一种葡萄糖酶生物燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明提供了葡萄糖脱氢酶作催化剂进行氧化还原反应的酶电极，在该酶电极上，有阳极室的葡萄糖脱氢酶GDH，辅酶NADP，催化葡萄糖反应，产生氢离子和电子，氢离子通过两极室间的质子交换膜到达阴极室，电子则从阳极电极通过导线负载到达阴极电极，由于电极附近的氧化还原反应高效进行，所以酶电极可提高所获得的电能输出，因此，适用于多种燃料电池的设计。
【专利说明】
-种葡萄糖酶生物燃料电池
技术领域
[0001] 本发明设及一种酶生物燃料电池。其中起催化作用的酶进行氧化还原反应，且被 改良W实现更高的输出，还设及该燃料电池的关键组件，酶电极。
【背景技术】
[0002] 附图描述了一般的生物燃料电池的反应方案，图中所示的使用葡萄糖作为燃料的 生物燃料电池中，葡萄糖的氧化反应在负极处进行(如图(a))，而大气中的氧(〇2)的还原反 应在正极处进行(如图（b))。在负极处，电子连续转移到葡萄糖、葡萄糖脱氨酶、烟酷胺腺嚷 岭二核巧酸(NAD+)、屯、肌黄酶、电子转移介质，最后转移到碳电极。相反，在正极处，从负极 释放的电子W如下顺序连续转移到电极(C)，电子转移介质，然后到胆红素氧化酶(BOD)，且 用电子和外部供应的氧气进行还原反应，从而产生电能。虽然运样的生物燃料电池作为高 度安全的燃料电池而引起了注意，但比其他燃料电池输出低。近期有一些其它方面的研究， 除了通过修改电极结构来实现较高输出的技术，还有通过改变固定在电极上的酶自身使燃 料电池实现较高输出的技术。例如，P化3公开了通过脱氨酶和屯、肌黄酶的融合制备蛋白质， 该融合蛋白质固定在负极上，从而有效地执行从基质到电极的电子转移反应，使得生物燃 料电池具有较高输出。为了提高生物燃料电池的输出，需要在由电子转移介质等决定的电 势保持在高水平下而获得高电流，在目前的情况下，酶和反应基质的组合受到限制，导致输 出值受到限制。目前，从提高生物燃料电池输出角度的技术，已经开发了许多，但获得电能 的生物燃料电池的基本原理都是基于电极上的氧化还原反应，而不是提高反应基质和电极 上酶之间的反应效率。不解决反应效率问题，就不能获得根本的解决方案。
【发明内容】
[0003] 本发明的阳极，采用了多个锻金薄片的焊接来制备，而阴极采用了加工过的二氧 化儘液体为底物。本发明的酶电极是利用作为催化剂的酶进行氧化还原反应的电极，并且 是酶与辅酶已经进行过提纯处理，可极大提高葡萄糖反应速率。向燃料电池两极室分别加 入处理好的底物，通过导线和负载进行连接。设置两组对照试验，第一组只加入水，第二组 依次加入葡萄糖溶液、GDH、NADP，全程测量负载电压与阳极抑值，得到第二组的电压稳定在 120mV(负载为33欧姆）的持续时间为110分钟。pH值从7.55变为3.71并稳定下来。实验记录 如下表。通过另一组对比实验确认了锻金薄片的电极适用性远大于碳棒，改变阳极接触面 积会影响检测电压的数值。
[0004]
[0005] 本发明的主要目的是人工提高生物燃料电池电极上的反应基质和酶之间反应能 力W便提高电极上的反应速率，从而使得生物燃料电池能够更高输出。
[0006] 本发明通过使用处理提纯过的葡萄糖脱氨酶，降低葡萄糖反应需要的活化能，W 此来加速葡萄糖反应生成葡萄糖酸、氨离子和电子。向阳极加入了还原型烟酷胺腺嚷岭二 核巧酸憐酸(NADP)，促进了反应的更快进行。
[0007] 本发明使用二氧化儘作为阴极基质，与通过从阳极经过质子交换膜的氨离子发生 还原反应，完成与阳极共同的氧化还原反应，W电子转移形成稳定的电流。阳极通过使用多 个锻金薄片焊接技术制成的优良惰性电极，极大的增加了反应的接触面积，与碳作电极相 比，接收电子能力更强，可产生更大的电势差。
【具体实施方式】
[000引 W下说明执行本发明的优选实施方案。注意：下面所述实施方式是本发明代表性 实施方案的实例，不能用运些实施方案狭隘地解释本发明的范围。
[0009] 实施例：
[0010] 酶的提纯方法为:取蛋白酶浊液2. OmL于试管中，加2. OmL的饱和硫酸锭溶液，揽拌 均匀，静置2分钟，400化/min离屯、10分钟，弃去上清，沉淀为所需蛋白，加入2. OmL蒸馈水溶 解葡萄糖脱氨酶粗液，4.(TC保存。酶活性的测定方法为:配置10.OmM的憐酸盐缓冲液(pH= 7.4)，270g/L的葡萄糖溶液，60mM的NADP(称取0.47244gNADP溶解定容至10.0 mL)，分别取常 溫下2.7血憐酸盐缓冲液、0.2血葡萄糖、0.1血NADP于比色皿中，置于紫外分光光度计中，吸 收值归零，取憐酸盐缓冲液稀释100倍的葡萄糖脱氨酶〇.〇5mL加入比色皿中混匀并开始计 时，读取两分钟时340nm处波长的吸收值，此处读取的值为0.522,在正常范围内。（正常范围 为0.3~0.7)，根据葡萄糖脱氨酶酶活计算公式:GDH酶活(U/mL) = (AOD/min X Vt X df)/ (6.22 X 1.0 X Vs) Vt是反应总体积，为3.05mL，壯是稀释倍数，6.22为NADP在340nm下的摩尔 消光系数，1.0为测量光程，Vs为GDH酶的体积，为0.05mL，计算得出实验所用的葡萄糖脱氨 酶GDH的酶活力约为511.929U/mL。
【主权项】
1. 本发明阳极的制备为使用多个镀金薄片通过焊接技术制备形成。阴极底物通过使用 加工过的二氧化锰液体进行实验。本发明的酶电极是利用作为催化剂的酶进行氧化还原反 应的电极，并且是酶与辅酶已经进行过提纯处理，可极大提高葡萄糖反应速率。向燃料电池 两极室分别加入处理好的底物，通过导线和负载进行连接。设置两组对照试验，第一组只加 入水，第二组依次加入葡萄糖溶液、GDH、NADP。全程测量负载电压与阳极pH值。得到第二组 的电压稳定在120mV(负载为33欧姆)的持续时间为110分钟。pH值从7.55变为3.71并稳定下 来。实验记录如下表。通过另一组对比实验确认了镀金薄片的电极适用性远大于碳棒。改变 阳极接触面积会影响检测电压数值。2. 根据权利要求所述，酶电极是指，通过多个镀金薄片制作的惰性阳极，增大了电极与 阳极燃料的接触面积，即是增大了电极接收电子的能力，惰性阳极还包括其它惰性的，可做 为电极的物质。3. 根据权利要求所述，酶电池反应是指，阳极通过GDH、NADP催化葡萄糖反应生成葡萄 糖酸和氢离子、电子，氢离子通过质子交换膜到达阴极，与二氧化锰发生还原反应，完成电 子的转移，产生电流。该酶生物燃料电池的负极反应底物可选择性十分宽泛，除了本实验所 采用的二氧化锰外还可以选择过氧化氢、氧气及其他可被还原的物质。4. 根据权利要求所述，GDH的纯化是指，通过盐析分离进行提纯，不单指使用硫酸铵，常 用的GDH纯化方案均在保护范围之内。5. 根据权利要求所述，酶的提纯方法为:取蛋白酶浊液2. OmL于试管中，加2. OmL的饱和 硫酸铵溶液，搅拌均匀，静置2分钟，4000r/min离心10分钟，弃去上清，沉淀为所需蛋白，加 入2. OmL蒸馏水溶解葡萄糖脱氢酶粗液，4.0°C保存。酶活性的测定方法为:配置10.0 mM的磷 酸盐缓冲液(pH = 7.4)，270g/L的葡萄糖溶液，60mM的NADP(称取0.47244gNADP溶解定容至 10 . OmL)，分别取常温下2.7mL磷酸盐缓冲液、0.2mL葡萄糖、0. lmLNADP于比色皿中，置于紫 外分光光度计中，吸收值归零，取磷酸盐缓冲液稀释100倍的葡萄糖脱氢酶〇.〇5mL加入比色 皿中混匀并开始计时，读取两分钟时340nm处波长的吸收值，此处读取的值为0.522,在正常 范围内。（正常范围为0.3~0.7)，根据葡萄糖脱氢酶酶活计算公式:GDH酶活(U/mL) = (A OD/min X Vt X df )/(6 · 22 X 1 · 0 X Vs)Vt是反应总体积，为3 · 05mL，df 是稀释倍数，6 · 22为 NADP在340nm下的摩尔消光系数，1.0为测量光程，Vs为⑶Η酶的体积，为0.05mL，计算得出实 验所用的葡萄糖脱氢酶GDH的酶活力约为511.929U/mL。
【文档编号】H01M4/86GK106099150SQ201610674637
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月16日 公开号201610674637.8, CN 106099150 A, CN 106099150A, CN 201610674637, CN-A-106099150, CN106099150 A, CN106099150A, CN201610674637, CN201610674637.8
【发明人】张天, 卫泽明, 杨凡, 田萌
【申请人】西安岳达生物科技股份有限公司