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電極触媒及び酵素電極 外国出願あり

国内特許コード P140010317
整理番号 1508
掲載日 2014年2月24日
出願番号 特願2006-240867
公開番号 特開2008-064514
登録番号 特許第4756601号
出願日 平成18年9月5日(2006.9.5)
公開日 平成20年3月21日(2008.3.21)
登録日 平成23年6月10日(2011.6.10)
発明者
  • 梶野 勉
  • 瀬戸山 徳彦
  • 上村 恵子
  • 加藤 久雄
  • 加納 健司
  • 辻村 清也
  • 櫻井 武
  • 片岡 邦重
出願人
  • 株式会社豊田中央研究所
  • トヨタ自動車株式会社
  • 国立大学法人京都大学
  • 国立大学法人金沢大学
発明の名称 電極触媒及び酵素電極 外国出願あり
発明の概要 【課題】電子伝達効率が高い酸化酵素からなる新規な電極触媒、及びこれを用いた酵素電極を提供すること。
【解決手段】CueOからなる電極触媒。カーボン多孔体と、前記カーボン多孔体の表面に担持されたCueOからなる電極触媒とを備えた酵素電極。CueOは、大腸菌由来CueOが好ましい。酵素電極を構成するカーボン多孔体は、カーボンゲルが好ましい。また、酵素電極は、前記カーボン多孔体-前記CueO間の電子の授受を促進するメディエータをさらに備えているのが好ましい。
【選択図】図2
従来技術、競合技術の概要


酵素は、生体内の化学反応(代謝)を進行させる生体触媒であり、タンパク質を基本構造とする。酵素は、タンパク質のみからなるものもあるが、その多くは、触媒活性を発現させ又は触媒活性を高めるために、タンパク質以外の成分(補因子)を必要とする。
酵素は、
(1)常温、常圧付近の穏和な条件で触媒作用を示し、
(2)特定の基質(酵素によって作用を受ける物質)にのみ作用する「基質特異性」と、特定の化学反応に対して触媒作用を示し、副反応を起こさない「反応特異性」とを併せ持つ、
という特徴がある。
酵素の中でも、生体内の酸化還元を触媒する酵素を「酸化還元酵素(オキシドレドクターゼ)」という。また、酸素を電子受容体として基質を酸化させる酵素を特に「酸化酵素(オキシダーゼ)」といい、基質を還元させる酵素を特に「還元酵素(レダクターゼ)」という。電極表面にある種の酸化還元酵素を固定すると、酵素の触媒作用によって電極上で特定の酸化還元反応のみが選択的に進行し、酸化還元反応による物質の変化を電極により電気信号に変換することができる。このような電極は「酵素電極」と呼ばれており、各種のバイオセンサー、燃料電池などの電極に利用されている。



酵素を電極触媒として用いるためには、これを適当な担体表面に固定する必要がある。しかしながら、酵素は、一般に水溶性であるので、使用中に酵素が流出しやすいという問題がある。
また、酵素は、基質が特異的に結合し、触媒作用を受ける部位(活性中心)を持っている。活性中心は、複雑な立体構造を有するタンパク質の奥深いところに埋もれていることが多いので、電極との間で直接、電子の授受を行うのが難しい。このような場合には、通常、酵素の活性部位まで侵入し、酵素と電子の受け渡しを行い、電極まで電子を運ぶ低分子物質が併用される。このような低分子物質は、「メディエータ」と呼ばれている。しかしながら、酵素/メディエータ間の電子移動速度は、それぞれの分子運動に依存するため、必ずしも十分ではなく、酵素電極の電流密度を制限する要因となる可能性があった。



そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、炭素原子及び窒素原子により骨格が形成されている含窒素炭素系材料からなる多孔体と、多孔体に担持されている酸化還元酵素とを備えた含窒素炭素系複合材料が開示されている。
同文献には、
(1) 含窒素炭素系材料は細孔表面に極性点が点在するため、これに酸化還元酵素を担持させると、タンパク質表面の親水基との間で水素結合等の新たな結合が生じ、タンパク質と担体との結合が強められる点、及び、
(2) 担体に担持させる酸化還元酵素として、ラッカーゼ、ジアホラーゼ、リポキシアミドデヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ(他の糖を基質とするオキシダーゼを含む)、グルコースデヒドロゲナーゼ(他の糖を基質にするデヒドロゲナーゼを含む)が挙げられる点、
が記載されている。



また、特許文献2には、導電性部材と、酵素と、第1及び第2のメディエータとを有する酵素電極であって、第1のメディエータと第2のメディエータとが担体によって、導電性部材に固定化され、かつ第1のメディエータと第2のメディエータとは、互いに酸化還元電位が異なる酵素電極が開示されている。
同文献には、
(1) このような構成を採用することによって、導電性部材の実効表面積当たりの酵素担持密度を高くすることが可能となる点、
(2) 酵素との間で高速の電子移動を行うことが可能な第1のメディエータに加えて、第1のメディエータと導電性部材間の電荷輸送を行う第2のメディエータをさらに使用することによって、酵素と高速の電子移動を行うことが可能になる点、及び
(3) 酵素として、グルコースオキシダーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、ピルビン酸オキシダーゼ、D-またはL-アミノ酸オキシダーゼ、アミンオキシダーゼ、コレステロールオキシダーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼ、チトクロムオキシダーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、グルタミン酸デヒドロゲナーゼ、コレステロールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ソルビトールデヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、リンゴ酸デヒドロゲナーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ,17Bヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、エストラジオール17Bデヒドロゲナーゼ、アミノ酸デヒドロゲナーゼ、グリセリルアルデヒド3-リン酸デヒドロゲナーゼ、3-ヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼ、カタラーゼ、ペルオキシダーゼ、グルタチオンレダクターゼ、NADH-チトクロムb5レダクターゼ、NADPH-アドレノキシンレダクターゼ、チトクロムb5レダクターゼ、アドレノドキシンレダクターゼ、硝酸レダクターゼが挙げられる点、
が記載されている。



【特許文献1】
特開2005-343775号公報
【特許文献2】
特開2006-058289号公報

産業上の利用分野



本発明は、電極触媒及び酵素電極に関し、さらに詳しくは、バイオセンサー、燃料電池などの各種電気化学デバイスの電極として用いられる酵素電極、及び酵素電極に用いられる電極触媒に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
大腸菌由来CueOからなる電極触媒。

【請求項2】
カーボン多孔体と、
前記カーボン多孔体の表面に担持された大腸菌由来CueOからなる電極触媒と
を備えた酵素電極。

【請求項3】
前記カーボン多孔体は、以下の(イ)及び(ロ)の条件を満たすカーボンゲルである請求項2に記載の酵素電極。
(イ)スキャン領域2θ=0.5~10°(CuKα線)においてX線回折ピークが認められない。
(ロ)吸脱着等温線から計算された細孔径分布において、
分布ピークトップの細孔径値(d)が2nm以上10nm未満の範囲に存在する場合には、前記細孔径値(d)に対してd±2nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれており、
分布ピークトップの細孔径値(D)が10nm以上50nm以下の範囲に存在する場合には、前記細孔径値(D)に対して(0.75×D)~(1.25×D)nmの細孔径領域に全細孔容量の60%以上が含まれる。

【請求項4】
前記カーボン多孔体-前記CueO間の電子の授受を促進するメディエータをさらに備えた請求項2又は3に記載の酵素電極。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2006240867thum.jpg
出願権利状態 登録
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