酶固定化电极、燃料电池、电子设备、利用酶反应的装置、以及酶固定化基体的制作方法

专利名称：酶固定化电极、燃料电池、电子设备、利用酶反应的装置、以及酶固定化基体的制作方法
技术领域：
本发明涉及酶固定化电极、燃料电池、电子设备、利用酶反应 的装置、以及酶固定化基体，并且本发明适合于应用在例如使用酶 的生物燃并+电池、以及^f吏用这种生物燃料电池作为电源的各种i殳 备、装置、系统等。
背景技术：
燃料电池具有这样的结构，在其中正电极(氧化剂电极)和负 电才及(燃并+电4及);波此相对，在它们之间具有电解质(质子传导剂)。 在传统的燃料电池中，提供给负电极的燃料(氩)被氧化并且被分
成电子和质子(H+);这些电子#1传递到负电才及；并且H+通过电解 质移动到正电极。在正电极，H+与从外部提供的氧以及通过外部电 路从负电极传送的电子反应生成H20。
如上所述，燃料电池是高效发电设备，其将燃料具有的化学能 直接转化成电能，并且燃料电池能够提取诸如天然气、石油或煤炭 等矿物能源所具有的4匕学能作为电能，无i仑^使用；也点或4吏用时间如 何，都具有高转化效率。因此，在过去，已经对应用于大规才莫发电 等的燃料电池积极地进行了研究和开发。例如，实际上已经证实， 燃料电池可以被安装在航天飞机上并且能够为工作人员提供电力 和水，并且燃料电池是清洁的发电设备。此外，近年来，诸如固体聚合物燃并+电池的具有,人室温到大约
关注。因此，不仅探求了在大规模发电中的应用，而且探求了在诸 如跑车的电源以及个人计算机和移动设备的便携式电源的小系统 中的应用。
如上所述，燃料电池被认为具有从大规模发电到小规模发电的 宽范围应用，并且作为高效发电设备已经受到大量关注。然而，在 燃料电池中，通常是通过转化器将天然气、石油、煤炭等转化成氩 气，氢气被用作燃料，这引起了各种问题，如消耗了有限的资源、 需要高温加热、以及需要由诸如铂(Pt)的昂贵的贵金属构成的催 化剂。此外，即使在直接使用氢气或甲醇作为燃料的情况下，其操 控仍需要注意。
在这些情况下，关注于发生在生物中的生物代谢是高效能量转 化机制的事实，已经提出其在燃料电池上的应用。在此，生物代谢 包括发生在微生物细胞中的呼吸、光合作用等。生物代谢具有的特 征在于，其发电效率非常高，并且反应在大约室温的緩和条件下进行。
例如，呼吸是这样一种机制，在其中诸如糖类、脂肪、以及蛋 白质的营养素净皮吸收进孩t生物或细胞中，在通过糖酵解途径和包括
许多酶反应步骤的杵檬酸(TCA)循环生成二氧化碳(C02)的过 程中，通过将烟酰胺I，"票P令二核香酸(NAD+)还原成还原型烟酰 胺腺。票呤二核苷酸(NADH),其化学能被转化成氧化还原能，即电 能，并且，此夕卜，在电子传递系统中，NADH的电能4皮直接转化成 质子梯度的电能，并且，氧被还原生成水。在此获得的电能通过三 磷酸腺芬(ATP )合酶从二磷酸腺芬(ADP )生成了 ATP，并且ATP 被用于微生物和细胞的生长所需要的反应。这种能量转化发生在细 胞溶质和线粒体中。此外，光合作用是这样一种机制，其中，在吸收光能的过程以
及在通过电子传递系统将烟酰胺腺噤呤二核苦酸磷酸(NADP+)还 原成还原型烟酰胺腺。票呤二核苷酸磷酸(NADPH)而将光能转化 成电能的过程中，水;帔氧化生成氧。电能^皮用于石4固定化反应，其 中吸入C02并且用于碳水化合物的合成。
作为其中如上述的生物代谢被用于燃料电池的技术，已经报道 了 一种微生物电池，其中在微生物中生成的电能通过电子介体^皮带 出微生物，并且这些电子被传递到电极上从而获得电流(例如，参 见曰本未审查专利申请公开第2000-133297号)。
然而，在孩i生物和电池中，除了预期的反应(即，乂人化学能转 化成电能)以外，还存在许多不必要的功能。因此，在上述的方法 中，在非所需的反应中消耗了化学能，而不能获得足够的能量转化效率。
在这些情况下，已经提出了在燃料电池(生物燃料电池)中利 用酶来仅进行所需的反应(例如，参见日本未审查专利申请/>开第 2003-282124号、日本未审查专利申讳v^开第2004-71559号、曰本 未审查专利申讳v^开第2005-13210号、曰本未审查专利申请7>开第
2005- 310613号、曰本未审查专利申诮v厶开第2006-24555号、曰本 未审查专利申请公开第2006-49215号、日本未审查专利申请公开第
2006- 93090号、曰本未审查专矛J申"i青乂^开第2006-127957号、曰本 未审查专利申请/>开第2006-156354号、以及曰本未审查专利申讳_ 公开第2007-12281号)。在这种生物燃料电池中，燃料利用酶进行 分解并且净皮分解成质子和电子。已经开发了^L用醇(如甲醇和乙 醇)、单糖(如葡萄糖)或多糖(如淀粉)作为燃料的生物燃料电 池。在这种燃^牛电池中，已知酶相对于电极的固定化/配置是非常重 要的。此外，还已知需要电子介体的有效存在，该电子介体具有和 酶一起传递电子的功能。作为现有的酶固定4匕方法，主要使用和开 发了聚离子络合物技术，在其中带正电的聚合物、带负电的聚合物、 以及酶以适当的比例混合并且涂覆到由多孔碳等构成的电极上，乂人 而，当与该电极保持粘附时，该固定化膜是稳定的。

发明内容
然而，使用聚离子络合物的上述固定化方法非常依赖于酶的物 理化学性质，尤其是电荷，并且担心由于外部溶液变化、测量过程
中环境变化等所以可能会经常发生变化。此外，一^:而言，酶具有 低的耐热性。在将酶向生物燃并+电池的实际应用转变的过程中，酶 的物理化学性质本身可以变化，并且在每种情况下，均需要最优4匕 固定化膜形成方法，这是很麻烦的。此外，当希望从燃料提取更多 的电子时，需要更多的酶。在这些酶^皮固定化的情况下，需要4艮多 的工作以最优化固定化的条件。当注意力集中于生物体内的电子传 递系统时，已知参与在该电子传递系统中的所有蛋白质并非都是水 溶性蛋白质，而在其中还包含膜蛋白质和膜结合型蛋白质。当电子 以高效率被提取时，蛋白质存在于正确的位置中是很重要的。
同时，当将生物分子看作电子设备时，对电极的生物亲和性成 为一个问题，该电极由用作其基体的硅系材料、金属、碳等构成。 例如，蛋白质作为 一 种生物高分子通常具有更高级结构 (higher-order structure )以有凌文;也实3见它们的功能，并且已#口蛋白 质在固体的表面上(如，电子i殳备的基体)、以及在液体与气体之 间的界面处是变性的。因为对生物高分子的操控彼此不同，所以解 决以上的问题是提高设备性能的关键。此外，当在一种仿生型电子 设备中使用多种酶时，很难将单种酶配置在最佳的位置。因此，本发明要解决的问题是提供一种高效的酶固定化电极，
其中一种或多种类型的酶可以固定在该电极上的最佳位置；4吏用该 酶固定化电极的 一种高效燃料电池；使用该燃料电池的 一种电子设 备；利用电极反应的一种高效装置，其使用酶固定化电才及；以及包 括酶固定化电极的 一种酶固定化基体等。
为了解决上述问题，发明人已经进行了深入的研究，结果已经 发现这样一种结构是有效的，该结构中酶固定于i殳置在电才及上的 磷脂层上；或这样一种结构是有效的，该结构中酶固定在通过由蛋 白质等构成的中间层而设置在电极上的磷脂层或聚离子络合物上。 已经通过实一睑i正实了有效性，并且因此作出了本发明。
即，为了解决上述问题，第一个发明是一种酶固定化电极，其 特征在于包括电极、在该电4及上的磷脂层、以及固定在该磷脂层上
的酉争。
作为电极用材料，可以使用各种材料。例如，使用碳系材料， 如多孔碳、碳颗粒、碳毡以及碳纸。作为电极用材料，还可以4吏用 多孔导电材料，该多孔导电材料包括由多孔材料构成的骨架，以及 包含碳系材料作为主要组分并且覆盖至少 一部分骨架表面的材料。 该多孔导电材料可以通过利用包含碳系材料作为主要组分的材料 涂覆至少一部分由多孔材料构成的骨架表面来获得。即4吏孔隙率4艮 高、并且不管存在或不存在导电性，只要该骨架可以被稳定地保持， 构成该多孔导电材料的骨架的多孔材料基本上可以是任何材料。作 为多孔材料，优选地使用具有高孔隙率和高导电性的材料。可以使 用的具有高孔隙率和高导电性的这种多孔材料的具体实例包括金 属材料(金属或合金)以及具有增强的骨架(脆性改善)的碳系材 料。当使用金属材料作为该多孔材料时，可以有多种选择，因为该 金属材料的状态稳定性的改变依赖于使用环境，如溶液的pH和电 势。例如，由镍、铜、银、金、镍铬合金、不锈钢等构成的金属泡沫材料或合金泡沫材料是容易得到的材料中的一种。除了上述的金 属材料和碳系材料，还可以使用树脂材料(例如，海绵状材料)作 为该多孔材料。从包含碳系材料作为主要组分的材料的厚度考虑， 该多孔材料的孔隙率和孔径(最小孔径)根据该多孔导电材料要求 的孔隙率和孔径来确定，其中，所述石灰系材料用于涂覆由多孔材泮牛
构成的骨架表面。该多孑L材泮牛的孔径通常是10 nm至1 mm,并且 通常是lOnm至600 |nm。同时，作为用于涂覆该骨架表面的材泮+, 需要使用具有导电性并且在估计的工作电位是稳定的材料。在此， 作为这种材料，使用包含碳系材料作为主要组分的材料。碳系材料 通常具有很宽的电位窗口，并且在许多情况下具有化学稳定性。包 含碳系材料作为主要组分的材料的具体实例包括仅由碳系材料构 成的材料以及包含碳系材料作为主要组分和少量的根据多孔导电 材料所需的性能而选择的辅助材料等的材料。后者材料的实例包括 这样一种材料，该材料包含将诸如金属的高导电性材料加入其中以 提高导电性的碳系材料；以及设置了除了导电性以外的其他功能的 材料，例如，这样一种材料，该材料包含将聚四氟乙烯类材料等加 入其中以赋予表面防水性的碳系材料。存在多种碳系材料，并且可 以使用任何碳系材料。碳系材料可以是元素碳或可以是在其中将另 一种元素加入到碳中的材料。特别地，碳系材料优选地是具有高导 电性/高表面积的细微粉末碳材料。可以使用的碳系材料的具体实例 包括诸如KB (科琴黑)的具有高导电性的材料，以及诸如碳纳米 管和富勒烯的功能性碳材料。作为用包含碳系材料作为主要组分的 材料进行涂覆的方法，可以使用任何涂覆方法，只要可以如需地4吏 用适当的粘结剂涂覆由多孔材料构成的骨架的表面即可。以这样的 尺寸(即包含基质等的溶液容易通过这些孔)选择该多孔导电材料 的孑L4圣，并且通常是9 nm至)J 1 mm，更通常的是1 |nm至'J 1 mm，并 且更加通常的是1 nm到600 )uim。在由多孔材详牛构成的骨架的表面 的至少 一部分被包含碳系材料作为主要组分的材料所覆盖的状态 下，或在由多孔材料构成的骨架的表面的至少一部分用包含碳系材料作为主要组分的材料所涂覆的状态下，希望的是，所有孔的彼此 相通或堵塞不是由包含碳系材料作为主要组分的材料所引起的。
该磷脂层通常是薄片状的磷脂双层，或磷脂聚集体，如球形》粦 脂双层的脂质体，但是其形式没有特别限制。磷脂层的实例还包括 其中多层(两层以上)磷脂双层堆叠的结构，并且多层脂质体具有 其中小的脂质体被并入到大的脂质体中的嵌套结构。在其中多层磷 脂双层堆叠的结构以及多层脂质体中，可以提取具有更高密度的能 量，并且可以通过^f吏用具有不同特性的两层以上的^^脂双层来获^寻
高效率的酶固定化电才及。可以在/人大约100 nm的直径到10 nm的 大直径的不同尺寸范围内形成脂质体。作为磷脂，基本上可以使用 任何-粦脂，并且可以使用或者甘油磷酯或者鞘^畴脂。甘油磷脂的实 例包括(但不限于)磷脂酸、磷脂酰胆石威(卵石粦脂)、^粦脂酰乙醇 胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂觥甘油、以及双磷脂酰甘油(心磷月旨)。 鞘磷脂的实例包括(但不限于)神经磷脂。磷脂酰胆碱的典型实例 是二肉豆蔻酰脂酰胆石成(DMPC)。
优选地，除了酶以外，还将电子介体固定在该磷脂层上，或还 将辅酶固定化。该酶例如是分解酶，并且特别是分解燃料的分解酶。 如果必要，还可以另外包含另一种或多种酶。
该酶固定化电极可以在该电极与该磷脂层之间包括中间层以 稳定该磷脂层相对于该电极的固定化。作为中间层，不仅可以使用 诸如蛋白质或DNA的生物高分子，而且可以4吏用同时具有亲水性 以及疏水性的聚合物电解质、可以形成诸如孩么团(micelle)、反樣l 团或薄片的结构的材并+、以及具有一种或多种性质的纳米结构和高 生物亲和性的化合物。可以使用的蛋白质的实例包括酸性蛋白，如 白蛋白，其代表有醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、卵白蛋白、以及肌激酶， 并且，此外包括在^5威性侧具有等电位点的溶菌酶、细胞色素c、月几 红蛋白、胰蛋白酶原等。通过使由这种蛋白质等构成的中间层物理地吸附在该电才及的表面上，通过在该中间层上固定诸如》粦脂双层或 脂质体的磷脂层、或聚离子络合物，通过在其上固定酶，可以相对 于该电才及稳定地固定该酶，因此增加该电才及用材冲+和固定化材并牛的 组合自由度。
第二个发明是一种酶固定化电极，其特4正在于包括电极、在该 电极上的中间层、在该中间层上的磷脂层和/或聚离子络合物、以及 固定在该磷脂层和/或聚离子络合物上的酶。
作为聚离子络合物，可以使用各种类型。例如，可以使用由谅-
如多聚赖氨酸(PLL)的聚阳离子、或其盐以及"^者如聚丙烯酸(例 如，聚丙烯酸钠(PAAcNa))的聚阴离子、或其盐形成的聚离子络 合物。酶、辅酶、电子介体等可以包含在该聚离子络合物中。
在该第二个发明中，除了以上所述的那些，只要不违背其性质， 与第一个发明相关的描述也是有效的。
第三个发明是一种燃料电池，该燃料电池具有这样的结构，其 中正电极和负电极4皮此相对，在它们之间具有质子传导剂，酶被固 定在该正电才及和/或该负电才及上，该燃并+电;也的4争4正在于，该正电^L 和/或该负电极是酶固定化电极，该酶固定化电极包括电极、在该电 极上的磷脂层、以及固定在该磷脂层上的酶。
第四个发明是一种燃料电池，该燃料电池具有这样的结构，其 中正电极和负电极彼此相对，在它们之间具有质子传导剂，酶被固 定在该正电才及和/或该负电才及上，该燃冲牛电池的4争4正在于，该正电^L 和/或该负电极是酶固定化电极，该酶固定化电极包括电极、在该电 极上的中间层、在该中间层上的磷脂层和/或聚离子络合物、以及固 定在该磷脂层和/或该聚离子络合物上的酶。在第三和第四个发明中，作为燃料，可以4吏用各种物质并且才艮据需要而选择。其典型的实例包括甲醇、乙醇、单糖以及多糖。在使用单糖、多糖等作为燃料的情况下，通常，它们以燃料溶液的形式使用，其中它们被溶解在现有的已知的緩冲溶液(如，磷酸盐緩
冲液或三羟曱基氨基曱烷緩沖液(2-氨基-2-羟曱基-1 ，3-丙二醇緩冲、液，Tris纟爰冲液))中。
例如，在使用单糖(如，葡萄糖)作为燃料的情况下，优选地，促进单糖的氧化并且将其分解的氧化酶、以及将由氧化酶还原成的辅酶恢复至氧化形式的辅酶氧化酶作为酶固定在用作负电极的酶固定化电极上。当通过该辅酶氧化酶的作用将该辅酶转化成氧化形式时，生成了电子，并且这些电子通过该电子介体^人该專蕭酶fU匕酶转移到该电极上。作为氧化酶，例如，使用葡糖脱氢酶(GDH)。作为辅酶，例如，使用烟酰胺腺嘌呤二核苦酸(NAD+)或烟酰胺腺。票呤二核苦酸磷酸(NADP+)。作为辅酶氧化酶，例如，使用心肌黄酶(DI)。作为电子介体，基本上可以使用任何材料，并且优选地，使用具有醌骨架的化合物，尤其是具有萘醌骨架的化合物。作为具有萘醌骨架的化合物，可以z使用各种萘醌f汙生物。具体的可使用的实例包括2-氨基-l,4-萘醌(ANQ)、 2-氨基-3-曱基-l,4-萘醌(A画Q)、 2-甲基画1,4画萘醌(VK3 )、 2-氨基-3-羧基-l,4陽萘醌(ACNQ)、以及维生素K1。作为具有醌骨架的4匕合物，除了具有萘醌骨架的化合物以外，例如，可以使用蒽醌或其衍生物。如果必要，除了具有醌骨架的化合物以外，还可以在该电子介体中包含用作电子介体的 一种或两种以上的其4tM匕合物。
在使用多糖(即，广义上的多糖，指通过水解生成两个以上单糖分子的所有碳水化合物，并且包括低聚糖，如二糖、三糖以及四糖)作为燃料的情况下，优选地，除了上述的氧化酶、辅酶氧化酶、辅酶、以及电子介体以外，还固定促进该多4唐分解(如，水解)并且生成单糖(如，葡萄糖)的分解酶。该多糖的具体实例包括淀粉、直链淀粉、支链淀粉、糖原、纤维素、麦芽糖、蔗糖以及乳糖。这些多糖由两个以上结合在 一起的单糖构成，并且这些多糖均包含葡萄糖作为用作结合单元的单糖。此外，直链淀粉和支链淀粉是包含在淀粉中的组分，并且淀粉是直链淀粉和支链淀粉的混合物。在葡糖淀粉酶被用作多糖的分解酶并且葡糖脱氢酶被用作分解单糖的氧化酶的情况下，利用葡糖淀粉酶而分解为葡萄糖的多糖(例如，淀粉、直链淀粉、支链淀粉、糖原、以及麦芽糖中的任何一种)可以被用作燃料以发电。此外，葡糖淀粉酶是水解OC-葡聚糖(如淀粉)
以产生葡萄糖的分解酶，并且葡糖脱氢酶是将(3-D-葡萄糖氧化成D-葡糖酸-5-内酯的氧化酶。
在纤维素酶被用作分解酶并且葡糖脱氢酶^皮用作氧化酶的燃料电池中，可通过纤维素酶而分解成葡萄糖的纤维素可以用作燃料。更具体地说，纤维素酶是纤维素酶(EC 3.2.1.4)、外纤维二醣水解酶(EC 3.2.1.91 )、 P-葡糖香酶(EC 3.2.1.21 )等中的至少一种。此外，葡糖淀并分酶和纤维素酶可以混合以用作分解酶。在这种情况下，因为在自然界中产生的大多数多糖可以^皮分解，所以包含大量这些多糖的物质，例如，垃;及，可以4皮用作燃冲+。
此外，在a-葡糖苦酶^皮用作分解酶并且葡糖脱氢酶^皮用作氧化酶的燃料电池中，通过a-葡糖苷酶而分解成葡萄糖的麦芽糖可以被
用作燃料。
此外，在蔗糖酶被用作分解酶并且葡糖脱氢酶被用作氧化酶的燃料电池中，通过蔗糖酶而分解成葡萄糖和果糖的蔗糖可以被用作燃料。更具体地说，蔗糖酶是a-葡糖苷酶(EC 3.2.1.20)、蔗糖-a-葡糖香酶(EC 3.2.1.48)、 j3-呋喃果糖普酶(EC 3.2.1.26)等中的至
少一种。此外，在(3-半乳并唐苦酶#皮用作分解酶并且葡寿唐脱氢酶浮皮用作氧 化酶的燃料电池中，通过P-半乳糖普酶而分解成葡萄糖和半乳糖的 乳糖可以被用作燃料。
如果需要，用作燃料的这些多糖也可以固定在该负电极上。
尤其是，在淀賴"故用作燃料的燃料电池中，还可以4吏用通过月交 质化淀粉获得的凝胶状固体燃料。在这种情况下，可以采用其中侵L 胶质化的淀并分与在其上具有固体化的酶和其他物质的负电极相才妾 触的 一种方法，或其中将胶质化的淀粉和酶以及其他物质 一起固定 在该负电极上的一种方法。当使用这种电极时，与使用溶解在溶液 中的淀粉的情况相比，该负电极表面上的淀粉浓度可以保持得更 高。因此，通过酶的分解反应更快，并且提高了输出功率。此外， 燃料的处理比溶液的情况更容易，并且可以简化燃料供给系统。而 且，不必禁止颠倒操作，因此该燃料电池用在移动设备中是非常有 利的。
在酶被固定在该正电极上的情况下，该酶通常包括氧还原酶。 作为氧还原酶，例如，可以-使用胆红素氧化酶、虫漆酶、抗坏血酸 氧化酶等。在这种情况下，优选地，除了酶以外，还在该正电极上 固定电子介体。作为电子介体，例如，使用六氰基高铁酸钾、八氰 基鵠酸钾等。优选地，该电子介体以足够高的浓度固定化，例如以
0.64 x 1 (T6 mol/mm2以上的平均值固定化。
在包含緩沖物质(緩冲溶液)的电解质被用作质子传导剂的情 况下，为了在高功率操作过程中提供足够的緩冲能力和充分地显示 酶的固有能力，将包含在该电解质中的緩冲物质的浓度设在0.2 M 到2.5 M是有步文的，优选i也是0.2 M到2 M,更4尤选i也是0.4 M到2 M,并且还更优选地是0.8 M到1.2 M。可以使用任何緩沖物质， 只要具有6到9的pKa。其具体实例包括二氬磷酸盐离子(H2P(V)、2-氨基-2-羟曱基-l，3-丙二醇(缩写为Tris)、 2-(N-吗啉代)乙磺酸 (MES)、 二甲胂酸、碳酸(H2C03)、氢柠檬酸盐离子、N-(2-乙酰 氨)亚氨二乙酰乙酸(ADA)、哌口秦-N，N'-二(2-乙磺酸)(PIPES )、 N-(2画 乙酰氨)-2-氨基乙磺酸(ACES )、 3-(N-吗啉代)丙磺酸(MOPS )、 N-2-羟乙基艰唤-N'-2-乙磺酸(HEPES )、 N-2-羟乙基哌。秦-N'-3-丙石黄 酸(HEPPS)、 N-[三(羟曱基)曱基]氨基乙酸(缩写为Tricine)、双 甘氨肽、以及N,N-二(2-羟乙基)氨基乙酸(缩写为Bicine)。生成磷 酸二氢根离子(H2P04_)的材料的实例包括磷酸二氢钠(NaH2P04) 以及磷酸二氢钾(KH2P04)。作为緩冲物质，含咪唑环的化合物也 是优选的。含咪唑环的化合物的具体实例包4舌口米唑、三唑、p比咬书T 生物、二处咬衍生物、以及咪唑衍生物(组氨酸、l-曱基咪唑、2-曱基咪哇、4-曱基咪唑、2-乙基咪唑、乙基咪唑-2-羧酸酯、咪哇-2-羧基乙醛、口米唑陽4-羧酸、口米唾-4，5画二羧酸、口米唑-l画基-乙酸、2-乙 酰笨并味哇、1-乙酰口米唑、N-乙酰咪唑、2-氨基苯并。米唑、N-(3-氨 基丙基)咪唑、5-氨基-2-(三氟曱基)苯并咪唑、4-氮杂苯并咪唑、4-氮杂_2-石危醇基苯并咪唑、苯并咪唑、l-千基咪唑、以及1-丁基咪唑)。 包含緩冲物质的电解质的pH优选地为约7，但是通常可以是1到 14中的^f壬何^直。
该燃料电池可以用在所有需要电力的i殳备中并且可以具有4壬 4可尺寸。例如，该燃冲+电池可以;故用在电子i殳备、可移动体(汽车、 两轮机动车、飞机、火箭、航天器等)、用电设备、建筑机械、工 作机械、发电系统、以及废能发电系统，并且燃料的输出功率、尺 寸、形状、种类等才艮据应用等确定。
在该第三和第四个发明中，除了以上所述的那些，只要不违背 其性质，与第一和第二个发明相关的描述也是有效的。
第五个发明是使用 一个或多个燃4+电池的 一种电子设备，该电 子设备的特征在于，这些燃并牛电池中的至少 一个具有这样的结构，其中正电极和负电极彼此相对，在它们之间具有质子传导剂，酶固 定在该正电才及和/或该负电才及上，并且该正电4及和/或该负电才及是酶 固定化电极，该酶固定化电极包括电极、在该电极上的石奔脂层、以 及固定在该A粦脂层上的酶。
第六个发明是使用 一个或多个燃料电池的 一种电子i殳备，该电 子i殳备的特征在于，这些燃料电池中的至少 一 个具有这样的结构， 其中正电极和负电极彼此相对，在它们之间具有质子传导剂，酶固 定在该正电才及和/或该负电才及上，并且该正电才及和/或该负电才及是酶 固定化电极，该酶固定化电极包括电极、在该电极上的中间层、在 该中间层上的石粦脂层和/或聚离子络合物、以及固定在该石粦脂层和/ 或该聚离子络合物上的酶。
根据第五和第六个发明中的每一个的电子设备基本上可以是 任何电子设备，并且包括便携式电子设备和固定式电子设备两者。
其具体实例包括便携式电话、移动设备(个人数字助理(PDA )等)、 机器人、个人计算才几(包括台式以及笔记本式两者)、游戏机、摄 像才几VTR (录像才几)、安装在轿车上的设备、家用电器、以及工业产品。
在该第五和第六个发明中，只要不违背其性质，与第一到第四 个发明相关的描述也是有效的。
第七个发明是利用酶反应、包括酶固定化电极的一种装置，利 用酶反应的该装置的特征在于，该酶固定化电极包括电极、在该电 极上的磷脂层、以及固定在该磷脂层上的酶。
第八个发明是利用酶反应、包4舌酶固定化电才及的一种装置，利 用酶反应的该装置的特征在于，该酶固定化电极包括电极、在该电才及上的中间层、在该中间层上的^l脂层和/或聚离子乡各合物、以及固 定在该磷脂层和/或该聚离子络合物上的酶。
在该第七和第八个发明中的每 一 个中，除了上述的燃料电池 (即生物燃料电池)以外，利用电极反应的该装置还包括生物传感 器(葡萄糖传感器等)、生物反应器等，而关于酶，则根据单独的 目的来4吏用酶。
在该第七和第八个发明中，除了以上所述的那些，只要不违背 其性质，与第 一到第六个发明相关的描述也是有效的。
第九个发明是一种酶固定化基体，其特征在于包括基体、在该 基体上的磷脂层、以及固定在该磷脂层上的酶。
第十个发明是一种酶固定化基体，其特征在于包括基体、在该 基体上的中间层、在该中间层上的磷脂层和/或聚离子络合物、以及 固定在该磷脂层和/或聚离子络合物上的酶。
在该第九和第十个发明中，具有导电性或非导电性的该基体除
了电极以外还包括各种基体，如Si基体和金属基体，并且还包括电
子器件等。
关于在生物体内起电子传递作用的蛋白质，有三种类型膜蛋 白质、膜结合蛋白质、以及水溶性蛋白质。使用聚离子络合物技术 的传统的酶固定化方法具有缺点，即具有不同物理化学性质的三种 蛋白质以相同的方式固定。因此，存在蛋白质固有的功能/活性被损 害的可能性。相反地，根据该第九和第十个发明，可以获得以下优 点，即，通过利用蛋白质的性质，可以容易地将膜蛋白质定位在膜 中，将膜结合蛋白质定位在膜表面层上，并且将水溶性蛋白质定位 在外部或内部。该电子4专递系统不是p舉一的实例，并且在生物体内的许多反应中，例如光感受作用，存在以这种方式通过石粦脂膜使用 定位的一些反应。人们认为对于这些情况的应用是有效的。
此外，除了^f吏用石粦脂层的酶固定化电才及以外，通过结合具有一
种或两种以上不同性质的聚集体，可产生具有层次(hierarchy)的 假体(pseudo-body )。由此，可以实现具有各种功能的设备。此夕卜， 这可以对来自外界的刺激等做出反应，并且还可以被用作信息处理 设备。
在该第九和第十个发明中，除了以上所述的那些，只要不违背 其性质，与第 一到第六个发明相关的描述也是有效的。
在具有上述构造的本发明中，可以将一种或多种酶稳、定地并且 保持高活性地固定在磷脂层(例如磷脂双层和脂质体)的适当位置。
此外，可以将一种或多种酶稳定地并且保持高活性地固定在磷 脂层或聚离子络合物的适当位置。


图1是示出了根据本发明的第 一实施方式的酶固定化电极的示意图。
图2是示出了在本发明的实施例1中使用的脂质体的示意图。
图3是在本发明的实施例1中制造的酶固定化电极的表面的共
焦显樣史图^f象。
图4是示出了根据本发明的第二实施方式的酶固定化电极的示意图。图5是示出了根据本发明的第三实施方式的酶固定化电极的示意图。
图6是示出了根据本发明的第四实施方式的酶固定化电极的示意图。
图7是示出了才艮据本发明的第五实施方式的生物燃料电池的示意图。
图8是示意性地示出了根据本发明的第五实施方式的生物燃料 电池的负电才及的详细结构、固定在该负电才及上的一组酶的实例、以 及通过该组酶进4亍的电子4专递反应的示意图。
图9包括示出了根据本发明的第五实施方式的生物燃料电池的 具体的结构实例的示意图。
具体实施例方式
以下将参照附图描述本发明的实施方式。在与这些实施方式有 关的所有附图中，相同的或对应的部分用相同的参考数字来表示。
图1示出了才艮据本发明的第一实施方式的酶固定化电极。
如图l所示，在该酶固定化电4及中，通过物理吸附等将^粦脂双 层12固定在由多孔碳等构成的电极11上。通过锚(anchor) 15将 两种酶13和14固定在-粦脂双层12上。尽管在此只描述了两种酶 13和14固定的情况，^旦同样适用于三种以上的酶固定的情况。作 为锚15，例如，可以使用聚乙二醇链，j旦是不限于该酶固定化电极可以通过，例如，将磷脂、酶13和14、以及 电子介体16的混合物逐滴地加在或涂布在电极11上然后干燥的方
法制造。
<实施例1〉
蛋白质通常分成三种分布在细胞膜中的膜蛋白质、分布在细 胞外或细胞内的溶液中的7jc溶性蛋白质、以及与细胞膜接触的膜结 合蛋白质。在它们之中，膜蛋白质和膜结合蛋白质容易引入到脂质 体中。同时，用于生物燃坤+的一些蛋白质通常分布在细月包内或细月包 外的溶液中并且具有相对较小量的脂溶性部位。
同时，作为磷脂聚集体的构造，磷脂双层形式的球形脂质体是 众所周知的。构成生物的大多数膜由脂质体构成，该脂质体是磷脂 聚集体，并且它们是保持酶、蛋白质(特别是膜蛋白质)稳定和高 活性的非常好的反应场所。因此，在实施例1中，首先，将脂溶性 部位引入到两种酶13和14中，然后将其引入到脂质体中，这些脂 质体是热力学稳定的磷脂聚集体。具体地说，作为酶13和14,使 用通常是水溶性的心肌黄酶和葡糖脱氢酶。脂溶性部位以化学方法 而引入到其中，并且以任意量和任意比率分布在脂质体中。为了将 脂溶性部位引入到心肌黄酶和葡糖脱氢酶中所使用的化合物(由日 本油脂4朱式会社(NOF Corporation)制造，商品名SUNBRIGHT OE-040CS)包括用于共价结合到心肌黄酶和葡糖脱氢酶的部位、作 为引入到磷脂膜中的部位的油酰基团、以及结合这两个部分的聚乙 二醇^^。参照文献等来制备该化合物。
才艮据形成方法，脂质体可以具有不同的尺寸和构造。在此，通 过超声波处理方法形成脂质体。关于磷脂的类型，使用由蛋黄获得
的磷脂。通过如上描述的脂质体的制备方法来制备脂蛋白体，在该脂蛋 白体中，将心肌黄酶和葡糖脱氢酶配置在脂质体中，同时混合具有 用化学方法引入的脂溶性部位的心肌黄酶和葡糖脱氢酶、以及电子 介体16然后使其保持几个小时。为了观察心肌黄酶和葡糖脱氢酶 引入到脂质体中，用焚光物质标识心肌黄酶和葡糖脱氢酶，并且检 查用化学的方法设置有脂溶性部位的水溶性心肌黄酶和葡糖脱氢 酶是否引入到脂质体中。其结果是，证实了它们两个都被引入。图
2是脂蛋白体的示意图。参考数字17代表脂质体。
通过将如以上所述制备的脂蛋白体逐滴加入到电子^L备或基 体上，可以固定脂质体。然而根据脂质体的构造，已知磷脂单层形 成在疏水的基体上，而^粦脂双层形成在亲水的基体上。在实施例1 中，预先通过臭氧化处理而亲水化的多孔碳电极用作基体11。图3 示出了当实际上4吏用荧光标识的心月几黄酶和葡冲唐脱氢酶时电才及的 表面的共焦显微图像。使用发出绿光的荧光物质以及发出红光的荧 光物质对心月几黄酶和葡并唐脱氢酶进^亍荧光标识，如图3明显看出， 可认为两者变得附着并且熔合到该多孔碳电极的表面。
用磷酸盐緩沖液彻底地清洗如以上描述所制备的多孔碳电极， 以去除过量的脂蛋白体，然后干燥。由此获得用于电化学测试的电 极。使用由此制造的酶固定化电极，在葡萄糖溶液中进行计时电流 测量和循环伏安测量。在这种情况下，4吏用咪唑纟爰冲溶液作为纟爰沖 溶液，且葡萄糖的浓度是400 mM。进4亍在0.1 V下的循环伏安测试 和恒电位测试。作为比较例，使用现有的酶固定化电极，在该酶固 定化电极中使用由多聚赖氨酸(PLL )和聚丙烯酸钠(PAAcNa )形 成的聚离子络合物来固定酶(比较例1)。在每种情况下确认催化电 流值。 一小时之后的恒电位测试结果示出了在实施例1的酶固定化 电极中该值是2.99 mA/cm2而在比專交例1的酶固定化电才及中该<直是 2.20mA/cm2。因此，可以差异显著地证实高催化电流值。根据该第一实施方式，可以获得这样的酶固定化电极，其中磷
脂双层12固定在电才及11上，并且两种酶13和14以及电子介体16 固定在^粦脂双层12上。在这种酶固定化电才及中，因为两种酶13和 14可以在最佳的^f立置并且以zf壬意比率而稳、定;也固定，所以效率^艮 高，并且可以获得大的催化电流值。
图4示出了根据本发明的第二实施方式的酶固定化电极。
如图4所示，在该酶固定化电才及中，通过物理吸附等将由蛋白 质等构成的中间层18固定在由多孔碳等构成的电极ll上，并且通 过物理吸附等将磷脂双层12固定在中间层18上。将两种酶13和 14固定在磷脂双层12上。除了酶13和14以外，还将电子介体16 固定在石粦脂双层12上。
该酶固定化电4及可以通过这样的方法制造，例如，在该方法中 通过将电极11浸入包含蛋白质等的溶液中形成中间层18，并且将 石粦脂、酶13和14、以及电子介体16的混合物逐滴地加在或涂布在 其上，然后千燥。
<实施例2>
作为电极11，使用多孔碳电极。用紫外(UV)臭氧处理装置 活化该多孔碳电极使表面变成亲水性的，然后浸入到包括大约500 ILig/mL到5 mg/mL的酶的石粦酸盐緩冲液中，并4呆持过夜。然后，用 磷酸盐緩沖液进行冲洗并干燥。由此，获得具有酶作为中间层18 的多孔碳电极。
接着，将包括作为电子介体16的ANQ、作为酶13和14的心
月几黄酶和葡糖脱氢酶、以及作为辅酶的NADH的脂质体逐滴加到具 有酶作为中间层18的多孔石友电4及上，然后干燥。由此，制得了酶固定化电极。作为控制，通过利用UV臭氧处理装置活化多孔碳电 极使表面亲水，然后逐滴加入包含酶等的脂质体溶液来制造酶固定
化电极(比较例2),并且制造酶固定化电极，其中4吏用由PLL和 PAAcNa形成的聚离子络合物来固定酶(比较例1 )。用电化学方法 进4亍比4交。在测试中，4吏用包含400 mM的葡萄泮唐的。米唑緩冲;;容液， 进行在O.l V下的恒电位测试和循环伏安测试。在每种情况下获得 不同的催化电流值。根据一小时之后的恒电位测试，实施例2的酶 固定化电极中该值是3.36 mA/cm2,而在比较例1的酶固定化电极 中该值是2.29 mA/cm2。因此，表现出了显著性的差异，并且获得 了良好的结果。此外，在实施例2的酶固定化电极中，即使当与比 较例2 ( 1.96mA/cm2)对比时，也表现出了显著性的差异，并且获 得了良好的结果。因此，i^为，与脂质体直接作用在该电4及上以形 成酶反应场所的情况对比，在存在由蛋白质等构成的中间层的情况 下可以稳定地形成酶固定化膜。此外，还认为磷脂起很好的酶反应 场所的作用。从如上所述可以明显看出，由脂质体固定的酶固定化 膜的稳定性不^旦可以通过由UV臭氧处理装置等在电4及表面上进行 亲水化处理来4足进、还可以通过引入某种蛋白质中间层来促进。
根据该第二实施方式，可以获得如在第一实施方式中的相同的优点。
图5示出了根据本发明的第三实施方式的酶固定化电极。
如图5所示，在该酶固定化电才及中，通过物理吸附等将由蛋白 质等构成的中间层18固定在由多孔碳等构成的电极11上，并且将 聚离子络合物19固定在中间层18上。将两种酶13和14固定在聚 离子络合物19上。除了酶13和14以外，还将电子介体16固定在 聚离子络合物19上。该酶固定化电才及可以通过例如这才羊的方法制造，在该方法中通 过将电极11浸入包含蛋白质等的溶液中形成中间层18，并且将聚
阳离子、聚阴离子、酶13和14、以及电子介体16的混合物逐滴地 加在或涂布在其上，然后干燥。
<实施例3>
作为电极11，使用多孔碳电极。用紫外(UV)臭氧处理装置 活化该多孔碳电极使表面变成亲水性，然后浸入到包括大约500 )ag/mL到5mg/mL的酶的磷酸盐緩冲液中，并保持过夜。然后，用 磷酸盐緩冲液进行冲洗并且干燥。由此，获得具有酶作为中间层18 的多孔碳电极。
接着，将包括作为电子介体16的ANQ、作为酶13和14的心 肌黄酶和葡糖脱氪酶、作为辅酶的NADH、作为聚阳离子的PLL、 作为聚阴离子的PLL、以及作为聚阳离子的PAAcNa的溶液逐滴加 到具有酶作为中间层18的多孔碳电极上，然后千燥。由此，制得 了酶固定化电极。作为控制，使用比较例1的酶固定化电极，用电 化学的方法进行对比。在测试中，使用包含400 mM葡萄糖的咪唑 緩沖溶液，进行在O.l V下的恒电位测试和循环伏安测试。可以确 认，可获得不同的催化电流值。此外，在0.1 V下的恒电位测试结 果示出了实施例3的酶固定化电才及的该值在一'卜时之后是3.12 mA/cm2。因此，由比较例1 (2.29mA/cm2)确定了显著性的差异， 并且获得了良好的结果。因此，显然地，即使在^f吏用作为现有技术 的离子络合物技术的情况下，也示出了对设置有由蛋白质构成的中 间层的电4及的良好的电4b学响应。
与实施例2的结果一起看，明显地，通过脂质体或聚离子络合 物技术固定的酶固定化膜的稳定性不但可以通过由UV臭氧处理装置等在电极的表面上进行亲水化处理来促进、还可以通过引入某种蛋白质中间层来促进。
才艮据该第三实施方式，可以获得如在第一实施方式中的相同的优点。
图6示出了才艮据本发明的第四实施方式的酶固定化电极。
如图6所示，在该酶固定化电极中，通过物理吸附等将由白蛋白构成的中间层18固定在由多孔碳等构成的电极11上，并且将含有脂溶性功能基团的分子20共价结合在中间层18的白蛋白上。具有固定化的两种酶13和14的聚离子络合物利用作为锚的分子20而固定。除了酶13和14以外，还^1寻电子介体16固定在聚离子全备合物19上。
该酶固定化电才及可以通过例如这才羊的方法制造，在该方法中通过将电极11浸入包含白蛋白的溶液中形成中间层18，分子20共价结合到中间层18上，并且将聚阳离子、聚阴离子、酶13和14、以及电子介体16的混合物逐滴加在或涂在其上，然后干燥。
<实施例4>
用UV臭氧处理装置活化多孔石友电核/f吏表面变成亲水性的，然后浸入白蛋白溶液(由牛获得的)(磷酸盐緩沖液)中，其浓度调整到大约1%，并保持过夜。然后，用^粦酸盐緩冲液沖洗该多孔碳电极并且干燥。由此，获得具有白蛋白作为中间层18的电极11。此外，使具有脂肪基团并且能够共价结合至含有氨基的化合物(如蛋白质)上的分子20作用于设置有中间层18的电极11。实际上，作为分子20,使用由日本油脂抹式会社(NOF Corporation )制造的SUNBRIGHT OE-040CS (商品名)。将这种化合物溶解在二曱亚烦L(DMSO )溶液中，然后将100 pL量的所得溶液逐滴加在设置有白蛋白作为中间层18的电极11上，并且使保持一小时。随后，用磷酸盐緩冲液沖洗电极11,然后用作用于固定化的电极。
接着，将作为用于形成现有的电极膜的技术的聚离子络合物技术应用于多孔碳电极以及用于固定化的电极，该多孑L碳电极的表面通过UV臭氧处理而亲水化。作为控制，通过利用UV臭氧处理装置活化多孔碳电极而使表面亲水性来制造酶固定化电极(比较例1 ),然后使用由PLL和PAAcNa形成的聚离子络合物进行酶的固定化。用电化学方法进行对比。在测试中，使用包含400mM的葡萄糖的。米唑i爰冲;容液，进4于在0.1 V下的恒电位测试和循环伏安测试。在每种情况下均获得了令人满意的催化电流值。 一 小时之后恒电位测i式结果示出了实施例4中该值是2.65 mA/cm2,而比4交例1中该值是2.35 mA/cm2。因此，在实施例4中，表现出了相比于比较例l的显著性的差异，并且获得了良好的结果。
才艮据该第四实施方式，可以获得如在第一实施方式中的相同的优点。
接着，将描述本发明的第五实施方式。在该第五实施方式中，作为生物燃料电池的负电极，使用根据第一到第四实施方式中的任一种的酶固定化电才及。
图7示意性地示出了根据第五实施方式的生物燃料电池。在该生物燃料电池中，使用葡萄糖作为燃料。图8示意性地示出了生物燃泮+电>也的负电才及的"i羊细结构、固定在该负电才及上的一ia酶的实例、以及通过i亥ia酶而进4亍的电子传递反应。
如图7所示，该生物燃冲牛电池具有这样的结构，其中负电才及21和正电极22彼此相对，在它们之间具有电解质层23。负电极21通过酶而分解作为燃料提供的葡萄糖以提取电子并且生成质子(H+)。正电极22利用从负电极21通过电解质层23传递的质子、从负电极21通过外部电路传递的电子、以及氧(例如，空气中的)生成水。
负电才及21包4舌固定在电才及11 (例如，以与#4居第一到第四实施方式中的任何一种的酶固定化电极相同的方式而由多孔碳等构成)上的参与葡萄3f唐分解的酶、辅酶(例如，NAD+)(其还原形式的生成与葡萄糖的分解过程中的氧化反应有关)、氧化还原形式的辅酶(例如，NADH)的辅酶氧化酶(例如，心月几黄酶)、以及电子介体(例如，ACNQ),该电子介体/人辅酶H/f匕酶4妾收相关于辅酶的氧化而生成的电子并且传递这些电子到电极11 (参见图8)。
作为参与葡萄糖分解的酶，可以使用例如葡糖脱氢酶(GDH)，优选为NAD依赖型葡糖脱氢酶。通过氧化酶的存在，例如，(3-D-葡萄糖可以被氧化成D-葡萄糖酸-5-内酯。
此外，在葡泮唐酸激酶和石粦酸葡糖酸脱氩酶(PhGDH)这两种酶的存在下，可以将D-葡萄糖酸-S-内酯分解成2-酮-6-磷-D-葡萄糖酸盐。即，在葡糖酸激酶的存在下，通过将三;粦酸&,苷(ATP)水解成二磷酸腺苷(ADP)和磷酸，D-葡萄糖酸-5-内酯被水解成D-葡萄糖酸盐，而D-葡萄糖酸盐^皮磷酸化成6-磷-D-葡萄糖酸盐。通过氧化酶PhGDH的作用，6-磷-D-葡萄糖酸盐被氧化成2-酮-6-磷-D-葡萄4唐酸盐。
此外，除了以上描述的分解过程以外，还可以利用糖类代谢将葡萄糖分解成co2。使用糖类代谢的分解过程大致分成通过糖酵解途径的葡萄糖的分解、丙酮酸生成以及TCA循环。这些是众所周在单糖的分解过程中的氧化反应与辅酶的还原反应 一起进行。
辅酶基本上由该辅酶作用在其上的酶所确定，并且在GDH的情况下，NAD+用作辅酶。即，当(3-D-葡萄糖利用GDH的作用而氧化成D-葡萄糖酸-5-内酯时，NAD+被还原成NADH以生成H+。
在心肌黄酶(DI)的存在下，生成的NADH立即氧化成NAD+,并且生成两个电子和H+。因此，在氧化反应的一个阶段每个葡萄糖分子生成两个电子和两个H+。在氧^^反应的两个阶4殳总共生成四个电子和四个H+。
递到电极11上，并且H+通过电解质层23传递到正电极22上。
酶、辅酶、以及电子介体各自的pH优选地通过緩冲溶液(如，磷酸盐緩冲液或Tris緩冲液)而保持在对包含在电解质层23中的酶来i兌最佳的pH (例如，大约是7),这样电才及反应可以有效地并且稳定地进行。作为石粦酸盐緩沖液，例如"吏用NaH2P04或KH2P04。此外，过大的或过小的离子强度(I.S.)会不利地影响酶的活性。还考虑到电化学反应，优选适当的例如约0.3的离子强度。然而，所使用的酶各自具有最佳的pH和离子强度，并且pH和离子强度不限于上述值。
作为一个实例，图8示出了参与葡萄糖的分解的酶是葡糖脱氩酶(GDH)、辅酶(其还原形式的生成与葡萄糖的分解过程中的氧化反应有关)是NAD+、氧化NADH (即，辅酶的还原形式)的辅酶氧化酶是心肌黄酶(DI)、并且电子介体(其从辅酶氧化酶接收相关于该辅酶的氧化而生成的电子并且传递这些电子到电极11 )是ACNQ的情况。通过将氧分解酶(如，胆红素氧化酶、虫漆酶或抗坏血酸氧化
酶)固定在多孔碳电极等上来制备正电极22。正电极22的外部(与电解质层23相对的部分)通常包括由多孔碳构成的两个气体扩散层。优选地，除了酶以外，还将电子介体固定在正电极22上，这样电子在正电极22与电子介体之间传递。
在正电极22中，在氧分解酶的存在下，空气中的氧利用来自电解质层23的H+与来自负电极21的电子还原生成7K。
电解质层23用于将在负电极21上生成的H+传递到正电才及22，并且由不具有电子传导性并能够传递H+的材料构成。具体地-说，电解质层23由例如全氟碳石黄酸酯(PFS)类树脂膜、三氟苯乙烯衍生物共聚物膜、用磷酸浸渍的聚苯并咪唑膜、芳香族聚醚酮磺酸膜、PSSA-PVA (聚苯乙烯石黄酸-聚乙烯醇共聚物)、PSSA-EVOH (聚苯乙烯石黄酸-乙烯乙烯醇共聚物)等构成。尤其，由具有含氟石友石黄酸基团的离子交换树脂构成的电解质层23是优选的，具体地，可使用Nafion(商品名，DuPont，美国)。
在具有以上描述的结构的生物燃料电池中，当将葡萄糖提供给负电极21侧时，该葡萄糖通过含有氧化酶的分解酶而分解。因为氧化酶参与到单糖的分解过程中，所以可以在负电极21侧生成电子和H+，因此在负电极21与正电极22之间产生电流。
接着，将描述生物燃料电池的具体结构实例。
如图9(A)和图9(B)所示，该生物燃料电池具有这样的结构，其中负电极21和正电极22彼此相对，在它们之间具有电解质层23。在这种情况下，在正电极22下和负电极21上分别设置Ti集电体41和42,这样有助于集电。参考数字43和44各自代表固定才反。固定4反43和44通过多个螺4丁45而互相固定。正电才及22、负电极21、电解质层23、以及Ti集电体41和42完全插入固定板43与44之间。在固定才反43的一个表面(外表面)上i殳置有用于空气进入的圓形凹陷43a,并且在凹P各43a的底部上形成穿通而到达另一个表面的多个孔43b。这些孔43b用作正电极22的供气通道。同时，在固定板44的一个表面(外表面)上设置有用于燃料进入的圓形凹陷44a,并且在凹陷44a的底部上形成穿通而到达另 一个表面的多个孔44b。这些孔44b用作向负电极21的燃料送料通道。在固定板44的另一个表面的周缘设置隔离件46,并且由此，当利用螺4丁 45将固定板43和44互相固定时，固定板43和44可以在它们之间i殳置有预定的空间。
如图9 ( B )所示，负载47连接于Ti集电体41与42之间。例
如，通过在磷酸盐緩沖液中溶解葡萄糖获得的葡萄糖溶液作为燃料方文置在固定—反44的凹陷44a中以产生电力。
根据该第五实施方式，因为作为负电极21的酶固定化电极是高效的，所以可以实现高效的生物燃泮牛电池。此夕卜，为了增加生物燃料电池的输出功率，需要从作为燃料的葡萄糖中提取超过2个电子的更多电子，并且为了这个目的，需要使用酶固定化电极，在该酶固定化电才及中三种或更多种酶^皮固定在适当位置。例如，通过在根据第 一到第四实施方式的任何一种的酶固定化电极中固定三种以上的酶，也可以满足这种要求。
接着，将描述根据本发明的第六实施方式的生物燃料电池。
在该生物燃料电池中，使用作为多糖的淀粉作为燃料。此外，由于使用淀粉作为燃料，所以还将葡糖淀粉酶(即，将淀粉分解成葡萄糖的分解酶)固定在负电才及21上。在该生物燃料电池中，当淀粉作为燃料提供给负电极21侧时， 该淀粉被葡糖淀粉酶水解成葡萄糖，并且葡萄糖进一步由葡糖脱氢
酶分解。与分解过程中的氧化反应有关，NAD+被还原生成NADH， 并且NADH ^皮心月几黄酶fU匕并且^皮分成两个电子、NAD+、以及H+。 因此，在氧化反应的一个阶^殳每个葡萄糖分子生成两个电子和两个 H+。在氧化反应的两个阶段总共生成四个电子和四个H+。这样生 成的这些电子被传递到负电极21的电极11上，并且H+通过电解质 层23移动到正电极22上。在正电极22， H+与从外部提供的氧以及 乂人负电才及21通过外部电^各传递的电子反应生成H20。
除以上描述的以外，生物燃料电池与4艮据第五实施方式的生物 燃术牛电池相同。
才艮据该第六实施方式，可以获得如在第五实施方式中的相同的 优点。另一个优点是，通过使用淀粉作为燃料，与使用葡萄糖作为 燃津十的情况相比，有可能增大产生的电量。
以上已经详细地描述了本发明的实施方式。然而，要理解，本 发明不限于以上描述的这些实施方式，并且在本发明的技术4青神的 基础上可能有各种变形。
例如，在这些实施方式中描述的数值、结构、构造、形状、材 料等仅仅是实例，并且如果需要可以使用与以上描迷的那些不同的 数值、结构、构造、形状、材料等。
此外，代替磷脂层，还可以使用微胶嚢、纳米胶嚢、人造红血 球、细胞或细胞、器官等的破碎物、乳液、微团等。
根据本发明，可以获得高效的酶固定化电极，其中一种或多种 酶可以固定在电极上的适当位置。通过使用酶固定化电极，可以实 现高效的燃料电池或利用电才及反应的装置。此外，通过l吏用这种高 效的燃料电池，可以实现高性能的电子设备等。
权利要求
1.一种酶固定化电极，其特征在于，包括电极；在所述电极上的磷脂层；以及固定在所述磷脂层上的酶。
2. 根据权利要求1所述的酶固定化电极，其特征在于，除了所述 酶以外，在所述磷脂层上还固定了电子介体。
3. 根据权利要求1所述的酶固定化电极，其特征在于，所述酶包 括多种酶。
4. 根据权利要求1所述的酶固定化电极，其特征在于，在所述电 极与所述磷脂层之间包括中间层。
5. 根据权利要求4所述的酶固定化电极，其特征在于，所述中间 层包括生物高分子或聚合物电解质。
6. —种酶固定化电才及，其特征在于，包4舌电极；在所述电才及上的中间层；在所述中间层上的磷脂层和/或聚离子络合物；以及 固定在所述磷脂层和/或所述聚离子络合物上的酶。
7. —种燃冲十电池，其具有一种结构，其中正电4及和负电扭J皮》匕相 对，在它们之间具有质子传导剂，酶固定在所述正电才及和/或 所述负电才及上，所述燃泮+电池的特4正在于，所述正电才及和/或 所述负电才及是酶固定化电极，所述酶固定化电极包括电极；在所述电才及上的磷脂层；以及固定在所述^y旨层上的酶。
8. 根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，除了所述酶以 夕卜，在所述石粦脂层上还固定了电子介体。
9. 根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述酶包含促 进单糖氧化并且将其分解的氧化酶。
10. 根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，所述酶包含辅 酶氧化酶，所述辅酶氧化酶将随着单糖的氧化而被还原的辅酶 恢复为氧化形式，并且通过电子介体将电子传递到负电极上。
11. 才艮据^f又利要求10所述的燃^1"电池，其特;f正在于，所述辅酶的 所述氧化形式是NAD+，并且所述辅酶氧化酶是心肌黄酶。
12. 根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述氧化酶是 NAD+依赖型葡糖脱氢酶。
13. 根据权利要求7所述的燃料电池，其特征在于，酶固定在所述 负电极上，并且所述酶包含促进多糖的分解以产生单糖的分解 酶以及促进生成的单糖氧化并且将其分解的氧化酶。
14. 根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述分解酶 是葡糖淀粉酶，并且所述氧化酶是NAD+依赖型葡糖脱氬酶。
15. —种燃#+电池，其具有一种结构，其中正电才及和负电才及4皮it匕冲目 对，在它们之间具有质子传导剂，酶固定在所述正电极和/或 所述负电才及上，所述燃斗+电池的特4正在于，所述正电才及和/或 所述负电才及是酶固定化电才及，所述酶固定化电才及包4舌电极；在所述电极上的中间层；在所述中间层上的磷脂层和/或聚离子络合物；以及 固定在所述^l脂层和/或所述聚离子络合物上的酶。
16. —种电子i殳备，其4吏用一个或多个燃并+电池，其特4i在于所述燃料电池中的至少一个具有这样的结构，其中正电 才及和负电核j皮ot匕相对，在它们之间具有质子传导剂，酶固定在 所述正电才及和/或所述负电才及上，并且所述正电极和/或所述负电极是酶固定化电极，所述酶固 定化电一及包4舌电极；在所述电才及上的磷脂层；以及 固定在所述磷脂层上的酶。
17. —种电子设备，其使用一个或多个燃料电池，其特征在于所述燃4牛电池中的至少一个具有这才羊的结构，其中正电 极和负电极彼此相对，在它们之间具有质子传导剂，酶固定在 所述正电才及和/或所述负电才及上，并且所述正电极和/或所述负电极是酶固定化电极，所述酶固 定4匕电一及包4舌电极；在所述电极上的中间层；在所述中间层上的磷脂层和/或聚离子络合物；以及 固定在所述磷脂层和/或所述聚离子络合物上的酶。
18. —种利用酶反应的装置，包括酶固定化电极，所述利用酶反应 的装置的特4i在于，所述酶固定化电4及包4舌电极；在所述电4及上的石粦脂层；以及 固定在所述磷脂层上的酶。
19. 一种利用酶反应的装置，包括酶固定化电极，所述利用酶反应 的装置的特4i在于，所述酶固定化电才及包4舌电极；在所述电才及上的中间层；在所述中间层上的磷脂层和/或聚离子络合物；以及 固定在所述磷脂层和/或所述聚离子络合物上的酶。
20. —种酶固定化基体，其特征在于，包括基体；在所述基体上的石岸脂层；以及 固定在所述^粦脂层上的酶。
21. —种酶固定化基体，其特征在于，包括基体；在所述基体上的中间层；在所述中间层上的石粦脂层和/或聚离子络合物；以及 固定在所述磷脂层和/或所述聚离子络合物上的酶。
全文摘要
本发明公开了一种酶固定化电极、燃料电池、电子设备、利用酶反应的装置、以及酶固定化基体，该酶固定化电极包括由多孔碳等构成的电极(11)、在电极(11)上的磷脂层(12)、以及固定在磷脂层(12)上的酶(13，14)。酶(13，14)例如是心肌黄酶和葡糖脱氢酶。可以在电极(11)与磷脂层(12)之间设置由蛋白质等构成的中间层。通过在利用酶的燃料电池中使用酶固定化电极作为负电极或正电极，可以将一种或多种酶固定在所述电极的最佳位置上，因此，提供了高效的酶固定化电极以及使用酶固定化电极的高效的燃料电池。
文档编号H01M8/16GK101641821SQ200880009528
公开日2010年2月3日 申请日期2008年2月29日 优先权日2007年3月23日
发明者中川贵晶, 户木田裕一, 角田正也, 酒井秀树 申请人:索尼株式会社