JP2023128505A - Copolymer, bioelectrode material, bioelectrode, and electrochemical device - Google Patents
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Abstract
【課題】メディエータの電子伝達作用の効率を高めることができる共重合体、バイオ電極材料、バイオ電極及び電気化学デバイスの提供。【解決手段】第1級アミンとアミド基を形成する官能基を有する構成単位と、親水基を有する構成単位と、メディエータ分子を有する構成単位と、を含む共重合体。【選択図】図3The present invention provides a copolymer, a bioelectrode material, a bioelectrode, and an electrochemical device that can enhance the efficiency of the electron transfer action of a mediator. A copolymer comprising a structural unit having a functional group that forms an amide group with a primary amine, a structural unit having a hydrophilic group, and a structural unit having a mediator molecule. [Selection diagram] Figure 3
Description
本発明は、共重合体、バイオ電極材料、バイオ電極及び電気化学デバイスに関する。 The present invention relates to copolymers, bioelectrode materials, bioelectrodes, and electrochemical devices.
酵素を電極の触媒として利用し、糖類、アルコールその他のバイオマス資源を燃料として発電するバイオ燃料電池をはじめとした電気化学デバイスの研究及び開発がなされている。
酵素の触媒作用を利用する電気化学デバイスは一般に、燃料の酸化を促進する酵素を含む負極(アノード)と、酸素の還元を促進する酵素を含む正極(カソード)と、を備えている。負極において燃料の酸化(たとえば、グルコースからグルコノラクトンへの変化)によって取り出された電子は正極に移動し、これを用いて酸素が還元されて水(H2O)が生じる。この過程で生じる電子の移動が発電などに利用される。
Research and development are underway on electrochemical devices such as biofuel cells that use enzymes as electrode catalysts and generate electricity using sugars, alcohol, and other biomass resources as fuel.
Electrochemical devices that utilize enzyme catalysis generally include a negative electrode (anode) containing an enzyme that promotes fuel oxidation and a positive electrode (cathode) containing an enzyme that promotes oxygen reduction. Electrons removed by fuel oxidation (for example, glucose to gluconolactone) at the negative electrode are transferred to the positive electrode, where they are used to reduce oxygen and produce water (H 2 O). The movement of electrons that occurs during this process is used for things such as power generation.
酵素の触媒作用を利用する電気化学デバイスでは、酵素と電極との間の電子の移動を媒介するメディエータと称される物質を用いる場合がある。
例えば、非特許文献1にはオスミウム錯体をメディエータとして用いた電気化学デバイスが記載されている。
Electrochemical devices that utilize the catalytic action of enzymes may use a substance called a mediator that mediates the transfer of electrons between the enzyme and the electrode.
For example, Non-Patent Document 1 describes an electrochemical device using an osmium complex as a mediator.
メディエータを用いる電気化学デバイスにおいて、メディエータによる電子伝達作用を高める方法としては、メディエータの使用量を増やすことが考えられる。しかしながら、経済性、環境及び生体への親和性、廃棄性等の観点から、メディエータの増量以外でその電子伝達作用の効率を高める手法が求められている。
本発明は上記事情に鑑み、メディエータの電子伝達作用の効率を高めることができる共重合体、この共重合体を用いたバイオ電極材料、バイオ電極及び電気化学デバイスを提供することを課題とする。
In an electrochemical device using a mediator, increasing the amount of the mediator used may be considered as a method for enhancing the electron transfer effect of the mediator. However, from the viewpoints of economy, compatibility with the environment and living organisms, ease of disposal, etc., there is a need for a method of increasing the efficiency of the electron transfer action other than increasing the amount of mediator.
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a copolymer that can increase the efficiency of the electron transfer function of a mediator, and a bioelectrode material, bioelectrode, and electrochemical device using this copolymer.
上記課題を解決するための具体的手段には、以下の実施態様が含まれる。
<1>第1級アミンとアミド基を形成する官能基を有する構成単位と、親水基を有する構成単位と、メディエータ分子を有する構成単位と、を含む共重合体。
<2>前記第1級アミンとアミド基を形成する官能基はNHSエステル基である、<1>に記載の共重合体。
<3>前記親水基は窒素原子を含む、<1>又は<2>に記載の共重合体。
<4>前記共重合体はポリ(メタ)アクリレートである、<1>~<3>のいずれか1項に記載の共重合体。
<5>共重合体と、酵素と、を含み、
前記共重合体は前記酵素とアミド基を介して結合した構造を有する構成単位と、親水基を有する構成単位と、メディエータ分子を有する構成単位と、を含む、バイオ電極材料。
<6>前記酵素とアミド基を介して結合した構造はNHSエステル基に由来する、<5>に記載のバイオ電極材料。
<7>前記親水基は窒素原子を含む、<5>又は<6>に記載のバイオ電極材料。
<8>前記共重合体はポリ(メタ)アクリレートである、<5>~<7>のいずれか1項に記載のバイオ電極材料。
<9><5>~<8>のいずれか1項に記載のバイオ電極材料と、導電性基材と、を含む、バイオ電極。
<10><9>に記載のバイオ電極を含む、電気化学デバイス。
<11>アノード及びカソードを含み、
前記アノードは請求項9に記載のバイオ電極であり、
前記カソードは下記式(1)で表される構造を有する酵素架橋体を含む、電気化学デバイス。
式(1)中、Rは酵素を示し、R’は有機基を示し、nは2以上の数である。
Specific means for solving the above problems include the following embodiments.
<1> A copolymer containing a structural unit having a functional group that forms an amide group with a primary amine, a structural unit having a hydrophilic group, and a structural unit having a mediator molecule.
<2> The copolymer according to <1>, wherein the functional group forming an amide group with the primary amine is an NHS ester group.
<3> The copolymer according to <1> or <2>, wherein the hydrophilic group contains a nitrogen atom.
<4> The copolymer according to any one of <1> to <3>, wherein the copolymer is poly(meth)acrylate.
<5> Contains a copolymer and an enzyme,
The copolymer is a bioelectrode material including a structural unit having a structure bonded to the enzyme via an amide group, a structural unit having a hydrophilic group, and a structural unit having a mediator molecule.
<6> The bioelectrode material according to <5>, wherein the structure bonded to the enzyme via an amide group is derived from an NHS ester group.
<7> The bioelectrode material according to <5> or <6>, wherein the hydrophilic group contains a nitrogen atom.
<8> The bioelectrode material according to any one of <5> to <7>, wherein the copolymer is poly(meth)acrylate.
<9> A bioelectrode comprising the bioelectrode material according to any one of <5> to <8> and a conductive base material.
<10> An electrochemical device comprising the bioelectrode according to <9>.
<11> Including an anode and a cathode,
The anode is a bioelectrode according to claim 9,
An electrochemical device, wherein the cathode includes an enzyme crosslinked product having a structure represented by the following formula (1).
In formula (1), R represents an enzyme, R' represents an organic group, and n is a number of 2 or more.
本発明によれば、メディエータの電子伝達作用の効率を高めることができる共重合体、この共重合体を用いたバイオ電極材料、バイオ電極及び電気化学デバイスが提供される。 According to the present invention, there are provided a copolymer that can increase the efficiency of the electron transfer action of a mediator, and a bioelectrode material, a bioelectrode, and an electrochemical device using this copolymer.
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。
本開示において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示において(メタ)アクリル、(メタ)アクリロイル及び(メタ)アクリレートはそれぞれアクリル又はメタクリル、アクリロイル又はメタクリロイル、及びアクリレート又はメタクリレートを意味する。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing this invention is demonstrated in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In the following embodiments, the constituent elements (including elemental steps and the like) are not essential unless otherwise specified. The same applies to numerical values and their ranges, and they do not limit the present invention.
In the present disclosure, numerical ranges indicated using "~" include the numerical values written before and after "~" as minimum and maximum values, respectively.
In this disclosure, (meth)acrylic, (meth)acryloyl, and (meth)acrylate mean acrylic or methacrylic, acryloyl or methacryloyl, and acrylate or methacrylate, respectively.
<共重合体>
本開示の共重合体は、第1級アミンと反応してアミド基を形成する官能基を有する構成単位と、親水基を有する構成単位と、メディエータ分子を有する構成単位と、を含む共重合体である。
<Copolymer>
The copolymer of the present disclosure includes a constitutional unit having a functional group that reacts with a primary amine to form an amide group, a constitutional unit having a hydrophilic group, and a constitutional unit having a mediator molecule. It is.
本発明者らの検討の結果、上記共重合体を酵素とともに電極の材料として用いた電気化学デバイスは、共重合体に含まれない状態のメディエータ分子を酵素とともに電極の材料として用いた電気化学デバイスに比べて電流密度が大幅に上昇することがわかった。その理由は、例えば、下記のように推測される。 As a result of studies by the present inventors, an electrochemical device using the above-mentioned copolymer together with an enzyme as an electrode material, and an electrochemical device using a mediator molecule not included in the copolymer together with an enzyme as an electrode material. It was found that the current density increased significantly compared to . The reason is presumed to be as follows, for example.
本開示の共重合体は、第1級アミンと反応してアミド基を形成する官能基を有する構成単位を含む。この官能基が、酵素が持つ第1級アミン(-NH2)と反応して安定性の高いアミド基(-CO-NH-)を形成する。すなわち、共重合体の分子と酵素とがアミド結合を介して結合する。その結果、酵素の近傍に固定された状態のメディエータ分子が電極と酵素との間の電子移動を効率よく媒介すると考えられる。
さらに、本開示の共重合体は親水基を有する構成単位を含む。この親水基によって共重合体の酵素に対する親和性が高められ、共重合体に含まれるメディエータ分子が電極と酵素との間の電子移動を効率よく媒介すると考えられる。
The copolymers of the present disclosure include structural units having functional groups that react with primary amines to form amide groups. This functional group reacts with the primary amine (-NH 2 ) of the enzyme to form a highly stable amide group (-CO-NH-). That is, the copolymer molecules and the enzyme are bonded via amide bonds. As a result, it is thought that the mediator molecules immobilized near the enzyme efficiently mediate electron transfer between the electrode and the enzyme.
Furthermore, the copolymer of the present disclosure includes a structural unit having a hydrophilic group. It is thought that this hydrophilic group increases the copolymer's affinity for the enzyme, and that the mediator molecules contained in the copolymer efficiently mediate electron transfer between the electrode and the enzyme.
(第1級アミンと反応してアミド基を形成する官能基)
共重合体に含まれる第1級アミンと反応してアミド基を形成する官能基の種類は、特に制限されない。
第1級アミンとの反応性の観点からは、NHS(N-ヒドロキシスクシンイミド)エステル基が好ましい。HNSエステル基と第1級アミノ基との反応では、アミド結合が形成されるとともにN-ヒドロキシスクシンイミド(NHS)が遊離する。
共重合体に含まれる第1級アミンと反応してアミド基を形成する官能基は1種のみでも2種以上であってもよい。
(Functional group that reacts with a primary amine to form an amide group)
The type of functional group that reacts with the primary amine contained in the copolymer to form an amide group is not particularly limited.
From the viewpoint of reactivity with primary amines, NHS (N-hydroxysuccinimide) ester groups are preferred. In the reaction between the HNS ester group and the primary amino group, an amide bond is formed and N-hydroxysuccinimide (NHS) is liberated.
The number of functional groups that react with the primary amine contained in the copolymer to form an amide group may be one or two or more.
(親水基)
共重合体に含まれる親水基の種類は、特に制限されない。
親水基は、窒素原子を含んでいてもよい。例えば、酵素の表面がカルボキシ基等によって負に帯電している場合には、窒素原子を含む親水基との静電相互作用によって共重合体の酵素に対する親和性をより高めることができる。
窒素原子を含む親水基として第2級アミノ基、第3級アミノ基、アンモニウム基等が挙げられ、これらの中でも第3級アミノ基及びアンモニウム基が好ましく、ジメチルアミノ基及びアンモニウム基がより好ましい。
親水基は、アニオン性の親水基であってもよい。例えば、酵素の表面がアミノ基等によって正に帯電している場合には、アニオン性基である親水基との静電相互作用によって共重合体の酵素に対する親和性をより高めることができる。
アニオン性の親水基としては、カルボキシ基、スルホン酸基、リン酸基等が挙げられる。
共重合体に含まれる親水基は1種のみでも2種以上であってもよい。共重合体に含まれる親水基は、塩を形成していてもよい。
(Hydrophilic group)
The type of hydrophilic group contained in the copolymer is not particularly limited.
The hydrophilic group may contain a nitrogen atom. For example, when the surface of an enzyme is negatively charged with a carboxy group or the like, the copolymer's affinity for the enzyme can be further enhanced by electrostatic interaction with a hydrophilic group containing a nitrogen atom.
Examples of the hydrophilic group containing a nitrogen atom include a secondary amino group, a tertiary amino group, and an ammonium group. Among these, a tertiary amino group and an ammonium group are preferred, and a dimethylamino group and an ammonium group are more preferred.
The hydrophilic group may be an anionic hydrophilic group. For example, if the surface of the enzyme is positively charged with amino groups or the like, the copolymer's affinity for the enzyme can be further enhanced by electrostatic interaction with the hydrophilic group, which is an anionic group.
Examples of anionic hydrophilic groups include carboxy groups, sulfonic acid groups, and phosphoric acid groups.
The number of hydrophilic groups contained in the copolymer may be one or two or more. The hydrophilic groups contained in the copolymer may form a salt.
(メディエータ分子)
共重合体に含まれるメディエータ分子は、酵素と電極との間の電子伝達を媒介するものであれば特に制限されない。
メディエータ分子として具体的には、AzureA(3-アミノ-7-(ジメチルアミノ)フェノチアジン-5-イウム・クロリド)、チオニン(3,7-ジアミノフェノチアジン)、トルイジンブルー(3-アミノ-2-メチル-7-(ジメチルアミノ)フェノチアジン-5-イウム・クロリド)、アミノフェロセン、ニュートラルレッド、アミノアントラキノン、アミノナフトキノン、アミノベンゾキノン、アミノ基を有するリガンド(アミノピリジン、ジアミノビピリジン等)を配位子とし、鉄、オスミウム、ルテニウム、ニッケル、銅等の遷移金属を中心金属とする金属錯体などが挙げられる。
(mediator molecule)
The mediator molecule contained in the copolymer is not particularly limited as long as it mediates electron transfer between the enzyme and the electrode.
Specifically, the mediator molecules include AzureA (3-amino-7-(dimethylamino)phenothiazin-5-ium chloride), thionine (3,7-diaminophenothiazine), and toluidine blue (3-amino-2-methyl- 7-(dimethylamino)phenothiazin-5-ium chloride), aminoferrocene, neutral red, aminoanthraquinone, aminonaphthoquinone, aminobenzoquinone, a ligand having an amino group (aminopyridine, diaminobipyridine, etc.) as a ligand, and iron , metal complexes having a transition metal such as osmium, ruthenium, nickel, copper, etc. as a central metal.
共重合体の合成しやすさの観点からは、メディエータ分子は第1級アミノ基を有するものであることが好ましい。メディエータ分子が第1級アミノ基を有していると、共重合体に含まれる第1級アミンとアミド基を形成する官能基と反応させることでメディエータ分子を共重合体に導入することができる。すなわち、共重合体に含まれるメディエータ分子は、アミド基を介して主鎖に結合していてもよい。
共重合体に含まれるメディエータ分子は1種のみでも2種以上であってもよい。
From the viewpoint of ease of synthesizing the copolymer, it is preferable that the mediator molecule has a primary amino group. If the mediator molecule has a primary amino group, the mediator molecule can be introduced into the copolymer by reacting the primary amine contained in the copolymer with a functional group that forms an amide group. . That is, the mediator molecule contained in the copolymer may be bonded to the main chain via an amide group.
The number of mediator molecules contained in the copolymer may be one or two or more.
共重合体における第1級アミンと反応してアミド基を形成する官能基を有する構成単位が全構成単位に占める割合は、特に制限されない。
例えば、共重合体における第1級アミンと反応してアミド基を形成する官能基を有する構成単位が全構成単位に占める割合は1モル%~90モル%の範囲から選択してもよく、2モル%~50モル%の範囲から選択してもよく、3モル%~10モル%の範囲から選択してもよい。
The proportion of the structural units having a functional group that reacts with a primary amine to form an amide group in the total structural units in the copolymer is not particularly limited.
For example, the ratio of structural units having functional groups that react with primary amines to form amide groups in the copolymer to all structural units may be selected from the range of 1 mol% to 90 mol%; It may be selected from the range of mol% to 50 mol%, or may be selected from the range of 3 mol% to 10 mol%.
共重合体におけるメディエータ分子を有する構成単位が全構成単位に占める割合は、特に制限されない。
例えば、共重合体におけるメディエータ分子を有する構成単位が全構成単位に占める割合は1モル%~20モル%の範囲から選択してもよく、2モル%~10モル%の範囲から選択してもよく、3モル%~5モル%の範囲から選択してもよい。
The proportion of the structural units having mediator molecules in the total structural units in the copolymer is not particularly limited.
For example, the ratio of the structural units having mediator molecules to the total structural units in the copolymer may be selected from the range of 1 mol% to 20 mol%, or may be selected from the range of 2 mol% to 10 mol%. It may be selected from the range of 3 mol % to 5 mol %.
共重合体における親水基を有する構成単位が全構成単位に占める割合は、特に制限されない。
例えば、共重合体における親水基を有する構成単位が全構成単位に占める割合は60モル%~98モル%の範囲から選択してもよく、70モル%~95モル%の範囲から選択してもよく、80モル%~90モル%の範囲から選択してもよい。
The proportion of the structural units having a hydrophilic group in the total structural units in the copolymer is not particularly limited.
For example, the proportion of the structural units having a hydrophilic group in the total structural units in the copolymer may be selected from the range of 60 mol% to 98 mol%, or may be selected from the range of 70 mol% to 95 mol%. It may be selected from the range of 80 mol% to 90 mol%.
必要に応じ、共重合体は、第1級アミンと反応してアミド基を形成する官能基を有する構成単位、親水基を有する構成単位、及びメディエータ分子を有する構成単位以外の構成単位をさらに含んでもよい。例えば、アルキル基、アリール基、アルキレンオキシ基等の置換基を含む構成単位を含んでもよい。
共重合体が第1級アミンと反応してアミド基を形成する官能基を有する構成単位、親水基を有する構成単位、及びメディエータ分子を有する構成単位以外の構成単位を含む場合、その割合は全構成単位の15モル%以下であることが好ましく、10モル%以下であることがより好ましく、5モル%以下であることがさらに好ましい。
If necessary, the copolymer further includes a structural unit other than a structural unit having a functional group that reacts with a primary amine to form an amide group, a structural unit having a hydrophilic group, and a structural unit having a mediator molecule. But that's fine. For example, it may contain a structural unit containing a substituent such as an alkyl group, an aryl group, or an alkyleneoxy group.
If the copolymer contains structural units other than structural units having a functional group that reacts with a primary amine to form an amide group, structural units having a hydrophilic group, and structural units having a mediator molecule, the proportion shall be It is preferably at most 15 mol% of the structural units, more preferably at most 10 mol%, even more preferably at most 5 mol%.
共重合体の分子量は、特に制限されない。例えば、共重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定される重量平均分子量は10,000~500,000の範囲内であってもよい。また、共重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定される数平均分子量は1,000~200,000の範囲内であってもよい。 The molecular weight of the copolymer is not particularly limited. For example, the weight average molecular weight of the copolymer as measured by gel permeation chromatography (GPC) may be in the range of 10,000 to 500,000. Further, the number average molecular weight of the copolymer measured by gel permeation chromatography (GPC) may be within the range of 1,000 to 200,000.
共重合体は、ポリ(メタ)アクリレートであってもよい。
共重合体は、ランダム共重合体であってもブロック共重合体であってもよい。
The copolymer may be poly(meth)acrylate.
The copolymer may be a random copolymer or a block copolymer.
(共重合体の合成方法)
共重合体の合成方法は特に制限されず、公知の方法を採用できる。
共重合体は、1段階の反応で合成しても、2段階以上の反応で合成してもよい。
1段階の反応で共重合体を合成する方法としては、第1級アミノ基と反応してアミド基を形成する官能基と重合性基とを含む重合性化合物と、親水基と重合性基とを含む重合性化合物と、メディエータ分子と重合性基とを含む重合性化合物と、を反応させる方法が挙げられる。
(Method of synthesizing copolymer)
The method for synthesizing the copolymer is not particularly limited, and any known method can be employed.
The copolymer may be synthesized in a one-step reaction or in two or more steps.
A method for synthesizing a copolymer through a one-step reaction involves using a polymerizable compound containing a functional group that reacts with a primary amino group to form an amide group and a polymerizable group, and a hydrophilic group and a polymerizable group. A method of reacting a polymerizable compound containing a mediator molecule and a polymerizable group with a polymerizable compound containing a mediator molecule and a polymerizable group.
2段階の反応で共重合体を合成する方法としては、第1級アミノ基と反応してアミド基を形成する官能基と重合性基とを含む重合性化合物と、親水基と重合性基とを含む重合性化合物と、を反応させてベースポリマーを合成し、次いで、ベースポリマー中の第1級アミノ基と反応してアミド基を形成する官能基と、第1級アミノ基を含むメディエータ分子と、を反応させる方法が挙げられる。この際、第1級アミノ基と反応してアミド基を形成する官能基の一部をメディエータ分子と反応させることで、未反応の官能基を酵素との結合に用いることができる。 As a method for synthesizing a copolymer through a two-step reaction, a polymerizable compound containing a functional group and a polymerizable group that reacts with a primary amino group to form an amide group, and a hydrophilic group and a polymerizable group are used. and a functional group that reacts with the primary amino group in the base polymer to form an amide group, and a mediator molecule containing the primary amino group. One example is a method of reacting with and. At this time, by reacting a part of the functional group that reacts with the primary amino group to form an amide group with the mediator molecule, the unreacted functional group can be used for bonding with the enzyme.
重合性化合物に含まれる重合性基としては(メタ)アクリロイル基、アリル基、ビニル基等が挙げられ、これらの中でも(メタ)アクリロイル基が好ましい。 Examples of the polymerizable group contained in the polymerizable compound include a (meth)acryloyl group, an allyl group, and a vinyl group, and among these, a (meth)acryloyl group is preferable.
共重合体は、例えば、バイオ電極材料の作製に用いられる。すなわち、共重合体に含まれる第1級アミノ基とアミド基を形成する官能基の少なくとも一部を酵素に含まれる第1級アミノ基と反応させて、共重合体を酵素とアミド基を介して結合させる。これにより、メディエータ分子を酵素の近傍に固定し、メディエータ分子の電子伝達作用の効率に優れるバイオ電極材料を得ることができる。 Copolymers are used, for example, in making bioelectrode materials. That is, at least a part of the functional group forming the primary amino group and amide group contained in the copolymer is reacted with the primary amino group contained in the enzyme, and the copolymer is reacted with the primary amino group contained in the enzyme through the amide group. and combine them. Thereby, it is possible to obtain a bioelectrode material in which the mediator molecule is immobilized near the enzyme and the electron transfer function of the mediator molecule is excellent in efficiency.
<バイオ電極材料>
本開示のバイオ電極材料は、共重合体と、酵素と、を含み、
前記共重合体は前記酵素とアミド基を介して結合した構造を有する構成単位と、親水基を有する構成単位と、メディエータ分子を有する構成単位と、を含む、バイオ電極材料である。
<Bioelectrode material>
The bioelectrode material of the present disclosure includes a copolymer and an enzyme,
The copolymer is a bioelectrode material that includes a structural unit having a structure bonded to the enzyme via an amide group, a structural unit having a hydrophilic group, and a structural unit having a mediator molecule.
本開示のバイオ電極材料を用いることで、電気化学デバイスの電流密度を高めることができる。これは、メディエータ分子を含む重合体が酵素とアミド基を介して結合しているためにメディエータ分子が酵素の近傍に固定され、メディエータ分子が酵素と電極との間の電子移動を効率よく媒介するためと考えられる。 By using the bioelectrode material of the present disclosure, the current density of an electrochemical device can be increased. This is because the polymer containing the mediator molecule is bonded to the enzyme via an amide group, so the mediator molecule is immobilized near the enzyme, and the mediator molecule efficiently mediates electron transfer between the enzyme and the electrode. It is thought that this is because of this.
バイオ電極材料に含まれる共重合体は、上述した本開示の共重合体であってもよい。すなわち、上述した本開示の共重合体に含まれる第1級アミノ基とアミド基を形成する官能基の少なくとも一部が酵素に含まれる第1級アミノ基と反応してアミド基を形成した状態であってもよい。
バイオ電極材料に含まれる共重合体が本開示の共重合体である場合、その詳細及び好ましい態様は本開示の共重合体の詳細及び好ましい態様と同様である。
The copolymer contained in the bioelectrode material may be the copolymer of the present disclosure described above. That is, a state in which at least a part of the functional group forming an amide group with a primary amino group contained in the above-mentioned copolymer of the present disclosure reacts with a primary amino group contained in the enzyme to form an amide group. It may be.
When the copolymer contained in the bioelectrode material is the copolymer of the present disclosure, the details and preferred embodiments thereof are the same as the details and preferred embodiments of the copolymer of the present disclosure.
バイオ電極材料に含まれる酵素の種類は、特に制限されない。
バイオ電極材料をアノードの材料として使用する場合、バイオ電極材料は燃料の酸化を促進する酵素を含む。燃料の酸化を促進する酵素は、燃料を加水分解等により酸化可能な状態にする酵素と、酸化を促進する酵素との組み合わせであってもよい。
The type of enzyme contained in the bioelectrode material is not particularly limited.
When the bioelectrode material is used as an anode material, the bioelectrode material contains enzymes that promote fuel oxidation. The enzyme that promotes oxidation of fuel may be a combination of an enzyme that renders fuel oxidizable by hydrolysis or the like, and an enzyme that promotes oxidation.
燃料がグルコースである場合の酵素としては、グルコースオキシダーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、ピラノースオキシダーゼ及びセロビオースデヒドロゲナーゼが挙げられる。
燃料がフルクトースである場合の酵素としては、フルクトースオキシダーゼ及びフルクトースデヒドロゲナーゼが挙げられる。
燃料がスクロースである場合の酵素としては、インベルターゼとグルコースデヒドロゲナーゼの組み合わせが挙げられる。
燃料がデンプンである場合の酵素としてはアミラーゼとグルコースデヒドロゲナーゼの組み合わせが挙げられる。
燃料が乳酸である場合の酵素としては、乳酸オキシダーゼ及び乳酸デヒドロゲナーゼが挙げられる。
燃料がアルコールである場合の酵素としては、アルコールオキシダーゼ及びアルコールデヒドロゲナーゼが挙げられる。
燃料がアルデヒドである場合の酵素としては、アルデヒドオキシダーゼ及びアルデヒドデヒドロゲナーゼが挙げられる。
燃料がピルビン酸である場合の酵素としては、ピルビン酸オキシダーゼ及びピルビン酸デヒドロゲナーゼが挙げられる。
Enzymes when the fuel is glucose include glucose oxidase, glucose dehydrogenase, pyranose oxidase, and cellobiose dehydrogenase.
Enzymes when the fuel is fructose include fructose oxidase and fructose dehydrogenase.
When the fuel is sucrose, the enzyme includes a combination of invertase and glucose dehydrogenase.
When the fuel is starch, the enzyme includes a combination of amylase and glucose dehydrogenase.
Enzymes when the fuel is lactic acid include lactate oxidase and lactate dehydrogenase.
Enzymes when the fuel is alcohol include alcohol oxidase and alcohol dehydrogenase.
Enzymes when the fuel is an aldehyde include aldehyde oxidase and aldehyde dehydrogenase.
Enzymes when the fuel is pyruvate include pyruvate oxidase and pyruvate dehydrogenase.
バイオ電極材料をカソードの材料として使用する場合、バイオ電極材料は酸素の還元を促進する酵素を含む。
酸素の還元を促進する酵素として具体的には、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、ポリフェノールオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ等が挙げられる。
When the bioelectrode material is used as a cathode material, the bioelectrode material contains an enzyme that promotes the reduction of oxygen.
Specific examples of enzymes that promote oxygen reduction include bilirubin oxidase, laccase, polyphenol oxidase, and ascorbate oxidase.
バイオ電極材料に含まれる酵素は、1種のみでも2種以上であってもよい。
バイオ電極材料に含まれる酵素は、すべてが重合体とアミド基を介して結合した状態であっても、一部が重合体とアミド基を介して結合した状態であってもよい。
The bioelectrode material may contain only one type of enzyme or two or more types of enzymes.
The enzyme contained in the bioelectrode material may be entirely bonded to the polymer via an amide group, or may be partially bonded to the polymer via an amide group.
(その他の成分)
バイオ電極材料は、共重合体及び酵素以外の成分を含んでいてもよい。
例えば、バイオ電極材料は架橋剤を含んでいてもよい。バイオ電極材料が架橋剤を含むことで、例えば、共重合体の分子の間、共重合体の分子と酵素の分子の間、又は酵素の分子の間に架橋剤によるネットワーク構造が形成され、共重合体に酵素が固定された状態がより安定的に保持される。
(Other ingredients)
The bioelectrode material may contain components other than the copolymer and enzyme.
For example, the bioelectrode material may include a crosslinking agent. When the bioelectrode material contains a crosslinking agent, a network structure is formed by the crosslinking agent, for example, between copolymer molecules, between copolymer molecules and enzyme molecules, or between enzyme molecules. The state in which the enzyme is immobilized on the polymer is more stably maintained.
架橋剤としては、分子中に2つ以上の架橋性基を有する化合物が挙げられる。架橋性基としてはエポキシ基、アミノ基、アルデヒド基、カルボキシ基、NHSエステル基等が挙げられる。
酵素に対する親和性の観点からは、架橋剤は水溶性であることが好ましい。
架橋剤として具体的には、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル(PEGDGE)、1,2-ビス(2-アミノエトキシ)エタン(AEE)、グルタルアルデヒド等が挙げられる。
Examples of the crosslinking agent include compounds having two or more crosslinkable groups in the molecule. Examples of crosslinkable groups include epoxy groups, amino groups, aldehyde groups, carboxy groups, NHS ester groups, and the like.
From the viewpoint of affinity for enzymes, the crosslinking agent is preferably water-soluble.
Specific examples of the crosslinking agent include polyethylene glycol diglycidyl ether (PEGDGE), 1,2-bis(2-aminoethoxy)ethane (AEE), and glutaraldehyde.
バイオ電極材料は、酵素を結着するバインダーを含んでもよい。バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニルアルコール(PVA)、NafionTM等のカチオンを透過するポリマー等が挙げられる。 The bioelectrode material may include a binder that binds the enzyme. Examples of the binder include cation-permeable polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene-butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl alcohol (PVA), and Nafion ™ .
<バイオ電極>
本開示のバイオ電極は、上述したバイオ電極材料と、導電性基材と、を含む。
バイオ電極は、上述したバイオ電極材料が導電性基材の上に配置された状態であってもよい。
<Bioelectrode>
The bioelectrode of the present disclosure includes the bioelectrode material described above and a conductive base material.
The bioelectrode may be in a state in which the above-mentioned bioelectrode material is placed on a conductive base material.
導電性基材の材質は特に制限されず、炭素材料、金属等の導電性材料から選択できる。
炭素材料としては、黒鉛、カーボンブラック(ケッチェンブラック、アセチレンブラック等)、MgO鋳型炭素粒子、カーボンナノ材料(カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンナノホーン、カーボンナノワイヤ等)などが挙げられる。炭素材料は1種のみを用いても2種以上を併用してもよい。
The material of the conductive base material is not particularly limited, and can be selected from conductive materials such as carbon materials and metals.
Examples of carbon materials include graphite, carbon black (Ketjenblack, acetylene black, etc.), MgO-templated carbon particles, carbon nanomaterials (carbon nanotubes, graphene, carbon nanohorns, carbon nanowires, etc.). Only one type of carbon material may be used or two or more types may be used in combination.
バイオ電極材料に含まれる酵素が燃料又は酸素と接触する面積を増大させて発電効率を向上させる観点からは、導電性基材のバイオ電極材料が配置される部位が粒子状の導電性材料を含むことが好ましい。粒子状の導電性材料としては、例えば、MgO鋳型炭素等の鋳型法により作製される多孔質の炭素粒子が挙げられる。 From the perspective of increasing the area where the enzyme contained in the bioelectrode material comes into contact with fuel or oxygen and improving power generation efficiency, the part of the conductive base material where the bioelectrode material is placed contains particulate conductive material. It is preferable. Examples of the particulate conductive material include porous carbon particles produced by a molding method such as MgO molded carbon.
導電性材料は全体が導電性を有していても、一部が導電性を有していてもよい。
バイオ電極は、導電性基材を支持するための支持体等を含んでもよい。
The entire electrically conductive material may be electrically conductive, or a portion thereof may be electrically conductive.
The bioelectrode may include a support for supporting the conductive substrate.
<電気化学デバイス>
本開示の電気化学デバイスは、上述したバイオ電極を含む。電気化学デバイスは、上述したバイオ電極をアノードとして含んでいても、カソードとして含んでいても、アノード及びカソードの両方として含んでいてもよい。
電気化学デバイスの例として具体的には、バイオ燃料電池、バイオリアクター、バイオセンサー等が挙げられる。
<Electrochemical device>
The electrochemical device of the present disclosure includes the bioelectrode described above. The electrochemical device may include the above-described bioelectrode as an anode, a cathode, or both an anode and a cathode.
Specific examples of electrochemical devices include biofuel cells, bioreactors, biosensors, and the like.
以下、電気化学デバイスの一例としてバイオ燃料電池の構成について説明する。
バイオ燃料電池は、カソード及びアノードを少なくとも備えている。
バイオ燃料電池に燃料を供給すると、アノードにおいて燃料の酸化により生じた電子はカソードに移動し、カソードにおける酸素の還元に用いられる。この過程で生じる電子の移動が発電に利用される。
The configuration of a biofuel cell will be described below as an example of an electrochemical device.
A biofuel cell includes at least a cathode and an anode.
When a biofuel cell is supplied with fuel, electrons generated by oxidation of the fuel at the anode are transferred to the cathode and used to reduce oxygen at the cathode. The movement of electrons that occurs during this process is used to generate electricity.
バイオ燃料電池に使用される燃料は、アノードに含まれる酵素によって酸化が促進される物質であればその種類は特に制限されない。燃料として具体的には、糖類、アルコール類、アルデヒド類、アミノ酸類、アミン類、乳酸、ピルビン酸、尿酸、水素等が挙げられる。 The type of fuel used in the biofuel cell is not particularly limited as long as it is a substance whose oxidation is promoted by the enzyme contained in the anode. Specific examples of the fuel include sugars, alcohols, aldehydes, amino acids, amines, lactic acid, pyruvic acid, uric acid, hydrogen, and the like.
バイオ燃料電池に使用される燃料は、1種のみでも2種以上であってもよい。燃料は、そのままの状態でアノードに含まれる酵素によって酸化可能なものであっても、加水分解等により酸化可能な状態になるもの(たとえば、加水分解によりグルコースになるデンプン)であってもよい。 The number of fuels used in a biofuel cell may be one or two or more. The fuel may be one that can be oxidized as is by an enzyme contained in the anode, or one that can be oxidized by hydrolysis or the like (for example, starch that becomes glucose by hydrolysis).
本開示の電気化学デバイスは、上述した本開示のバイオ電極をアノードとして含み、後述するバイオ電極をカソードとして含むものであってもよい。
すなわち、本開示の電気化学デバイスの一実施形態はアノード及びカソードを含み、
前記アノードは上述した本開示のバイオ電極であり、
前記カソードは下記式(1)で表される構造を有する酵素架橋体を含む、電気化学デバイスである。
式(1)中、Rは酵素を示し、R’は有機基を示し、nは2以上の数である。
The electrochemical device of the present disclosure may include the bioelectrode of the present disclosure described above as an anode and the bioelectrode described below as a cathode.
That is, one embodiment of the electrochemical device of the present disclosure includes an anode and a cathode,
The anode is the bioelectrode of the present disclosure described above,
The cathode is an electrochemical device containing an enzyme crosslinked product having a structure represented by the following formula (1).
In formula (1), R represents an enzyme, R' represents an organic group, and n is a number of 2 or more.
上記酵素架橋体をカソードの材料として用いた電気化学デバイスは、グルタルアルデヒドのような式(1)で表される構造を形成しない化合物で架橋させた酵素をカソードの材料として用いた電気化学デバイスに比べて電流密度が上昇する。さらに、上記酵素架橋体をカソードの材料として用いた電気化学デバイスは、式(1)で表される構造を形成しない化合物で架橋させた酵素を電極の材料として用いた電気化学デバイスに比べて高い電流密度が長期にわたって維持され、優れた耐久性を示す。 An electrochemical device using the above enzyme crosslinked product as a cathode material is an electrochemical device using an enzyme crosslinked with a compound that does not form the structure represented by formula (1), such as glutaraldehyde, as a cathode material. Compared to this, the current density increases. Furthermore, an electrochemical device using the above-mentioned enzyme crosslinked product as a cathode material has a higher cost than an electrochemical device using an enzyme crosslinked with a compound that does not form the structure represented by formula (1) as an electrode material. Current density is maintained over a long period of time, showing excellent durability.
式(1)において、Rは酵素を示し、R’は有機基を示し、nは2以上の数である。
Rで表される酵素のそれぞれは、式(1)で表される構造を1個のみ有していても2個以上有していてもよい。
In formula (1), R represents an enzyme, R' represents an organic group, and n is a number of 2 or more.
Each of the enzymes represented by R may have only one or two or more structures represented by formula (1).
式(1)において、nはR’で表される有機基が持つ酵素との結合部位の数を意味する。電流密度及びその耐久性を高める観点からは、nは3以上であることが好ましく、4以上であることがより好ましい。nの上限は特に制限されない。例えば、nは10以下であってもよく、5以下であってもよい。 In formula (1), n means the number of binding sites with the enzyme that the organic group represented by R' has. From the viewpoint of increasing the current density and its durability, n is preferably 3 or more, more preferably 4 or more. The upper limit of n is not particularly limited. For example, n may be 10 or less, or may be 5 or less.
式(1)において、R’で表される有機基は、n個のエポキシ基を有する化合物の骨格部分に相当する構造であってもよい。 In formula (1), the organic group represented by R' may have a structure corresponding to the skeleton of a compound having n epoxy groups.
酵素架橋体における式(1)で表される構造は、例えば、1分子中に2個以上のエポキシ基を持つ化合物(以下、マルチエポキシ化合物ともいう)と、酵素の持つアミノ基(-NH2)との反応により形成される。すなわち、酵素架橋体は、酵素とマルチエポキシ化合物との反応生成物であってもよい。 The structure represented by formula (1) in the enzyme crosslinked product is, for example, a compound having two or more epoxy groups in one molecule (hereinafter also referred to as a multi-epoxy compound) and an amino group (-NH 2 ) is formed by reaction with That is, the enzyme crosslinked product may be a reaction product of an enzyme and a multi-epoxy compound.
マルチエポキシ化合物の持つエポキシ基を酵素の持つアミノ基と反応させることで、式(1)で示される構造を有する酵素架橋体を得ることができる。
酵素がマルチエポキシ化合物と反応して酵素架橋体の状態になっているか否かは、例えば、酵素とマルチエポキシ化合物とを水中で混合して反応させた後に乾燥させ、再度水を加えた場合の水に対する溶解性により判断できる。反応後に水を加えた場合の水に対する溶解性が反応前の酵素の水に対する溶解性より低い場合は、酵素の少なくとも一部がマルチエポキシ化合物と反応して酵素架橋体を形成していると判断できる。
By reacting the epoxy group of the multi-epoxy compound with the amino group of the enzyme, a crosslinked enzyme having the structure represented by formula (1) can be obtained.
Whether or not the enzyme has reacted with the multi-epoxy compound to form an enzyme cross-linked product can be determined by, for example, mixing the enzyme and the multi-epoxy compound in water, reacting, drying, and adding water again. This can be determined by its solubility in water. If the water solubility when water is added after the reaction is lower than the water solubility of the enzyme before the reaction, it is determined that at least a portion of the enzyme has reacted with the multi-epoxy compound to form an enzyme crosslinked product. can.
マルチエポキシ化合物の種類は特に制限されず、マルチエポキシ化合物を用いて得られる酵素架橋体の用途等に応じて選択できる。酵素架橋体を水系媒体とともに使用する場合、マルチエポキシ化合物は水溶性であることが好ましい。
本開示において水溶性のマルチエポキシ化合物とは、25℃の純水(90質量部)にマルチエポキシ化合物(10質量部)を溶解したときの溶解率が30%以上であるマルチエポキシ化合物を意味する。
The type of multi-epoxy compound is not particularly limited, and can be selected depending on the use of the enzyme crosslinked product obtained using the multi-epoxy compound. When using the enzyme crosslinked product with an aqueous medium, the multi-epoxy compound is preferably water-soluble.
In the present disclosure, a water-soluble multi-epoxy compound means a multi-epoxy compound whose dissolution rate is 30% or more when the multi-epoxy compound (10 parts by mass) is dissolved in pure water (90 parts by mass) at 25°C. .
水溶性のマルチエポキシ化合物として具体的には、エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル等の1分子中に2個のエポキシ基を持つマルチエポキシ化合物、グリセロールポリグリシジルエーテル、ジグリセロールポリグリシジルエーテル等の1分子中に3個のエポキシ基を持つマルチエポキシ化合物、ソルビトールポリグリシジルエーテル等の1分子中に4個のエポキシ基を持つマルチエポキシ化合物、及びポリグリセロールポリグリシジルエーテル等の1分子中に4個以上のエポキシ基を持つマルチエポキシ化合物が挙げられる。
酵素と反応させるマルチエポキシ化合物は、1種のみでも2種以上であってもよい。
Specifically, water-soluble multi-epoxy compounds include multi-epoxy compounds having two epoxy groups in one molecule such as ethylene glycol diglycidyl ether, polyethylene glycol diglycidyl ether, polypropylene glycol diglycidyl ether, and glycerol polyglycidyl ether. , multi-epoxy compounds having three epoxy groups in one molecule such as diglycerol polyglycidyl ether, multi-epoxy compounds having four epoxy groups in one molecule such as sorbitol polyglycidyl ether, and polyglycerol polyglycidyl ether. Examples include multi-epoxy compounds having four or more epoxy groups in one molecule.
The number of multi-epoxy compounds reacted with the enzyme may be one or two or more.
電流密度向上の観点からは、マルチエポキシ化合物の中でも、ソルビトールポリグリシジルエーテル(SPGE)が好ましい。
SPGEは、4方向に分散してエポキシ基が配置された分子構造を持つ。このため、酵素がマルチエポキシ化合物で架橋された状態(1分子中の2つ以上のエポキシ基が酵素の持つアミノ基と反応した状態)が、他のマルチエポキシ化合物に比べて形成されやすい。
From the viewpoint of improving current density, sorbitol polyglycidyl ether (SPGE) is preferred among multi-epoxy compounds.
SPGE has a molecular structure in which epoxy groups are distributed in four directions. Therefore, a state where the enzyme is crosslinked with the multi-epoxy compound (a state where two or more epoxy groups in one molecule react with the amino group of the enzyme) is more likely to be formed than with other multi-epoxy compounds.
酵素架橋体が酵素とマルチエポキシ化合物との反応生成物である場合、酵素と反応させるマルチエポキシ化合物の量は、特に制限されない。
例えば、酵素100質量部に対して反応させるマルチエポキシ化合物の量は1質量部~1000質量部から選択してもよく、10質量部~100質量部から選択してもよく、10質量部~50質量部から選択してもよい。
When the enzyme crosslinked product is a reaction product of an enzyme and a multi-epoxy compound, the amount of the multi-epoxy compound reacted with the enzyme is not particularly limited.
For example, the amount of the multi-epoxy compound to be reacted with 100 parts by mass of the enzyme may be selected from 1 part by mass to 1000 parts by mass, may be selected from 10 parts by mass to 100 parts by mass, and may be selected from 10 parts by mass to 50 parts by mass. You may also select from parts by mass.
酵素架橋体をバイオ電極の材料として用いる場合、酵素架橋体の保護、電極からの脱離抑制等のために酵素架橋体がポリマー中に組み込まれた状態であってもよい。
ポリマーの種類は特に制限されないが、酵素による燃料の酸化又は酸素の還元に伴う電子又はイオン(電解質)の移動を妨げないポリマーを用いることが好ましい。例えば、Nafion(登録商標、以下同様)等のカチオンを透過するポリマー、ポリアミン等のアニオンを透過するポリマー、ポリビニルアルコール等を用いることが好ましい。
When the enzyme crosslinked product is used as a material for a bioelectrode, the enzyme crosslinked product may be incorporated into a polymer in order to protect the enzyme crosslinked product, suppress its detachment from the electrode, and the like.
Although the type of polymer is not particularly limited, it is preferable to use a polymer that does not hinder the movement of electrons or ions (electrolyte) accompanying the oxidation of fuel or reduction of oxygen by enzymes. For example, it is preferable to use a cation-permeable polymer such as Nafion (registered trademark, hereinafter the same), an anion-permeable polymer such as polyamine, polyvinyl alcohol, or the like.
酵素架橋体を構成する酵素としては、酸素の還元を促進する酵素を特に制限なく使用できる。
酸素の還元を促進する酵素として具体的には、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、ポリフェノールオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ等が挙げられる。
As the enzyme constituting the enzyme crosslinked product, any enzyme that promotes oxygen reduction can be used without any particular restriction.
Specific examples of enzymes that promote oxygen reduction include bilirubin oxidase, laccase, polyphenol oxidase, and ascorbate oxidase.
酵素架橋体を含むカソードに含まれるその他の成分は特に制限されず、上述したバイオ電極に含まれる成分から選択してもよい。 Other components included in the cathode containing the enzyme crosslinker are not particularly limited, and may be selected from the components included in the bioelectrode described above.
以下、実施例に基づき本開示を更に詳細に説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present disclosure will be described in more detail based on Examples, but the present disclosure is not limited to these Examples.
<実施例1>
(1)ベースポリマーの合成
下記の反応スキームに従って、ベースポリマーを合成した。
(1) Synthesis of base polymer A base polymer was synthesized according to the reaction scheme below.
トルエン8.56mLにメタクリル酸N-スクシンイミジル(以下、NHSMA)187.3mg(50mM)と、テトラリン(内部標準)0.2mLと、メタクリル酸2-(ジメチルアミノ)エチル(以下、DMAEMA)1.55mL(450mM)を入れて、窒素バブリングを5分間行った。その後、2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)(AIBN)のトルエン溶液(100mM)を10.22mL加え(最終濃度は50mM)、撹拌しながら65℃で6時間反応させた。その後、容器を液体窒素に少し接触させて反応を停止させた。
得られた反応液を、アセトンに対しての透析(分画分子量3500)を24時間行った。その後、水に対しての透析を24時間行った。透析後の反応液を回収し、凍結乾燥によってポリマーを取り出した。
In 8.56 mL of toluene, 187.3 mg (50 mM) of N-succinimidyl methacrylate (NHSMA), 0.2 mL of tetralin (internal standard), and 1.55 mL of 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA). (450mM) and nitrogen bubbling was performed for 5 minutes. Thereafter, 10.22 mL of a toluene solution (100 mM) of 2,2'-azobis(isobutyronitrile) (AIBN) was added (final concentration 50 mM), and the mixture was reacted at 65° C. for 6 hours with stirring. Thereafter, the reaction was stopped by briefly contacting the container with liquid nitrogen.
The resulting reaction solution was dialyzed against acetone (molecular weight cut off: 3500) for 24 hours. Thereafter, dialysis against water was performed for 24 hours. The reaction solution after dialysis was collected and the polymer was taken out by freeze-drying.
図1は反応前後での1HNMRスペクトルを示している(上側が反応前、下側が反応後)。装置としてはBruker社のAVANCE―600 NMR Spectrometerを使用し、測定溶媒としてCDCl3を使用した。
図1に示すように、反応によってモノマーが消費され、ポリマーを表す新たなピークが出現していた。ピークの積分値よりモノマー消費量を求めたところ、精製したポリマーの構造比率はNHSMA部位が10.1モル%、DMAEMA部位が89.9モル%であった。
得られたポリマーの分子量をGPCによって測定した。装置としては日本分光株式会社のUV-4075(UV/VisDetector)、AS-4050(HPLC Autosampler)及びPU-4180(RHPLC Pump)、フィルターとしては東ソー株式会社のTSKgel α-M 7.8mm I.D.×30cm、溶媒としてはLiBr(10mM)を含むDMFを使用し、測定時間は50分とし、注入量は20μLとし、流速は0.6mL/minとした。
GPCの結果、ポリマーのMnが5574、Mwが20797、Mw/Mnが3.7309であった。
Figure 1 shows 1 H NMR spectra before and after the reaction (the upper side is before the reaction, the lower side is after the reaction). The apparatus used was Bruker's AVANCE-600 NMR Spectrometer, and CDCl 3 was used as the measurement solvent.
As shown in Figure 1, the monomer was consumed by the reaction and a new peak representing the polymer appeared. When the monomer consumption was determined from the integral value of the peak, the structural ratio of the purified polymer was 10.1 mol% for the NHSMA site and 89.9 mol% for the DMAEMA site.
The molecular weight of the obtained polymer was measured by GPC. The equipment was JASCO Corporation's UV-4075 (UV/VisDetector), AS-4050 (HPLC Autosampler), and PU-4180 (RHPLC Pump), and the filter was Tosoh Corporation's TSKgel α-M 7.8 mm I.D. D. x 30 cm, DMF containing LiBr (10 mM) was used as the solvent, the measurement time was 50 minutes, the injection volume was 20 μL, and the flow rate was 0.6 mL/min.
As a result of GPC, the Mn of the polymer was 5574, the Mw was 20797, and the Mw/Mn was 3.7309.
(2)メディエータ分子の導入
下記の反応スキームに従って、ベースポリマーにメディエータ分子(AzureA)を導入した。
蒸留水にポリマー(10mg/mL)とAzureA(1.72mg/mL)を溶解し、撹拌しながら室温で24時間反応させた。
AzureAの濃度は、ベースポリマー内のNHSMA部位の一部がAzureAのアミン部位と反応し、残りのNHSMA部位が未反応の状態で残存するように定めた。
Polymer (10 mg/mL) and Azure A (1.72 mg/mL) were dissolved in distilled water, and reacted with stirring at room temperature for 24 hours.
The concentration of AzureA was determined such that a portion of the NHSMA sites within the base polymer reacted with the amine sites of AzureA, and the remaining NHSMA sites remained unreacted.
図2に反応後のGPCの結果を示す。測定装置として上記と同じ装置を使用し、溶媒としてLiBr(10mM)を含むDMFを使用し、測定時間は50分とし、注入量は20μLとし、流速は0.6mL/minとし、UV-Vis測定波長は600nm(AzureAの吸収波長)とした。
図2に示すように、高分子量側に600nmでの吸光が見られ、ベースポリマーにAzureAが結合していることがわかった。
Figure 2 shows the results of GPC after the reaction. The same device as above was used as the measurement device, DMF containing LiBr (10mM) was used as the solvent, the measurement time was 50 minutes, the injection volume was 20μL, the flow rate was 0.6mL/min, and UV-Vis measurement was performed. The wavelength was 600 nm (absorption wavelength of Azure A).
As shown in FIG. 2, absorption at 600 nm was observed on the high molecular weight side, indicating that AzureA was bonded to the base polymer.
(3)電極の作製
フラビンアデニンジヌクレオチド依存性グルコースデヒドロゲナーゼ(50,000Unit)(FAD-GDH)の水溶液20μLと、PEGDGEの水溶液(10.0mg/mL)5μLと、Bis-AEEの水溶液(3.0mg/mL)5μLを混合して混合液を得た。この混合液14μLを、AzureAを導入したポリマーの溶液10μLと混合した。
(3) Preparation of electrode 20 μL of an aqueous solution of flavin adenine dinucleotide-dependent glucose dehydrogenase (50,000 Units) (FAD-GDH), 5 μL of an aqueous solution of PEGDGE (10.0 mg/mL), and an aqueous solution of Bis-AEE (3. 0mg/mL) were mixed to obtain a mixed solution. 14 μL of this mixed solution was mixed with 10 μL of a solution of the polymer into which Azure A was introduced.
得られた混合液を、あらかじめ10分間のプラズマ処理(親水化処理)を施したグラッシーカーボン電極(直径3.0mm、BAS)の端部に2.4μL滴下した。滴下は1.2μLずつ2回に分けて行った。滴下後、室温で一晩乾燥させた。このようにして作製した電極をサンプルAとした。 2.4 μL of the obtained liquid mixture was dropped onto the end of a glassy carbon electrode (diameter 3.0 mm, BAS) that had been previously subjected to plasma treatment (hydrophilic treatment) for 10 minutes. The dropping was performed in two portions of 1.2 μL each. After dropping, it was dried at room temperature overnight. The electrode thus produced was designated as sample A.
比較のため、AzureAを導入したポリマーの溶液の代わりに同量(1.72mg/mL)のAzureAの水溶液を用いたこと以外はサンプルAと同様にして電極を作製した。このようにして作製した電極をサンプルBとした。 For comparison, an electrode was produced in the same manner as Sample A except that the same amount (1.72 mg/mL) of an aqueous solution of Azure A was used instead of the solution of the polymer introduced with Azure A. The electrode thus produced was designated as sample B.
(4)電気化学測定
作製した電極を用いてサイクリックボルタンメトリーによる電気化学測定を実施した。
測定溶液として0.5Mのグルコースを含む0.1Mリン酸バッファー(pH7.0)を使用し、作用極としてサンプルA又はサンプルBの電極、対極としてPt電極、参照極としてAg/AgCl参照電極を使用した。測定装置としてはPalmsens社のMultiEmStatを使用し、測定範囲は-0.6~0.4V vs.Ag/AgClとし、掃引速度は10mV/sとした。
(4) Electrochemical measurements Electrochemical measurements were carried out by cyclic voltammetry using the prepared electrodes.
A 0.1 M phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.5 M glucose was used as the measurement solution, a sample A or sample B electrode was used as the working electrode, a Pt electrode was used as the counter electrode, and an Ag/AgCl reference electrode was used as the reference electrode. used. Palmsens' MultiEmStat was used as the measurement device, and the measurement range was -0.6 to 0.4V vs. Ag/AgCl was used, and the sweep rate was 10 mV/s.
電気化学測定の2サイクル目の結果を図3に示す。ポリマーに結合したAzureAを含むサンプルAは、ポリマーに結合していないAzureAを含むサンプルBと比較して、10倍ほど高い電流密度を示した。
電気化学測定を4回実施したときの電位-0.1Vにおける電流密度の平均値はサンプルAが258μA/cm2であり、サンプルBの19μA/cm2よりも大きかった。
The results of the second cycle of electrochemical measurements are shown in FIG. Sample A, which contained AzureA bound to a polymer, exhibited a current density approximately 10 times higher than Sample B, which contained AzureA not bound to a polymer.
The average value of the current density at a potential of -0.1 V when electrochemical measurements were performed four times was 258 μA/cm 2 for sample A, which was larger than 19 μA/cm 2 for sample B.
<カソード用電極材料>
(1)組成物の調製
ビリルビンオキシダーゼ(BOD)の0.1Mリン酸バッファー(pH7.0)溶液と、Nafion117の0.1Mリン酸バッファー(pH7.0)溶液と、架橋剤(CL)の0.1Mリン酸バッファー(pH7.0)溶液を、BOD、CL及びNafionの量(固形分)が表1の組み合わせとなるように混合して、組成物を調製した。
<Electrode material for cathode>
(1) Preparation of composition A 0.1M phosphate buffer (pH 7.0) solution of bilirubin oxidase (BOD), a 0.1M phosphate buffer (pH 7.0) solution of Nafion 117, and a 0.0% crosslinking agent (CL) solution. A composition was prepared by mixing a 1M phosphate buffer (pH 7.0) solution such that the amounts (solid content) of BOD, CL, and Nafion were in the combinations shown in Table 1.
架橋剤としては、酵素のアミノ基と反応する官能基としてエポキシ基を有するソルビトールポリグリシジルエーテル(SPGE)、酵素のアミノ基と反応する官能基としてアルデヒド基を有するグルタルアルデヒド(GA)、酵素のアミノ基と反応する官能基としてNHSエステル基を有するビス(NHS)PEG5及びビス(NHS)PEG9をそれぞれ使用した。 Examples of crosslinking agents include sorbitol polyglycidyl ether (SPGE), which has an epoxy group as a functional group that reacts with the amino group of the enzyme, glutaraldehyde (GA), which has an aldehyde group as a functional group that reacts with the amino group of the enzyme, and amino acid of the enzyme. Bis(NHS)PEG5 and bis(NHS)PEG9 having an NHS ester group as a functional group that reacts with the group were used, respectively.
(2)ガス拡散電極の作製
カーボンクロスの片面に、40%ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)分散液を均一にコーティングし、室温で30分乾燥させた。その後、370℃のオーブンで15分加熱し、室温にて冷却した。次いで、乾燥させたPTFE層の上にさらに40%PTFE分散液を均一にコーティングし、30分乾燥させた。その後、370℃のオーブンで15分加熱し、室温で冷却した。この撥水加工により、カーボンクロス上にPTFEからなるガス拡散層を形成した。
MgO鋳型炭素粒子(平均細孔径:100nm)と、バインダーとしてのPTFEと、溶媒としてのイソプロパノールを混合して、混合物を得た。この混合物(MgOCインク)を、ガス拡散カーボンクロスの撥水加工面の反対面の全体に均一に塗布し、60℃で16時間乾燥させて、多孔質の炭素粒子を含むMgOC層と、カーボンクロスと、ガス拡散層とがこの順に積層されたガス拡散電極を作製した。
作製したガス拡散電極のMgOC層に、(1)で調製した組成物を塗布し、4℃で一晩乾燥させてBODとSPGEとを反応させて酵素架橋体を形成し、電気化学測定用のガス拡散電極のサンプルを作製した。
(2) Preparation of gas diffusion electrode One side of a carbon cloth was uniformly coated with a 40% polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion and dried at room temperature for 30 minutes. Thereafter, it was heated in an oven at 370°C for 15 minutes and cooled to room temperature. Then, a further 40% PTFE dispersion was evenly coated on the dried PTFE layer and dried for 30 minutes. Thereafter, it was heated in an oven at 370°C for 15 minutes and cooled to room temperature. Through this water repellent treatment, a gas diffusion layer made of PTFE was formed on the carbon cloth.
A mixture was obtained by mixing MgO template carbon particles (average pore diameter: 100 nm), PTFE as a binder, and isopropanol as a solvent. This mixture (MgOC ink) was evenly applied to the entire surface of the gas diffusion carbon cloth opposite to the water-repellent surface, and dried at 60°C for 16 hours to form an MgOC layer containing porous carbon particles and the carbon cloth. A gas diffusion electrode was manufactured in which a gas diffusion layer and a gas diffusion layer were laminated in this order.
The composition prepared in (1) was applied to the MgOC layer of the fabricated gas diffusion electrode, and the composition was dried at 4°C overnight to react with BOD and SPGE to form an enzyme crosslinked product, which was then used for electrochemical measurements. A sample of a gas diffusion electrode was fabricated.
比較のため、BOD(3.0mg)のみを含む組成物(BOD only)と、BOD(3.0mg)とNafion(0.5mg)のみを含む組成物(BOD+Nafion)をそれぞれガス拡散電極のMgOC層に塗布し、4℃で一晩乾燥させて電気化学測定用のガス拡散電極のサンプルを作製した。 For comparison, a composition containing only BOD (3.0 mg) (BOD only) and a composition containing only BOD (3.0 mg) and Nafion (0.5 mg) (BOD + Nafion) were used in the MgOC layer of the gas diffusion electrode. A sample of a gas diffusion electrode for electrochemical measurement was prepared by coating the sample on the surface of the substrate and drying it at 4° C. overnight.
(3)電気化学測定
対極としての白金電極と、参照極としてのAg/AgCl電極と、リン酸バッファー(1M、pH7.0)を用いて、作製したガス拡散電極の電気化学測定を行った。
電気化学測定は、図4及び図5に示す構成の測定系を用いたクロノアンペロメトリー測定(CA)を0.2V、300秒の条件で実施し、測定開始から250秒経過したときの電流密度値を測定した。結果を図6に示す。
(3) Electrochemical measurements Electrochemical measurements were performed on the prepared gas diffusion electrode using a platinum electrode as a counter electrode, an Ag/AgCl electrode as a reference electrode, and a phosphate buffer (1M, pH 7.0).
For electrochemical measurements, chronoamperometry measurements (CA) were performed using a measurement system with the configuration shown in Figures 4 and 5 under conditions of 0.2 V and 300 seconds, and the current was measured 250 seconds after the start of the measurement. Density values were measured. The results are shown in FIG.
図4に電気化学測定で使用した測定系を分解した状態を示し、図5に測定系の断面図を示す。
図4に示すように、ガス拡散電極のサンプル1は、集電体としてのチタンメッシュシート2とシリコーンゴム製のスペーサ3とともに、ブロックA及びブロックBに挟まれた状態である。
FIG. 4 shows an exploded state of the measurement system used in electrochemical measurements, and FIG. 5 shows a cross-sectional view of the measurement system.
As shown in FIG. 4, the gas diffusion electrode sample 1 is sandwiched between blocks A and B together with a titanium mesh sheet 2 as a current collector and a spacer 3 made of silicone rubber.
図5に示すように、ブロックAは中央に通気孔4を有している。サンプル1は、PTFE層が通気口4と対向するように配置されている。
ブロックBは、対極5と参照極6を配置するための空間7を有している。空間7をリン酸バッファーで満たした状態で、電気化学測定が行われる。
As shown in FIG. 5, block A has a ventilation hole 4 in the center. Sample 1 is arranged such that the PTFE layer faces vent hole 4 .
Block B has a space 7 in which a counter electrode 5 and a reference electrode 6 are placed. Electrochemical measurements are performed with the space 7 filled with phosphate buffer.
図6に示すように、SPGEを用いた酵素架橋体を含むサンプルは、他のサンプルに比べて高い電流密度を示した。 As shown in FIG. 6, the sample containing the enzyme crosslinked product using SPGE showed a higher current density than the other samples.
(4)長期連続測定実験
BODの0.1Mリン酸バッファー(pH7.0)溶液と、Nafion117の0.1Mリン酸バッファー(pH7.0)溶液と、架橋剤(SPGE又はGA)の0.1Mリン酸バッファー(pH7.0)溶液を、BODが3.0mg、架橋剤が0.5mg、Nafionが0.5mg(いずれも固形分)となるように混合して組成物を調製し、(2)と同様にして電気化学測定用のガス拡散電極のサンプルを作製した。
(4) Long-term continuous measurement experiment A 0.1M phosphate buffer (pH 7.0) solution of BOD, a 0.1M phosphate buffer (pH 7.0) solution of Nafion 117, and a 0.1M crosslinking agent (SPGE or GA). A composition was prepared by mixing a phosphate buffer (pH 7.0) solution so that the BOD was 3.0 mg, the crosslinking agent was 0.5 mg, and Nafion was 0.5 mg (all solid content). ) A sample of a gas diffusion electrode for electrochemical measurements was prepared.
作製したサンプルに対し、上記(3)と同じ測定系を用いて、ポテンショスタットを用いて0.2Vにおける電流密度を測定した。測定は3日間連続して実施した。結果を図4に示す。 Using the same measurement system as in (3) above, the current density at 0.2 V was measured for the prepared sample using a potentiostat. Measurements were carried out for three consecutive days. The results are shown in Figure 4.
図7に示すように、SPGEを用いた酵素架橋体を含むサンプルは、GAを用いた酵素架橋体を含むサンプルに比べて高い電流密度を示し、かつ、高い電流密度が長期間にわたって維持されていた。 As shown in Figure 7, the sample containing the enzyme cross-linked product using SPGE showed a higher current density than the sample containing the enzyme cross-linked product using GA, and the high current density was maintained over a long period of time. Ta.
Claims (11)
前記共重合体は前記酵素とアミド基を介して結合した構造を有する構成単位と、親水基を有する構成単位と、メディエータ分子を有する構成単位と、を含む、バイオ電極材料。 Contains a copolymer and an enzyme,
The copolymer is a bioelectrode material including a structural unit having a structure bonded to the enzyme via an amide group, a structural unit having a hydrophilic group, and a structural unit having a mediator molecule.
前記アノードは請求項9に記載のバイオ電極であり、
前記カソードは下記式(1)で表される構造を有する酵素架橋体を含む、電気化学デバイス。
式(1)中、Rは酵素を示し、R’は有機基を示し、nは2以上の数である。 including an anode and a cathode;
The anode is a bioelectrode according to claim 9,
An electrochemical device, wherein the cathode includes an enzyme crosslinked product having a structure represented by the following formula (1).
In formula (1), R represents an enzyme, R' represents an organic group, and n is a number of 2 or more.
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