[發(fā)明專利]新型酶電極和使用該酶電極的燃料電池

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980115610.3
• 申請日: 2009-04-23
• 公開（公告）號: CN102017265A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發(fā)明（設計）人: 中川貴晶;汲田英之;后藤義夫;酒井秀樹;角田正也
• 申請（專利權）人: 索尼公司
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;C12N9/02;C12N15/00;H01M4/90
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 吳孟秋;梁韜

技術領域

本發(fā)明涉及酶電極。更具體地，涉及一種這樣的酶電極，其中使用起催化劑作用的酶進行氧化還原反應，且被改良以實現更高的輸出，還涉及使用該酶電極以實現更高輸出的燃料電池。

背景技術

近年來，因為可有效地從燃料(如不易與常規(guī)工業(yè)催化劑反應的葡萄糖和乙醇)中提取電子，所以具有固定在負極和正極中至少一個電極上用作催化劑的氧化還原酶的燃料電池(以下稱為“生物燃料電池”)，作為下一代具有高容量和安全性的燃料電池，已備受關注。

用圖5描述了一般的生物燃料電池的反應方案。在圖5所示的使用葡萄糖作為燃料的生物燃料電池中，葡萄糖的氧化反應在負極處進行(圖5(a))，而大氣中的氧(O₂)的還原反應在正極處進行(圖5(b))。

對電子流詳細說明如下。在負極處，電子以如下順序連續(xù)轉移到葡萄糖、葡萄糖脫氫酶、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)、心肌黃酶、電子轉移介質、然后轉移到電極(碳)。

相反，在正極處，從負極釋放的電子以如下順序連續(xù)轉移到電極(碳)，電子轉移介質，然后到膽紅素氧化酶(BOD)，且用電子和從外部供應的氧氣進行還原反應從而產生電能。

雖然這樣的生物燃料電池作為高度安全的燃料電池而引起了注意，但是它們具有如下問題，即，比其它燃料電池輸出低。因此，最近研究了制造具有高輸出的生物燃料電池(如參考PTL?1和PTL2)。

例如，根據PTL?1中所述的生物燃料電池，電極由具有多孔結構的導電元件(金屬、導電聚合物、金屬氧化物、碳材料等)構成，并且酶、電子轉移介質等被固定在孔中，從而提高每塊有效面積的載酶密度并提高電流密度。

根據PTL?2中所述的生物燃料電池，陰極由諸如碳的多孔材料以及固定在其上的酶和電子轉移介質構成，并且陰極的至少一部分設置為與氣相的用作反應基質的空氣或氧氣接觸，因此可充分發(fā)揮高電極特性。

除了通過修改電極結構來實現較高輸出的技術，還有通過改變固定在電極上的酶自身使燃料電池實現較高輸出的技術。例如，PTL3公開了通過脫氫酶和心肌黃酶的融合制備蛋白質，且該融合蛋白質固定在負極上從而有效地執(zhí)行從基質到電極的電子轉移反應，且因此使得生物燃料電池具有較高輸出。

而且，PTL?4公開了如下技術，即，通過在電極上固定通過結合兩種或多種不同類型的酶蛋白質構成的結合蛋白質，從而由于形成結合蛋白質的兩種類型的酶蛋白質之間相對距離小，有效執(zhí)行從基質到電極的電子轉移反應，使得生物燃料具有較高輸出。

應該注意，為了提高生物燃料電池的輸出，必須提高待固定在電極上的酶和反應基質(具體地，電子轉移介質)之間的反應效率。酶和反應基質之間的反應由親和性(Km)和反應速度(kcat)表達，且這兩個參數是通過酶與反應基質的組合確定的，因此，必須尋找彼此兼容的酶和反應基質(具體地，電子轉移介質)。

然而，為了提高生物燃料電池的輸出，需要在由電子轉移介質等決定的電勢保持在高水平下而獲得高電流；因此，在目前的情況下，酶和反應基質的組合受到限制，且輸出值受到限制。

引用文獻列表

專利文獻

PTL?1：日本未審查專利申請公開第2006-234788號

PTL?2：日本未審查專利申請公開第2006-93090號

PTL?3：日本未審查專利申請公開第2007-163185號

PTL?4：日本未審查專利申請公開號第2006-163268號

發(fā)明內容

技術問題

如上所述，已經從各種角度開發(fā)了提高生物燃料電池輸出的技術，但獲得電能的生物燃料電池的基本原理都是基于電極上的氧化還原反應；因此，不提高反應基質和電極上的酶之間的反應效率就不能獲得根本的解決方案。

因此，本發(fā)明的主要目的是人工提高固定在生物燃料電池電極上的反應基質和酶之間的兼容性，以便提高電極上的反應效率，因此使得生物燃料電池能夠實現更高輸出。

技術方案

問題的解決方案

本申請的發(fā)明人進行了廣泛研究以便提高電極上的反應基質和酶之間的反應效率從而實現前述目的，結果，通過關注酶和反應基質之間的靜電相互作用、親水性和疏水性相互作用而成功地人工提高了酶和反應基質之間的兼容性，并做出本發(fā)明。

首先本發(fā)明提供了酶電極，其中利用作為催化劑的酶進行氧化還原反應，且通過將對至少一個特定的氨基酸殘基進行編碼的密碼子加入或插入到對酶進行編碼的堿基序列中來改變酶，從而提高與反應基質或電子轉移介質的親和性和/或反應速度，并固定該酶。