen 101. It shows how it is.
  • a novel vaccine can be realized.
  • FIG. 41 shows a bioreactor according to the ninth embodiment. As shown in FIG.
  • a protein immobilization carrier 151 on which a protein such as an enzyme is immobilized is installed in the column reactor.
  • This protein immobilization carrier 151 is obtained by providing carbon 12 having nanopores on a predetermined substrate and immobilizing a protein such as an enzyme on the carbon 12 via a protein immobilization compound. In addition to protein, other compounds may be immobilized on the carbon 12 as necessary.
  • a reaction product containing a reaction product such as an enzyme immobilized on the protein-immobilized carrier 151 is obtained by flowing a solution containing the reactant into the column reactor and bringing it into contact with the protein-immobilized carrier 151.
  • the ninth embodiment it is possible to efficiently and easily produce and recover the reaction product of the protein on the protein-immobilized carrier 151. Alternatively, it is possible to purify and separate a substance that interacts with the protein on the protein-immobilized carrier 151. In addition, since the elution of the protein from the protein-immobilized carrier 151 can be effectively prevented, it is possible to reduce the cost by improving the repeated use performance and reducing the amount of protein used.
  • Examples of other coenzymes include water-soluble vitamins such as vitamin B group, vitamin C and folic acid, fat-soluble vitamins such as vitamin A, vitamin D, vitamin E and vitamin K beta carotene, ubiquinone, and flavin mononucleotide ( FMN / MMNH 2 ), flavin adenine dinucleotide (FAD / FADH 2 ), electron transfer materials such as cytochrome and chlorophyll), and the like, but are not limited thereto.
  • Examples of peptides include, but are not limited to, polypeptides (less than 100 amino acid residues) and low molecular weight peptides (less than 10 amino acid residues) that function as various hormones and cytokines.
  • these coenzymes and peptides may be immobilized.
  • various proteins including enzymes may be immobilized on carbon and / or inorganic compounds.
  • this technique can also take the following structures.
  • the carbon and / or inorganic compound further has pores having a size of 0.5 nm or more and less than 2 nm on the surface.
  • the carbon includes at least one selected from the group consisting of carbon particles, a carbon sheet, and carbon fiber.
  • the carbon particles include at least one selected from the group consisting of activated carbon, carbon black, and biocarbon.
  • the electrode is made of fibrous carbon.
  • the inorganic compound is any one of (1) to (13), which is at least one selected from the group consisting of oxides, nitrides, carbides, sulfides, sulfates, phosphates, and chlorides.
  • SYMBOLS 11 Electrode, 12 ... Carbon with nanopore, 13 ... Carbon particle, 13a ... Nanopore, 14 ... Carbon sheet, 14a ... Nanopore, 15 ... Carbon fiber, 15a ... Nanopore, 16 ... Nicotinamide Adenine dinucleotide and / or derivative thereof, 17 ... fibrous carbon, 18 ... skeleton, 19 ... enzyme, 20 ... electron mediator, 21 ... negative electrode, 22 ... positive electrode, 23 ... electrolyte layer, 41, 42 ... Ti current collector, 43, 44 ... Immobilization plate, 47 ... Load, 51 ... Nicotinamide adenine dinucleotide immobilization carrier, 61 ... Compound for enzyme immobilization

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Abstract

　電極に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体の溶出を防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる燃料電池およびその製造方法を提供する。　正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成されるバイオ燃料電池において、負極を、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、この炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極により構成する。炭素として炭素粒子、炭素シートまたは炭素ファイバーを用いる。炭素粒子としては、バイオカーボン、ケッチェンブラック、活性炭などを用いる。この炭素に酵素反応に必要な酵素を、必要に応じてピレン誘導体などを介して固定化させてもよい。

Description

燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体、酵素反応利用装置、タンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体
　本開示は、燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体、酵素反応利用装置、タンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体に関する。より詳細には、本開示は、例えば、燃料または基質としてグルコースを用いるバイオ燃料電池、バイオセンサー、バイオリアクターなど、あるいはバイオ燃料電池を電源に用いた各種の電子機器に適用して好適なものである。
　ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素には、基質特異性が高くバイオセンサーに適している酵素や、多段階の酵素反応を利用する燃料電池（バイオ燃料電池）に適している高活性の酵素などがある（例えば、特許文献１~１２参照。）。
　バイオセンサー、バイオ燃料電池、バイオリアクターなどにおいて、電極や担体にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを固定化する試みが従来より行われている。例えば、ＮＡＤ＋の誘導体を共有結合によりセファロースなどの担体へ結合させることが提案されている（特許文献１３参照。）。また、ＮＡＤ＋およびＮＡＤＨをセルロースアセテートなどの０．１~１０μｍの細孔サイズの多孔性高分子に吸着させたバイオリアクターが提案されている（特許文献１４参照。）。また、ＮＡＤ誘導体をポリアクリルアミドゲルに結合させることが報告されている（非特許文献１参照。）。また、ＮＡＤ＋誘導体を電極に共有結合させることが報告されている（非特許文献２参照。）。また、ナノ粒子シリカをエッチングし、ＮＡＤ＋誘導体を共有結合させることが報告されている（非特許文献３参照。）。また、ＮＡＤ＋誘導体をキトサンに共有結合し、バイオセンサーに応用することが報告されている（非特許文献４参照。）。また、アルキル化によるポリマーへのＮＡＤＨの共有結合による固定化が報告されている（非特許文献５参照。）。また、メソポーラスシリカへのＮＡＤＨの共有結合による固定化が報告されている（非特許文献６参照。）。さらに、カーボンナノチューブにＮＡＤ＋を吸着させて固定化し、バイオセンサーに応用することが報告されている（非特許文献７参照。）。
　また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに各種の官能基を付加することにより、アミド結合などの様々なカップリング反応を応用してニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを電極に固定化する検討が行われている（非特許文献１~６参照。）。
　なお、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化に関するものではないが、２~５０ｎｍの平均細孔径を有するカーボン多孔体とこのカーボン多孔体に担持された酸化還元酵素とを備えた電極材料を備えたバイオセンサーおよび燃料電池が提案されている（特許文献１５参照。）。
特開２０００−１３３２９７号公報 特開２００３−２８２１２４号公報 特開２００４−７１５５９号公報 特開２００５−１３２１０号公報 特開２００５−３１０６１３号公報 特開２００６−２４５５５号公報 特開２００６−４９２１５号公報 特開２００６−９３０９０号公報 特開２００６−１２７９５７号公報 特開２００６−１５６３５４号公報 特開２００７−１２２８１号公報 特開２００７−３５４３７号公報 特開平５−３２８９９６号公報 特開平８−３０４３２９号公報 特開２００７−２１８７９５号公報 特開２００８−２７３８１６号公報
″Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｙｌｙｓｉｎｅ　ｂｏｕｎｄ　ｓｕｃｃｉｎｙｌ−ＮＡ　ｔｏ　ａ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｒｅａｃｔｏｒ″，Ｙａｍａｚａｋｉ，Ｙ．，Ｍａｅｄａ，Ｈ．，Ｓｕｚｕｋｉ，Ｈ，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂｉｏｅｎｇ　１９７６．，１８（１２），１７６１−１７７５ ″ＮＡＤ＋　−Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｅｎｚｙｍｅ　Ｅｌｅｃｌｒｏｄｅｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔａｃｔ　ｏｆ　Ｃｏｆａｃｔｏｒ−Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｅｎｚｙｍｅｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ″，Ａｍｏｓ　Ｂａｒｄｅａ，Ｅｕｇｅｎｉｉ　Ｋａｔｚ，Ａｎｄｒｅａｓ　Ｆ．Ｂｕｌｃｋｍａｎｎ　ａｎｄ　Ｉｔａｍａｒ　Ｗｉｌｌｎｅｒ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１９９７，１１９，９１１４−９１１９ ″Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ−ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｍｕｌｔｉ−ｅｎｚｙｍｅ　ｂｉｏｃａｔａｌｙｓｉｓ　ｗｉｔｈ　ｉｎ　ｓｉｔｕ　ｃｏｆａｃｔｏｒ　Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ″，Ｗｅｎｆａｎｇ　Ｌｉｕ，Ｓｏｎｇｐｉｎｇ　Ｚｈａｎｇ　ａｎｄ　Ｐｉｎｇ　Ｗａｎｇ，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　１３９（２００９）１０２−１０７ ″Ｃｏｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅｓ　ａｎｄ　Ｔｈｅｉｒ　Ｃｏｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ″，Ｍａｏｇｅｎ　Ｚｈａｎｇ，Ｃｏｎｏｒ　Ｍｕｌｌｅｒ　ａｎｄ　Ｗａｌｄｅｍａｒ　Ｇｏｒｓｋｉ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００７，７９，２４４６−２４５０ ″Ａ　Ｓｉｍｐｌｅ　Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｆｏｒ　Ｃｏｖａｌｅｎｔ　Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＮＡＤＨ　ｉｎ　ａ　Ｓｏｌｕｂｌｅ　ａｎｄ　Ｅｎｚｙｍｉｃａｌｌｙ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｆｏｒｍ″，Ｃａｒｌ　Ｗ．Ｆｕｌｌｅｒ，Ｊｏｙｃｅ　Ｒａｃｈｅｌ　Ｒｕｂｉｎ，ａｎｄ　Ｈａｒｏｌｄ　Ｊ．Ｂｒｉｇｈｔ，Ｅｕｒ．Ｊ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．１０３，４２１−４３０（１９８０） ″Ｅｎａｂｌｉｎｇ　Ｍｕｌｔｉｅｎｚｙｍｅ　Ｂｉｏｃａｔａｌｙｓｉｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ″，Ｂｉｌａｌ　Ｅｌ−Ｚａｈａｂ，Ｈｏｎｇｆｅｉ　Ｊｉａ，Ｐｉｎｇ　Ｗａｎｇ，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂｉｏｅｎｇ．２００４，８７（２），１７８−１８３ ″Ｎｏｎｃｏｖａｌｅｎｔ　Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ＮＡＤ＋Ｃｏｆａｃｔｏｒ　ｏｎｔｏ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ−Ｂａｓｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ″，Ｈａｏｊｉｅ　Ｚｈｏｕ，Ｚｉｐｉｎ　Ｚｈａｎｇ，Ｐｉｎｇ　Ｙｕ，Ｌｅｉ　Ｓｕ，Ｔａｋｅｏ　Ｏｈｓａｋａ　ａｎｄ　Ｌａｎｑｕｎ　Ｍａｏ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ　２０１０，２６（８），６０２８−６０３２
　しかしながら、特許文献１３、１４および非特許文献１~７の方法によっても、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化は不十分であり、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することはできない。このため、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出により、バイオセンサー、バイオ燃料電池、バイオリアクターなどの性能劣化が生じてしまう。
　また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに各種の官能基を付加する引用文献１~６の方法は、これらの官能基の付加により酵素の基質反応性が著しく損なわれてしまうという新たな問題が発生するため、得策でない。
　以上のような理由により、バイオセンサーに有効な、基質特異性が高いニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素や、バイオ燃料電池で有効な、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素群や、バイオセンサーとバイオ燃料電池との双方で有効なニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする高活性な酵素などの利用が避けられてきたのが実情である。
　また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素を用いたバイオリアクターにおいては、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドは比較的高価であるにもかかわらず、毎時反応ごとに新規もしくは再精製したものを添加しなければならず、高コストとなる。
　そこで、本開示が解決しようとする課題は、電極に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体あるいは酵素の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる燃料電池およびその製造方法を提供することである。
　本開示が解決しようとする他の課題は、上記の優れた燃料電池を用いた高性能の電子機器を提供することである。
　本開示が解決しようとするさらに他の課題は、燃料電池、バイオセンサー、バイオリアクターなどの酵素反応利用装置に用いて好適なニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を提供することである。
　本開示が解決しようとするさらに他の課題は、電極または担体に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体あるいは酵素の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる酵素反応利用装置を提供することである。
　本開示が解決しようとするさらに他の課題は、電極または担体に固定化した酵素などのタンパク質の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができるタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体を提供することである。
　上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述によって明らかとなるであろう。
　本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、ナノメートルサイズの極微小の細孔を表面に有する炭素を用いることにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを酵素などとの反応性を高く保持したまま、強固に固定化することができ、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することができることを見出した。さらに鋭意検討を行った結果、炭素の代わりに、炭素と類似の性質を有する無機化合物や他の無機化合物を用いても、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを酵素などとの反応性を高く保持したまま、強固に固定化することが可能であり、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することができるという結論に至った。
　さらに検討を行った結果、ナノメートルサイズの極微小の細孔を表面に有する炭素を用い、この炭素にピレン誘導体などの特定の化合物を介して酵素などのタンパク質を結合することにより、タンパク質を活性、より一般的には機能を高く保持したまま、強固に固定化することができ、タンパク質の溶出を有効に防止することができることも見出した。
　すなわち、上記課題を解決するために、本開示は、
　正極と、
　負極と、
　上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
　上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなる燃料電池である。
　また、本開示は、
　正極と、負極と、上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有する燃料電池を製造する場合に、
　上記負極として、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有する電極を用い、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を固定化する工程を有する燃料電池の製造方法である。
　また、本開示は、
　一つまたは複数の燃料電池を有し、
　少なくとも一つの上記燃料電池が、
　正極と、
　負極と、
　上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
　上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるものである電子機器である。
　本開示において、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドはＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの誘導体はニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ＋／ＮＡＤＰＨ）のほか、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドのアデニン骨格の窒素（Ｎ）にアミンやカルボン酸などの化学修飾を行ったものなどである。例えば、ＮＡＤ＋とＮＡＤＰ＋とでは、分子量がそれぞれ６６３、７４４であるので、両者の大きさはほぼ同じである。その他の誘導体は官能基が小さいため、ＮＡＤ＋との差はより少ないと考えられる。ＮＡＤ＋自体も元々、骨格内にリン酸基を二つ持っているため、ＮＡＤＰ＋になっても電荷は変わるが、炭素または無機化合物の表面との化学的相互作用は大きく変化しないと考えられる。
　炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体をより確実に固定化し、さらに酵素との反応性を高く保持するために、好適には、炭素および／または無機化合物の表面は、大きさ（細孔径）が２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔に加えて、大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔をさらに有する。より好適には、炭素および／または無機化合物の表面は、大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を有する。
　大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素としては、例えば、炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一種類を用いることができる。炭素粒子は、例えば、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含むが、これら以外のものであってもよい。活性炭には、例えば、カシ炭、クヌギ炭、スギ炭、ナラ炭、ヒノキ炭などの木炭や、ゴム炭、竹炭、オガ炭、ヤシ殻炭などが含まれる。カーボンブラックには、ファーネスブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラックなどが含まれる。バイオカーボンは、ケイ素（シリコン）の含有率が５重量％以上である植物由来の材料を原料とし、窒素ＢＥＴ法による比表面積の値が１０ｍ２／ｇ以上、ケイ素の含有率が１重量％以下、ＢＪＨ法およびＭＰ法による細孔の容積が０．１ｃｍ３／ｇ以上である多孔質炭素材料である（特許文献１６参照。）。
　無機化合物は、例えば、各種の金属やケイ素（Ｓｉ）などを含む化合物であり、典型的には、酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、硫酸塩、リン酸塩および塩化物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である。金属としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、セリウム（Ｃｅ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）、インジウム（Ｉｎ）、リチウム（Ｌｉ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。酸化物としては、例えば、二酸化ケイ素（シリカ）（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（アルミナ）（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ニオブ（ＮｂＯ）、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５、Ｖ２Ｏ３、ＶＯ２）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化インジウム（ＩｎＯ２）、酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）、酸化銅（Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。窒化物としては、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化リチウム（ＬｉＮ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。炭化物としては、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＨｆＣ（炭化ハフウニウム）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化クロム（ＣｒＣ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。硫化物としては、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。硫酸塩としては、例えば、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ４）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。リン酸塩としては、例えば、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ４）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。塩化物として、例えば、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ３）、塩化銅（ＣｕＣｌ２）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。これらの無機化合物の中でも、好適には、例えば、固体酸（表面が酸性を示す固体物質）の性質を有するもの、例えば、Ａｌ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ５、ＺｎＳ、ＮｉＳＯ４、ＡｌＰＯ４、ＡｌＣｌ３などが用いられる。これらの無機化合物は、静電相互作用、極性、ファンデルワールス力などによるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体との結合性は炭素と類似しており、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体の吸着が可能である。これらの無機化合物には導電性のものと非導電性のものとがあるが、非導電性であっても、電極に最終的に電子を受け渡すのは電子メディエーターであるため、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体や酵素をこの無機化合物に保持し、電子メディエーターによって電極に電子を受け渡すことができる。
　電極の材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、インジウム（Ｉｎ）、イリジウム（Ｉｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）およびハフニウム（Ｈｆ）からなる群より選ばれた少なくとも一種類の金属の単体または合金を用いることができる。電極の材料としては、そのほかに、アルメル、黄銅（真鍮）、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅などの合金、ポリアセチレンなどの導電性高分子、カーボンフェルト、カーボンペーパー、炭素繊維または炭素微粒子の積層体などのカーボン系材料、ＨｆＢ２、ＮｂＢ、ＣｒＢ２およびＢ４Ｃなどのホウ化物、ＴｉＮ、ＺｒＮなどの窒化物、ＶＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＴａＳｉ２などのケイ化物、ならびにこれらの複合材料などを用いることができる。
　必要に応じて、電極の全体を大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物により構成してもよい。電極の全体を大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物により構成する場合には、結着剤として例えばポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフッ素原子を含むポリマーおよびこれらの共重合体やこれらのモノマーとエチレンやスチレンなどとの共重合体のポリマーを用いてもよい。さらに、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリマーのほか、ポリアクリル酸、ポリリジン、カルボキシメチルセルロースなどの親水性ポリマー、ポリアニリン、ポリピロールおよびそれらの誘導体であるポリアニリンスルホン酸などの導電性ポリマーを用いてもよい。また、これらのポリマーをブレンドして用いてもよい。
　燃料としては、グルコースなどの種々のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。グルコース以外の燃料としては、例えば、クエン酸回路に関与する各種の有機酸や、ペントースリン酸回路および解糖系に関与する糖および有機酸などが挙げられる。クエン酸回路に関与する各種の有機酸は、乳酸、ピルビン酸、アセチルＣｏＡ、クエン酸、イソクエン酸、αケトグルタル酸、スクシニルＣｏＡ、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、オキサロ酢酸などである。ペントースリン酸回路および解糖系に関与する糖および有機酸は、グルコース６リン酸、６ホスホグルコノラクトン、６ホスホグルコン酸、リブロース５リン酸、グリセルアルデヒド３リン酸、フルクトース６リン酸、キシルロース５リン酸、セドヘプツロース７リン酸、エリトロース４リン酸、ホスホエノールピルビン酸、１，３ビスホスホグリセリン酸、リボース５リン酸などである。燃料としては、メタノールやエタノールなどのアルコールを用いてもよい。
　これらの燃料は、典型的には、これらの燃料をリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの従来公知の緩衝液に溶かした燃料溶液の形で用いる。
　大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有する電極の炭素および／または無機化合物には、典型的には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を補酵素とする一種または複数種の酵素が固定化される。これらの酵素ならびにニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を用いて燃料から電子が取り出される。これらの酵素は、典型的には、グルコースなどの燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素を含み、さらに、燃料の酸化に伴って還元された補酵素を酸化体に戻すとともに電子メディエーターを介して電子を負極に渡す補酵素酸化酵素を含む。具体的には、好適には、これらの酵素は、グルコースなどの燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素と、この酸化酵素によって還元される補酵素を酸化体に戻す補酵素酸化酵素とを含む。この補酵素酸化酵素の作用により、補酵素であるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが酸化体に戻るときに電子が生成され、補酵素酸化酵素から電子メディエーターを介して負極に電子が渡される。例えば燃料としてグルコースを用いる場合、酸化酵素としては例えばグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（特に、ＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ）が、補酵素酸化酵素としては例えばジアホラーゼ（ＤＩ）が用いられる。
　上記の炭素および／または無機化合物に酵素を固定化する場合には、酵素をより強固に固定化する観点より、好適には、炭素および／または無機化合物と結合する部位と酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を用い、この酵素固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物に結合させる。この酵素固定化用化合物は、典型的には、炭素および／または無機化合物の表面の細孔の内部における炭素および／または無機化合物に結合する。この酵素固定化用化合物としては従来公知の種々の化合物を用いることができ、必要に応じて選ばれる。このように酵素固定化用化合物を介して酵素を炭素および／または無機化合物に結合させることは、酵素から炭素および／または無機化合物への直接電子移動にも効果的である。
　大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有する電極の炭素および／または無機化合物には、典型的には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、電子メディエーターが、酵素などとの反応性を高く保持したまま固定化される。電子メディエーターとしては基本的にはどのようなものを用いてもよいが、好適には、キノン骨格を有する化合物が用いられ、具体的には、例えば、２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン（Ｑ０）や、ナフトキノン骨格を有する化合物、例えば、２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）、２−アミノ−３−メチル−１，４−ナフトキノン（ＡＭＮＱ）、２−メチル−１，４−ナフトキノン（ＶＫ３）、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）、ビタミンＫ１などの各種のナフトキノン誘導体が用いられる。キノン骨格を有する化合物としては、例えば、アントラキノンやその誘導体を用いることもできる。電子メディエーターには、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物以外に、電子メディエーターとして働く一種または二種以上の他の化合物を含ませてもよい。
　正極に酵素が固定化される場合、この酵素は、典型的には酸素を還元する酵素を含む。この酸素を還元する酵素としては、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を用いることができる。この場合、正極には、好適には、酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどを用いる。電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で０．６４×１０−６ｍｏｌ／ｍｍ２以上固定化する。
　プロトン伝導体としては種々のものを用いることができ、必要に応じて選択されるが、具体的には、例えば、セロハン、パーフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳ）系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、ＰＳＳＡ−ＰＶＡ（ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体）や、ＰＳＳＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体）、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂（ナフィオン（商品名、米国デュポン社）など）などからなるものが挙げられる。
　プロトン伝導体として緩衝液（緩衝物質）を含む電解質を用いる場合には、高出力動作時に十分な緩衝能を得ることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができるようにするのが望ましい。このために、電解質に含まれる緩衝物質の濃度を０．２Ｍ以上２．５Ｍ以下にすることが有効であり、好適には０．２Ｍ以上２Ｍ以下、より好適には０．４Ｍ以上２Ｍ以下、さらに好適には０．８Ｍ以上１．２Ｍ以下とする。緩衝物質は、一般的には、ｐＫａが６以上９以下のものであれば、どのようなものを用いてもよいが、具体例を挙げると、リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４ −）、２−アミノ−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール（略称トリス）、２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、カコジル酸、炭酸（Ｈ２ＣＯ３）、クエン酸水素イオン、Ｎ−（２−アセトアミド）イミノ二酢酸（ＡＤＡ）、ピペラジン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２−エタンスルホン酸）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−アミノエタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、３−（Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−２−エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−３−プロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳ）、Ｎ−［トリス（ヒドロキシメチル）メチル］グリシン（略称トリシン）、グリシルグリシン、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）グリシン（略称ビシン）などである。リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４ −）を生成する物質は、例えば、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ２ＰＯ４）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）などである。緩衝物質としてはイミダゾール環を含む化合物も好ましい。イミダゾール環を含む化合物は、具体的には、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体（ヒスチジン、１−メチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、イミダゾール−２−カルボン酸エチル、イミダゾール−２−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−４−カルボン酸、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、イミダゾール−１−イル−酢酸、２−アセチルベンズイミダゾール、１−アセチルイミダゾール、Ｎ−アセチルイミダゾール、２−アミノベンズイミダゾール、Ｎ−（３−アミノプロピル）イミダゾール、５−アミノ−２−（トリフルオロメチル）ベンズイミダゾール、４−アザベンズイミダゾール、４−アザ−２−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、１−ベンジルイミダゾール、１−ブチルイミダゾール）などである。必要に応じて、これらの緩衝物質に加えて、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）および硫酸（Ｈ２ＳＯ４）からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸を中和剤として加えてもよい。こうすることで、酵素の活性をより高く維持することができる。緩衝物質を含む電解質のｐＨは、好適には７付近であるが、一般的には１~１４のいずれであってもよい。
　正極の電極材料としては各種のものを用いることができるが、例えば、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパーなどのカーボン系材料が用いられる。電極の材料としては、多孔体材料からなる骨格と、この骨格の少なくとも一部の表面を被覆する、カーボン系材料を主成分とする材料とを含む多孔体導電材料を用いることもできる（特許文献１２参照。）。
　この燃料電池はおよそ電力が必要なものすべてに用いることができ、大きさも問わないが、例えば、電子機器、移動体（自動車、二輪車、航空機、ロケット宇宙船など）、動力装置、建設機械、工作機械、発電システム、コージェネレーションシステムなどに用いることができ、用途などによって出力、大きさ、形状、燃料の種類などが決められる。
　電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器（携帯情報端末機（ＰＤＡ）など）、ロボット、パーソナルコンピュータ（デスクトップ型、ノート型の双方を含む）、ゲーム機器、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。
　また、本開示は、
　大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極である。
　また、本開示は、
　大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている担体からなるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体である。
　このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体は、医薬品や化粧品などの製造を含む各種の用途に用いることができる。すなわち、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体をバイオリアクターに用いて医薬品や化粧品などを製造してもよいし、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体そのものを成分に用いて医薬品や化粧品などを製造してもよい。このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体は、具体的には、例えば、経口薬、インプラント、体外における血液製剤の調剤などに用いることができる。ＮＡＤ＋／ＮＡＤＨを基質とする酸化還元酵素は非常に多いため、それらの酵素の欠乏した患者に対しては、酵素およびＮＡＤＨの両方を活性を保ったまま表面に保持させた、細孔を有する炭素または無機化合物が効果的にかつ持続的に機能する。例えば、アセトアルデヒド脱水素酵素およびＮＡＤ＋の両方を活性を保ったまま表面に保持させた、細孔を有する炭素または無機化合物は、アルコール中毒の解毒に使用することが可能である。また、アルツハイマー病に対してはＮＡＤ＋／ＮＡＤＨそのものが効果的であることが知られているため、アルツハイマー病の患者の治療に用いることができる。
　また、本開示は、
　大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されているニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を有する酵素反応利用装置である。
　この酵素反応利用装置は、例えば、燃料電池（バイオ燃料電池）、バイオセンサーまたはバイオリアクターである。
　上記のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体および酵素反応利用装置においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法に関連して説明したことが成立する。ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体においては、細孔を表面に有する材料は導電性であっても非導電性であってもよい。
　上記のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体においては、必要に応じて、上記炭素および／または無機化合物に様々な電荷（正および／または負）または反応性を有する少なくとも一種類の官能基を付与することができる。
　さらに、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にタンパク質が固定化されている電極からなるタンパク質固定化電極である。
　また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にタンパク質が固定化されている担体からなるタンパク質固定化担体である。
　上記のタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体は種々の用途に用いることができる。タンパク質は、基本的にはどのようなものであってもよいが、例を挙げると、酵素、抗体、ホルモン、アルブミン、蛍光タンパク質（ＧＦＰ、ＲＦＰなど）、ケラチン、コラーゲン、アクチン、ミオシンなどである。
　タンパク質として酵素を用いた場合には、タンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体はそれぞれ酵素固定化電極および酵素固定化担体となる。酵素固定化電極は、例えば、燃料電池の負極やバイオセンサーの電極などに用いることができる。また、酵素固定化担体は、例えば、バイオリアクターに用いることができる。これらのタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体においては、タンパク質をより強固に固定化する観点より、好適には、炭素および／または無機化合物と結合する部位とタンパク質と結合する部位とを有するタンパク質固定化用化合物を用い、このタンパク質固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物に結合させる。このタンパク質固定化用化合物は、典型的には、炭素および／または無機化合物の表面の細孔の内部における炭素および／または無機化合物に結合する。このようにタンパク質固定化用化合物を介してタンパク質を炭素および／または無機化合物に結合させることは、タンパク質から炭素および／または無機化合物への直接電子移動にも効果的である。
　また、本開示は、
　大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にペプチドが固定化されている電極からなるペプチド固定化電極である。
　また、本開示は、
　大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にペプチドが固定化されている担体からなるペプチド固定化担体である。
　上記のペプチド固定化電極およびペプチド固定化担体は種々の用途に用いることができる。ペプチドは、基本的にはどのようなものであってもよい。これらのペプチド固定化電極およびペプチド固定化担体については、その性質に反しない限り、上記のタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体に関連して説明したことが成立する。
　上記のタンパク質固定化電極、タンパク質固定化担体、ペプチド固定化電極およびペプチド固定化担体は、例えば、下記のような種々の用途に適用することができる。
・タンパク質およびペプチドの化学的、生物学的特長を保持することが可能となり、さらに保持量を制御することも可能である。
・タンパク質として酵素を用いたタンパク質固定化電極をバイオ燃料電池またはバイオセンサーに用いた場合には、酵素の使用量の低減を図ることが可能となり、さらに繰り返し特性などの安定性の向上を図ることも可能となる。
・あらかじめナノ細孔に吸着物を含む炭素および／または無機化合物にタンパク質を固定化することにより、吸着物の溶出を抑制することができ、これによって、例えばバイオ燃料電池においては、吸着物としての電子メディエーターや補酵素（ＮＡＤＨなど）の使用量の低減を図ることが可能となる。
・高価なポリ−Ｌ−リジンなどへの架橋を行わなくても、より安価にタンパク質の強固な固定化が可能である。また、炭素および／または無機化合物のナノ細孔に抗体などの特定の物質（抗原など）と特異的な相互作用を行うタンパク質を保持することにより、このタンパク質と相互作用する液体やガスなどの浄化剤を安定にかつ容易に実現することができる。また、例えばピレン誘導体においてピレンに修飾された官能基や反応基と結合させることにより、特定の物質を溶液中や大気中から除去することが可能である。
・ＮＨＳエステルなどのタンパク質と結合反応を起こす活性化物質を保持するピレン誘導体などをナノ細孔に吸着させた炭素および／または無機化合物は、溶液中などからのタンパク質除去剤として使用することができる。
・炭素および／または無機化合物のナノ細孔に抗体などの特定の物質（抗原など）と特異的な相互作用を行うタンパク質を保持することにより、医療用、衛生用の診断、検査デバイスを安定にかつ容易に実現することができる。
・例えば、固定化された抗体などに抗原となるリガンドを結合して保持させ、それらをエリザ（ＥＬＩＳＡ，ｅｎｚｙｍｅ−ｌｉｎｋｅｄ　ｉｍｍｕｎｏｓｏｒｂｅｎｔ　ａｓｓａｙ）などのセンシングに用いることができる。
・主要組織適合遺伝子複合体（ＭＨＣ）に抗原となるリガンドを結合して保持させることにより、抗原提示する炭素および／または無機化合物の粒子を得ることができ、これらを経口、経鼻、注射などにより、粘膜や皮下に導入し、ワクチンとして使用することができる。
・不溶性のタンパク質製剤に応用することで、安定な固定化と表面への保持量調整により活性の制御が可能になる。
・ナノ細孔に抗体などの特定の物質と特異的な相互作用を持つタンパク質を保持させることで、これを担体とした安定かつ再利用可能なリアクターもしくは不均一系触媒を実現することができる。
・各種官能基を保持するピレン誘導体などをナノ細孔に吸着させることでそれらの官能基が高密度に付与された、ナノ細孔を有する炭素／無機化合物を構築することができる。これによって、例えば、正または負に荷電した、ナノ細孔を有する炭素／無機化合物の粒子を容易に構築することができ、電子ペーパー用のインクなどに使用することができる。
　上述のように、本開示においては、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体は、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素または無機化合物の細孔に吸着により強固に固定化される。また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体に加えて酵素も細孔に固定化することができ、特に、炭素および／または無機化合物と結合する部位と酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を介して酵素を固定化することにより酵素を強固に固定化することができる。このため、電極または担体からニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体あるいは酵素が溶出するのが防止される。また、この場合、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体あるいは酵素は、酵素などとの反応性を高く保持したまま炭素または無機化合物の細孔に固定化される。
　また、本開示においては、タンパク質またはペプチドは、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素または無機化合物の細孔に吸着により強固に固定化される。このため、電極または担体からタンパク質またはペプチドが溶出するのが防止される。また、この場合、タンパク質またはペプチドは、活性を高く保持したまま炭素または無機化合物の細孔に固定化される。
　本開示によれば、電極に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる燃料電池を得ることができる。そして、この優れた燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。
　また、電極または担体からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体の溶出を有効に防止することができるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を得ることができる。そして、これらのニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を用いることにより、優れた酵素反応利用装置を得ることができる。
　また、電極または担体からのタンパク質またはペプチドの溶出を有効に防止することができるタンパク質固定化電極またはタンパク質固定化担体あるいはペプチド固定化電極またはペプチド固定化担体を得ることができる。
　図１は、第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
　図２Ａは、第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極におけるナノ細孔を有する炭素の具体例を示す略線図である。図２Ｂは、第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極におけるナノ細孔を有する炭素の具体例を示す略線図である。図２Ｃは、第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極におけるナノ細孔を有する炭素の具体例を示す略線図である。
　図３は、第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極におけるナノ細孔を有する炭素として炭素粒子を用いた場合にこの炭素粒子の表面に存在するナノ細孔の断面形状を模式的に示す略線図である。
　図４は、第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の電極材料として繊維状炭素を用いた場合の繊維状炭素および炭素粒子の分布の様子を模式的に示す略線図である。
　図５は、第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の電極材料として発泡金属を用いた場合の発泡金属および炭素粒子の分布の様子を模式的に示す略線図である。
　図６は、第１の実施の形態による多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
　図７は、図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電圧測定の結果を示す略線図である。
　図８は、図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出率の測定結果を示す略線図である。
　図９は、図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
　図１０は、図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
　図１１は、図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
　図１２は、各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電圧測定の結果を示す略線図である。
　図１３は、各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電流測定の結果を示す略線図である。
　図１４は、各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電流測定の結果を示す略線図である。
　図１５Ａは、繊維状炭素からなる炭素電極上に天然黒鉛を設けたものの走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。図１５Ｂは、繊維状炭素からなる炭素電極上にバイオカーボンを設けたものの走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。図１５Ｃは、繊維状炭素からなる炭素電極上にケッチェンブラックを設けたものの走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。
　図１６Ａは、繊維状炭素からなる炭素電極上に天然黒鉛を設けたものの走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。図１６Ｂは、繊維状炭素からなる炭素電極上にバイオカーボンを設けたものの走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。図１６Ｃは、繊維状炭素からなる炭素電極上にケッチェンブラックを設けたものの走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。
　図１７は、バイオカーボンおよびケッチェンブラックの細孔分布の測定結果を示す略線図である。
　図１８は、各種の炭素の細孔分布の測定結果を示す略線図である。
　図１９は、各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
　図２０は、第２の実施の形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。
　図２１は、第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化されたリポソームに封入された酵素群および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す略線図である。
　図２２Ａは、第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。図２２Ｂは、第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。
　図２３は、第３の実施の形態によるバイオリアクターを示す略線図である。
　図２４は、第４の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
　図２５は、第４の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の具体例を示す略線図である。
　図２６は、実施例５による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて定電流測定を行った結果を示す略線図である。
　図２７Ａは、実施例５による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて酵素の溶出率の測定を行った結果を示す略線図である。図２７Ｂは、実施例５による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて酵素の溶出率の測定を行った結果を示す略線図である。
　図２８は、実施例５による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極においてニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化量を変えて定電流測定を行った結果を示す略線図である。
　図２９は、バイオカーボンの表面にＮＨＳピレンを塗布した場合と塗布しない場合の細孔分布の測定結果を示す略線図である。
　図３０は、バイオカーボンのナノ細孔にＮＨＳピレンを介して酵素が固定化された酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
　図３１は、酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の酵素の固定化能を比較して示す略線図である。
　図３２は、酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行って定電圧測定を行った結果を比較して示す略線図である。
　図３３は、酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極からの酵素の溶出率の測定結果を比較して示す略線図である。
　図３４は、酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電圧測定の結果を比較して示す略線図である。
　図３５は、第５の実施の形態による物質除去剤を説明するための略線図である。
　図３６は、第５の実施の形態による物質除去剤において用いる炭素粒子を示す略線図である。
　図３７は、第７の実施の形態による抗原除去剤を説明するための略線図である。
　図３８は、第７の実施の形態による抗原除去剤において用いる炭素シートを示す略線図である。
　図３９は、第８の実施の形態によるワクチンを説明するための略線図である。
　図４０は、第８の実施の形態によるワクチンにおいて用いる炭素粒子を示す略線図である。
　図４１は、第９の実施の形態によるバイオリアクターを示す略線図である。
　以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびその製造方法）
２．第２の実施の形態（バイオ燃料電池）
３．第３の実施の形態（バイオリアクター）
４．第４の実施の形態（酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびその製造方法）
５．第５の実施の形態（物質除去剤）
６．第６の実施の形態（タンパク質除去剤）
７．第７の実施の形態（抗原除去剤）
８．第８の実施の形態（ワクチン）
９．第９の実施の形態（バイオリアクター）
〈１．第１の実施の形態〉
［ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極］
　図１は第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す。
　図１に示すように、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極においては、電極１１の表面に、ナノメートルサイズ、具体的には２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好適には２ｎｍ以上３０ｎｍ以下、より好適には４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の大きさの細孔、あるいはさらに０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔（以下、これらの細孔を「ナノ細孔」という。）を有する炭素１２が形成されている。図１においては、ナノ細孔を有する炭素１２は電極１１上に層状に設けられた形で示されているが、電極１１が繊維状炭素などからなり、多孔体のように隙間のある構造を有する場合には、この電極１１の内部に分散して形成される場合もある。このナノ細孔を有する炭素１２のナノ細孔に１分子または２分子以上のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が吸着して固定化されている。なお、電極１１を用いず、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化された炭素１２だけでニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を構成してもよい。
　ナノ細孔を有する炭素１２は、例えば、炭素粒子、炭素シート、炭素ファイバーなどのうちの一種または二種類からなる。図２Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーを示す。
　図２Ａに示すように、炭素粒子１３は表面に複数のナノ細孔１３ａを有する。図２Ａにおいては、炭素粒子１３が球状に描かれているが、炭素粒子１３の形状は問わず、楕円体状、立方体状、直方体状などのいずれであってもよい。また、互いに形状が異なる二種類以上の炭素粒子１３を混在させてもよい。炭素粒子１３の大きさは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、典型的には１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
　図２Ｂに示すように、炭素シート１４は、表面に複数のナノ細孔１４ａを有する。図２Ｂにおいては、炭素シート１４が平板状に描かれているが、炭素シート１４は全部または一部が湾曲していてもよい。炭素シート１４の形状は問わず、正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、六角形などのいずれであってもよい。炭素シート１４の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、典型的には１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
　図２Ｃに示すように、炭素ファイバー１５は表面に複数のナノ細孔１５ａを有する。図２Ｂにおいては、炭素ファイバー１５が円形の断面形状を有するように描かれているが、炭素ファイバー１５の断面形状は問わず、円形、楕円状、正方形状、長方形状などのいずれであってもよい。また、互いに断面形状が異なる二種類以上の炭素ファイバー１５を混在させてもよい。炭素ファイバー１５の太さ（径）は特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、典型的には１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
　図３は、ナノ細孔を有する炭素１２の一例としての炭素粒子１３の表面のナノ細孔１３ａの断面形状を模式的に示したものである。図３に示すように、ナノ細孔１３ａには断面形状、細孔径、深さなどが互いに異なるものが存在してもよい。また、ナノ細孔１３ａの内部に、より小さいナノ細孔が存在することもある。このナノ細孔１３ａの内壁に１分子または２分子以上のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６が吸着し、固定化されている。
　ナノ細孔を有する炭素１２は、既に述べたように、例えば、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含むものであるが、これら以外のものであってもよい。
　電極１１の材料は、例えば、既に述べたものの中から必要に応じて選ばれる。電極１１の材料として繊維状炭素を用いた場合のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の一例を図４に示す。図４に示すように、繊維状炭素１７の集合体において各繊維状炭素１７の隙間に、ナノ細孔１３ａを有する炭素粒子１３が分散して存在している。
　電極１１の材料としては、発泡金属、例えば発泡ニッケルを用いてもよい。電極１１の材料として発泡金属を用いた場合のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の一例を図５に示す。図５に示すように、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格１８に固定化されて、ナノ細孔を有する炭素として炭素粒子１３が分散して存在している。骨格１８の表面はカーボン系材料により被覆するようにしてもよい。骨格１８の表面を被覆するカーボン系材料の形態は問わず、繊維状（針状）、粒状などのいずれであってもよい。発泡金属またはカーボン系材料により被覆した発泡金属の多孔率は一般的には８５％以上、あるいは９０％以上であり、その孔径は、一般的には例えば１０ｎｍ~１ｍｍ、あるいは１０ｎｍ~６００μｍ、あるいは１~６００μｍ、典型的には５０~３００μｍ、より典型的には１００~２５０μｍである。カーボン系材料としては、例えばケッチェンブラックなどの高導電性のものが好ましいが、カーボンナノチューブやフラーレンなどの機能性カーボン材料を用いてもよい。この多孔体導電材料の多孔率は一般的には８０％以上、あるいは９０％以上であり、孔径は、一般的には例えば９ｎｍ~１ｍｍ、あるいは９ｎｍ~６００μｍ、あるいは１~６００μｍ、典型的には３０~４００μｍ、より典型的には８０~２３０μｍである。
　図６に示すように、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極は、電極１１とナノ細孔を有する炭素１２とを交互に積層したものにより構成してもよい。それぞれのナノ細孔を有する炭素１２には１分子または２分子以上のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている。このようにニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を、電極１１とナノ細孔を有する炭素１２とを交互に積層したものにより構成することにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されたナノ細孔を有する炭素１２は電極１１の間に挟まれるので、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が外部に溶出するのをより有効に防止することができる。
　ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を補酵素とする一種または複数種の酵素あるいはさらに、電子メディエーターを固定化してもよい。こうすることで、酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極あるいは酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド／電子メディエーター固定化電極を得ることができる。例えば、基質としてグルコースを用いる場合には、酵素としてＮＡＤ＋／ＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼを用い、電子メディエーターとして例えばキノン骨格を有するものを用いる。
　ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極における酵素および電子メディエーターの固定化について説明する。一例として、ナノ細孔を有する炭素１２として図３に示す炭素粒子１３を用いる場合を考える。図３において、酵素１９は、炭素粒子１３の表面に吸着して固定化され得るが、この酵素１９よりも大きいナノ細孔１３ａに入り込むと強固に吸着し、炭素粒子１３に強固に固定化されると考えられる。図３においては、一つの酵素１９だけが示されているが、一種または二種以上の酵素が二つ以上固定化されることもある。さらに、電子メディエーター２０もナノ細孔１３ａに入り込み、固定化されると考えられる。このようにナノ細孔１３ａに酵素１９および電子メディエーター２０が固定化されると、同じくこのナノ細孔１３ａに固定化されたニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６とこの酵素１９とが接近するため、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６を補酵素とする酵素反応が効率的かつ迅速に行われる。電子メディエーター２０もナノ細孔１３ａに固定化されると、電子メディエーター２０と酵素１９とが接近するため、酵素１９から電子メディエーター２０への電子の受け渡し反応も、電子メディエーター２０から炭素粒子１３に対する電子の受け渡し反応も効率的かつ迅速に行われる。具体的には、ナノ細孔１３ａに、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６、酵素１９としてのＮＡＤ＋／ＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼおよびキノン骨格を有する電子メディエーターが全て固定化されると、グルコースを燃料あるいは基質とする酵素反応全体が極めて効率的かつ迅速に行われる。
　必要に応じて、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体や酵素などの固定化をより強固なものにするために、ナノ細孔を有する炭素１２を覆うように固定化材を形成するようにしてもよい。固定化材としては従来公知のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。固定化材としては、具体的には、例えば、グルタルアルデヒド（ＧＡ）とポリＬリジン（ＰＬＬ）とを組み合わせたものや、ポリＬリジン（ＰＬＬ）をはじめとしたポリカチオンまたはその塩とポリアクリル酸（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ））をはじめとしたポリアニオンまたはその塩とを用いて形成されるポリイオンコンプレックスなどを用いることができる。
［ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の製造方法］
　このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極は、例えば、次のようにして製造することができる。一例として、ナノ細孔を有する炭素１２として炭素粒子１３を用いる場合について説明する。
　まず、炭素粒子を水溶性ポリマーと混合して水に分散させた分散液を調製する。この分散液を電極１１上に塗布し、乾燥することにより、電極１１上に炭素粒子１３を固定化する。水溶性ポリマーとしては、例えば、ポリアクリル酸、ポリリジン、ポリエチレンイミン、ポリアニリン２−スルホン酸、ポリエチレングリコールなどを用いる。あるいは、非水溶性ポリマーと炭素粒子１３とを有機溶剤中で分散させた分散液を調製し、この分散液を電極１１上に塗布し、乾燥することにより、炭素粒子１３を電極１１上に固定化するようにしてもよい。非水溶性ポリマーとしては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフッ素原子を含むポリマーおよびこれらの共重合体やこれらのモノマーとエチレンやスチレンなどとの共重合体のポリマーなどを用いることができる。ポリマーと混合せずに炭素粒子だけで分散液を調製してもよい。
　次に、緩衝液にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６を含む溶液を調製し、この溶液をナノ細孔を有する炭素粒子１３が固定化された電極１１上に塗布し、乾燥する。こうすることで、炭素粒子１３のナノ細孔１３ａにニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６が吸着して固定化される。こうして炭素粒子１３にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６を吸着させた後、例えば、室温もしくは４０℃程度の温度で完全に乾燥させるようにすることが好ましい。酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極あるいは酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド／電子メディエーター固定化電極を形成する場合には、同様にして、酵素１９、あるいはさらに電子メディエーター２０を電極１１に固定化する。この際、酵素１９などの大きい分子によって、それより小さい細孔を塞ぐ可能性があることから、分子量が小さい分子から先に塗布することが好ましい。具体的には、一般に、電子メディエーター２０、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体１６、酵素１９の順に分子量が大きくなるので、最初に電子メディエーター２０、次にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体１６、最後に酵素１９を塗布するのが好ましい。なお、酵素塗布後、ポリマーを添加して炭素粒子を結着させてもよいし、表面にポリマー膜を形成して炭素粒子をより強固に固定化させてもよい。
　次のようにしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。電極１１として繊維状炭素からなる炭素電極を用いた。
　炭素粒子を水溶性ポリマーと混合して水に分散させた分散液を調製した。この分散液を炭素電極上に塗布し、乾燥することにより、炭素電極上に炭素粒子を固定化した。
　炭素粒子としては、バイオカーボンを用いた。このバイオカーボンは特許文献１６の実施例１と同様にして作製した。具体的には、まず、粉砕した籾殻（鹿児島県産、イセヒカリの籾殻）を、窒素気流中において５００℃、５時間加熱することにより炭化させ、炭化物を得た。その後、この炭化物の１０ｇをアルミナ製のるつぼに入れ、窒素気流（１０リットル／分）において５℃／分の昇温速度で１０００℃まで昇温させた。そして、１０００℃で５時間、炭素化して、炭素質物質（多孔質炭素材料前駆体）に変換した後、室温まで冷却した。なお、炭素化および冷却中、窒素ガスを流し続けた。次に、この多孔質炭素材料前駆体を４６体積％のフッ化水素酸水溶液に一晩浸漬することにより酸処理を行った後、水およびエチルアルコールを用いてｐＨ７になるまで洗浄した。そして、最後に乾燥させることにより、多孔質炭素材料、すなわちバイオカーボンを得た。
　ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ製、Ｎ−８１２９）を１０~５０ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＮＡＤＨ緩衝溶液を調製した。このＮＡＤＨ緩衝溶液を上述のようにして炭素粒子が固定化された炭素電極上に塗布し、室温で乾燥した。
　上記のプロセスを繰り返し行うことにより、図６に示す構造の多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
　実施例２では、炭素粒子としてケッチェンブラック（ＫＢ）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
　実施例３では、炭素粒子として塩化亜鉛で賦活した活性炭（活性炭１）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
　実施例４では、炭素粒子として水蒸気で賦活した活性炭（活性炭２）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
〈比較例１〉
　比較例１（Ｃｔｒｌ）では、炭素粒子として繊維状炭素を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
〈比較例２〉
　比較例２では、炭素粒子としてメソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
〈比較例３〉
　比較例３では、炭素粒子としてグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
〈実験結果〉
　燃料としてグルコースを用い、これを１０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７）に溶解して燃料溶液を調製した。この燃料溶液中に、酵素としてＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（ＥＣ　１．１．１．４７、天野エンザイム製）およびジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ　１．８．１．４、天野エンザイム製）、電子メディエーターとしてキノン誘導体であるＡＱ２Ｓ（アントラキノン−２−スルホン酸）を溶解した。
　実施例１、２および比較例１のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて繰り返し特性を酵素による触媒電流の電気化学的観察により検証した。このために、電気化学測定装置の作用電極として実施例１、２および比較例１のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、参照電極としてＡｇ｜ＡｇＣｌ、対極として白金ワイヤーを用いた。燃料溶液添加後、ピペッティングを行い、定電圧−０．２Ｖで電流値を測定後、超純水にて２０回以上ピペッティングにより洗浄し、再び超純水を入れ換えて同様の洗浄を行った。洗浄後、再度燃料溶液を添加し、ピペッティング後、同様の定電圧測定を行った。これらの一連の動作を数回繰り返すことにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化性能を検証した。
　その結果を図７に示す。図７では、測定開始から５分後の測定電流値の一回目の測定に対する比を示している。図７に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）を用いた場合には、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電流値は一割程度の変化しかなく、大きな電流値の低下は見られない。これに対し、炭素粒子として繊維状炭素を用いた場合、したがって炭素電極および炭素粒子とも繊維状炭素からなる場合には、燃料溶液の交換により毎回電流値が半減するほどの大きな電流値の低下が見られる。これは、バイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）では、これらの表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより溶出が防止されるが、表面にナノ細孔が存在しない繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換によりニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが容易に溶出してしまうためである。
　上記と同様な試験において、毎回の燃料溶液中のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出量を高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）により測定した結果を図８に示す。図８より、ナノ細孔を有する炭素粒子であるバイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）を用いた場合には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが炭素粒子に強固に吸着され、溶出がほとんど見られないことが確認された。
　繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を設けたものに酵素としてＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）のみを固定化し、グルコースに加えてニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび電子メディエーターを含む燃料溶液を繰り返し交換してサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）測定を行った。その結果を図９に示す。図９より、初期には燃料溶液交換により電流値が低下するものの、その後は一定の電流値を示すようになった。この結果より、酵素もナノ細孔を有するバイオカーボン（ＢＣ）に反応可能な状態で強固に吸着することが確認された。
　繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を設けたものを用い、グルコースに加えて、酵素としてＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび電子メディエーターを含む燃料溶液を繰り返し交換してＣＶ測定を行った。その結果を図１０に示す。図１０より、燃料溶液交換ごとに電子メディエーターのピーク電流値が上昇することから、毎回の燃料溶液に含まれる電子メディエーターが、ナノ細孔を有するバイオカーボン（ＢＣ）に反応可能な状態で強固に保持されていることが確認された。
　繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を設けたものに電子メディエーターを固定化し、グルコースに加えて、酵素としてＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを含む燃料溶液を繰り返し交換してＣＶ測定を行った。その結果を図１１に示す。図１１より、燃料溶液交換に関わらず、触媒電流値が保持されていることが確認された。つまり、電子メディエーターが、ナノ細孔を有するバイオカーボン（ＢＣ）に反応可能な状態で強固に保持されていることが確認された。
　繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）、活性炭１または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を設けたものにＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび電子メディエーターを塗布し、燃料溶液を繰り返し交換して定電圧測定（−０．３５Ｖ）および定電流測定（１．５ｍＡｃｍ−２）を行った。
　定電圧測定の結果を図１２に示す。図１２は燃料溶液の交換回数に対して定電圧測定における一時間後の電流値（電流密度ｉ）を、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合について比較して示したものである。図１２に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合には、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電流値は二割程度の減少しかなく、大きな電流値の低下は見られない。これに対し、炭素粒子として繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換回数が増すごとに急速に電流値が低下する。これは、バイオカーボン（ＢＣ）では、表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより溶出が防止されるのに対し、表面にナノ細孔が存在しない繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換によりニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが容易に溶出してしまうためである。
　炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合の定電流測定の結果を図１３に示す。図１３は２時間ごとに１２時間後まで燃料溶液の交換を行った時の電位Ｅの経時変化を、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合について比較して示したものである。図１３に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合には、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電位Ｅの変化は少ない。これに対し、炭素粒子として繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合には、燃料溶液を２回交換すると、電位Ｅは０になってしまう。これは、バイオカーボン（ＢＣ）では、表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより溶出が防止されるのに対し、表面にナノ細孔が存在しない繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換によりニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが容易に溶出してしまうためである。
　炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または活性炭１を用いた場合の定電流測定の結果を図１４に示す。図１４は２時間ごとに１２時間後まで燃料溶液の交換を行った時の電位Ｅの経時変化を、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または活性炭１を用いた場合について比較して示したものである。図１４に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合も活性炭１を用いた場合も、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電位Ｅの変化は少ない。これは、バイオカーボン（ＢＣ）および活性炭１では、表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出が防止されているためである。また、図１４より、活性炭１を用いた場合よりもバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合の方が、より効果的にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出が防止されていることが分かる。
　繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子として天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、バイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）を固定化したものの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を観察した。その結果を図１５Ａ、ＢおよびＣならびに図１６Ａ、ＢおよびＣに示す。図１５Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ、炭素粒子として天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、バイオカーボン（ＢＣ）およびケッチェンブラック（ＫＢ）を固定化したもの、図１６Ａ、ＢおよびＣは図１５Ａ、ＢおよびＣより倍率を大きくしたものである。図１５ＢおよびＣならびに図１６ＢおよびＣより、バイオカーボン（ＢＣ）およびケッチェンブラック（ＫＢ）の表面にナノ細孔が観察される。
　繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子として天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、バイオカーボン（ＢＣ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、活性炭１、活性炭２、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子を固定化したものの細孔分布を測定した。図１７ＡおよびＢにバイオカーボン（ＢＣ）およびケッチェンブラック（ＫＢ）の細孔分布の測定結果を示す。また、図１８にＮＬＤＦＴ／ＧＣＭＣ法により見積もったバイオカーボン（ＢＣ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、活性炭１および活性炭２の細孔分布を示す。天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子は低比表面積のため（つまり細孔が無いか非常に少ないため）細孔分布は測定できなかった。表１に、バイオカーボン（ＢＣ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、活性炭１および活性炭２のＢＥＴ法による比表面積および細孔容積をまとめて示す。表１に示すように、ＢＥＴ法による比表面積は、天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子は１ｍ２／ｇから５ｍ２／ｇ程度、バイオカーボン（ＢＣ）は２０５０ｍ２／ｇ、ケッチェンブラック（ＫＢ）は１１７０ｍ２／ｇ、活性炭１（塩化亜鉛賦活）は１８５０ｍ２／ｇ、活性炭２（水蒸気賦活）は１３１０ｍ２／ｇであり、細孔容積は天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子は約０．０１ｃｍ３／ｇ、バイオカーボン（ＢＣ）は１．９５ｃｍ３／ｇ、ケッチェンブラック（ＫＢ）は２．４４ｃｍ３／ｇ、活性炭１は１．７３ｃｍ３／ｇ、活性炭２は０．９０ｃｍ３／ｇ、である。図１７および図１８より、バイオカーボン（ＢＣ）では０．５ｎｍから２ｎｍ位までのマイクロ細孔および２ｎｍから２０ｎｍ位までのメソ細孔が顕著に存在し、一方でケッチェンブラック（ＫＢ）では０．５ｎｍから２ｎｍ位までのマイクロ細孔および２０ｎｍ付近のメソ細孔が存在し、さらに１００ｎｍ付近のメソ細孔とマクロ孔との境界領域にも細孔が存在することが見積もられた。活性炭１ではマイクロ細孔は乏しいが、２ｎｍから２０ｎｍ位までのメソ細孔が顕著に存在する。活性炭２では０．５ｎｍから２ｎｍ位までのマイクロ細孔が顕著に存在するが、４ｎｍ以上のメソ細孔は乏しい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１より、概ね、比表面積１５００（ｍ２／ｇ）以上、細孔容積１．５ｃｍ３／ｇ以上が好ましいと言える。
　繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子として活性炭１、活性炭２、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子を設けたものに電子メディエーターを固定化し、グルコースに加えて、酵素としてＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを含む燃料溶液を繰り返し交換してＣＶ測定を行った。その結果を図１９に示す。図１９より、細孔が無いか非常に少ないメソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子では、燃料溶液交換により触媒電流値が激減するのに対し、活性炭１および活性炭２では、燃料溶液交換に関わらず、触媒電流値が保持されていることが確認された。つまり、電子メディエーターが、ナノ細孔を有する活性炭１および活性炭２に反応可能な状態で強固に保持されていることが確認された。また、図１９より、水蒸気で賦活した活性炭１を用いた場合よりも塩化亜鉛で賦活した活性炭２を用いた場合の方が、より効果的にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出が防止されていることが分かる。
　以上のように、この第１の実施の形態によれば、電極１１上にナノ細孔を有する炭素１２を形成しているので、この炭素１２のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を酵素などとの反応性を高く保持したまま強固に固定化することができる。このため、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体の溶出を有効に防止することができる。また、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極に酵素や電子メディエーターを固定化する場合にも、これらの酵素や電子メディエーターの溶出を有効に防止することができる。
〈２．第２の実施の形態〉
［バイオ燃料電池］
　次に、第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態においては、バイオ燃料電池の負極として、第１の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いる。
　図２０はこのバイオ燃料電池を模式的に示す。このバイオ燃料電池では、燃料としてグルコースを用いる。図２１は、このバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化されたリポソーム１２に封入された酵素群および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
　図２０および図２１に示すように、このバイオ燃料電池は、負極２１と正極２２とが電解質層２３を介して対向した構造を有する。負極２１は、燃料として供給されたグルコースを酵素により分解し電子を取り出すとともにプロトン（Ｈ＋）を発生する。正極２２は、負極２１から電解質層２３を通って輸送されたプロトンと負極２１から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。
　負極２１としては、第１の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極が用いられる。この酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極は、具体的には、電極１１上に、脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な穴１７を有するリポソーム１２が固定化されたものである。このリポソーム１２の内部には、グルコースの分解に関与する酵素、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素および補酵素の還元体を酸化する補酵素酸化酵素が封入されている。電極１１上には、必要に応じて、リポソーム１２に加えて、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡す電子メディエーターも固定化される。
　グルコースの分解に関与する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、好適にはＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼを用いることができる。この酸化酵素を存在させることにより、例えば、β−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化することができる。
　さらに、このＤ−グルコノ−δ−ラクトンは、グルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ（ＰｈＧＤＨ）との二つの酵素を存在させることにより、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに分解することができる。すなわち、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりＤ−グルコネートになり、Ｄ−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）をアデノシン二リン酸（ＡＤＰ）とリン酸とに加水分解することでリン酸化されて、６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートになる。この６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートは、酸化酵素ＰｈＧＤＨの作用により、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに酸化される。
　また、グルコースは上記分解プロセスのほかに、糖代謝を利用してＣＯ２まで分解することもできる。この糖代謝を利用した分解プロセスは、解糖系によるグルコースの分解およびピルビン酸の生成ならびにＴＣＡ回路に大別されるが、これらは広く知られた反応系である。
　単糖類の分解プロセスにおける酸化反応は、補酵素の還元反応を伴って行われる。この補酵素は作用する酵素によってほぼ定まっており、ＧＤＨの場合、補酵素にはＮＡＤ＋が用いられる。すなわち、ＧＤＨの作用によりβ−Ｄ−グルコースがＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化されると、ＮＡＤ＋がＮＡＤＨに還元され、Ｈ＋を発生する。
　生成されたＮＡＤＨは、ジアホラーゼ（ＤＩ）の存在下で直ちにＮＡＤ＋に酸化され、二つの電子とＨ＋とを発生する。したがって、グルコース１分子につき１段階の酸化反応で二つの電子と二つのＨ＋とが生成されることになる。２段階の酸化反応では、合計四つの電子と四つのＨ＋とが生成される。
　上記プロセスで生成された電子はジアホラーゼから電子メディエーターを介して電極１１に渡され、Ｈ＋は電解質層２３を通って正極２２へ輸送される。
　上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、電極反応が効率よく定常的に行われるようにするために、電解質層２３に含まれるリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液によって、酵素にとって最適なｐＨ、例えばｐＨ７付近に維持されていることが好ましい。リン酸緩衝液としては、例えばＮａＨ２ＰＯ４やＫＨ２ＰＯ４が用いられる。さらに、イオン強度（Ｉ．Ｓ．）は、あまり大きすぎても小さすぎても酵素活性に悪影響を与えるが、電気化学応答性も考慮すると、適度なイオン強度、例えば０．３程度であることが好ましい。ただし、ｐＨおよびイオン強度は、用いる酵素それぞれに最適値が存在し、上述した値に限定されない。
　図２１には、一例として、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がＮＡＤ＋、補酵素の還元体であるＮＡＤＨを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ（ＤＩ）、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡す電子メディエーターがＡＣＮＱである場合が図示されている。
　正極２２は、例えば多孔質カーボンなどの電極材料からなる電極に、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酸素を分解する酵素を固定化したものである。この正極２２の外側の部分（電解質層２３と反対側の部分）は通常、多孔質カーボンよりなるガス拡散層により形成されるが、これに限定されるものではない。正極２２には、好適には、酵素に加えて、この正極２２との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターも固定化される。
　この正極２２においては、上記の酸素を分解する酵素の存在下で、電解質層２３からのＨ＋と負極２１からの電子とにより空気中の酸素を還元し水を生成する。
　電解質層２３は負極２１において発生したＨ＋を正極２２に輸送するためのもので、電子伝導性を持たず、Ｈ＋を輸送することが可能な材料により構成されている。電解質層２３としては、具体的には、例えば、セロハンなどの既に挙げたものが用いられる。
　以上のように構成されたバイオ燃料電池において、負極２１側にグルコースが供給されると、このグルコースが酸化酵素を含む分解酵素により分解される。この単糖類の分解プロセスで酸化酵素が関与することで、負極２１側で電子とＨ＋とを生成することができ、負極２１と正極２２との間で電流を発生させることができる。
　次に、バイオ燃料電池の具体的な構造例について説明する。
　図２２ＡおよびＢに示すように、このバイオ燃料電池は、負極２１と正極２２とが電解質層２３を介して対向した構成を有している。この場合、正極２２の下および負極２１の下にそれぞれＴｉ集電体４１、４２が置かれ、集電を容易に行うことができるようになっている。符号４３、４４は固定板を示す。これらの固定板４３、４４はねじ４５により相互に締結され、それらの間に、正極２２、負極２１、電解質層２３およびＴｉ集電体４１、４２の全体が挟み込まれている。固定板４３の一方の面（外側の面）には空気取り込み用の円形の凹部４３ａが設けられ、この凹部４３ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４３ｂが設けられている。これらの穴４３ｂは正極２２への空気の供給路となる。一方、固定板４４の一方の面（外側の面）には燃料装填用の円形の凹部４４ａが設けられ、この凹部４４ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４４ｂが設けられている。これらの穴４４ｂは負極２１への燃料の供給路となる。この固定板４４の他方の面の周辺部にはスペーサー４６が設けられており、固定板４３、４４をねじ４５により相互に締結したときにそれらの間隔が所定の間隔になるようになっている。
　図２２Ｂに示すように、Ｔｉ集電体４１、４２の間に負荷４７を接続し、固定板４４の凹部４４ａに燃料として例えばリン酸緩衝液にグルコースを溶かしたグルコース溶液を入れて発電を行う。
　この第２の実施形態によれば、負極２１として第１の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いていることにより、負極２１からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することができる。このため、負極２１からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出によるバイオ燃料電池の性能劣化を防止することができる。
〈３．第３の実施の形態〉
［バイオリアクター］
　図２３は第３の実施の形態によるバイオリアクターを示す。
　図２３に示すように、このバイオリアクターにおいては、カラムリアクター内にニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１が設置されている。このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１は、第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極と同様に、ナノ細孔を有する炭素１２を所定の基板上に設け、この炭素１２にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を固定化し、加えてニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を補酵素とする酵素を固定化したものである。
　このバイオリアクターにおいては、反応物を含む溶液をカラムリアクターに流してニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１と接触させる。そして、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１に固定化された酵素による酵素反応により反応物から生成物が得られる。
　このバイオリアクターにおいては、上記以外のことは、その性質に反しない限り、第１の実施の形態と同様である。
　この第３の実施の形態によれば、バイオリアクターにおいて第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。加えて、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体の溶出を有効に防止することができることにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を、毎時反応ごとに新規もしくは再精製したものを添加する必要がなくなり、低コスト化を図ることができる。
〈４．第４の実施の形態〉
［酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極］
　図２４は第４の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す。
　図２４に示すように、この酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極においては、電極（図示せず）の表面に形成された、ナノ細孔を有する炭素１２の表面に、炭素と結合する部位と酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物６１を介して酵素１９が結合している。より詳細には、炭素１２の表面に酵素固定化用化合物６１の炭素と結合する部位が結合しており、この酵素固定化用化合物６１の酵素と結合する部位に酵素１９が結合している。典型的には、酵素固定化用化合物６１の炭素と結合する部位は、炭素１２のナノ細孔の内部に入り込んで炭素１２の表面に吸着し、あるいは、π結合などにより結合している。炭素１２のナノ細孔への吸着性から、酵素固定化用化合物６１の分子量は、好適には例えば１０００以下、電荷は好適には２価以下である。
　酵素固定化用化合物６１としては、例えば、炭素１２のナノ細孔の内部に入り込んで炭素１２の表面に吸着可能なビオチン（Ｂｉｏｔｉｎ）分子、π結合により炭素１２の表面に吸着するフルオレセン（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ）やキラリティを有する分子、各種の多環芳香族化合物（Ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ　Ａｒｏｍａｔｉｃ　Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ，ＰＡＨｓ）などを用いることができ、必要に応じて選ばれる。酵素固定化用化合物６１の具体例を挙げると次の通りである。
〈多環芳香族化合物〉
・ピレン（Ｐｙｒｅｎｅ）誘導体
・コロネン（Ｃｏｒｏｎｅｎｅ）誘導体
・クリセン（Ｃｈｒｙｓｅｎｅ）誘導体
・ナフタセン（Ｎａｐｈｔａｃｅｎｅ）誘導体
・ペンタセン（Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）誘導体
・ピセン（Ｐｉｃｅｎｅ）誘導体
・ペリレン（Ｐｅｒｙｌｅｎｅ）誘導体
・アントラセン（Ａｎｔｈｒａｃｅｎｅ）誘導体
・フェナントレン（Ｐｈｅｎａｎｔｈｒｅｎｅ）誘導体
・フルオレン（Ｆｌｕｏｒｅｎｅ）誘導体
・ナフタレン（Ｎａｐｈｔａｌｅｎｅ）誘導体
・フルオランテン（Ｆｌｕｏｒａｎｔｈｅｎｅ）誘導体
・アセナフテン（Ａｃｅｎａｐｈｔｈｅｎｅ）誘導体
・アセナフチレン（Ａｃｅｎａｐｈｔｈｙｌｅｎｅ）誘導体
・トリフェニレン（Ｔｒｉｐｈｅｎｙｌｅｎｅ）誘導体
〈π結合により炭素と結合する物質〉
・ターチオフェン（Ｔｅｒｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）誘導体
・テトラフェニルベンジジン（Ｔｅｔｒａｐｈｅｎｙｌｂｅｎｚｉｄｉｎｅ）誘導体
・テトラフェニルナフタセン（Ｔｅｔｒａｐｈｅｎｙｌｎａｐｈｔａｃｅｎｅ）誘導体
・ベンゾチオフェン（Ｂｅｎｚｏｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）誘導体
・チオフェン（Ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）誘導体
・ピロール（Ｐｙｒｒｏｌｅ）誘導体
・カルバゾール（Ｃａｒｂａｚｏｌｅ）誘導体
・フェナントロリン（Ｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ）誘導体
・フェニルピリジン（Ｐｈｅｎｙｌｐｙｒｉｄｉｎｅ）誘導体
・キノリン（Ｑｕｉｎｏｌｉｎｅ）誘導体
・トリフェニルアミン（Ｔｒｉｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｅ）誘導体
・ジフェニルアミン（Ｄｉｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｅ）誘導体
・オキサゾール（Ｏｘａｚｏｌｅ）誘導体
・オキサジアゾール（Ｏｘａｄｉａｚｏｌｅ）誘導体
・ｐ−フェニル（ｐ−Ｐｈｅｎｙｌ）誘導体
・キナクリドン（Ｑｕｉｎａｃｒｉｄｏｎｅ）誘導体
・フルクレノン（Ｆｌｕｃｒｅｎｏｎｅ）誘導体
・フタロシアニン（Ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）誘導体
・スピロピラン（Ｓｐｉｒｏｐｙｒａｎ）誘導体
・ビオロゲン（Ｖｉｏｌｏｇｅｎ）誘導体
・スピロペリミジン（Ｓｐｉｒｏｐｅｒｉｍｉｄｉｎｅ）誘導体
・フェニルエステル（Ｐｈｅｎｙｌ　Ｅｓｔｅｒｓ）
・ベンゾ酸（Ｂｅｎｚｏｉｃ　Ａｃｉｄｓ）
・ビフェニル（Ｂｉｐｈｅｎｙｌ）誘導体
・ベンゾフェノン（Ｂｅｎｚｏｐｈｅｎｏｎｅ）誘導体
・ジフェニルアミン（Ｄｉｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｅ）誘導体
・ジフェニルエーテル（Ｄｉｐｈｅｎｙｌ　Ｅｔｈｅｒｓ）
・ジフェニルスルフィド（Ｄｉｐｈｅｎｙｌ　Ｓｕｌｆｉｄｅｓ）
・ジフェニルスルホン（Ｄｉｐｈｅｎｙｌ　Ｓｕｌｆｏｎｅｓ）
・ビスフェノール（Ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ）誘導体
・アントラキノン（Ａｎｔｈｒａｑｕｉｎｏｎｅ）誘導体
・ホスホニウム（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ）化合物
・フルオレセン（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ）誘導体
・ローダミン（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ）誘導体
・クマリン（Ｃｏｕｍａｒｉｎ）誘導体
・シアニン（Ｃｙａｎｉｎｅ）誘導体
〈その他の化合物〉
　ヌクレオシド、ヌクレオチド、リボース、糖、アミノ酸、脂質、ステロール、テルペン、ステロイド、プロパノイド、アルカノイド、アルコール、アミン、アミノアルコール、イソシアナート、アミド、エステル、ジオール、グリシジル化合物、ヒドラジン、シラン、ポリケチド、ポリアミン、ポルフィリン、ビタミン、クラウンエーテル、シクロデキストリン、ジアクリラート、ジメタクリレート、テトラカルボン酸、ピロリジン、アルカノール、カルボン酸、アズレン、第四級アンモニウム、フルオロカーボン、アリールやシクロアルカンなどの環式有機化合物を含む化合物。
　酵素固定化用化合物６１の中でもピレン誘導体が好適である。ピレン誘導体は、例えば、アミン基、スルホン基、スルフヒドリル基、カルボキシル基、水酸基、アジ基、アゾ基、ニトロ基、ニトリル基、シアノ基、アレン基、イソニトリル基、ウレア基、アルデヒド基、ケトン基、ＮＨＳエステル、イミドエステル、マレイミド、ピリジルジチオール、アリルアジド、ハロアセテート、イソシアナート、カルボジイミド、アリルアジド、ジアジリン、ヒドラジド、ソラレン、ヨード、ピリジンジスルフィド、ビニルスルホンなどの官能基および反応基を有する。また、官能基および反応基とピレンとの間はアルキル基や、ポリエチレングリコールなどをスペーサーとして隔てられていてもよい。また、これらの官能基および反応基、スペーサーなどの修飾はピレンのどの位置の炭素に結合していてもよい。ピレン誘導体はその官能基および反応基を介してタンパク質と結合することができる。また、ピレン誘導体にビオチン、グルタチオン、糖分子もしくは抗原となる分子を修飾させておくことで、これらに特異的に結合するタンパク質を固定化することもできる。
　実施例５では、繊維状炭素からなる炭素電極上にナノ細孔を有する炭素１２としてバイオカーボン（ＢＣ）を塗布したもののナノ細孔に、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに加えて、電子メディエーターとしてＡＱ２Ｓ（アントラキノン−２−スルホン酸）を固定化し、酵素としてＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（ＥＣ　１．１．１．４７、天野エンザイム製）およびジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ　１．８．１．４、天野エンザイム製）をＮＨＳピレンを介して固定化し、酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。図２５に、酵素固定化用化合物６１がＮＨＳピレンである場合を示す。
〈比較例２〉
　比較例２では、酵素固定化用化合物６１としてのＮＨＳピレンを用いないことを除いて実施例５と同様にして酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
〈実験結果〉
　燃料としてグルコースを用い、これを１．０Ｍのリン酸緩衝液（ＫＰＢ、ＫＨ２ＰＯ４）に溶解してグルコース濃度が０．８Ｍの燃料溶液（ｐＨ７．５）を調製した。この燃料溶液中で実施例５および比較例２の酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて定電流測定（１．５ｍＡ／ｃｍ２）を行い、その際、１時間ごとに燃料溶液を交換してその繰り返し特性を測定した。燃料溶液の交換の際に２０回、酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の直上から強くピペッティングを行った。
　測定結果を図２６に示す。図２６に示すように、ＧＤＨおよびＤＩをＮＨＳピレンを用いずに直接バイオカーボンに吸着させた比較例２では１時間で電圧が低下するのに対し、ＧＤＨおよびＤＩをＮＨＳピレンを介してバイオカーボンに吸着させた実施例５では７時間電圧が維持される。
　上記の定電流測定において燃料溶液を１時間ごとに交換する際に廃液を回収し、その１回目、２回目の廃液中に含まれる酵素をＳＤＳ−ＰＡＧＥにより分析することで溶出した酵素を分析した。ナノ細孔を有する炭素１２としてバイオカーボンを用い、酵素としてＧＤＨおよびＤＩを用いた場合の測定結果を図２７Ａに示す。また、ナノ細孔を有する炭素１２としてケッチェンブラックを用い、酵素としてビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）を用いた場合の測定結果を図２７Ｂに示す。図２７ＡおよびＢより、ＮＨＳピレンを用いないで酵素を直接バイオカーボンまたはケッチェンブラックに固定化した場合には２回目の燃料溶液の交換時には７０％から９０％に近い酵素が溶出していることになり、その結果として電圧が低下したことが示唆される。これに対し、ＮＨＳピレンを用いて酵素をバイオカーボンまたはケッチェンブラックに固定化した場合には酵素の溶出は１０％以下に抑制されており、このことから酵素がＮＨＳピレンによって強固に固定化されることが示された。また、ＮＨＳピレンを用いて固定化する効果は、ナノ細孔を有する炭素１２がバイオカーボンであるかケッチェンブラックであるか、あるいは酵素の種類によらずに得られることが分かる。
　図２８は、ナノ細孔を有する炭素１２としてバイオカーボンを用い、そのナノ細孔に、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに加えて、電子メディエーターとしてＡＱ２Ｓを固定化し、酵素としてのＧＤＨおよびＤＩをＮＨＳピレンを介して固定化した酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極において、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化量を変えて定電流測定（１．５ｍＡ／ｃｍ２）を行った結果を示す。図２８より、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化量を低減させても出力や繰り返し特性が維持されることが分かる。これは、ＮＨＳピレンによって酵素がナノ細孔近傍に固定化されることで、ナノ細孔に吸着固定化されているニコチンアミドアデニンジヌクレオチドや電子メディエーターの溶出を効果的に防止する役割（いわば蓋の役割）を担っていると考えられる。実際、図２９に示すように、表面にＮＨＳピレンを塗布したバイオカーボンとＮＨＳピレンを塗布しないバイオカーボンとについて細孔分布を測定したところ、ＮＨＳピレンの塗布によってナノ細孔の容積の低下が確認された。このことは、図３０に示すように、バイオカーボン６２のナノ細孔６２ａの内部の表面にＮＨＳピレン６３を介して酵素６４が固定化されていることを示すものと考えられる。符号６５は電子メディエーターを示す。
　次に、酵素固定化用化合物６１の種類による酵素の固定化能、電極性能を比較検討した結果について説明する。酵素固定化用化合物６１として次の５種類の化合物を用いた。
・１−Ｐｙｒｅｎｅｂｕｔａｎｏｉｃ　ａｃｉｄ，ｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｙｌ　ｅｓｔｅｒ（Ｐｙｒｅｎｅ）
　化学構造は下記の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 　このＰｙｒｅｎｅ（分子量は３８５）はπ結合能が高く（π電子数＝８）、蛍光物質であるので蛍光検出が可能である。
・Ｎ−［（９Ｈ−Ｆｌｕｏｒｅｎ−９−ｙｌｍｅｔｈｏｘｙ）ｃａｒｂｏｎｙｌｏｘｙｌｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｅ　（Ｆｍｏｃ）
　化学構造は下記の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 　このＦｍｏｃ（分子量は４３１）は平面的であり、π結合能を有し（π電子数＝６）、蛍光物質であるので蛍光検出が可能である。
・ＮＨＳ−Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ）
　化学構造は下記の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 　このＦｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ（分子量は４７３）はπ結合能を有するが（π電子数＝９）、分子内で回転が起きるため平面的でない。このＦｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎは蛍光物質であるので蛍光検出が可能である。
・Ｓｕｃｃｉｎｉｍｉｄｙｌ（２Ｒ）−６−（Ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏ−２Ｈ−ｐｙｒａｎ−２−ｙｌｏｘｙ）−２，５，７，８−ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌｃｈｒｏｍａｎ−２−ｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ（ＮＰＣＡ）
　化学構造は下記の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 　このＮＰＣＡ（分子量は４３１）はπ結合能を有するが（π電子数＝３）、Ｐｙｒｅｎｅに比べると弱いと考えられる。このＮＰＣＡは光学活性を有し、応用によっては光学分割能や光学的立体識別能が期待される。
・ＮＨＳ−Ｂｉｏｔｉｎ（Ｂｉｏｔｉｎ）
　化学構造は下記の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 　このＢｉｏｔｉｎ（分子量は３４１）はπ結合能を有していない。このＢｉｏｔｉｎ自体は水溶性のビタミンＢ７で安全性は高いと考えられる。このＢｉｏｔｉｎはアジピンタンパク質により高感度かつ特異的に検出可能である。
〈実験結果〉
　酵素固定化用化合物６１として上記の５種類の化合物を同重量用い、実施例５と同様の方法でバイオカーボンを用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製し、酵素溶出の比較検討および定電圧測定（−０．３５Ｖ）による電流値を測定した。
　酵素の固定化能の比較結果を図３１に、電流値（電流密度Ｉ（ｍＡ／ｃｍ２））の比較結果を図３２に示す。図３１に示すように、Ｐｙｒｅｎｅの固定化能を１としたときの相対的な固定化能は、Ｐｙｒｅｎｅ、ＦｍｏｃおよびＮＰＣＡは同程度であるのに対し、Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎは半分程度であった。一方、ＢｉｏｔｉｎはＰｙｒｅｎｅと比較して倍の固定化能を示した。また、図３２に示すように、電流値に関しては、Ｐｙｒｅｎｅが一番高く、Ｂｉｏｔｉｎでは若干低くなり、ＦｍｏｃおよびＮＰＣＡではさらに低くなり、Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎでは最も低い。
　以上より、Ｐｙｒｅｎｅ同様にＦｍｏｃやＮＰＣＡなどの平面的なπ結合部分を有する分子でも、同様な効果が確認された。また、π結合は有していないものの、バイオカーボンのナノ細孔によく吸着すると考えられるＢｉｏｔｉｎ分子でも、効果的にアンカリングして酵素を固定化することができることが確認された。一方、π電子を多く有するものの、分子内のπ結合部分が回転可能なＦｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎでは固定化能および電流値がＰｙｒｅｎｅに比べてかなり低いことが確認された。
　この酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて実施例５と同様に燃料溶液の交換を一回行った時の酵素溶出率の比較結果を図３３に、電流値（電流密度Ｉ（ｍＡ／ｃｍ２））の比較結果を図３４に示す。図３３および図３４においては、比較のために、酵素固定化用化合物を用いないで酵素を固定化したことだけが異なる酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極（Ｃｔｒｌ）を用いた場合の酵素溶出率および電流値も示す。図３３に示すように、Ｐｙｒｅｎｅ、Ｆｍｏｃ、Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ、ＮＰＣＡおよびＢｉｏｔｉｎを用いて酵素を固定した場合には、これらを用いないで酵素を固定化した場合に比べて酵素溶出率は極めて低くなっている。また、図３４に示すように、Ｐｙｒｅｎｅ、Ｆｍｏｃ、Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ、ＮＰＣＡおよびＢｉｏｔｉｎを用いて酵素を固定した場合には、これらを用いないで酵素を固定化した場合と同様な電流値が得られる。
　この第４の実施の形態によれば、ナノ細孔を有する炭素１２の表面に酵素固定化用化合物６１を介して酵素１９が結合していることにより、酵素１９をその活性を保持したまま強固に固定化することができ、溶出を極めて有効に防止することができる。また、酵素固定化用化合物６１をナノ細孔を有する炭素１２、取り分けナノ細孔１３ａを有する炭素粒子１３のナノ細孔１３ａに吸着させた電極では、配向制御などにより酵素１９による直接電子移動の効率の向上を図ることができる。
〈５．第５の実施の形態〉
［物質除去剤］
　第５の実施の形態においては、物質除去剤について説明する。
　図３５に示すように、この物質除去剤においては、酵素固定化用化合物６１と同様な化合物であって正または負に帯電したものを、ナノ細孔１３ａを表面に有する炭素粒子１３に吸着させることで、それぞれ正または負に帯電させた炭素粒子１３を得る。そして、例えば毒性物質やウイルスなどの除去したい物質８１が溶存する溶液中にこの炭素粒子１３を分散させる。すると、溶液中に含まれる、除去したい物質８１は炭素粒子１３の表面に吸着した、正または負に帯電した化合物の反応基に捕捉される。その後、この溶液に電界を印加することにより、除去したい物質８１が捕捉された炭素粒子１３を電気泳動させることにより回収することができる。こうして、溶液中から、除去したい物質８１を除去することができる。図３６に、一例として上記の化合物がピレン誘導体７１であり、このピレン誘導体７１に除去したい物質８１が捕捉された様子を示す。
　なお、正負への帯電だけでなく、各種の官能基を先端に保持したピレンなどの、ナノ細孔１３ａの表面に吸着可能な分子を炭素粒子１３の表面に吸着保持させることで、この炭素粒子１３にその官能基に応じた様々な性質を付与することができる。例えば、タンパク質と結合能を有するＮＨＳを先端に保持したＮＨＳピレンを吸着させた炭素粒子１３を利用すると、エアロゾル中や溶液中のタンパク質を捕捉して炭素粒子１３の表面に強固に固定化することができ、この炭素粒子１３を濾過などにより回収することで、結果的にエアロゾル中や溶液中からタンパク質を除去することが可能である。また、ＮＨＳの代わりに正または負に帯電した化合物の反応基を保持させることで、その静電相互作用で標的分子を捕捉し、その後、この溶液の濾過や電界印加に伴う電気泳動などにより回収分離することができる。
　この第５の実施の形態によれば、新規な物質除去剤を実現することができる。
〈６．第６の実施の形態〉
［タンパク質除去剤］
　第６の実施の形態においては、タンパク質除去剤について説明する。
　このタンパク質除去剤においては、タンパク質固定化用化合物と同様な化合物であってタンパク質に結合可能な官能基を有するものを、ナノ細孔１３ａを表面に有する炭素粒子１３に吸着させることで、それぞれ正または負に帯電させた炭素粒子１３を得る。そして、除去したいタンパク質が溶存する溶液中にこの炭素粒子１３を分散させる。すると、溶液中に溶存する、除去したいタンパク質は炭素粒子１３の表面に吸着した、正または負に帯電した化合物の反応基に捕捉される。その後、この溶液に電界を印加することにより、除去したいタンパク質が捕捉された炭素粒子１３を電気泳動させることにより回収することができる。こうして、溶液中から、除去したいタンパク質を除去することができる。
　この第６の実施の形態によれば、新規なタンパク質除去剤を実現することができる。
〈７．第７の実施の形態〉
［抗原除去剤］
　第７の実施の形態においては、抗原除去剤について説明する。
　図３７に示すように、この抗原除去剤においては、ナノ細孔１４ａを有する炭素シート１４の表面に、タンパク質固定化用化合物と同様な化合物を介して、抗原と特異的な相互作用を有する抗体を結合させる。そして、除去したい抗原１０１が溶存する溶液中にこの炭素シート１４を入れる。すると、溶液中に溶存する抗原１０１は炭素シート１４の表面に吸着した抗体と結合する。こうして、溶液中に溶存する抗原１０１を除去することができる。図３８に、一例として上記の化合物がピレン誘導体７１であり、このピレン誘導体７１に抗体１０２が結合し、この抗体１０２に抗原１０１が結合している様子を示す。
　図３７に示すように、炭素シート１４を検出器１０３と接続することにより、抗原１０１をセンシングする測定装置を得ることができる。
　この第７の実施の形態によれば、新規な抗原除去剤を実現することができる。
　なお、抗原抗体反応以外にも、レセプタータンパク質など基質特異性を有するタンパク質を用いることで特定の基質を捕捉することが可能である。
〈８．第８の実施の形態〉
［ワクチン］
　第８の実施の形態においては、ワクチンについて説明する。
　図３９に示すように、このワクチンにおいては、ＭＨＣクラスＩもしくはＭＨＣクラスＩＩもしくはそれらの細胞外領域（以下、これらをまとめてＭＨＣと称する）を、結合用化合物を介して、ナノ細孔１３ａを表面に有する炭素粒子１３に結合させる。この炭素粒子１３の表面に結合したＭＨＣに、病原体やそれに由来するペプチドなどの抗原１１１を結合させる。こうして炭素粒子１３の表面にＭＨＣ−抗原複合体が固定化される。
　このＭＨＣ−抗原複合体が固定化された炭素粒子１３を経口、経鼻、腹腔、皮下注射などにより体内に取り込み、粘膜や血液中の免疫反応系に抗原提示することでワクチンとして機能させることができる。この際、例えば、図３９に示すように、Ｔ細胞１１２のＴＣＲ１１２ａが抗原１１１と結合することにより、Ｔ細胞１１２が活性化される。図４０に、一例として上記の結合用化合物がピレン誘導体７１であり、このピレン誘導体７１にＭＨＣ１１３が結合し、このＭＨＣ１１３に抗原１０１が結合し、この抗原１０１にＴ細胞１１２のＴＣＲ１１２ａが結合している様子を示す。
　この第８の実施の形態によれば、新規なワクチンを実現することができる。
〈９．第９の実施の形態〉
［バイオリアクター］
　図４１は第９の実施の形態によるバイオリアクターを示す。
　図４１に示すように、このバイオリアクターにおいては、カラムリアクター内に酵素などのタンパク質が固定化されたタンパク質固定化担体１５１が設置されている。このタンパク質固定化担体１５１は、ナノ細孔を有する炭素１２を所定の基板上に設け、この炭素１２にタンパク質固定化用化合物を介して酵素などのタンパク質を固定化したものである。この炭素１２には、必要に応じて、タンパク質に加えて、その他の化合物などを固定化してもよい。
　このバイオリアクターにおいては、反応物を含む溶液をカラムリアクターに流してタンパク質固定化担体１５１と接触させることで、このタンパク質固定化担体１５１に固定化された酵素などのタンパク質による反応物が得られる。
　この第９の実施の形態によれば、タンパク質固定化担体１５１のタンパク質による反応生成物を効率的かつ容易に生産し、回収することができる。あるいは、タンパク質固定化担体１５１のタンパク質と相互作用する物質の精製分離が可能である。また、タンパク質固定化担体１５１からのタンパク質の溶出を有効に防止することができることにより、繰り返し使用性能の向上やタンパク質使用量の低減による低コスト化を図ることができる。
　以上、本開示の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、本開示は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。
　例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。
　また、必要に応じて、炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、他の補酵素やペプチドなどを固定化してもよい。他の補酵素としては、例えば、ビタミンＢ群、ビタミンＣ、葉酸などの水溶性ビタミンや、ビタミンＡ、ビタミンＤ、ビタミンＥ、ビタミンＫベータカロチンなどの脂溶性ビタミンや、ユビキノン、フラビンモノヌクレオチド（ＦＭＮ／ＭＭＮＨ２）、フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ／ＦＡＤＨ２）、シトクロム、クロロフィルなどの電子伝達物質）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、ペプチドとしては、各種ホルモン、サイトカインなどとして機能するポリペプチド（アミノ酸残基１００未満）や低分子ペプチド（アミノ酸残基１０未満）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらには、炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を固定化する代わりに、これらの補酵素やペプチドなどを固定化してもよい。炭素および／または無機化合物には、これらの補酵素、ペプチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、酵素を含む各種のタンパク質を固定化してもよいことは言うまでもない。
　なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）正極と、負極と、上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなる燃料電池。
（２）上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する前記（１）に記載のバイオ燃料電池。
（３）上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を表面に有する前記（１）または（２）に記載の燃料電池。
（４）上記炭素は、炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む前記（１）から（３）のいずれかに記載の燃料電池。
（５）上記炭素粒子は、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む前記（４）に記載の燃料電池。
（６）上記電極は繊維状炭素からなる前記（１）から（５）のいずれかに記載の燃料電池。
（７）上記炭素および／または無機化合物にさらに酵素が固定化され、上記酵素および上記ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を有する前記（１）から（６）のいずれかに記載の燃料電池。
（８）上記炭素および／または無機化合物と結合する部位と上記酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を有する前記（７）に記載の燃料電池。
（９）上記酵素固定化用化合物は、ビオチン分子、フルオレセン、キラリティを有する分子および多環芳香族化合物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である前記（８）に記載の燃料電池。
（１０）上記酵素固定化用化合物はピレン誘導体である前記（８）または（９）に記載の燃料電池。
（１１）上記酵素は、上記酵素固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物と結合している前記（８）から（１０）のいずれかに記載の燃料電池。
（１２）上記酵素固定化用化合物は上記細孔の内部における上記炭素および／または無機化合物と結合している前記（８）から（１１）のいずれかに記載の燃料電池。
（１３）上記酵素はＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼである前記（７）から（１２）のいずれかに記載の燃料電池。
（１４）上記無機化合物は、酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、硫酸塩、リン酸塩および塩化物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である前記（１）から（１３）のいずれかに記載の燃料電池。
　１１…電極、１２…ナノ細孔を有する炭素、１３…炭素粒子、１３ａ…ナノ細孔、１４…炭素シート、１４ａ…ナノ細孔、１５…炭素ファイバー、１５ａ…ナノ細孔、１６…ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体、１７…繊維状炭素、１８…骨格、１９…酵素、２０…電子メディエーター、２１…負極、２２…正極、２３…電解質層、４１、４２…Ｔｉ集電体、４３、４４…固定板、４７…負荷、５１…ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体、６１…酵素固定化用化合物

Claims (20)

  1. 　正極と、
    　負極と、
    　上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
    　上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなる燃料電池。
  2. 　上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する請求項１記載の燃料電池。
  3. 　上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を表面に有する請求項２記載の燃料電池。
  4. 　上記炭素は、炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む請求項３記載の燃料電池。
  5. 　上記炭素粒子は、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む請求項４記載の燃料電池。
  6. 　上記電極は繊維状炭素からなる請求項５記載の燃料電池。
  7. 　上記炭素および／または無機化合物にさらに酵素が固定化され、上記酵素および上記ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を有する請求項６記載の燃料電池。
  8. 　上記炭素および／または無機化合物と結合する部位と上記酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を有する請求項７記載の燃料電池。
  9. 　上記酵素固定化用化合物は、ビオチン分子、フルオレセン、キラリティを有する分子および多環芳香族化合物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である請求項８記載の燃料電池。
  10. 　上記酵素固定化用化合物はピレン誘導体である請求項８記載の燃料電池。
  11. 　上記酵素は、上記酵素固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物と結合している請求項８記載の燃料電池。
  12. 　上記酵素固定化用化合物は上記細孔の内部における上記炭素および／または無機化合物と結合している請求項８記載の燃料電池。
  13. 　上記酵素はＮＡＤ＋／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼである請求項７記載の燃料電池。
  14. 　上記無機化合物は、酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、硫酸塩、リン酸塩および塩化物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である請求項１記載の燃料電池。
  15. 　一つまたは複数の燃料電池を有し、
    　少なくとも一つの上記燃料電池が、
    　正極と、
    　負極と、
    　上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
    　上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるものである電子機器。
  16. 　上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する請求項１５記載の電子機器。
  17. 　上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を表面に有する請求項１６記載の電子機器。
  18. 　大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極。
  19. 　上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する請求項１８記載のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極。
  20. 　上記炭素および／または無機化合物に電荷または反応性を有する少なくとも一種類の官能基が付与されている請求項１９記載のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極。
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