燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体、酵素反応利用装置、タンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体
【課題】電極に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体の溶出を防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる燃料電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成されるバイオ燃料電池において、負極を、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、この炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極により構成する。炭素として炭素粒子、炭素シートまたは炭素ファイバーを用いる。炭素粒子としては、バイオカーボン、ケッチェンブラック、活性炭などを用いる。この炭素に酵素反応に必要な酵素を、必要に応じてピレン誘導体などを介して固定化させてもよい。
【解決手段】正極と負極とがプロトン伝導体を介して対向した構造を有し、酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成されるバイオ燃料電池において、負極を、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、この炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極により構成する。炭素として炭素粒子、炭素シートまたは炭素ファイバーを用いる。炭素粒子としては、バイオカーボン、ケッチェンブラック、活性炭などを用いる。この炭素に酵素反応に必要な酵素を、必要に応じてピレン誘導体などを介して固定化させてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体、酵素反応利用装置、タンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体に関する。より詳細には、本開示は、例えば、燃料または基質としてグルコースを用いるバイオ燃料電池、バイオセンサー、バイオリアクターなど、あるいはバイオ燃料電池を電源に用いた各種の電子機器に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素には、基質特異性が高くバイオセンサーに適している酵素や、多段階の酵素反応を利用する燃料電池（バイオ燃料電池）に適している高活性の酵素などがある（例えば、特許文献１〜１２参照。）。
【０００３】
バイオセンサー、バイオ燃料電池、バイオリアクターなどにおいて、電極や担体にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを固定化する試みが従来より行われている。例えば、ＮＡＤ+ の誘導体を共有結合によりセファロースなどの担体へ結合させることが提案されている（特許文献１３参照。）。また、ＮＡＤ+ およびＮＡＤＨをセルロースアセテートなどの０．１〜１０μｍの細孔サイズの多孔性高分子に吸着させたバイオリアクターが提案されている（特許文献１４参照。）。また、ＮＡＤ誘導体をポリアクリルアミドゲルに結合させることが報告されている（非特許文献１参照。）。また、ＮＡＤ+ 誘導体を電極に共有結合させることが報告されている（非特許文献２参照。）。また、ナノ粒子シリカをエッチングし、ＮＡＤ+ 誘導体を共有結合させることが報告されている（非特許文献３参照。）。また、ＮＡＤ+ 誘導体をキトサンに共有結合し、バイオセンサーに応用することが報告されている（非特許文献４参照。）。また、アルキル化によるポリマーへのＮＡＤＨの共有結合による固定化が報告されている（非特許文献５参照。）。また、メソポーラスシリカへのＮＡＤＨの共有結合による固定化が報告されている（非特許文献６参照。）。さらに、カーボンナノチューブにＮＡＤ+ を吸着させて固定化し、バイオセンサーに応用することが報告されている（非特許文献７参照。）。
【０００４】
また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに各種の官能基を付加することにより、アミド結合などの様々なカップリング反応を応用してニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを電極に固定化する検討が行われている（非特許文献１〜６参照。）。
【０００５】
なお、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化に関するものではないが、２〜５０ｎｍの平均細孔径を有するカーボン多孔体とこのカーボン多孔体に担持された酸化還元酵素とを備えた電極材料を備えたバイオセンサーおよび燃料電池が提案されている（特許文献１５参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１３３２９７号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２１２４号公報
【特許文献３】特開２００４−７１５５９号公報
【特許文献４】特開２００５−１３２１０号公報
【特許文献５】特開２００５−３１０６１３号公報
【特許文献６】特開２００６−２４５５５号公報
【特許文献７】特開２００６−４９２１５号公報
【特許文献８】特開２００６−９３０９０号公報
【特許文献９】特開２００６−１２７９５７号公報
【特許文献１０】特開２００６−１５６３５４号公報
【特許文献１１】特開２００７−１２２８１号公報
【特許文献１２】特開２００７−３５４３７号公報
【特許文献１３】特開平５−３２８９９６号公報
【特許文献１４】特開平８−３０４３２９号公報
【特許文献１５】特開２００７−２１８７９５号公報
【特許文献１６】特開２００８−２７３８１６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】"Application of polylysine bound succinyl-NA to a membrane reactor",Yamazaki,Y.,Maeda,H.,Suzuki,H,Biotechnol.Bioeng 1976.,18(12),1761-1775
【非特許文献２】"NAD+ -Dependent Enzyme Electrodes:Electrical Contact of Cofactor-Dependent Enzymes and Electrodes",Amos Bardea,Eugenii Katz,Andreas F.Bulckmann and Itamar Willner,J.Am.Chem.Soc.1997,119,9114-9119
【非特許文献３】" Nanoparticle-supported multi-enzyme biocatalysis with in situ cofactor Regeneration",Wenfang Liu,Songping Zhang and Ping Wang,Journal of Biotechnology 139(2009)102-107
【非特許文献４】" Coimmobilization of Dehydrogenases and Their Cofactors inElectrochemical Biosensors",Maogen Zhang,Conor Muller and Waldemar Gorski,Anal.Chem.2007,79,2446-2450
【非特許文献５】"A Simple Procedure for Covalent Immobilization of NADH in a Soluble and Enzymically Active Form",Carl W. Fuller,Joyce Rachel Rubin, and Harold J. Bright, Eur. J. Biochem.103, 421-430(1980)
【非特許文献６】"Enabling Multienzyme Biocatalysis Using Nanoporous Materials",Bilal E1-Zahab,Hongfei Jia, Ping Wang,Biotechnol.Bioeng.2004,87(2),178-183
【非特許文献７】" Noncovalent Attachment of NAD + Cofactor onto Carbon Nanotubes for Preparation of Integrated Dehydrogenase-Based Electrochemical Biosensors",Haojie Zhou,Zipin Zhang,Ping Yu,Lei Su,Takeo Ohsaka and Lanqun Mao,Langmuir 2010,26(8),6028-6032
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１３、１４および非特許文献１〜７の方法によっても、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化は不十分であり、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することはできない。このため、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出により、バイオセンサー、バイオ燃料電池、バイオリアクターなどの性能劣化が生じてしまう。
【０００９】
また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに各種の官能基を付加する引用文献１〜６の方法は、これらの官能基の付加により酵素の基質反応性が著しく損なわれてしまうという新たな問題が発生するため、得策でない。
【００１０】
以上のような理由により、バイオセンサーに有効な、基質特異性が高いニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素や、バイオ燃料電池で有効な、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素群や、バイオセンサーとバイオ燃料電池との双方で有効なニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする高活性な酵素などの利用が避けられてきたのが実情である。
【００１１】
また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素を用いたバイオリアクターにおいては、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドは比較的高価であるにもかかわらず、毎時反応ごとに新規もしくは再精製したものを添加しなければならず、高コストとなる。
【００１２】
そこで、本開示が解決しようとする課題は、電極に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体あるいは酵素の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる燃料電池およびその製造方法を提供することである。
【００１３】
本開示が解決しようとする他の課題は、上記の優れた燃料電池を用いた高性能の電子機器を提供することである。
【００１４】
本開示が解決しようとするさらに他の課題は、燃料電池、バイオセンサー、バイオリアクターなどの酵素反応利用装置に用いて好適なニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を提供することである。
【００１５】
本開示が解決しようとするさらに他の課題は、電極または担体に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体あるいは酵素の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる酵素反応利用装置を提供することである。
【００１６】
本開示が解決しようとするさらに他の課題は、電極または担体に固定化した酵素などのタンパク質の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができるタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体を提供することである。
【００１７】
上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述によって明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、ナノメートルサイズの極微小の細孔を表面に有する炭素を用いることにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを酵素などとの反応性を高く保持したまま、強固に固定化することができ、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することができることを見出した。さらに鋭意検討を行った結果、炭素の代わりに、炭素と類似の性質を有する無機化合物や他の無機化合物を用いても、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを酵素などとの反応性を高く保持したまま、強固に固定化することが可能であり、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することができるという結論に至った。
【００１９】
さらに検討を行った結果、ナノメートルサイズの極微小の細孔を表面に有する炭素を用い、この炭素にピレン誘導体などの特定の化合物を介して酵素などのタンパク質を結合することにより、タンパク質を活性、より一般的には機能を高く保持したまま、強固に固定化することができ、タンパク質の溶出を有効に防止することができることも見出した。
【００２０】
すなわち、上記課題を解決するために、本開示は、
正極と、
負極と、
上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなる燃料電池である。
【００２１】
また、本開示は、
正極と、負極と、上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有する燃料電池を製造する場合に、
上記負極として、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有する電極を用い、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を固定化する工程を有する燃料電池の製造方法である。
【００２２】
また、本開示は、
一つまたは複数の燃料電池を有し、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と、
負極と、
上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるものである電子機器である。
【００２３】
本開示において、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドはＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの誘導体はニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ+ ／ＮＡＤＰＨ）のほか、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドのアデニン骨格の窒素（Ｎ）にアミンやカルボン酸などの化学修飾を行ったものなどである。例えば、ＮＡＤ+ とＮＡＤＰ+ とでは、分子量がそれぞれ６６３、７４４であるので、両者の大きさはほぼ同じである。その他の誘導体は官能基が小さいため、ＮＡＤ+ との差はより少ないと考えられる。ＮＡＤ+ 自体も元々、骨格内にリン酸基を二つ持っているため、ＮＡＤＰ+ になっても電荷は変わるが、炭素または無機化合物の表面との化学的相互作用は大きく変化しないと考えられる。
【００２４】
炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体をより確実に固定化し、さらに酵素との反応性を高く保持するために、好適には、炭素および／または無機化合物の表面は、大きさ（細孔径）が２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔に加えて、大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔をさらに有する。より好適には、炭素および／または無機化合物の表面は、大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を有する。
【００２５】
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素としては、例えば、炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一種類を用いることができる。炭素粒子は、例えば、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含むが、これら以外のものであってもよい。活性炭には、例えば、カシ炭、クヌギ炭、スギ炭、ナラ炭、ヒノキ炭などの木炭や、ゴム炭、竹炭、オガ炭、ヤシ殻炭などが含まれる。カーボンブラックには、ファーネスブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラックなどが含まれる。バイオカーボンは、ケイ素（シリコン）の含有率が５重量％以上である植物由来の材料を原料とし、窒素ＢＥＴ法による比表面積の値が１０ｍ2 ／ｇ以上、ケイ素の含有率が１重量％以下、ＢＪＨ法およびＭＰ法による細孔の容積が０．１ｃｍ3 ／ｇ以上である多孔質炭素材料である（特許文献１６参照。）。
【００２６】
無機化合物は、例えば、各種の金属やケイ素（Ｓｉ）などを含む化合物であり、典型的には、酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、硫酸塩、リン酸塩および塩化物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である。金属としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、セリウム（Ｃｅ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）、インジウム（Ｉｎ）、リチウム（Ｌｉ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。酸化物としては、例えば、二酸化ケイ素（シリカ）（ＳｉＯ2 ）、酸化アルミニウム（アルミナ）（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2 ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2 ）、酸化ニオブ（ＮｂＯ）、酸化バナジウム（Ｖ2 Ｏ5 、Ｖ2 Ｏ3 、ＶＯ2 ）、酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）、酸化スズ（ＳｎＯ2 ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ガリウム（Ｇａ2 Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化インジウム（ＩｎＯ2 ）、酸化リチウム（Ｌｉ2 Ｏ）、酸化銅（Ｃｕ2 Ｏ、ＣｕＯ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ2 ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。窒化物としては、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化リチウム（ＬｉＮ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。炭化物としては、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＨｆＣ（炭化ハフウニウム）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化クロム（ＣｒＣ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。硫化物としては、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。硫酸塩としては、例えば、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ4 ）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。リン酸塩としては、例えば、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ4 ）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。塩化物として、例えば、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3 ）、塩化銅（ＣｕＣｌ2 ）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。これらの無機化合物の中でも、好適には、例えば、固体酸（表面が酸性を示す固体物質）の性質を有するもの、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｖ2 Ｏ5 、ＺｎＳ、ＮｉＳＯ4 、ＡｌＰＯ4 、ＡｌＣｌ3 などが用いられる。これらの無機化合物は、静電相互作用、極性、ファンデルワールス力などによるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体との結合性は炭素と類似しており、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体の吸着が可能である。これらの無機化合物には導電性のものと非導電性のものとがあるが、非導電性であっても、電極に最終的に電子を受け渡すのは電子メディエーターであるため、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体や酵素をこの無機化合物に保持し、電子メディエーターによって電極に電子を受け渡すことができる。
【００２７】
電極の材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、インジウム（Ｉｎ）、イリジウム（Ｉｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）およびハフニウム（Ｈｆ）からなる群より選ばれた少なくとも一種類の金属の単体または合金を用いることができる。電極の材料としては、そのほかに、アルメル、黄銅（真鍮）、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅などの合金、ポリアセチレンなどの導電性高分子、カーボンフェルト、カーボンペーパー、炭素繊維または炭素微粒子の積層体などのカーボン系材料、ＨｆＢ2 、ＮｂＢ、ＣｒＢ2 およびＢ4 Ｃなどのホウ化物、ＴｉＮ、ＺｒＮなどの窒化物、ＶＳｉ2 、ＮｂＳｉ2 、ＭｏＳｉ2 、ＴａＳｉ2 などのケイ化物、ならびにこれらの複合材料などを用いることができる。
【００２８】
必要に応じて、電極の全体を大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物により構成してもよい。電極の全体を大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物により構成する場合には、結着剤として例えばポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフッ素原子を含むポリマーおよびこれらの共重合体やこれらのモノマーとエチレンやスチレンなどとの共重合体のポリマーを用いてもよい。さらに、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリマーのほか、ポリアクリル酸、ポリリジン、カルボキシメチルセルロースなどの親水性ポリマー、ポリアニリン、ポリピロールおよびそれらの誘導体であるポリアニリンスルホン酸などの導電性ポリマーを用いてもよい。また、これらのポリマーをブレンドして用いてもよい。
【００２９】
燃料としては、グルコースなどの種々のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。グルコース以外の燃料としては、例えば、クエン酸回路に関与する各種の有機酸や、ペントースリン酸回路および解糖系に関与する糖および有機酸などが挙げられる。クエン酸回路に関与する各種の有機酸は、乳酸、ピルビン酸、アセチルＣｏＡ、クエン酸、イソクエン酸、αケトグルタル酸、スクシニルＣｏＡ、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、オキサロ酢酸などである。ペントースリン酸回路および解糖系に関与する糖および有機酸は、グルコース６リン酸、６ホスホグルコノラクトン、６ホスホグルコン酸、リブロース５リン酸、グリセルアルデヒド３リン酸、フルクトース６リン酸、キシルロース５リン酸、セドヘプツロース７リン酸、エリトロース４リン酸、ホスホエノールピルビン酸、１，３ビスホスホグリセリン酸、リボース５リン酸などである。燃料としては、メタノールやエタノールなどのアルコールを用いてもよい。
【００３０】
これらの燃料は、典型的には、これらの燃料をリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの従来公知の緩衝液に溶かした燃料溶液の形で用いる。
【００３１】
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有する電極の炭素および／または無機化合物には、典型的には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を補酵素とする一種または複数種の酵素が固定化される。これらの酵素ならびにニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を用いて燃料から電子が取り出される。これらの酵素は、典型的には、グルコースなどの燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素を含み、さらに、燃料の酸化に伴って還元された補酵素を酸化体に戻すとともに電子メディエーターを介して電子を負極に渡す補酵素酸化酵素を含む。具体的には、好適には、これらの酵素は、グルコースなどの燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素と、この酸化酵素によって還元される補酵素を酸化体に戻す補酵素酸化酵素とを含む。この補酵素酸化酵素の作用により、補酵素であるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが酸化体に戻るときに電子が生成され、補酵素酸化酵素から電子メディエーターを介して負極に電子が渡される。例えば燃料としてグルコースを用いる場合、酸化酵素としては例えばグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（特に、ＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ）が、補酵素酸化酵素としては例えばジアホラーゼ（ＤＩ）が用いられる。
【００３２】
上記の炭素および／または無機化合物に酵素を固定化する場合には、酵素をより強固に固定化する観点より、好適には、炭素および／または無機化合物と結合する部位と酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を用い、この酵素固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物に結合させる。この酵素固定化用化合物は、典型的には、炭素および／または無機化合物の表面の細孔の内部における炭素および／または無機化合物に結合する。この酵素固定化用化合物としては従来公知の種々の化合物を用いることができ、必要に応じて選ばれる。このように酵素固定化用化合物を介して酵素を炭素および／または無機化合物に結合させることは、酵素から炭素および／または無機化合物への直接電子移動にも効果的である。
【００３３】
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有する電極の炭素および／または無機化合物には、典型的には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、電子メディエーターが、酵素などとの反応性を高く保持したまま固定化される。電子メディエーターとしては基本的にはどのようなものを用いてもよいが、好適には、キノン骨格を有する化合物が用いられ、具体的には、例えば、２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン（Ｑ０）や、ナフトキノン骨格を有する化合物、例えば、２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）、２−アミノ−３−メチル−１，４−ナフトキノン（ＡＭＮＱ）、２−メチル−１，４−ナフトキノン（ＶＫ３）、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）、ビタミンＫ１などの各種のナフトキノン誘導体が用いられる。キノン骨格を有する化合物としては、例えば、アントラキノンやその誘導体を用いることもできる。電子メディエーターには、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物以外に、電子メディエーターとして働く一種または二種以上の他の化合物を含ませてもよい。
【００３４】
正極に酵素が固定化される場合、この酵素は、典型的には酸素を還元する酵素を含む。この酸素を還元する酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどを用いることができる。この場合、正極には、好適には、酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどを用いる。電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で０．６４×１０-6ｍｏｌ／ｍｍ2 以上固定化する。
【００３５】
プロトン伝導体としては種々のものを用いることができ、必要に応じて選択されるが、具体的には、例えば、セロハン、パーフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳ）系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、ＰＳＳＡ−ＰＶＡ（ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体）や、ＰＳＳＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体）、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂（ナフィオン（商品名、米国デュポン社）など）などからなるものが挙げられる。
【００３６】
プロトン伝導体として緩衝液（緩衝物質）を含む電解質を用いる場合には、高出力動作時に十分な緩衝能を得ることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができるようにするのが望ましい。このために、電解質に含まれる緩衝物質の濃度を０．２Ｍ以上２．５Ｍ以下にすることが有効であり、好適には０．２Ｍ以上２Ｍ以下、より好適には０．４Ｍ以上２Ｍ以下、さらに好適には０．８Ｍ以上１．２Ｍ以下とする。緩衝物質は、一般的には、ｐＫa が６以上９以下のものであれば、どのようなものを用いてもよいが、具体例を挙げると、リン酸二水素イオン（Ｈ2 ＰＯ4 - ）、２−アミノ−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール（略称トリス）、２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、カコジル酸、炭酸（Ｈ2 ＣＯ3 ）、クエン酸水素イオン、Ｎ−（２−アセトアミド）イミノ二酢酸（ＡＤＡ）、ピペラジン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２−エタンスルホン酸）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−アミノエタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、３−（Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−２−エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−３−プロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳ）、Ｎ−［トリス（ヒドロキシメチル）メチル］グリシン（略称トリシン）、グリシルグリシン、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）グリシン（略称ビシン）などである。リン酸二水素イオン（Ｈ2 ＰＯ4 - ）を生成する物質は、例えば、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ2 ＰＯ4 ）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ2 ＰＯ4 ）などである。緩衝物質としてはイミダゾール環を含む化合物も好ましい。イミダゾール環を含む化合物は、具体的には、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体（ヒスチジン、１−メチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、イミダゾール−２−カルボン酸エチル、イミダゾール−２−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−４−カルボン酸、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、イミダゾール−１−イル−酢酸、２−アセチルベンズイミダゾール、１−アセチルイミダゾール、Ｎ−アセチルイミダゾール、２−アミノベンズイミダゾール、Ｎ−（３−アミノプロピル) イミダゾール、５−アミノ−２−（トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、４−アザベンズイミダゾール、４−アザ−２−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、１−ベンジルイミダゾール、１−ブチルイミダゾール）などである。必要に応じて、これらの緩衝物質に加えて、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、酢酸（ＣＨ3 ＣＯＯＨ）、リン酸（Ｈ3 ＰＯ4 ）および硫酸（Ｈ2 ＳＯ4 ）からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸を中和剤として加えてもよい。こうすることで、酵素の活性をより高く維持することができる。緩衝物質を含む電解質のｐＨは、好適には７付近であるが、一般的には１〜１４のいずれであってもよい。
【００３７】
正極の電極材料としては各種のものを用いることができるが、例えば、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパーなどのカーボン系材料が用いられる。電極の材料としては、多孔体材料からなる骨格と、この骨格の少なくとも一部の表面を被覆する、カーボン系材料を主成分とする材料とを含む多孔体導電材料を用いることもできる（特許文献１２参照。）。
【００３８】
この燃料電池はおよそ電力が必要なものすべてに用いることができ、大きさも問わないが、例えば、電子機器、移動体（自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船など）、動力装置、建設機械、工作機械、発電システム、コージェネレーションシステムなどに用いることができ、用途などによって出力、大きさ、形状、燃料の種類などが決められる。
【００３９】
電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器（携帯情報端末機（ＰＤＡ）など）、ロボット、パーソナルコンピュータ（デスクトップ型、ノート型の双方を含む）、ゲーム機器、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。
【００４０】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極である。
【００４１】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている担体からなるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体である。
【００４２】
このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体は、医薬品や化粧品などの製造を含む各種の用途に用いることができる。すなわち、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体をバイオリアクターに用いて医薬品や化粧品などを製造してもよいし、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体そのものを成分に用いて医薬品や化粧品などを製造してもよい。このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体は、具体的には、例えば、経口薬、インプラント、体外における血液製剤の調剤などに用いることができる。ＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨを基質とする酸化還元酵素は非常に多いため、それらの酵素の欠乏した患者に対しては、酵素およびＮＡＤＨの両方を活性を保ったまま表面に保持させた、細孔を有する炭素または無機化合物が効果的にかつ持続的に機能する。例えば、アセトアルデヒド脱水素酵素およびＮＡＤ+ の両方を活性を保ったまま表面に保持させた、細孔を有する炭素または無機化合物は、アルコール中毒の解毒に使用することが可能である。また、アルツハイマー病に対してはＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨそのものが効果的であることが知られているため、アルツハイマー病の患者の治療に用いることができる。
【００４３】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されているニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を有する酵素反応利用装置である。
【００４４】
この酵素反応利用装置は、例えば、燃料電池（バイオ燃料電池）、バイオセンサーまたはバイオリアクターである。
【００４５】
上記のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体および酵素反応利用装置においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法に関連して説明したことが成立する。ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体においては、細孔を表面に有する材料は導電性であっても非導電性であってもよい。
【００４６】
上記のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体においては、必要に応じて、上記炭素および／または無機化合物に様々な電荷（正および／または負）または反応性を有する少なくとも一種類の官能基を付与することができる。
【００４７】
さらに、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にタンパク質が固定化されている電極からなるタンパク質固定化電極である。
【００４８】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にタンパク質が固定化されている担体からなるタンパク質固定化担体である。
【００４９】
上記のタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体は種々の用途に用いることができる。タンパク質は、基本的にはどのようなものであってもよいが、例を挙げると、酵素、抗体、ホルモン、アルブミン、蛍光タンパク質（ＧＦＰ、ＲＦＰなど）、ケラチン、コラーゲン、アクチン、ミオシンなどである。
【００５０】
タンパク質として酵素を用いた場合には、タンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体はそれぞれ酵素固定化電極および酵素固定化担体となる。酵素固定化電極は、例えば、燃料電池の負極やバイオセンサーの電極などに用いることができる。また、酵素固定化担体は、例えば、バイオリアクターに用いることができる。これらのタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体においては、タンパク質をより強固に固定化する観点より、好適には、炭素および／または無機化合物と結合する部位とタンパク質と結合する部位とを有するタンパク質固定化用化合物を用い、このタンパク質固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物に結合させる。このタンパク質固定化用化合物は、典型的には、炭素および／または無機化合物の表面の細孔の内部における炭素および／または無機化合物に結合する。このようにタンパク質固定化用化合物を介してタンパク質を炭素および／または無機化合物に結合させることは、タンパク質から炭素および／または無機化合物への直接電子移動にも効果的である。
【００５１】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にペプチドが固定化されている電極からなるペプチド固定化電極である。
【００５２】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にペプチドが固定化されている担体からなるペプチド固定化担体である。
【００５３】
上記のペプチド固定化電極およびペプチド固定化担体は種々の用途に用いることができる。ペプチドは、基本的にはどのようなものであってもよい。これらのペプチド固定化電極およびペプチド固定化担体については、その性質に反しない限り、上記のタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体に関連して説明したことが成立する。
【００５４】
上記のタンパク質固定化電極、タンパク質固定化担体、ペプチド固定化電極およびペプチド固定化担体は、例えば、下記のような種々の用途に適用することができる。
・タンパク質およびペプチドの化学的、生物学的特長を保持することが可能となり、さらに保持量を制御することも可能である。
・タンパク質として酵素を用いたタンパク質固定化電極をバイオ燃料電池またはバイオセンサーに用いた場合には、酵素の使用量の低減を図ることが可能となり、さらに繰り返し特性などの安定性の向上を図ることも可能となる。
・あらかじめナノ細孔に吸着物を含む炭素および／または無機化合物にタンパク質を固定化することにより、吸着物の溶出を抑制することができ、これによって、例えばバイオ燃料電池においては、吸着物としての電子メディエーターや補酵素（ＮＡＤＨなど）の使用量の低減を図ることが可能となる。
・高価なポリ−Ｌ−リジンなどへの架橋を行わなくても、より安価にタンパク質の強固な固定化が可能である。また、炭素および／または無機化合物のナノ細孔に抗体などの特定の物質（抗原など）と特異的な相互作用を行うタンパク質を保持することにより、このタンパク質と相互作用する液体やガスなどの浄化剤を安定にかつ容易に実現することができる。また、例えばピレン誘導体においてピレンに修飾された官能基や反応基と結合させることにより、特定の物質を溶液中や大気中から除去することが可能である。
・ＮＨＳエステルなどのタンパク質と結合反応を起こす活性化物質を保持するピレン誘導体などをナノ細孔に吸着させた炭素および／または無機化合物は、溶液中などからのタンパク質除去剤として使用することができる。
・炭素および／または無機化合物のナノ細孔に抗体などの特定の物質（抗原など）と特異的な相互作用を行うタンパク質を保持することにより、医療用、衛生用の診断、検査デバイスを安定にかつ容易に実現することができる。
・例えば、固定化された抗体などに抗原となるリガンドを結合して保持させ、それらをエリザ（ＥＬＩＳＡ，enzyme-linked immunosorbent assay)などのセンシングに用いることができる。
・主要組織適合遺伝子複合体（ＭＨＣ）に抗原となるリガンドを結合して保持させることにより、抗原提示する炭素および／または無機化合物の粒子を得ることができ、これらを経口、経鼻、注射などにより、粘膜や皮下に導入し、ワクチンとして使用することができる。
・不溶性のタンパク質製剤に応用することで、安定な固定化と表面への保持量調整により活性の制御が可能になる。
・ナノ細孔に抗体などの特定の物質と特異的な相互作用を持つタンパク質を保持させることで、これを担体とした安定かつ再利用可能なリアクターもしくは不均一系触媒を実現することができる。
・各種官能基を保持するピレン誘導体などをナノ細孔に吸着させることでそれらの官能基が高密度に付与された、ナノ細孔を有する炭素／無機化合物を構築することができる。これによって、例えば、正または負に荷電した、ナノ細孔を有する炭素／無機化合物の粒子を容易に構築することができ、電子ペーパー用のインクなどに使用することができる。
【００５５】
上述のように、本開示においては、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体は、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素または無機化合物の細孔に吸着により強固に固定化される。また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体に加えて酵素も細孔に固定化することができ、特に、炭素および／または無機化合物と結合する部位と酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を介して酵素を固定化することにより酵素を強固に固定化することができる。このため、電極または担体からニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体あるいは酵素が溶出するのが防止される。また、この場合、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体あるいは酵素は、酵素などとの反応性を高く保持したまま炭素または無機化合物の細孔に固定化される。
【００５６】
また、本開示においては、タンパク質またはペプチドは、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素または無機化合物の細孔に吸着により強固に固定化される。このため、電極または担体からタンパク質またはペプチドが溶出するのが防止される。また、この場合、タンパク質またはペプチドは、活性を高く保持したまま炭素または無機化合物の細孔に固定化される。
【発明の効果】
【００５７】
本開示によれば、電極に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる燃料電池を得ることができる。そして、この優れた燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。
【００５８】
また、電極または担体からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体の溶出を有効に防止することができるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を得ることができる。そして、これらのニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を用いることにより、優れた酵素反応利用装置を得ることができる。
【００５９】
また、電極または担体からのタンパク質またはペプチドの溶出を有効に防止することができるタンパク質固定化電極またはタンパク質固定化担体あるいはペプチド固定化電極またはペプチド固定化担体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
【図２】第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極におけるナノ細孔を有する炭素の具体例を示す略線図である。
【図３】第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極におけるナノ細孔を有する炭素として炭素粒子を用いた場合にこの炭素粒子の表面に存在するナノ細孔の断面形状を模式的に示す略線図である。
【図４】第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の電極材料として繊維状炭素を用いた場合の繊維状炭素および炭素粒子の分布の様子を模式的に示す略線図である。
【図５】第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の電極材料として発泡金属を用いた場合の発泡金属および炭素粒子の分布の様子を模式的に示す略線図である。
【図６】第１の実施の形態による多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
【図７】図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電圧測定の結果を示す略線図である。
【図８】図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出率の測定結果を示す略線図である。
【図９】図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
【図１０】図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
【図１１】図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
【図１２】各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電圧測定の結果を示す略線図である。
【図１３】各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電流測定の結果を示す略線図である。
【図１４】各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電流測定の結果を示す略線図である。
【図１５】繊維状炭素からなる炭素電極上に繊維状炭素、バイオカーボンおよびケッチェンブラックを設けたものの走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図１６】繊維状炭素からなる炭素電極上に繊維状炭素、バイオカーボンおよびケッチェンブラックを設けたものの走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図１７】バイオカーボンおよびケッチェンブラックの細孔分布の測定結果を示す略線図である。
【図１８】各種の炭素の細孔分布の測定結果を示す略線図である。
【図１９】各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
【図２０】第２の実施の形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。
【図２１】第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化されたリポソームに封入された酵素群および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す略線図である。
【図２２】第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。
【図２３】第３の実施の形態によるバイオリアクターを示す略線図である。
【図２４】第４の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
【図２５】第４の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の具体例を示す略線図である。
【図２６】実施例５による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて定電流測定を行った結果を示す略線図である。
【図２７】実施例５による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて酵素の溶出率の測定を行った結果を示す略線図である。
【図２８】実施例５による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極においてニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化量を変えて定電流測定を行った結果を示す略線図である。
【図２９】バイオカーボンの表面にＮＨＳピレンを塗布した場合と塗布しない場合の細孔分布の測定結果を示す略線図である。
【図３０】バイオカーボンのナノ細孔にＮＨＳピレンを介して酵素が固定化された酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
【図３１】酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の酵素の固定化能を比較して示す略線図である。
【図３２】酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行って定電圧測定を行った結果を比較して示す略線図である。
【図３３】酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極からの酵素の溶出率の測定結果を比較して示す略線図である。
【図３４】酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電圧測定の結果を比較して示す略線図である。
【図３５】第５の実施の形態による物質除去剤を説明するための略線図である。
【図３６】第５の実施の形態による物質除去剤において用いる炭素粒子を示す略線図である。
【図３７】第７の実施の形態による抗原除去剤を説明するための略線図である。
【図３８】第７の実施の形態による抗原除去剤において用いる炭素シートを示す略線図である。
【図３９】第８の実施の形態によるワクチンを説明するための略線図である。
【図４０】第８の実施の形態によるワクチンにおいて用いる炭素粒子を示す略線図である。
【図４１】第９の実施の形態によるバイオリアクターを示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびその製造方法）
２．第２の実施の形態（バイオ燃料電池）
３．第３の実施の形態（バイオリアクター）
４．第４の実施の形態（酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびその製造方法）
５．第５の実施の形態（物質除去剤）
６．第６の実施の形態（タンパク質除去剤）
７．第７の実施の形態（抗原除去剤）
８．第８の実施の形態（ワクチン）
９．第９の実施の形態（バイオリアクター）
【００６２】
〈１．第１の実施の形態〉
［ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極］
図１は第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す。
【００６３】
図１に示すように、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極においては、電極１１の表面に、ナノメートルサイズ、具体的には２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好適には２ｎｍ以上３０ｎｍ以下、より好適には４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の大きさの細孔、あるいはさらに０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔（以下、これらの細孔を「ナノ細孔」という。）を有する炭素１２が形成されている。図１においては、ナノ細孔を有する炭素１２は電極１１上に層状に設けられた形で示されているが、電極１１が繊維状炭素などからなり、多孔体のように隙間のある構造を有する場合には、この電極１１の内部に分散して形成される場合もある。このナノ細孔を有する炭素１２のナノ細孔に１分子または２分子以上のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が吸着して固定化されている。なお、電極１１を用いず、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化された炭素１２だけでニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を構成してもよい。
【００６４】
ナノ細孔を有する炭素１２は、例えば、炭素粒子、炭素シート、炭素ファイバーなどのうちの一種または二種類からなる。図２Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーを示す。
【００６５】
図２Ａに示すように、炭素粒子１３は表面に複数のナノ細孔１３ａを有する。図２Ａにおいては、炭素粒子１３が球状に描かれているが、炭素粒子１３の形状は問わず、楕円体状、立方体状、直方体状などのいずれであってもよい。また、互いに形状が異なる二種類以上の炭素粒子１３を混在させてもよい。炭素粒子１３の大きさは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、典型的には１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
【００６６】
図２Ｂに示すように、炭素シート１４は、表面に複数のナノ細孔１４ａを有する。図２Ｂにおいては、炭素シート１４が平板状に描かれているが、炭素シート１４は全部または一部が湾曲していてもよい。炭素シート１４の形状は問わず、正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、六角形などのいずれであってもよい。炭素シート１４の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、典型的には１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
【００６７】
図２Ｃに示すように、炭素ファイバー１５は表面に複数のナノ細孔１５ａを有する。図２Ｂにおいては、炭素ファイバー１５が円形の断面形状を有するように描かれているが、炭素ファイバー１５の断面形状は問わず、円形、楕円状、正方形状、長方形状などのいずれであってもよい。また、互いに断面形状が異なる二種類以上の炭素ファイバー１５を混在させてもよい。炭素ファイバー１５の太さ（径）は特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、典型的には１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
【００６８】
図３は、ナノ細孔を有する炭素１２の一例としての炭素粒子１３の表面のナノ細孔１３ａの断面形状を模式的に示したものである。図３に示すように、ナノ細孔１３ａには断面形状、細孔径、深さなどが互いに異なるものが存在してもよい。また、ナノ細孔１３ａの内部に、より小さいナノ細孔が存在することもある。このナノ細孔１３ａの内壁に１分子または２分子以上のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６が吸着し、固定化されている。
【００６９】
ナノ細孔を有する炭素１２は、既に述べたように、例えば、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含むものであるが、これら以外のものであってもよい。
【００７０】
電極１１の材料は、例えば、既に述べたものの中から必要に応じて選ばれる。電極１１の材料として繊維状炭素を用いた場合のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の一例を図４に示す。図４に示すように、繊維状炭素１７の集合体において各繊維状炭素１７の隙間に、ナノ細孔１３ａを有する炭素粒子１３が分散して存在している。
【００７１】
電極１１の材料としては、発泡金属、例えば発泡ニッケルを用いてもよい。電極１１の材料として発泡金属を用いた場合のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の一例を図５に示す。図５に示すように、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格１８に固定化されて、ナノ細孔を有する炭素として炭素粒子１３が分散して存在している。骨格１８の表面はカーボン系材料により被覆するようにしてもよい。骨格１８の表面を被覆するカーボン系材料の形態は問わず、繊維状（針状）、粒状などのいずれであってもよい。発泡金属またはカーボン系材料により被覆した発泡金属の多孔率は一般的には８５％以上、あるいは９０％以上であり、その孔径は、一般的には例えば１０ｎｍ〜１ｍｍ、あるいは１０ｎｍ〜６００μｍ、あるいは１〜６００μｍ、典型的には５０〜３００μｍ、より典型的には１００〜２５０μｍである。カーボン系材料としては、例えばケッチェンブラックなどの高導電性のものが好ましいが、カーボンナノチューブやフラーレンなどの機能性カーボン材料を用いてもよい。この多孔体導電材料の多孔率は一般的には８０％以上、あるいは９０％以上であり、孔径は、一般的には例えば９ｎｍ〜１ｍｍ、あるいは９ｎｍ〜６００μｍ、あるいは１〜６００μｍ、典型的には３０〜４００μｍ、より典型的には８０〜２３０μｍである。
【００７２】
図６に示すように、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極は、電極１１とナノ細孔を有する炭素１２とを交互に積層したものにより構成してもよい。それぞれのナノ細孔を有する炭素１２には１分子または２分子以上のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている。このようにニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を、電極１１とナノ細孔を有する炭素１２とを交互に積層したものにより構成することにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されたナノ細孔を有する炭素１２は電極１１の間に挟まれるので、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が外部に溶出するのをより有効に防止することができる。
【００７３】
ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を補酵素とする一種または複数種の酵素あるいはさらに、電子メディエーターを固定化してもよい。こうすることで、酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極あるいは酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド／電子メディエーター固定化電極を得ることができる。例えば、基質としてグルコースを用いる場合には、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼを用い、電子メディエーターとして例えばキノン骨格を有するものを用いる。
【００７４】
ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極における酵素および電子メディエーターの固定化について説明する。一例として、ナノ細孔を有する炭素１２として図３に示す炭素粒子１３を用いる場合を考える。図３において、酵素１９は、炭素粒子１３の表面に吸着して固定化され得るが、この酵素１９よりも大きいナノ細孔１３ａに入り込むと強固に吸着し、炭素粒子１３に強固に固定化されると考えられる。図３においては、一つの酵素１９だけが示されているが、一種または二種以上の酵素が二つ以上固定化されることもある。さらに、電子メディエーター２０もナノ細孔１３ａに入り込み、固定化されると考えられる。このようにナノ細孔１３ａに酵素１９および電子メディエーター２０が固定化されると、同じくこのナノ細孔１３ａに固定化されたニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６とこの酵素１９とが接近するため、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６を補酵素とする酵素反応が効率的かつ迅速に行われる。電子メディエーター２０もナノ細孔１３ａに固定化されると、電子メディエーター２０と酵素１９とが接近するため、酵素１９から電子メディエーター２０への電子の受け渡し反応も、電子メディエーター２０から炭素粒子１３に対する電子の受け渡し反応も効率的かつ迅速に行われる。具体的には、ナノ細孔１３ａに、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６、酵素１９としてのＮＡＤ+ ／ＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼおよびキノン骨格を有する電子メディエーターが全て固定化されると、グルコースを燃料あるいは基質とする酵素反応全体が極めて効率的かつ迅速に行われる。
【００７５】
必要に応じて、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体や酵素などの固定化をより強固なものにするために、ナノ細孔を有する炭素１２を覆うように固定化材を形成するようにしてもよい。固定化材としては従来公知のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。固定化材としては、具体的には、例えば、グルタルアルデヒド（ＧＡ）とポリＬリジン（ＰＬＬ）とを組み合わせたものや、ポリＬリジン（ＰＬＬ）をはじめとしたポリカチオンまたはその塩とポリアクリル酸（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ））をはじめとしたポリアニオンまたはその塩とを用いて形成されるポリイオンコンプレックスなどを用いることができる。
【００７６】
［ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の製造方法］
このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極は、例えば、次のようにして製造することができる。一例として、ナノ細孔を有する炭素１２として炭素粒子１３を用いる場合について説明する。
【００７７】
まず、炭素粒子を水溶性ポリマーと混合して水に分散させた分散液を調製する。この分散液を電極１１上に塗布し、乾燥することにより、電極１１上に炭素粒子１３を固定化する。水溶性ポリマーとしては、例えば、ポリアクリル酸、ポリリジン、ポリエチレンイミン、ポリアニリン２−スルホン酸、ポリエチレングリコールなどを用いる。あるいは、非水溶性ポリマーと炭素粒子１３とを有機溶剤中で分散させた分散液を調製し、この分散液を電極１１上に塗布し、乾燥することにより、炭素粒子１３を電極１１上に固定化するようにしてもよい。非水溶性ポリマーとしては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフッ素原子を含むポリマーおよびこれらの共重合体やこれらのモノマーとエチレンやスチレンなどとの共重合体のポリマーなどを用いることができる。ポリマーと混合せずに炭素粒子だけで分散液を調製してもよい。
【００７８】
次に、緩衝液にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６を含む溶液を調製し、この溶液をナノ細孔を有する炭素粒子１３が固定化された電極１１上に塗布し、乾燥する。こうすることで、炭素粒子１３のナノ細孔１３ａにニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６が吸着して固定化される。こうして炭素粒子１３にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６を吸着させた後、例えば、室温もしくは４０℃程度の温度で完全に乾燥させるようにすることが好ましい。酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極あるいは酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド／電子メディエーター固定化電極を形成する場合には、同様にして、酵素１９、あるいはさらに電子メディエーター２０を電極１１に固定化する。この際、酵素１９などの大きい分子によって、それより小さい細孔を塞ぐ可能性があることから、分子量が小さい分子から先に塗布することが好ましい。具体的には、一般に、電子メディエーター２０、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体１６、酵素１９の順に分子量が大きくなるので、最初に電子メディエーター２０、次にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体１６、最後に酵素１９を塗布するのが好ましい。なお、酵素塗布後、ポリマーを添加して炭素粒子を結着させてもよいし、表面にポリマー膜を形成して炭素粒子をより強固に固定化させてもよい。
【００７９】
〈実施例１〉
次のようにしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。電極１１として繊維状炭素からなる炭素電極を用いた。
【００８０】
炭素粒子を水溶性ポリマーと混合して水に分散させた分散液を調製した。この分散液を炭素電極上に塗布し、乾燥することにより、炭素電極上に炭素粒子を固定化した。
【００８１】
炭素粒子としては、バイオカーボンを用いた。このバイオカーボンは特許文献１６の実施例１と同様にして作製した。具体的には、まず、粉砕した籾殻（鹿児島県産、イセヒカリの籾殻）を、窒素気流中において５００℃、５時間加熱することにより炭化させ、炭化物を得た。その後、この炭化物の１０ｇをアルミナ製のるつぼに入れ、窒素気流（１０リットル／分）において５℃／分の昇温速度で１０００℃まで昇温させた。そして、１０００℃で５時間、炭素化して、炭素質物質（多孔質炭素材料前駆体）に変換した後、室温まで冷却した。なお、炭素化および冷却中、窒素ガスを流し続けた。次に、この多孔質炭素材料前駆体を４６体積％のフッ化水素酸水溶液に一晩浸漬することにより酸処理を行った後、水およびエチルアルコールを用いてｐＨ７になるまで洗浄した。そして、最後に乾燥させることにより、多孔質炭素材料、すなわちバイオカーボンを得た。
【００８２】
ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ製、Ｎ−８１２９）を１０〜５０ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＮＡＤＨ緩衝溶液を調製した。このＮＡＤＨ緩衝溶液を上述のようにして炭素粒子が固定化された炭素電極上に塗布し、室温で乾燥した。
【００８３】
上記のプロセスを繰り返し行うことにより、図６に示す構造の多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８４】
〈実施例２〉
実施例２では、炭素粒子としてケッチェンブラック（ＫＢ）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８５】
〈実施例３〉
実施例３では、炭素粒子として塩化亜鉛で賦活した活性炭（活性炭１）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８６】
〈実施例４〉
実施例４では、炭素粒子として水蒸気で賦活した活性炭（活性炭２）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８７】
〈比較例１〉
比較例１（Ｃｔｒｌ）では、炭素粒子として繊維状炭素を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８８】
〈比較例２〉
比較例２では、炭素粒子としてメソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８９】
〈比較例３〉
比較例３では、炭素粒子としてグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００９０】
〈実験結果〉
燃料としてグルコースを用い、これを１０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７）に溶解して燃料溶液を調製した。この燃料溶液中に、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（ＥＣ １．１．１．４７、天野エンザイム製）およびジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ １．８．１．４、天野エンザイム製）、電子メディエーターとしてキノン誘導体であるＡＱ２Ｓ（アントラキノン−２−スルホン酸）を溶解した。
【００９１】
実施例１、２および比較例１のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて繰り返し特性を酵素による触媒電流の電気化学的観察により検証した。このために、電気化学測定装置の作用電極として実施例１、２および比較例１のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、参照電極としてＡｇ｜ＡｇＣｌ、対極として白金ワイヤーを用いた。燃料溶液添加後、ピペッティングを行い、定電圧−０．２Ｖで電流値を測定後、超純水にて２０回以上ピペッティングにより洗浄し、再び超純水を入れ換えて同様の洗浄を行った。洗浄後、再度燃料溶液を添加し、ピペッティング後、同様の定電圧測定を行った。これらの一連の動作を数回繰り返すことにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化性能を検証した。
【００９２】
その結果を図７に示す。図７では、測定開始から５分後の測定電流値の一回目の測定に対する比を示している。図７に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）を用いた場合には、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電流値は一割程度の変化しかなく、大きな電流値の低下は見られない。これに対し、炭素粒子として繊維状炭素を用いた場合、したがって炭素電極および炭素粒子とも繊維状炭素からなる場合には、燃料溶液の交換により毎回電流値が半減するほどの大きな電流値の低下が見られる。これは、バイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）では、これらの表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより溶出が防止されるが、表面にナノ細孔が存在しない繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換によりニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが容易に溶出してしまうためである。
【００９３】
上記と同様な試験において、毎回の燃料溶液中のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出量を高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）により測定した結果を図８に示す。図８より、ナノ細孔を有する炭素粒子であるバイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）を用いた場合には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが炭素粒子に強固に吸着され、溶出がほとんど見られないことが確認された。
【００９４】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を設けたものに酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）のみを固定化し、グルコースに加えてニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび電子メディエーターを含む燃料溶液を繰り返し交換してサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）測定を行った。その結果を図９に示す。図９より、初期には燃料溶液交換により電流値が低下するものの、その後は一定の電流値を示すようになった。この結果より、酵素もナノ細孔を有するバイオカーボン（ＢＣ）に反応可能な状態で強固に吸着することが確認された。
【００９５】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を設けたものを用い、グルコースに加えて、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび電子メディエーターを含む燃料溶液を繰り返し交換してＣＶ測定を行った。その結果を図１０に示す。図１０より、燃料溶液交換ごとに電子メディエーターのピーク電流値が上昇することから、毎回の燃料溶液に含まれる電子メディエーターが、ナノ細孔を有するバイオカーボン（ＢＣ）に反応可能な状態で強固に保持されていることが確認された。
【００９６】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を設けたものに電子メディエーターを固定化し、グルコースに加えて、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを含む燃料溶液を繰り返し交換してＣＶ測定を行った。その結果を図１１に示す。図１１より、燃料溶液交換に関わらず、触媒電流値が保持されていることが確認された。つまり、電子メディエーターが、ナノ細孔を有するバイオカーボン（ＢＣ）に反応可能な状態で強固に保持されていることが確認された。
【００９７】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）、活性炭１または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を設けたものにＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび電子メディエーターを塗布し、燃料溶液を繰り返し交換して定電圧測定（−０．３５Ｖ）および定電流測定（１．５ｍＡｃｍ-2）を行った。
【００９８】
定電圧測定の結果を図１２に示す。図１２は燃料溶液の交換回数に対して定電圧測定における一時間後の電流値（電流密度ｉ）を、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合について比較して示したものである。図１２に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合には、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電流値は二割程度の減少しかなく、大きな電流値の低下は見られない。これに対し、炭素粒子として繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換回数が増すごとに急速に電流値が低下する。これは、バイオカーボン（ＢＣ）では、表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより溶出が防止されるのに対し、表面にナノ細孔が存在しない繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換によりニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが容易に溶出してしまうためである。
【００９９】
炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合の定電流測定の結果を図１３に示す。図１３は２時間ごとに１２時間後まで燃料溶液の交換を行った時の電位Ｅの経時変化を、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合について比較して示したものである。図１３に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合には、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電位Ｅの変化は少ない。これに対し、炭素粒子として繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合には、燃料溶液を２回交換すると、電位Ｅは０になってしまう。これは、バイオカーボン（ＢＣ）では、表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより溶出が防止されるのに対し、表面にナノ細孔が存在しない繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換によりニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが容易に溶出してしまうためである。
【０１００】
炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または活性炭１を用いた場合の定電流測定の結果を図１４に示す。図１４は２時間ごとに１２時間後まで燃料溶液の交換を行った時の電位Ｅの経時変化を、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または活性炭１を用いた場合について比較して示したものである。図１４に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合も活性炭１を用いた場合も、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電位Ｅの変化は少ない。これは、バイオカーボン（ＢＣ）および活性炭１では、表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出が防止されているためである。また、図１４より、活性炭１を用いた場合よりもバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合の方が、より効果的にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出が防止されていることが分かる。
【０１０１】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子として天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、バイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）を固定化したものの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を観察した。その結果を図１５Ａ、ＢおよびＣならびに図１６Ａ、ＢおよびＣに示す。図１５Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ、炭素粒子として天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、バイオカーボン（ＢＣ）およびケッチェンブラック（ＫＢ）を固定化したもの、図１６Ａ、ＢおよびＣは図１５Ａ、ＢおよびＣより倍率を大きくしたものである。図１５ＢおよびＣならびに図１６ＢおよびＣより、バイオカーボン（ＢＣ）およびケッチェンブラック（ＫＢ）の表面にナノ細孔が観察される。
【０１０２】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子として天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、バイオカーボン（ＢＣ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、活性炭１、活性炭２、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子を固定化したものの細孔分布を測定した。図１７ＡおよびＢにバイオカーボン（ＢＣ）およびケッチェンブラック（ＫＢ）の細孔分布の測定結果を示す。また、図１８にＮＬＤＦＴ／ＧＣＭＣ法により見積もったバイオカーボン（ＢＣ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、活性炭１および活性炭２の細孔分布を示す。天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子は低比表面積のため（つまり細孔が無いか非常に少ないため）細孔分布は測定できなかった。表１に、バイオカーボン（ＢＣ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、活性炭１および活性炭２のＢＥＴ法による比表面積および細孔容積をまとめて示す。表１に示すように、ＢＥＴ法による比表面積は、天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子は１ｍ2 ／ｇから５ｍ2 ／ｇ程度、バイオカーボン（ＢＣ）は２０５０ｍ2 ／ｇ、ケッチェンブラック（ＫＢ）は１１７０ｍ2 ／ｇ、活性炭１（塩化亜鉛賦活）は１８５０ｍ2 ／ｇ、活性炭２（水蒸気賦活）は１３１０ｍ2 ／ｇであり、細孔容積は天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子は約０．０１ｃｍ3 ／ｇ、バイオカーボン（ＢＣ）は１．９５ｃｍ3 ／ｇ、ケッチェンブラック（ＫＢ）は２．４４ｃｍ3 ／ｇ、活性炭１は１．７３ｃｍ3 ／ｇ、活性炭２は０．９０ｃｍ3 ／ｇ、である。図１７および図１８より、バイオカーボン（ＢＣ）では０．５ｎｍから２ｎｍ位までのマイクロ細孔および２ｎｍから２０ｎｍ位までのメソ細孔が顕著に存在し、一方でケッチェンブラック（ＫＢ）では０．５ｎｍから２ｎｍ位までのマイクロ細孔および２０ｎｍ付近のメソ細孔が存在し、さらに１００ｎｍ付近のメソ細孔とマクロ孔との境界領域にも細孔が存在することが見積もられた。活性炭１ではマイクロ細孔は乏しいが、２ｎｍから２０ｎｍ位までのメソ細孔が顕著に存在する。活性炭２では０．５ｎｍから２ｎｍ位までのマイクロ細孔が顕著に存在するが、４ｎｍ以上のメソ細孔は乏しい。
【０１０３】
表１ ＢＥＴ法による比表面積および細孔容積
比表面積（ｍ2 ／ｇ） 細孔容積（ｃｍ3 ／ｇ）
ＢＣ ２０５０ １．９５
ＫＢ １１７０ ２．４４
活性炭１ １８５０ １．７３
活性炭２ １３１０ ０．９０
【０１０４】
表１より、概ね、比表面積１５００（ｍ2 ／ｇ）以上、細孔容積１．５ｃｍ3 ／ｇ以上が好ましいと言える。
【０１０５】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子として活性炭１、活性炭２、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子を設けたものに電子メディエーターを固定化し、グルコースに加えて、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを含む燃料溶液を繰り返し交換してＣＶ測定を行った。その結果を図１９に示す。図１９より、細孔が無いか非常に少ないメソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子では、燃料溶液交換により触媒電流値が激減するのに対し、活性炭１および活性炭２では、燃料溶液交換に関わらず、触媒電流値が保持されていることが確認された。つまり、電子メディエーターが、ナノ細孔を有する活性炭１および活性炭２に反応可能な状態で強固に保持されていることが確認された。また、図１９より、水蒸気で賦活した活性炭１を用いた場合よりも塩化亜鉛で賦活した活性炭２を用いた場合の方が、より効果的にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出が防止されていることが分かる。
【０１０６】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、電極１１上にナノ細孔を有する炭素１２を形成しているので、この炭素１２のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を酵素などとの反応性を高く保持したまま強固に固定化することができる。このため、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体の溶出を有効に防止することができる。また、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極に酵素や電子メディエーターを固定化する場合にも、これらの酵素や電子メディエーターの溶出を有効に防止することができる。
【０１０７】
〈２．第２の実施の形態〉
［バイオ燃料電池］
次に、第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態においては、バイオ燃料電池の負極として、第１の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いる。
【０１０８】
図２０はこのバイオ燃料電池を模式的に示す。このバイオ燃料電池では、燃料としてグルコースを用いる。図２１は、このバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化されたリポソーム１２に封入された酵素群および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
【０１０９】
図２０および図２１に示すように、このバイオ燃料電池は、負極２１と正極２２とが電解質層２３を介して対向した構造を有する。負極２１は、燃料として供給されたグルコースを酵素により分解し電子を取り出すとともにプロトン（Ｈ+ ）を発生する。正極２２は、負極２１から電解質層２３を通って輸送されたプロトンと負極２１から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。
【０１１０】
負極２１としては、第１の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極が用いられる。この酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極は、具体的には、電極１１上に、脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な穴１７を有するリポソーム１２が固定化されたものである。このリポソーム１２の内部には、グルコースの分解に関与する酵素、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素および補酵素の還元体を酸化する補酵素酸化酵素が封入されている。電極１１上には、必要に応じて、リポソーム１２に加えて、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡す電子メディエーターも固定化される。
【０１１１】
グルコースの分解に関与する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、好適にはＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼを用いることができる。この酸化酵素を存在させることにより、例えば、β−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化することができる。
【０１１２】
さらに、このＤ−グルコノ−δ−ラクトンは、グルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ（ＰｈＧＤＨ）との二つの酵素を存在させることにより、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに分解することができる。すなわち、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりＤ−グルコネートになり、Ｄ−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）をアデノシン二リン酸（ＡＤＰ）とリン酸とに加水分解することでリン酸化されて、６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートになる。この６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートは、酸化酵素ＰｈＧＤＨの作用により、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに酸化される。
【０１１３】
また、グルコースは上記分解プロセスのほかに、糖代謝を利用してＣＯ2 まで分解することもできる。この糖代謝を利用した分解プロセスは、解糖系によるグルコースの分解およびピルビン酸の生成ならびにＴＣＡ回路に大別されるが、これらは広く知られた反応系である。
【０１１４】
単糖類の分解プロセスにおける酸化反応は、補酵素の還元反応を伴って行われる。この補酵素は作用する酵素によってほぼ定まっており、ＧＤＨの場合、補酵素にはＮＡＤ+ が用いられる。すなわち、ＧＤＨの作用によりβ−Ｄ−グルコースがＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化されると、ＮＡＤ+ がＮＡＤＨに還元され、Ｈ+ を発生する。
【０１１５】
生成されたＮＡＤＨは、ジアホラーゼ（ＤＩ）の存在下で直ちにＮＡＤ+ に酸化され、二つの電子とＨ+ とを発生する。したがって、グルコース１分子につき１段階の酸化反応で二つの電子と二つのＨ+ とが生成されることになる。２段階の酸化反応では、合計四つの電子と四つのＨ+ とが生成される。
【０１１６】
上記プロセスで生成された電子はジアホラーゼから電子メディエーターを介して電極１１に渡され、Ｈ+ は電解質層２３を通って正極２２へ輸送される。
【０１１７】
上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、電極反応が効率よく定常的に行われるようにするために、電解質層２３に含まれるリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液によって、酵素にとって最適なｐＨ、例えばｐＨ７付近に維持されていることが好ましい。リン酸緩衝液としては、例えばＮａＨ2 ＰＯ4 やＫＨ2 ＰＯ4 が用いられる。さらに、イオン強度（Ｉ．Ｓ．）は、あまり大きすぎても小さすぎても酵素活性に悪影響を与えるが、電気化学応答性も考慮すると、適度なイオン強度、例えば０．３程度であることが好ましい。ただし、ｐＨおよびイオン強度は、用いる酵素それぞれに最適値が存在し、上述した値に限定されない。
【０１１８】
図２１には、一例として、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がＮＡＤ+ 、補酵素の還元体であるＮＡＤＨを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ（ＤＩ）、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡す電子メディエーターがＡＣＮＱである場合が図示されている。
【０１１９】
正極２２は、例えば多孔質カーボンなどの電極材料からなる電極に、例えばビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどの酸素を分解する酵素を固定化したものである。この正極２２の外側の部分（電解質層２３と反対側の部分）は通常、多孔質カーボンよりなるガス拡散層により形成されるが、これに限定されるものではない。正極２２には、好適には、酵素に加えて、この正極２２との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターも固定化される。
【０１２０】
この正極２２においては、上記の酸素を分解する酵素の存在下で、電解質層２３からのＨ+ と負極２１からの電子とにより空気中の酸素を還元し水を生成する。
【０１２１】
電解質層２３は負極２１において発生したＨ+ を正極２２に輸送するためのもので、電子伝導性を持たず、Ｈ+ を輸送することが可能な材料により構成されている。電解質層２３としては、具体的には、例えば、セロハンなどの既に挙げたものが用いられる。
【０１２２】
以上のように構成されたバイオ燃料電池において、負極２１側にグルコースが供給されると、このグルコースが酸化酵素を含む分解酵素により分解される。この単糖類の分解プロセスで酸化酵素が関与することで、負極２１側で電子とＨ+ とを生成することができ、負極２１と正極２２との間で電流を発生させることができる。
【０１２３】
次に、バイオ燃料電池の具体的な構造例について説明する。
図２２ＡおよびＢに示すように、このバイオ燃料電池は、負極２１と正極２２とが電解質層２３を介して対向した構成を有している。この場合、正極２２の下および負極２１の下にそれぞれＴｉ集電体４１、４２が置かれ、集電を容易に行うことができるようになっている。符号４３、４４は固定板を示す。これらの固定板４３、４４はねじ４５により相互に締結され、それらの間に、正極２２、負極２１、電解質層２３およびＴｉ集電体４１、４２の全体が挟み込まれている。固定板４３の一方の面（外側の面）には空気取り込み用の円形の凹部４３ａが設けられ、この凹部４３ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４３ｂが設けられている。これらの穴４３ｂは正極２２への空気の供給路となる。一方、固定板４４の一方の面（外側の面）には燃料装填用の円形の凹部４４ａが設けられ、この凹部４４ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４４ｂが設けられている。これらの穴４４ｂは負極２１への燃料の供給路となる。この固定板４４の他方の面の周辺部にはスペーサー４６が設けられており、固定板４３、４４をねじ４５により相互に締結したときにそれらの間隔が所定の間隔になるようになっている。
【０１２４】
図２２Ｂに示すように、Ｔｉ集電体４１、４２の間に負荷４７を接続し、固定板４４の凹部４４ａに燃料として例えばリン酸緩衝液にグルコースを溶かしたグルコース溶液を入れて発電を行う。
【０１２５】
この第２の実施形態によれば、負極２１として第１の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いていることにより、負極２１からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することができる。このため、負極２１からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出によるバイオ燃料電池の性能劣化を防止することができる。
【０１２６】
〈３．第３の実施の形態〉
［バイオリアクター］
図２３は第３の実施の形態によるバイオリアクターを示す。
【０１２７】
図２３に示すように、このバイオリアクターにおいては、カラムリアクター内にニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１が設置されている。このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１は、第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極と同様に、ナノ細孔を有する炭素１２を所定の基板上に設け、この炭素１２にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を固定化し、加えてニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を補酵素とする酵素を固定化したものである。
【０１２８】
このバイオリアクターにおいては、反応物を含む溶液をカラムリアクターに流してニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１と接触させる。そして、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１に固定化された酵素による酵素反応により反応物から生成物が得られる。
【０１２９】
このバイオリアクターにおいては、上記以外のことは、その性質に反しない限り、第１の実施の形態と同様である。
【０１３０】
この第３の実施の形態によれば、バイオリアクターにおいて第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。加えて、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体の溶出を有効に防止することができることにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を、毎時反応ごとに新規もしくは再精製したものを添加する必要がなくなり、低コスト化を図ることができる。
【０１３１】
〈４．第４の実施の形態〉
［酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極］
図２４は第４の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す。
【０１３２】
図２４に示すように、この酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極においては、電極（図示せず）の表面に形成された、ナノ細孔を有する炭素１２の表面に、炭素と結合する部位と酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物６１を介して酵素１９が結合している。より詳細には、炭素１２の表面に酵素固定化用化合物６１の炭素と結合する部位が結合しており、この酵素固定化用化合物６１の酵素と結合する部位に酵素１９が結合している。典型的には、酵素固定化用化合物６１の炭素と結合する部位は、炭素１２のナノ細孔の内部に入り込んで炭素１２の表面に吸着し、あるいは、π結合などにより結合している。炭素１２のナノ細孔への吸着性から、酵素固定化用化合物６１の分子量は、好適には例えば１０００以下、電荷は好適には２価以下である。
【０１３３】
酵素固定化用化合物６１としては、例えば、炭素１２のナノ細孔の内部に入り込んで炭素１２の表面に吸着可能なビオチン（Biotin）分子、π結合により炭素１２の表面に吸着するフルオレセン（Fluorescein)やキラリティを有する分子、各種の多環芳香族化合物（Polycyclic Aromatic Hydrocarbon,ＰＡＨｓ）などを用いることができ、必要に応じて選ばれる。酵素固定化用化合物６１の具体例を挙げると次の通りである。
【０１３４】
〈多環芳香族化合物〉
・ピレン（Pyrene）誘導体
・コロネン（Coronene）誘導体
・クリセン（Chrysene）誘導体
・ナフタセン（Naphtacene）誘導体
・ペンタセン（Pentacene)誘導体
・ピセン（Picene) 誘導体
・ペリレン（Perylene) 誘導体
・アントラセン（Anthracene）誘導体
・フェナントレン（Phenanthrene）誘導体
・フルオレン（Fluorene）誘導体
・ナフタレン（Naphtalene）誘導体
・フルオランテン（Fluoranthene）誘導体
・アセナフテン（Acenaphthene）誘導体
・アセナフチレン（Acenaphthylene）誘導体
・トリフェニレン（Triphenylene）誘導体
【０１３５】
〈π結合により炭素と結合する物質〉
・ターチオフェン（Terthiophene）誘導体
・テトラフェニルベンジジン（Tetraphenylbenzidine）誘導体
・テトラフェニルナフタセン（Tetraphenylnaphtacene)誘導体
・ベンゾチオフェン（Benzothiophene）誘導体
・チオフェン（Thiophene)誘導体
・ピロール（Pyrrole)誘導体
・カルバゾール（Carbazole)誘導体
・フェナントロリン（Phenanthroline) 誘導体
・フェニルピリジン（Phenylpyridine) 誘導体
・キノリン（Quinoline)誘導体
・トリフェニルアミン（Triphenylamine) 誘導体
・ジフェニルアミン（Diphenylamine)誘導体
・オキサゾール（Oxazole)誘導体
・オキサジアゾール（Oxadiazole) 誘導体
・ｐ−フェニル（p-Phenyl) 誘導体
・キナクリドン（Quinacridone) 誘導体
・フルクレノン（Flucrenone) 誘導体
・フタロシアニン（Phthalocyanine) 誘導体
・スピロピラン（Spiropyran) 誘導体
・ビオロゲン（Viologen) 誘導体
・スピロペリミジン（Spiroperimidine)誘導体
・フェニルエステル（Phenyl Esters)
・ベンゾ酸（Benzoic Acids)
・ビフェニル（Biphenyl) 誘導体
・ベンゾフェノン（Benzophenone) 誘導体
・ジフェニルアミン（Diphenylamine)誘導体
・ジフェニルエーテル（Diphenyl Ethers)
・ジフェニルスルフィド（Diphenyl Sulfides)
・ジフェニルスルホン（Diphenyl Sulfones)
・ビスフェノール（Bisphenol)誘導体
・アントラキノン（Anthraquinone)誘導体
・ホスホニウム（Phosphonium)化合物
・フルオレセン（Fluorescein)誘導体
・ローダミン（Rhodamine)誘導体
・クマリン（Coumarin) 誘導体
・シアニン（Cyanine)誘導体
【０１３６】
〈その他の化合物〉
ヌクレオシド、ヌクレオチド、リボース、糖、アミノ酸、脂質、ステロール、テルペン、ステロイド、プロパノイド、アルカノイド、アルコール、アミン、アミノアルコール、イソシアナート、アミド、エステル、ジオール、グリシジル化合物、ヒドラジン、シラン、ポリケチド、ポリアミン、ポルフィリン、ビタミン、クラウンエーテル、シクロデキストリン、ジアクリラート、ジメタクリレート、テトラカルボン酸、ピロリジン、アルカノール、カルボン酸、アズレン、第四級アンモニウム、フルオロカーボン、アリールやシクロアルカンなどの環式有機化合物を含む化合物。
【０１３７】
酵素固定化用化合物６１の中でもピレン誘導体が好適である。ピレン誘導体は、例えば、アミン基、スルホン基、スルフヒドリル基、カルボキシル基、水酸基、アジ基、アゾ基、ニトロ基、ニトリル基、シアノ基、アレン基、イソニトリル基、ウレア基、アルデヒド基、ケトン基、ＮＨＳエステル、イミドエステル、マレイミド、ピリジルジチオール、アリルアジド、ハロアセテート、イソシアナート、カルボジイミド、アリルアジド、ジアジリン、ヒドラジド、ソラレン、ヨード、ピリジンジスルフィド、ビニルスルホンなどの官能基および反応基を有する。また、官能基および反応基とピレンとの間はアルキル基や、ポリエチレングリコールなどをスペーサーとして隔てられていてもよい。また、これらの官能基および反応基、スペーサーなどの修飾はピレンのどの位置の炭素に結合していてもよい。ピレン誘導体はその官能基および反応基を介してタンパク質と結合することができる。また、ピレン誘導体にビオチン、グルタチオン、糖分子もしくは抗原となる分子を修飾させておくことで、これらに特異的に結合するタンパク質を固定化することもできる。
【０１３８】
〈実施例５〉
実施例５では、繊維状炭素からなる炭素電極上にナノ細孔を有する炭素１２としてバイオカーボン（ＢＣ）を塗布したもののナノ細孔に、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに加えて、電子メディエーターとしてＡＱ２Ｓ（アントラキノン−２−スルホン酸）を固定化し、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（ＥＣ １．１．１．４７、天野エンザイム製）およびジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ １．８．１．４、天野エンザイム製）をＮＨＳピレンを介して固定化し、酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。図２５に、酵素固定化用化合物６１がＮＨＳピレンである場合を示す。
【０１３９】
〈比較例２〉
比較例２では、酵素固定化用化合物６１としてのＮＨＳピレンを用いないことを除いて実施例５と同様にして酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【０１４０】
〈実験結果〉
燃料としてグルコースを用い、これを１．０Ｍのリン酸緩衝液（ＫＰＢ、ＫＨ2 ＰＯ4 ）に溶解してグルコース濃度が０．８Ｍの燃料溶液（ｐＨ７．５）を調製した。この燃料溶液中で実施例５および比較例２の酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて定電流測定（１．５ｍＡ／ｃｍ2 ）を行い、その際、１時間ごとに燃料溶液を交換してその繰り返し特性を測定した。燃料溶液の交換の際に２０回、酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の直上から強くピペッティングを行った。
【０１４１】
測定結果を図２６に示す。図２６に示すように、ＧＤＨおよびＤＩをＮＨＳピレンを用いずに直接バイオカーボンに吸着させた比較例２では１時間で電圧が低下するのに対し、ＧＤＨおよびＤＩをＮＨＳピレンを介してバイオカーボンに吸着させた実施例５では７時間電圧が維持される。
【０１４２】
上記の定電流測定において燃料溶液を１時間ごとに交換する際に廃液を回収し、その１回目、２回目の廃液中に含まれる酵素をＳＤＳ−ＰＡＧＥにより分析することで溶出した酵素を分析した。ナノ細孔を有する炭素１２としてバイオカーボンを用い、酵素としてＧＤＨおよびＤＩを用いた場合の測定結果を図２７Ａに示す。また、ナノ細孔を有する炭素１２としてケッチェンブラックを用い、酵素としてビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）を用いた場合の測定結果を図２７Ｂに示す。図２７ＡおよびＢより、ＮＨＳピレンを用いないで酵素を直接バイオカーボンまたはケッチェンブラックに固定化した場合には２回目の燃料溶液の交換時には７０％から９０％に近い酵素が溶出していることになり、その結果として電圧が低下したことが示唆される。これに対し、ＮＨＳピレンを用いて酵素をバイオカーボンまたはケッチェンブラックに固定化した場合には酵素の溶出は１０％以下に抑制されており、このことから酵素がＮＨＳピレンによって強固に固定化されることが示された。また、ＮＨＳピレンを用いて固定化する効果は、ナノ細孔を有する炭素１２がバイオカーボンであるかケッチェンブラックであるか、あるいは酵素の種類によらずに得られることが分かる。
【０１４３】
図２８は、ナノ細孔を有する炭素１２としてバイオカーボンを用い、そのナノ細孔に、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに加えて、電子メディエーターとしてＡＱ２Ｓを固定化し、酵素としてのＧＤＨおよびＤＩをＮＨＳピレンを介して固定化した酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極において、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化量を変えて定電流測定（１．５ｍＡ／ｃｍ2 ）を行った結果を示す。図２８より、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化量を低減させても出力や繰り返し特性が維持されることが分かる。これは、ＮＨＳピレンによって酵素がナノ細孔近傍に固定化されることで、ナノ細孔に吸着固定化されているニコチンアミドアデニンジヌクレオチドや電子メディエーターの溶出を効果的に防止する役割（いわば蓋の役割）を担っていると考えられる。実際、図２９に示すように、表面にＮＨＳピレンを塗布したバイオカーボンとＮＨＳピレンを塗布しないバイオカーボンとについて細孔分布を測定したところ、ＮＨＳピレンの塗布によってナノ細孔の容積の低下が確認された。このことは、図３０に示すように、バイオカーボン６２のナノ細孔６２ａの内部の表面にＮＨＳピレン６３を介して酵素６４が固定化されていることを示すものと考えられる。符号６５は電子メディエーターを示す。
【０１４４】
次に、酵素固定化用化合物６１の種類による酵素の固定化能、電極性能を比較検討した結果について説明する。酵素固定化用化合物６１として次の５種類の化合物を用いた。
【０１４５】
・1-Pyrenebutanoic acid,succinimidyl ester（Pyrene)
化学構造は下記の通りである。
【化１】
このPyrene（分子量は３８５）はπ結合能が高く（π電子数＝８）、蛍光物質であるので蛍光検出が可能である。
【０１４６】
・N-［(9H-Fluoren-9-ylmethoxy)carbonyloxylsuccinimide （Fmoc)
化学構造は下記の通りである。
【化２】
このFmoc（分子量は４３１）は平面的であり、π結合能を有し（π電子数＝６）、蛍光物質であるので蛍光検出が可能である。
【０１４７】
・NHS-Fluorescein(Fluorescein)
化学構造は下記の通りである。
【化３】
このFluorescein （分子量は４７３）はπ結合能を有するが（π電子数＝９）、分子内で回転が起きるため平面的でない。このFluorescein は蛍光物質であるので蛍光検出が可能である。
【０１４８】
・Succinimidyl(2R)-6-(Tetrahydro-2H-pyran-2-yloxy)-2,5,7,8-tetramethylchroman-2-carboxylate(NPCA)
化学構造は下記の通りである。
【化４】
このNPCA（分子量は４３１）はπ結合能を有するが（π電子数＝３）、Pyreneに比べると弱いと考えられる。このNPCAは光学活性を有し、応用によっては光学分割能や光学的立体識別能が期待される。
【０１４９】
・NHS-Biotin(Biotin)
化学構造は下記の通りである。
【化５】
このBiotin（分子量は３４１）はπ結合能を有していない。このBiotin自体は水溶性のビタミンＢ7 で安全性は高いと考えられる。このBiotinはアジピンタンパク質により高感度かつ特異的に検出可能である。
【０１５０】
〈実験結果〉
酵素固定化用化合物６１として上記の５種類の化合物を同重量用い、実施例５と同様の方法でバイオカーボンを用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製し、酵素溶出の比較検討および定電圧測定（−０．３５Ｖ）による電流値を測定した。
【０１５１】
酵素の固定化能の比較結果を図３１に、電流値（電流密度Ｉ（ｍＡ／ｃｍ2 ））の比較結果を図３２に示す。図３１に示すように、Pyreneの固定化能を１としたときの相対的な固定化能は、Pyrene、FmocおよびNPCAは同程度であるのに対し、Fluorescein は半分程度であった。一方、BiotinはPyreneと比較して倍の固定化能を示した。また、図３２に示すように、電流値に関しては、Pyreneが一番高く、Biotinでは若干低くなり、FmocおよびNPCAではさらに低くなり、Fluorescein では最も低い。
【０１５２】
以上より、Pyrene同様にFmocやNPCAなどの平面的なπ結合部分を有する分子でも、同様な効果が確認された。また、π結合は有していないものの、バイオカーボンのナノ細孔によく吸着すると考えられるBiotin分子でも、効果的にアンカリングして酵素を固定化することができることが確認された。一方、π電子を多く有するものの、分子内のπ結合部分が回転可能なFluorescein では固定化能および電流値がPyreneに比べてかなり低いことが確認された。
【０１５３】
この酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて実施例５と同様に燃料溶液の交換を一回行った時の酵素溶出率の比較結果を図３３に、電流値（電流密度Ｉ（ｍＡ／ｃｍ2 ））の比較結果を図３４に示す。図３３および図３４においては、比較のために、酵素固定化用化合物を用いないで酵素を固定化したことだけが異なる酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極（Ｃｔｒｌ）を用いた場合の酵素溶出率および電流値も示す。図３３に示すように、Pyrene、Fmoc、Fluorescein 、NPCAおよびBiotinを用いて酵素を固定した場合には、これらを用いないで酵素を固定化した場合に比べて酵素溶出率は極めて低くなっている。また、図３４に示すように、Pyrene、Fmoc、Fluorescein 、NPCAおよびBiotinを用いて酵素を固定した場合には、これらを用いないで酵素を固定化した場合と同様な電流値が得られる。
【０１５４】
この第４の実施の形態によれば、ナノ細孔を有する炭素１２の表面に酵素固定化用化合物６１を介して酵素１９が結合していることにより、酵素１９をその活性を保持したまま強固に固定化することができ、溶出を極めて有効に防止することができる。また、酵素固定化用化合物６１をナノ細孔を有する炭素１２、取り分けナノ細孔１３ａを有する炭素粒子１３のナノ細孔１３ａに吸着させた電極では、配向制御などにより酵素１９による直接電子移動の効率の向上を図ることができる。
【０１５５】
〈５．第５の実施の形態〉
［物質除去剤］
第５の実施の形態においては、物質除去剤について説明する。
【０１５６】
図３５に示すように、この物質除去剤においては、酵素固定化用化合物６１と同様な化合物であって正または負に帯電したものを、ナノ細孔１３ａを表面に有する炭素粒子１３に吸着させることで、それぞれ正または負に帯電させた炭素粒子１３を得る。そして、例えば毒性物質やウイルスなどの除去したい物質８１が溶存する溶液中にこの炭素粒子１３を分散させる。すると、溶液中に含まれる、除去したい物質８１は炭素粒子１３の表面に吸着した、正または負に帯電した化合物の反応基に捕捉される。その後、この溶液に電界を印加することにより、除去したい物質８１が捕捉された炭素粒子１３を電気泳動させることにより回収することができる。こうして、溶液中から、除去したい物質８１を除去することができる。図３６に、一例として上記の化合物がピレン誘導体７１であり、このピレン誘導体７１に除去したい物質８１が捕捉された様子を示す。
【０１５７】
なお、正負への帯電だけでなく、各種の官能基を先端に保持したピレンなどの、ナノ細孔１３ａの表面に吸着可能な分子を炭素粒子１３の表面に吸着保持させることで、この炭素粒子１３にその官能基に応じた様々な性質を付与することができる。例えば、タンパク質と結合能を有するＮＨＳを先端に保持したＮＨＳピレンを吸着させた炭素粒子１３を利用すると、エアロゾル中や溶液中のタンパク質を捕捉して炭素粒子１３の表面に強固に固定化することができ、この炭素粒子１３を濾過などにより回収することで、結果的にエアロゾル中や溶液中からタンパク質を除去することが可能である。また、ＮＨＳの代わりに正または負に帯電した化合物の反応基を保持させることで、その静電相互作用で標的分子を捕捉し、その後、この溶液の濾過や電界印加に伴う電気泳動などにより回収分離することができる。
【０１５８】
この第５の実施の形態によれば、新規な物質除去剤を実現することができる。
【０１５９】
〈６．第６の実施の形態〉
［タンパク質除去剤］
第６の実施の形態においては、タンパク質除去剤について説明する。
【０１６０】
このタンパク質除去剤においては、タンパク質固定化用化合物と同様な化合物であってタンパク質に結合可能な官能基を有するものを、ナノ細孔１３ａを表面に有する炭素粒子１３に吸着させることで、それぞれ正または負に帯電させた炭素粒子１３を得る。そして、除去したいタンパク質が溶存する溶液中にこの炭素粒子１３を分散させる。すると、溶液中に溶存する、除去したいタンパク質は炭素粒子１３の表面に吸着した、正または負に帯電した化合物の反応基に捕捉される。その後、この溶液に電界を印加することにより、除去したいタンパク質が捕捉された炭素粒子１３を電気泳動させることにより回収することができる。こうして、溶液中から、除去したいタンパク質を除去することができる。
【０１６１】
この第６の実施の形態によれば、新規なタンパク質除去剤を実現することができる。
【０１６２】
〈７．第７の実施の形態〉
［抗原除去剤］
第７の実施の形態においては、抗原除去剤について説明する。
【０１６３】
図３７に示すように、この抗原除去剤においては、ナノ細孔１４ａを有する炭素シート１４の表面に、タンパク質固定化用化合物と同様な化合物を介して、抗原と特異的な相互作用を有する抗体を結合させる。そして、除去したい抗原１０１が溶存する溶液中にこの炭素シート１４を入れる。すると、溶液中に溶存する抗原１０１は炭素シート１４の表面に吸着した抗体と結合する。こうして、溶液中に溶存する抗原１０１を除去することができる。図３８に、一例として上記の化合物がピレン誘導体７１であり、このピレン誘導体７１に抗体１０２が結合し、この抗体１０２に抗原１０１が結合している様子を示す。
【０１６４】
図３７に示すように、炭素シート１４を検出器１０３と接続することにより、抗原１０１をセンシングする測定装置を得ることができる。
【０１６５】
この第７の実施の形態によれば、新規な抗原除去剤を実現することができる。
【０１６６】
なお、抗原抗体反応以外にも、レセプタータンパク質など基質特異性を有するタンパク質を用いることで特定の基質を捕捉することが可能である。
【０１６７】
〈８．第８の実施の形態〉
［ワクチン］
第８の実施の形態においては、ワクチンについて説明する。
【０１６８】
図３９に示すように、このワクチンにおいては、ＭＨＣクラスＩもしくはＭＨＣクラスＩＩもしくはそれらの細胞外領域（以下、これらをまとめてＭＨＣと称する）を、結合用化合物を介して、ナノ細孔１３ａを表面に有する炭素粒子１３に結合させる。この炭素粒子１３の表面に結合したＭＨＣに、病原体やそれに由来するペプチドなどの抗原１１１を結合させる。こうして炭素粒子１３の表面にＭＨＣ−抗原複合体が固定化される。
【０１６９】
このＭＨＣ−抗原複合体が固定化された炭素粒子１３を経口、経鼻、腹腔、皮下注射などにより体内に取り込み、粘膜や血液中の免疫反応系に抗原提示することでワクチンとして機能させることができる。この際、例えば、図３９に示すように、Ｔ細胞１１２のＴＣＲ１１２ａが抗原１１１と結合することにより、Ｔ細胞１１２が活性化される。図４０に、一例として上記の結合用化合物がピレン誘導体７１であり、このピレン誘導体７１にＭＨＣ１１３が結合し、このＭＨＣ１１３に抗原１０１が結合し、この抗原１０１にＴ細胞１１２のＴＣＲ１１２ａが結合している様子を示す。
【０１７０】
この第８の実施の形態によれば、新規なワクチンを実現することができる。
【０１７１】
〈９．第９の実施の形態〉
［バイオリアクター］
図４１は第９の実施の形態によるバイオリアクターを示す。
【０１７２】
図４１に示すように、このバイオリアクターにおいては、カラムリアクター内に酵素などのタンパク質が固定化されたタンパク質固定化担体１５１が設置されている。このタンパク質固定化担体１５１は、ナノ細孔を有する炭素１２を所定の基板上に設け、この炭素１２にタンパク質固定化用化合物を介して酵素などのタンパク質を固定化したものである。この炭素１２には、必要に応じて、タンパク質に加えて、その他の化合物などを固定化してもよい。
【０１７３】
このバイオリアクターにおいては、反応物を含む溶液をカラムリアクターに流してタンパク質固定化担体１５１と接触させることで、このタンパク質固定化担体１５１に固定化された酵素などのタンパク質による反応物が得られる。
【０１７４】
この第９の実施の形態によれば、タンパク質固定化担体１５１のタンパク質による反応生成物を効率的かつ容易に生産し、回収することができる。あるいは、タンパク質固定化担体１５１のタンパク質と相互作用する物質の精製分離が可能である。また、タンパク質固定化担体１５１からのタンパク質の溶出を有効に防止することができることにより、繰り返し使用性能の向上やタンパク質使用量の低減による低コスト化を図ることができる。
【０１７５】
以上、本開示の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、本開示は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。
【０１７６】
例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。
【０１７７】
また、必要に応じて、炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、他の補酵素やペプチドなどを固定化してもよい。他の補酵素としては、例えば、ビタミンＢ群、ビタミンＣ、葉酸などの水溶性ビタミンや、ビタミンＡ、ビタミンＤ、ビタミンＥ、ビタミンＫベータカロチンなどの脂溶性ビタミンや、ユビキノン、フラビンモノヌクレオチド（ＦＭＮ／ＭＭＮＨ2 ）、フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ／ＦＡＤＨ2 ）、シトクロム、クロロフィルなどの電子伝達物質）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、ペプチドとしては、各種ホルモン、サイトカインなどとして機能するポリペプチド（アミノ酸残基１００未満）や低分子ペプチド（アミノ酸残基１０未満）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらには、炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を固定化する代わりに、これらの補酵素やペプチドなどを固定化してもよい。炭素および／または無機化合物には、これらの補酵素、ペプチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、酵素を含む各種のタンパク質を固定化してもよいことは言うまでもない。
【０１７８】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）正極と、負極と、上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなる燃料電池。
（２）上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する前記（１）に記載のバイオ燃料電池。
（３）上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を表面に有する前記（１）または（２）に記載の燃料電池。
（４）上記炭素は、炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む前記（１）から（３）のいずれかに記載の燃料電池。
（５）上記炭素粒子は、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む前記（４）に記載の燃料電池。
（６）上記電極は繊維状炭素からなる前記（１）から（５）のいずれかに記載の燃料電池。
（７）上記炭素および／または無機化合物にさらに酵素が固定化され、上記酵素および上記ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を有する前記（１）から（６）のいずれかに記載の燃料電池。
（８）上記炭素および／または無機化合物と結合する部位と上記酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を有する前記（７）に記載の燃料電池。
（９）上記酵素固定化用化合物は、ビオチン分子、フルオレセン、キラリティを有する分子および多環芳香族化合物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である前記（８）に記載の燃料電池。
（１０）上記酵素固定化用化合物はピレン誘導体である前記（８）または（９）に記載の燃料電池。
（１１）上記酵素は、上記酵素固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物と結合している前記（８）から（１０）のいずれかに記載の燃料電池。
（１２）上記酵素固定化用化合物は上記細孔の内部における上記炭素および／または無機化合物と結合している前記（８）から（１１）のいずれかに記載の燃料電池。
（１３）上記酵素はＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼである前記（７）から（１２）のいずれかに記載の燃料電池。
（１４）上記無機化合物は、酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、硫酸塩、リン酸塩および塩化物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である前記（１）から（１３）のいずれかに記載の燃料電池。
【符号の説明】
【０１７９】
１１…電極、１２…ナノ細孔を有する炭素、１３…炭素粒子、１３ａ…ナノ細孔、１４…炭素シート、１４ａ…ナノ細孔、１５…炭素ファイバー、１５ａ…ナノ細孔、１６…ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体、１７…繊維状炭素、１８…骨格、１９…酵素、２０…電子メディエーター、２１…負極、２２…正極、２３…電解質層、４１、４２…Ｔｉ集電体、４３、４４…固定板、４７…負荷、５１…ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体、６１…酵素固定化用化合物
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体、酵素反応利用装置、タンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体に関する。より詳細には、本開示は、例えば、燃料または基質としてグルコースを用いるバイオ燃料電池、バイオセンサー、バイオリアクターなど、あるいはバイオ燃料電池を電源に用いた各種の電子機器に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素には、基質特異性が高くバイオセンサーに適している酵素や、多段階の酵素反応を利用する燃料電池（バイオ燃料電池）に適している高活性の酵素などがある（例えば、特許文献１〜１２参照。）。
【０００３】
バイオセンサー、バイオ燃料電池、バイオリアクターなどにおいて、電極や担体にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを固定化する試みが従来より行われている。例えば、ＮＡＤ+ の誘導体を共有結合によりセファロースなどの担体へ結合させることが提案されている（特許文献１３参照。）。また、ＮＡＤ+ およびＮＡＤＨをセルロースアセテートなどの０．１〜１０μｍの細孔サイズの多孔性高分子に吸着させたバイオリアクターが提案されている（特許文献１４参照。）。また、ＮＡＤ誘導体をポリアクリルアミドゲルに結合させることが報告されている（非特許文献１参照。）。また、ＮＡＤ+ 誘導体を電極に共有結合させることが報告されている（非特許文献２参照。）。また、ナノ粒子シリカをエッチングし、ＮＡＤ+ 誘導体を共有結合させることが報告されている（非特許文献３参照。）。また、ＮＡＤ+ 誘導体をキトサンに共有結合し、バイオセンサーに応用することが報告されている（非特許文献４参照。）。また、アルキル化によるポリマーへのＮＡＤＨの共有結合による固定化が報告されている（非特許文献５参照。）。また、メソポーラスシリカへのＮＡＤＨの共有結合による固定化が報告されている（非特許文献６参照。）。さらに、カーボンナノチューブにＮＡＤ+ を吸着させて固定化し、バイオセンサーに応用することが報告されている（非特許文献７参照。）。
【０００４】
また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに各種の官能基を付加することにより、アミド結合などの様々なカップリング反応を応用してニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを電極に固定化する検討が行われている（非特許文献１〜６参照。）。
【０００５】
なお、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化に関するものではないが、２〜５０ｎｍの平均細孔径を有するカーボン多孔体とこのカーボン多孔体に担持された酸化還元酵素とを備えた電極材料を備えたバイオセンサーおよび燃料電池が提案されている（特許文献１５参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１３３２９７号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２１２４号公報
【特許文献３】特開２００４−７１５５９号公報
【特許文献４】特開２００５−１３２１０号公報
【特許文献５】特開２００５−３１０６１３号公報
【特許文献６】特開２００６−２４５５５号公報
【特許文献７】特開２００６−４９２１５号公報
【特許文献８】特開２００６−９３０９０号公報
【特許文献９】特開２００６−１２７９５７号公報
【特許文献１０】特開２００６−１５６３５４号公報
【特許文献１１】特開２００７−１２２８１号公報
【特許文献１２】特開２００７−３５４３７号公報
【特許文献１３】特開平５−３２８９９６号公報
【特許文献１４】特開平８−３０４３２９号公報
【特許文献１５】特開２００７−２１８７９５号公報
【特許文献１６】特開２００８−２７３８１６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】"Application of polylysine bound succinyl-NA to a membrane reactor",Yamazaki,Y.,Maeda,H.,Suzuki,H,Biotechnol.Bioeng 1976.,18(12),1761-1775
【非特許文献２】"NAD+ -Dependent Enzyme Electrodes:Electrical Contact of Cofactor-Dependent Enzymes and Electrodes",Amos Bardea,Eugenii Katz,Andreas F.Bulckmann and Itamar Willner,J.Am.Chem.Soc.1997,119,9114-9119
【非特許文献３】" Nanoparticle-supported multi-enzyme biocatalysis with in situ cofactor Regeneration",Wenfang Liu,Songping Zhang and Ping Wang,Journal of Biotechnology 139(2009)102-107
【非特許文献４】" Coimmobilization of Dehydrogenases and Their Cofactors inElectrochemical Biosensors",Maogen Zhang,Conor Muller and Waldemar Gorski,Anal.Chem.2007,79,2446-2450
【非特許文献５】"A Simple Procedure for Covalent Immobilization of NADH in a Soluble and Enzymically Active Form",Carl W. Fuller,Joyce Rachel Rubin, and Harold J. Bright, Eur. J. Biochem.103, 421-430(1980)
【非特許文献６】"Enabling Multienzyme Biocatalysis Using Nanoporous Materials",Bilal E1-Zahab,Hongfei Jia, Ping Wang,Biotechnol.Bioeng.2004,87(2),178-183
【非特許文献７】" Noncovalent Attachment of NAD + Cofactor onto Carbon Nanotubes for Preparation of Integrated Dehydrogenase-Based Electrochemical Biosensors",Haojie Zhou,Zipin Zhang,Ping Yu,Lei Su,Takeo Ohsaka and Lanqun Mao,Langmuir 2010,26(8),6028-6032
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１３、１４および非特許文献１〜７の方法によっても、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化は不十分であり、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することはできない。このため、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出により、バイオセンサー、バイオ燃料電池、バイオリアクターなどの性能劣化が生じてしまう。
【０００９】
また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに各種の官能基を付加する引用文献１〜６の方法は、これらの官能基の付加により酵素の基質反応性が著しく損なわれてしまうという新たな問題が発生するため、得策でない。
【００１０】
以上のような理由により、バイオセンサーに有効な、基質特異性が高いニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素や、バイオ燃料電池で有効な、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素群や、バイオセンサーとバイオ燃料電池との双方で有効なニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする高活性な酵素などの利用が避けられてきたのが実情である。
【００１１】
また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを補酵素とする酵素を用いたバイオリアクターにおいては、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドは比較的高価であるにもかかわらず、毎時反応ごとに新規もしくは再精製したものを添加しなければならず、高コストとなる。
【００１２】
そこで、本開示が解決しようとする課題は、電極に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体あるいは酵素の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる燃料電池およびその製造方法を提供することである。
【００１３】
本開示が解決しようとする他の課題は、上記の優れた燃料電池を用いた高性能の電子機器を提供することである。
【００１４】
本開示が解決しようとするさらに他の課題は、燃料電池、バイオセンサー、バイオリアクターなどの酵素反応利用装置に用いて好適なニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を提供することである。
【００１５】
本開示が解決しようとするさらに他の課題は、電極または担体に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体あるいは酵素の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる酵素反応利用装置を提供することである。
【００１６】
本開示が解決しようとするさらに他の課題は、電極または担体に固定化した酵素などのタンパク質の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができるタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体を提供することである。
【００１７】
上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述によって明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を行った。その結果、ナノメートルサイズの極微小の細孔を表面に有する炭素を用いることにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを酵素などとの反応性を高く保持したまま、強固に固定化することができ、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することができることを見出した。さらに鋭意検討を行った結果、炭素の代わりに、炭素と類似の性質を有する無機化合物や他の無機化合物を用いても、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを酵素などとの反応性を高く保持したまま、強固に固定化することが可能であり、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することができるという結論に至った。
【００１９】
さらに検討を行った結果、ナノメートルサイズの極微小の細孔を表面に有する炭素を用い、この炭素にピレン誘導体などの特定の化合物を介して酵素などのタンパク質を結合することにより、タンパク質を活性、より一般的には機能を高く保持したまま、強固に固定化することができ、タンパク質の溶出を有効に防止することができることも見出した。
【００２０】
すなわち、上記課題を解決するために、本開示は、
正極と、
負極と、
上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなる燃料電池である。
【００２１】
また、本開示は、
正極と、負極と、上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有する燃料電池を製造する場合に、
上記負極として、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有する電極を用い、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を固定化する工程を有する燃料電池の製造方法である。
【００２２】
また、本開示は、
一つまたは複数の燃料電池を有し、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と、
負極と、
上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるものである電子機器である。
【００２３】
本開示において、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドはＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの誘導体はニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ+ ／ＮＡＤＰＨ）のほか、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドのアデニン骨格の窒素（Ｎ）にアミンやカルボン酸などの化学修飾を行ったものなどである。例えば、ＮＡＤ+ とＮＡＤＰ+ とでは、分子量がそれぞれ６６３、７４４であるので、両者の大きさはほぼ同じである。その他の誘導体は官能基が小さいため、ＮＡＤ+ との差はより少ないと考えられる。ＮＡＤ+ 自体も元々、骨格内にリン酸基を二つ持っているため、ＮＡＤＰ+ になっても電荷は変わるが、炭素または無機化合物の表面との化学的相互作用は大きく変化しないと考えられる。
【００２４】
炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体をより確実に固定化し、さらに酵素との反応性を高く保持するために、好適には、炭素および／または無機化合物の表面は、大きさ（細孔径）が２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔に加えて、大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔をさらに有する。より好適には、炭素および／または無機化合物の表面は、大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を有する。
【００２５】
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素としては、例えば、炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一種類を用いることができる。炭素粒子は、例えば、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含むが、これら以外のものであってもよい。活性炭には、例えば、カシ炭、クヌギ炭、スギ炭、ナラ炭、ヒノキ炭などの木炭や、ゴム炭、竹炭、オガ炭、ヤシ殻炭などが含まれる。カーボンブラックには、ファーネスブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラックなどが含まれる。バイオカーボンは、ケイ素（シリコン）の含有率が５重量％以上である植物由来の材料を原料とし、窒素ＢＥＴ法による比表面積の値が１０ｍ2 ／ｇ以上、ケイ素の含有率が１重量％以下、ＢＪＨ法およびＭＰ法による細孔の容積が０．１ｃｍ3 ／ｇ以上である多孔質炭素材料である（特許文献１６参照。）。
【００２６】
無機化合物は、例えば、各種の金属やケイ素（Ｓｉ）などを含む化合物であり、典型的には、酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、硫酸塩、リン酸塩および塩化物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である。金属としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、セリウム（Ｃｅ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バリウム（Ｂａ）、インジウム（Ｉｎ）、リチウム（Ｌｉ）、銅（Ｃｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。酸化物としては、例えば、二酸化ケイ素（シリカ）（ＳｉＯ2 ）、酸化アルミニウム（アルミナ）（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化チタン（ＴｉＯ2 ）、酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2 ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2 ）、酸化ニオブ（ＮｂＯ）、酸化バナジウム（Ｖ2 Ｏ5 、Ｖ2 Ｏ3 、ＶＯ2 ）、酸化セリウム（ＣｅＯ2 ）、酸化スズ（ＳｎＯ2 ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ガリウム（Ｇａ2 Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化インジウム（ＩｎＯ2 ）、酸化リチウム（Ｌｉ2 Ｏ）、酸化銅（Ｃｕ2 Ｏ、ＣｕＯ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ2 ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3 ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2 ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。窒化物としては、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化リチウム（ＬｉＮ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。炭化物としては、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＨｆＣ（炭化ハフウニウム）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化クロム（ＣｒＣ）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。硫化物としては、例えば、硫化亜鉛（ＺｎＳ）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。硫酸塩としては、例えば、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ4 ）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。リン酸塩としては、例えば、リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ4 ）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。塩化物として、例えば、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3 ）、塩化銅（ＣｕＣｌ2 ）などが挙げられるが、これに限定されるものではない。これらの無機化合物の中でも、好適には、例えば、固体酸（表面が酸性を示す固体物質）の性質を有するもの、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｖ2 Ｏ5 、ＺｎＳ、ＮｉＳＯ4 、ＡｌＰＯ4 、ＡｌＣｌ3 などが用いられる。これらの無機化合物は、静電相互作用、極性、ファンデルワールス力などによるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体との結合性は炭素と類似しており、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体の吸着が可能である。これらの無機化合物には導電性のものと非導電性のものとがあるが、非導電性であっても、電極に最終的に電子を受け渡すのは電子メディエーターであるため、例えば、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体や酵素をこの無機化合物に保持し、電子メディエーターによって電極に電子を受け渡すことができる。
【００２７】
電極の材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、インジウム（Ｉｎ）、イリジウム（Ｉｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）およびハフニウム（Ｈｆ）からなる群より選ばれた少なくとも一種類の金属の単体または合金を用いることができる。電極の材料としては、そのほかに、アルメル、黄銅（真鍮）、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅などの合金、ポリアセチレンなどの導電性高分子、カーボンフェルト、カーボンペーパー、炭素繊維または炭素微粒子の積層体などのカーボン系材料、ＨｆＢ2 、ＮｂＢ、ＣｒＢ2 およびＢ4 Ｃなどのホウ化物、ＴｉＮ、ＺｒＮなどの窒化物、ＶＳｉ2 、ＮｂＳｉ2 、ＭｏＳｉ2 、ＴａＳｉ2 などのケイ化物、ならびにこれらの複合材料などを用いることができる。
【００２８】
必要に応じて、電極の全体を大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物により構成してもよい。電極の全体を大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物により構成する場合には、結着剤として例えばポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフッ素原子を含むポリマーおよびこれらの共重合体やこれらのモノマーとエチレンやスチレンなどとの共重合体のポリマーを用いてもよい。さらに、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリマーのほか、ポリアクリル酸、ポリリジン、カルボキシメチルセルロースなどの親水性ポリマー、ポリアニリン、ポリピロールおよびそれらの誘導体であるポリアニリンスルホン酸などの導電性ポリマーを用いてもよい。また、これらのポリマーをブレンドして用いてもよい。
【００２９】
燃料としては、グルコースなどの種々のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。グルコース以外の燃料としては、例えば、クエン酸回路に関与する各種の有機酸や、ペントースリン酸回路および解糖系に関与する糖および有機酸などが挙げられる。クエン酸回路に関与する各種の有機酸は、乳酸、ピルビン酸、アセチルＣｏＡ、クエン酸、イソクエン酸、αケトグルタル酸、スクシニルＣｏＡ、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、オキサロ酢酸などである。ペントースリン酸回路および解糖系に関与する糖および有機酸は、グルコース６リン酸、６ホスホグルコノラクトン、６ホスホグルコン酸、リブロース５リン酸、グリセルアルデヒド３リン酸、フルクトース６リン酸、キシルロース５リン酸、セドヘプツロース７リン酸、エリトロース４リン酸、ホスホエノールピルビン酸、１，３ビスホスホグリセリン酸、リボース５リン酸などである。燃料としては、メタノールやエタノールなどのアルコールを用いてもよい。
【００３０】
これらの燃料は、典型的には、これらの燃料をリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの従来公知の緩衝液に溶かした燃料溶液の形で用いる。
【００３１】
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有する電極の炭素および／または無機化合物には、典型的には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を補酵素とする一種または複数種の酵素が固定化される。これらの酵素ならびにニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を用いて燃料から電子が取り出される。これらの酵素は、典型的には、グルコースなどの燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素を含み、さらに、燃料の酸化に伴って還元された補酵素を酸化体に戻すとともに電子メディエーターを介して電子を負極に渡す補酵素酸化酵素を含む。具体的には、好適には、これらの酵素は、グルコースなどの燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素と、この酸化酵素によって還元される補酵素を酸化体に戻す補酵素酸化酵素とを含む。この補酵素酸化酵素の作用により、補酵素であるニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが酸化体に戻るときに電子が生成され、補酵素酸化酵素から電子メディエーターを介して負極に電子が渡される。例えば燃料としてグルコースを用いる場合、酸化酵素としては例えばグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（特に、ＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ）が、補酵素酸化酵素としては例えばジアホラーゼ（ＤＩ）が用いられる。
【００３２】
上記の炭素および／または無機化合物に酵素を固定化する場合には、酵素をより強固に固定化する観点より、好適には、炭素および／または無機化合物と結合する部位と酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を用い、この酵素固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物に結合させる。この酵素固定化用化合物は、典型的には、炭素および／または無機化合物の表面の細孔の内部における炭素および／または無機化合物に結合する。この酵素固定化用化合物としては従来公知の種々の化合物を用いることができ、必要に応じて選ばれる。このように酵素固定化用化合物を介して酵素を炭素および／または無機化合物に結合させることは、酵素から炭素および／または無機化合物への直接電子移動にも効果的である。
【００３３】
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔あるいはさらに大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有する電極の炭素および／または無機化合物には、典型的には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、電子メディエーターが、酵素などとの反応性を高く保持したまま固定化される。電子メディエーターとしては基本的にはどのようなものを用いてもよいが、好適には、キノン骨格を有する化合物が用いられ、具体的には、例えば、２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン（Ｑ０）や、ナフトキノン骨格を有する化合物、例えば、２−アミノ−１，４−ナフトキノン（ＡＮＱ）、２−アミノ−３−メチル−１，４−ナフトキノン（ＡＭＮＱ）、２−メチル−１，４−ナフトキノン（ＶＫ３）、２−アミノ−３−カルボキシ−１，４−ナフトキノン（ＡＣＮＱ）、ビタミンＫ１などの各種のナフトキノン誘導体が用いられる。キノン骨格を有する化合物としては、例えば、アントラキノンやその誘導体を用いることもできる。電子メディエーターには、必要に応じて、キノン骨格を有する化合物以外に、電子メディエーターとして働く一種または二種以上の他の化合物を含ませてもよい。
【００３４】
正極に酵素が固定化される場合、この酵素は、典型的には酸素を還元する酵素を含む。この酸素を還元する酵素としては、例えば、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどを用いることができる。この場合、正極には、好適には、酵素に加えて電子メディエーターも固定化される。電子メディエーターとしては、例えば、ヘキサシアノ鉄酸カリウム、オクタシアノタングステン酸カリウムなどを用いる。電子メディエーターは、好適には、十分に高濃度、例えば、平均値で０．６４×１０-6ｍｏｌ／ｍｍ2 以上固定化する。
【００３５】
プロトン伝導体としては種々のものを用いることができ、必要に応じて選択されるが、具体的には、例えば、セロハン、パーフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳ）系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、ＰＳＳＡ−ＰＶＡ（ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体）や、ＰＳＳＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体）、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂（ナフィオン（商品名、米国デュポン社）など）などからなるものが挙げられる。
【００３６】
プロトン伝導体として緩衝液（緩衝物質）を含む電解質を用いる場合には、高出力動作時に十分な緩衝能を得ることができ、酵素が本来持っている能力を十分に発揮することができるようにするのが望ましい。このために、電解質に含まれる緩衝物質の濃度を０．２Ｍ以上２．５Ｍ以下にすることが有効であり、好適には０．２Ｍ以上２Ｍ以下、より好適には０．４Ｍ以上２Ｍ以下、さらに好適には０．８Ｍ以上１．２Ｍ以下とする。緩衝物質は、一般的には、ｐＫa が６以上９以下のものであれば、どのようなものを用いてもよいが、具体例を挙げると、リン酸二水素イオン（Ｈ2 ＰＯ4 - ）、２−アミノ−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール（略称トリス）、２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、カコジル酸、炭酸（Ｈ2 ＣＯ3 ）、クエン酸水素イオン、Ｎ−（２−アセトアミド）イミノ二酢酸（ＡＤＡ）、ピペラジン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２−エタンスルホン酸）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−アミノエタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、３−（Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−２−エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−３−プロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳ）、Ｎ−［トリス（ヒドロキシメチル）メチル］グリシン（略称トリシン）、グリシルグリシン、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）グリシン（略称ビシン）などである。リン酸二水素イオン（Ｈ2 ＰＯ4 - ）を生成する物質は、例えば、リン酸二水素ナトリウム（ＮａＨ2 ＰＯ4 ）やリン酸二水素カリウム（ＫＨ2 ＰＯ4 ）などである。緩衝物質としてはイミダゾール環を含む化合物も好ましい。イミダゾール環を含む化合物は、具体的には、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体（ヒスチジン、１−メチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、イミダゾール−２−カルボン酸エチル、イミダゾール−２−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−４−カルボン酸、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、イミダゾール−１−イル−酢酸、２−アセチルベンズイミダゾール、１−アセチルイミダゾール、Ｎ−アセチルイミダゾール、２−アミノベンズイミダゾール、Ｎ−（３−アミノプロピル) イミダゾール、５−アミノ−２−（トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、４−アザベンズイミダゾール、４−アザ−２−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、１−ベンジルイミダゾール、１−ブチルイミダゾール）などである。必要に応じて、これらの緩衝物質に加えて、例えば、塩酸（ＨＣｌ）、酢酸（ＣＨ3 ＣＯＯＨ）、リン酸（Ｈ3 ＰＯ4 ）および硫酸（Ｈ2 ＳＯ4 ）からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸を中和剤として加えてもよい。こうすることで、酵素の活性をより高く維持することができる。緩衝物質を含む電解質のｐＨは、好適には７付近であるが、一般的には１〜１４のいずれであってもよい。
【００３７】
正極の電極材料としては各種のものを用いることができるが、例えば、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンフェルト、カーボンペーパーなどのカーボン系材料が用いられる。電極の材料としては、多孔体材料からなる骨格と、この骨格の少なくとも一部の表面を被覆する、カーボン系材料を主成分とする材料とを含む多孔体導電材料を用いることもできる（特許文献１２参照。）。
【００３８】
この燃料電池はおよそ電力が必要なものすべてに用いることができ、大きさも問わないが、例えば、電子機器、移動体（自動車、二輪車、航空機、ロケット、宇宙船など）、動力装置、建設機械、工作機械、発電システム、コージェネレーションシステムなどに用いることができ、用途などによって出力、大きさ、形状、燃料の種類などが決められる。
【００３９】
電子機器は、基本的にはどのようなものであってもよく、携帯型のものと据え置き型のものとの双方を含むが、具体例を挙げると、携帯電話、モバイル機器（携帯情報端末機（ＰＤＡ）など）、ロボット、パーソナルコンピュータ（デスクトップ型、ノート型の双方を含む）、ゲーム機器、カメラ一体型ＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、車載機器、家庭電気製品、工業製品などである。
【００４０】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極である。
【００４１】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている担体からなるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体である。
【００４２】
このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体は、医薬品や化粧品などの製造を含む各種の用途に用いることができる。すなわち、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体をバイオリアクターに用いて医薬品や化粧品などを製造してもよいし、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体そのものを成分に用いて医薬品や化粧品などを製造してもよい。このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体は、具体的には、例えば、経口薬、インプラント、体外における血液製剤の調剤などに用いることができる。ＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨを基質とする酸化還元酵素は非常に多いため、それらの酵素の欠乏した患者に対しては、酵素およびＮＡＤＨの両方を活性を保ったまま表面に保持させた、細孔を有する炭素または無機化合物が効果的にかつ持続的に機能する。例えば、アセトアルデヒド脱水素酵素およびＮＡＤ+ の両方を活性を保ったまま表面に保持させた、細孔を有する炭素または無機化合物は、アルコール中毒の解毒に使用することが可能である。また、アルツハイマー病に対してはＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨそのものが効果的であることが知られているため、アルツハイマー病の患者の治療に用いることができる。
【００４３】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されているニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を有する酵素反応利用装置である。
【００４４】
この酵素反応利用装置は、例えば、燃料電池（バイオ燃料電池）、バイオセンサーまたはバイオリアクターである。
【００４５】
上記のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体および酵素反応利用装置においては、その性質に反しない限り、上記の燃料電池および燃料電池の製造方法に関連して説明したことが成立する。ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体においては、細孔を表面に有する材料は導電性であっても非導電性であってもよい。
【００４６】
上記のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体においては、必要に応じて、上記炭素および／または無機化合物に様々な電荷（正および／または負）または反応性を有する少なくとも一種類の官能基を付与することができる。
【００４７】
さらに、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にタンパク質が固定化されている電極からなるタンパク質固定化電極である。
【００４８】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にタンパク質が固定化されている担体からなるタンパク質固定化担体である。
【００４９】
上記のタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体は種々の用途に用いることができる。タンパク質は、基本的にはどのようなものであってもよいが、例を挙げると、酵素、抗体、ホルモン、アルブミン、蛍光タンパク質（ＧＦＰ、ＲＦＰなど）、ケラチン、コラーゲン、アクチン、ミオシンなどである。
【００５０】
タンパク質として酵素を用いた場合には、タンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体はそれぞれ酵素固定化電極および酵素固定化担体となる。酵素固定化電極は、例えば、燃料電池の負極やバイオセンサーの電極などに用いることができる。また、酵素固定化担体は、例えば、バイオリアクターに用いることができる。これらのタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体においては、タンパク質をより強固に固定化する観点より、好適には、炭素および／または無機化合物と結合する部位とタンパク質と結合する部位とを有するタンパク質固定化用化合物を用い、このタンパク質固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物に結合させる。このタンパク質固定化用化合物は、典型的には、炭素および／または無機化合物の表面の細孔の内部における炭素および／または無機化合物に結合する。このようにタンパク質固定化用化合物を介してタンパク質を炭素および／または無機化合物に結合させることは、タンパク質から炭素および／または無機化合物への直接電子移動にも効果的である。
【００５１】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にペプチドが固定化されている電極からなるペプチド固定化電極である。
【００５２】
また、本開示は、
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にペプチドが固定化されている担体からなるペプチド固定化担体である。
【００５３】
上記のペプチド固定化電極およびペプチド固定化担体は種々の用途に用いることができる。ペプチドは、基本的にはどのようなものであってもよい。これらのペプチド固定化電極およびペプチド固定化担体については、その性質に反しない限り、上記のタンパク質固定化電極およびタンパク質固定化担体に関連して説明したことが成立する。
【００５４】
上記のタンパク質固定化電極、タンパク質固定化担体、ペプチド固定化電極およびペプチド固定化担体は、例えば、下記のような種々の用途に適用することができる。
・タンパク質およびペプチドの化学的、生物学的特長を保持することが可能となり、さらに保持量を制御することも可能である。
・タンパク質として酵素を用いたタンパク質固定化電極をバイオ燃料電池またはバイオセンサーに用いた場合には、酵素の使用量の低減を図ることが可能となり、さらに繰り返し特性などの安定性の向上を図ることも可能となる。
・あらかじめナノ細孔に吸着物を含む炭素および／または無機化合物にタンパク質を固定化することにより、吸着物の溶出を抑制することができ、これによって、例えばバイオ燃料電池においては、吸着物としての電子メディエーターや補酵素（ＮＡＤＨなど）の使用量の低減を図ることが可能となる。
・高価なポリ−Ｌ−リジンなどへの架橋を行わなくても、より安価にタンパク質の強固な固定化が可能である。また、炭素および／または無機化合物のナノ細孔に抗体などの特定の物質（抗原など）と特異的な相互作用を行うタンパク質を保持することにより、このタンパク質と相互作用する液体やガスなどの浄化剤を安定にかつ容易に実現することができる。また、例えばピレン誘導体においてピレンに修飾された官能基や反応基と結合させることにより、特定の物質を溶液中や大気中から除去することが可能である。
・ＮＨＳエステルなどのタンパク質と結合反応を起こす活性化物質を保持するピレン誘導体などをナノ細孔に吸着させた炭素および／または無機化合物は、溶液中などからのタンパク質除去剤として使用することができる。
・炭素および／または無機化合物のナノ細孔に抗体などの特定の物質（抗原など）と特異的な相互作用を行うタンパク質を保持することにより、医療用、衛生用の診断、検査デバイスを安定にかつ容易に実現することができる。
・例えば、固定化された抗体などに抗原となるリガンドを結合して保持させ、それらをエリザ（ＥＬＩＳＡ，enzyme-linked immunosorbent assay)などのセンシングに用いることができる。
・主要組織適合遺伝子複合体（ＭＨＣ）に抗原となるリガンドを結合して保持させることにより、抗原提示する炭素および／または無機化合物の粒子を得ることができ、これらを経口、経鼻、注射などにより、粘膜や皮下に導入し、ワクチンとして使用することができる。
・不溶性のタンパク質製剤に応用することで、安定な固定化と表面への保持量調整により活性の制御が可能になる。
・ナノ細孔に抗体などの特定の物質と特異的な相互作用を持つタンパク質を保持させることで、これを担体とした安定かつ再利用可能なリアクターもしくは不均一系触媒を実現することができる。
・各種官能基を保持するピレン誘導体などをナノ細孔に吸着させることでそれらの官能基が高密度に付与された、ナノ細孔を有する炭素／無機化合物を構築することができる。これによって、例えば、正または負に荷電した、ナノ細孔を有する炭素／無機化合物の粒子を容易に構築することができ、電子ペーパー用のインクなどに使用することができる。
【００５５】
上述のように、本開示においては、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体は、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素または無機化合物の細孔に吸着により強固に固定化される。また、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体に加えて酵素も細孔に固定化することができ、特に、炭素および／または無機化合物と結合する部位と酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を介して酵素を固定化することにより酵素を強固に固定化することができる。このため、電極または担体からニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体あるいは酵素が溶出するのが防止される。また、この場合、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体あるいは酵素は、酵素などとの反応性を高く保持したまま炭素または無機化合物の細孔に固定化される。
【００５６】
また、本開示においては、タンパク質またはペプチドは、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素または無機化合物の細孔に吸着により強固に固定化される。このため、電極または担体からタンパク質またはペプチドが溶出するのが防止される。また、この場合、タンパク質またはペプチドは、活性を高く保持したまま炭素または無機化合物の細孔に固定化される。
【発明の効果】
【００５７】
本開示によれば、電極に固定化したニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体の溶出を有効に防止することができ、溶出による性能劣化を防止することができる燃料電池を得ることができる。そして、この優れた燃料電池を用いることにより、高性能の電子機器などを実現することができる。
【００５８】
また、電極または担体からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体の溶出を有効に防止することができるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を得ることができる。そして、これらのニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体を用いることにより、優れた酵素反応利用装置を得ることができる。
【００５９】
また、電極または担体からのタンパク質またはペプチドの溶出を有効に防止することができるタンパク質固定化電極またはタンパク質固定化担体あるいはペプチド固定化電極またはペプチド固定化担体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
【図２】第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極におけるナノ細孔を有する炭素の具体例を示す略線図である。
【図３】第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極におけるナノ細孔を有する炭素として炭素粒子を用いた場合にこの炭素粒子の表面に存在するナノ細孔の断面形状を模式的に示す略線図である。
【図４】第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の電極材料として繊維状炭素を用いた場合の繊維状炭素および炭素粒子の分布の様子を模式的に示す略線図である。
【図５】第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の電極材料として発泡金属を用いた場合の発泡金属および炭素粒子の分布の様子を模式的に示す略線図である。
【図６】第１の実施の形態による多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
【図７】図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電圧測定の結果を示す略線図である。
【図８】図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出率の測定結果を示す略線図である。
【図９】図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
【図１０】図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
【図１１】図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
【図１２】各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電圧測定の結果を示す略線図である。
【図１３】各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電流測定の結果を示す略線図である。
【図１４】各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電流測定の結果を示す略線図である。
【図１５】繊維状炭素からなる炭素電極上に繊維状炭素、バイオカーボンおよびケッチェンブラックを設けたものの走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図１６】繊維状炭素からなる炭素電極上に繊維状炭素、バイオカーボンおよびケッチェンブラックを設けたものの走査型電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図１７】バイオカーボンおよびケッチェンブラックの細孔分布の測定結果を示す略線図である。
【図１８】各種の炭素の細孔分布の測定結果を示す略線図である。
【図１９】各種の炭素を用いた図６に示す多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行ったサイクリックボルタンメトリー測定の結果を示す略線図である。
【図２０】第２の実施の形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。
【図２１】第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化されたリポソームに封入された酵素群および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す略線図である。
【図２２】第２の実施の形態によるバイオ燃料電池の具体的な構成例を示す略線図である。
【図２３】第３の実施の形態によるバイオリアクターを示す略線図である。
【図２４】第４の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
【図２５】第４の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の具体例を示す略線図である。
【図２６】実施例５による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて定電流測定を行った結果を示す略線図である。
【図２７】実施例５による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて酵素の溶出率の測定を行った結果を示す略線図である。
【図２８】実施例５による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極においてニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化量を変えて定電流測定を行った結果を示す略線図である。
【図２９】バイオカーボンの表面にＮＨＳピレンを塗布した場合と塗布しない場合の細孔分布の測定結果を示す略線図である。
【図３０】バイオカーボンのナノ細孔にＮＨＳピレンを介して酵素が固定化された酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す略線図である。
【図３１】酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の酵素の固定化能を比較して示す略線図である。
【図３２】酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行って定電圧測定を行った結果を比較して示す略線図である。
【図３３】酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極からの酵素の溶出率の測定結果を比較して示す略線図である。
【図３４】酵素固定化用化合物として５種類の化合物を用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて行った定電圧測定の結果を比較して示す略線図である。
【図３５】第５の実施の形態による物質除去剤を説明するための略線図である。
【図３６】第５の実施の形態による物質除去剤において用いる炭素粒子を示す略線図である。
【図３７】第７の実施の形態による抗原除去剤を説明するための略線図である。
【図３８】第７の実施の形態による抗原除去剤において用いる炭素シートを示す略線図である。
【図３９】第８の実施の形態によるワクチンを説明するための略線図である。
【図４０】第８の実施の形態によるワクチンにおいて用いる炭素粒子を示す略線図である。
【図４１】第９の実施の形態によるバイオリアクターを示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびその製造方法）
２．第２の実施の形態（バイオ燃料電池）
３．第３の実施の形態（バイオリアクター）
４．第４の実施の形態（酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極およびその製造方法）
５．第５の実施の形態（物質除去剤）
６．第６の実施の形態（タンパク質除去剤）
７．第７の実施の形態（抗原除去剤）
８．第８の実施の形態（ワクチン）
９．第９の実施の形態（バイオリアクター）
【００６２】
〈１．第１の実施の形態〉
［ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極］
図１は第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す。
【００６３】
図１に示すように、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極においては、電極１１の表面に、ナノメートルサイズ、具体的には２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好適には２ｎｍ以上３０ｎｍ以下、より好適には４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の大きさの細孔、あるいはさらに０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔（以下、これらの細孔を「ナノ細孔」という。）を有する炭素１２が形成されている。図１においては、ナノ細孔を有する炭素１２は電極１１上に層状に設けられた形で示されているが、電極１１が繊維状炭素などからなり、多孔体のように隙間のある構造を有する場合には、この電極１１の内部に分散して形成される場合もある。このナノ細孔を有する炭素１２のナノ細孔に１分子または２分子以上のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が吸着して固定化されている。なお、電極１１を用いず、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化された炭素１２だけでニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を構成してもよい。
【００６４】
ナノ細孔を有する炭素１２は、例えば、炭素粒子、炭素シート、炭素ファイバーなどのうちの一種または二種類からなる。図２Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーを示す。
【００６５】
図２Ａに示すように、炭素粒子１３は表面に複数のナノ細孔１３ａを有する。図２Ａにおいては、炭素粒子１３が球状に描かれているが、炭素粒子１３の形状は問わず、楕円体状、立方体状、直方体状などのいずれであってもよい。また、互いに形状が異なる二種類以上の炭素粒子１３を混在させてもよい。炭素粒子１３の大きさは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、典型的には１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
【００６６】
図２Ｂに示すように、炭素シート１４は、表面に複数のナノ細孔１４ａを有する。図２Ｂにおいては、炭素シート１４が平板状に描かれているが、炭素シート１４は全部または一部が湾曲していてもよい。炭素シート１４の形状は問わず、正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、六角形などのいずれであってもよい。炭素シート１４の厚さは特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、典型的には１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
【００６７】
図２Ｃに示すように、炭素ファイバー１５は表面に複数のナノ細孔１５ａを有する。図２Ｂにおいては、炭素ファイバー１５が円形の断面形状を有するように描かれているが、炭素ファイバー１５の断面形状は問わず、円形、楕円状、正方形状、長方形状などのいずれであってもよい。また、互いに断面形状が異なる二種類以上の炭素ファイバー１５を混在させてもよい。炭素ファイバー１５の太さ（径）は特に限定されないが、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、典型的には１００ｎｍ以上５００μｍ以下である。
【００６８】
図３は、ナノ細孔を有する炭素１２の一例としての炭素粒子１３の表面のナノ細孔１３ａの断面形状を模式的に示したものである。図３に示すように、ナノ細孔１３ａには断面形状、細孔径、深さなどが互いに異なるものが存在してもよい。また、ナノ細孔１３ａの内部に、より小さいナノ細孔が存在することもある。このナノ細孔１３ａの内壁に１分子または２分子以上のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６が吸着し、固定化されている。
【００６９】
ナノ細孔を有する炭素１２は、既に述べたように、例えば、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含むものであるが、これら以外のものであってもよい。
【００７０】
電極１１の材料は、例えば、既に述べたものの中から必要に応じて選ばれる。電極１１の材料として繊維状炭素を用いた場合のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の一例を図４に示す。図４に示すように、繊維状炭素１７の集合体において各繊維状炭素１７の隙間に、ナノ細孔１３ａを有する炭素粒子１３が分散して存在している。
【００７１】
電極１１の材料としては、発泡金属、例えば発泡ニッケルを用いてもよい。電極１１の材料として発泡金属を用いた場合のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の一例を図５に示す。図５に示すように、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格１８に固定化されて、ナノ細孔を有する炭素として炭素粒子１３が分散して存在している。骨格１８の表面はカーボン系材料により被覆するようにしてもよい。骨格１８の表面を被覆するカーボン系材料の形態は問わず、繊維状（針状）、粒状などのいずれであってもよい。発泡金属またはカーボン系材料により被覆した発泡金属の多孔率は一般的には８５％以上、あるいは９０％以上であり、その孔径は、一般的には例えば１０ｎｍ〜１ｍｍ、あるいは１０ｎｍ〜６００μｍ、あるいは１〜６００μｍ、典型的には５０〜３００μｍ、より典型的には１００〜２５０μｍである。カーボン系材料としては、例えばケッチェンブラックなどの高導電性のものが好ましいが、カーボンナノチューブやフラーレンなどの機能性カーボン材料を用いてもよい。この多孔体導電材料の多孔率は一般的には８０％以上、あるいは９０％以上であり、孔径は、一般的には例えば９ｎｍ〜１ｍｍ、あるいは９ｎｍ〜６００μｍ、あるいは１〜６００μｍ、典型的には３０〜４００μｍ、より典型的には８０〜２３０μｍである。
【００７２】
図６に示すように、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極は、電極１１とナノ細孔を有する炭素１２とを交互に積層したものにより構成してもよい。それぞれのナノ細孔を有する炭素１２には１分子または２分子以上のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている。このようにニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を、電極１１とナノ細孔を有する炭素１２とを交互に積層したものにより構成することにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されたナノ細孔を有する炭素１２は電極１１の間に挟まれるので、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が外部に溶出するのをより有効に防止することができる。
【００７３】
ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を補酵素とする一種または複数種の酵素あるいはさらに、電子メディエーターを固定化してもよい。こうすることで、酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極あるいは酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド／電子メディエーター固定化電極を得ることができる。例えば、基質としてグルコースを用いる場合には、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼを用い、電子メディエーターとして例えばキノン骨格を有するものを用いる。
【００７４】
ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極における酵素および電子メディエーターの固定化について説明する。一例として、ナノ細孔を有する炭素１２として図３に示す炭素粒子１３を用いる場合を考える。図３において、酵素１９は、炭素粒子１３の表面に吸着して固定化され得るが、この酵素１９よりも大きいナノ細孔１３ａに入り込むと強固に吸着し、炭素粒子１３に強固に固定化されると考えられる。図３においては、一つの酵素１９だけが示されているが、一種または二種以上の酵素が二つ以上固定化されることもある。さらに、電子メディエーター２０もナノ細孔１３ａに入り込み、固定化されると考えられる。このようにナノ細孔１３ａに酵素１９および電子メディエーター２０が固定化されると、同じくこのナノ細孔１３ａに固定化されたニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６とこの酵素１９とが接近するため、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６を補酵素とする酵素反応が効率的かつ迅速に行われる。電子メディエーター２０もナノ細孔１３ａに固定化されると、電子メディエーター２０と酵素１９とが接近するため、酵素１９から電子メディエーター２０への電子の受け渡し反応も、電子メディエーター２０から炭素粒子１３に対する電子の受け渡し反応も効率的かつ迅速に行われる。具体的には、ナノ細孔１３ａに、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６、酵素１９としてのＮＡＤ+ ／ＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼおよびキノン骨格を有する電子メディエーターが全て固定化されると、グルコースを燃料あるいは基質とする酵素反応全体が極めて効率的かつ迅速に行われる。
【００７５】
必要に応じて、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体や酵素などの固定化をより強固なものにするために、ナノ細孔を有する炭素１２を覆うように固定化材を形成するようにしてもよい。固定化材としては従来公知のものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。固定化材としては、具体的には、例えば、グルタルアルデヒド（ＧＡ）とポリＬリジン（ＰＬＬ）とを組み合わせたものや、ポリＬリジン（ＰＬＬ）をはじめとしたポリカチオンまたはその塩とポリアクリル酸（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム（ＰＡＡｃＮａ））をはじめとしたポリアニオンまたはその塩とを用いて形成されるポリイオンコンプレックスなどを用いることができる。
【００７６】
［ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の製造方法］
このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極は、例えば、次のようにして製造することができる。一例として、ナノ細孔を有する炭素１２として炭素粒子１３を用いる場合について説明する。
【００７７】
まず、炭素粒子を水溶性ポリマーと混合して水に分散させた分散液を調製する。この分散液を電極１１上に塗布し、乾燥することにより、電極１１上に炭素粒子１３を固定化する。水溶性ポリマーとしては、例えば、ポリアクリル酸、ポリリジン、ポリエチレンイミン、ポリアニリン２−スルホン酸、ポリエチレングリコールなどを用いる。あるいは、非水溶性ポリマーと炭素粒子１３とを有機溶剤中で分散させた分散液を調製し、この分散液を電極１１上に塗布し、乾燥することにより、炭素粒子１３を電極１１上に固定化するようにしてもよい。非水溶性ポリマーとしては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフッ素原子を含むポリマーおよびこれらの共重合体やこれらのモノマーとエチレンやスチレンなどとの共重合体のポリマーなどを用いることができる。ポリマーと混合せずに炭素粒子だけで分散液を調製してもよい。
【００７８】
次に、緩衝液にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６を含む溶液を調製し、この溶液をナノ細孔を有する炭素粒子１３が固定化された電極１１上に塗布し、乾燥する。こうすることで、炭素粒子１３のナノ細孔１３ａにニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６が吸着して固定化される。こうして炭素粒子１３にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体１６を吸着させた後、例えば、室温もしくは４０℃程度の温度で完全に乾燥させるようにすることが好ましい。酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極あるいは酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド／電子メディエーター固定化電極を形成する場合には、同様にして、酵素１９、あるいはさらに電子メディエーター２０を電極１１に固定化する。この際、酵素１９などの大きい分子によって、それより小さい細孔を塞ぐ可能性があることから、分子量が小さい分子から先に塗布することが好ましい。具体的には、一般に、電子メディエーター２０、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体１６、酵素１９の順に分子量が大きくなるので、最初に電子メディエーター２０、次にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドまたはその誘導体１６、最後に酵素１９を塗布するのが好ましい。なお、酵素塗布後、ポリマーを添加して炭素粒子を結着させてもよいし、表面にポリマー膜を形成して炭素粒子をより強固に固定化させてもよい。
【００７９】
〈実施例１〉
次のようにしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。電極１１として繊維状炭素からなる炭素電極を用いた。
【００８０】
炭素粒子を水溶性ポリマーと混合して水に分散させた分散液を調製した。この分散液を炭素電極上に塗布し、乾燥することにより、炭素電極上に炭素粒子を固定化した。
【００８１】
炭素粒子としては、バイオカーボンを用いた。このバイオカーボンは特許文献１６の実施例１と同様にして作製した。具体的には、まず、粉砕した籾殻（鹿児島県産、イセヒカリの籾殻）を、窒素気流中において５００℃、５時間加熱することにより炭化させ、炭化物を得た。その後、この炭化物の１０ｇをアルミナ製のるつぼに入れ、窒素気流（１０リットル／分）において５℃／分の昇温速度で１０００℃まで昇温させた。そして、１０００℃で５時間、炭素化して、炭素質物質（多孔質炭素材料前駆体）に変換した後、室温まで冷却した。なお、炭素化および冷却中、窒素ガスを流し続けた。次に、この多孔質炭素材料前駆体を４６体積％のフッ化水素酸水溶液に一晩浸漬することにより酸処理を行った後、水およびエチルアルコールを用いてｐＨ７になるまで洗浄した。そして、最後に乾燥させることにより、多孔質炭素材料、すなわちバイオカーボンを得た。
【００８２】
ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ製、Ｎ−８１２９）を１０〜５０ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＮＡＤＨ緩衝溶液を調製した。このＮＡＤＨ緩衝溶液を上述のようにして炭素粒子が固定化された炭素電極上に塗布し、室温で乾燥した。
【００８３】
上記のプロセスを繰り返し行うことにより、図６に示す構造の多層構造のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８４】
〈実施例２〉
実施例２では、炭素粒子としてケッチェンブラック（ＫＢ）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８５】
〈実施例３〉
実施例３では、炭素粒子として塩化亜鉛で賦活した活性炭（活性炭１）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８６】
〈実施例４〉
実施例４では、炭素粒子として水蒸気で賦活した活性炭（活性炭２）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８７】
〈比較例１〉
比較例１（Ｃｔｒｌ）では、炭素粒子として繊維状炭素を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８８】
〈比較例２〉
比較例２では、炭素粒子としてメソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００８９】
〈比較例３〉
比較例３では、炭素粒子としてグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子を用いることを除いて実施例１と同様にしてニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【００９０】
〈実験結果〉
燃料としてグルコースを用い、これを１０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７）に溶解して燃料溶液を調製した。この燃料溶液中に、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（ＥＣ １．１．１．４７、天野エンザイム製）およびジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ １．８．１．４、天野エンザイム製）、電子メディエーターとしてキノン誘導体であるＡＱ２Ｓ（アントラキノン−２−スルホン酸）を溶解した。
【００９１】
実施例１、２および比較例１のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて繰り返し特性を酵素による触媒電流の電気化学的観察により検証した。このために、電気化学測定装置の作用電極として実施例１、２および比較例１のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極、参照電極としてＡｇ｜ＡｇＣｌ、対極として白金ワイヤーを用いた。燃料溶液添加後、ピペッティングを行い、定電圧−０．２Ｖで電流値を測定後、超純水にて２０回以上ピペッティングにより洗浄し、再び超純水を入れ換えて同様の洗浄を行った。洗浄後、再度燃料溶液を添加し、ピペッティング後、同様の定電圧測定を行った。これらの一連の動作を数回繰り返すことにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化性能を検証した。
【００９２】
その結果を図７に示す。図７では、測定開始から５分後の測定電流値の一回目の測定に対する比を示している。図７に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）を用いた場合には、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電流値は一割程度の変化しかなく、大きな電流値の低下は見られない。これに対し、炭素粒子として繊維状炭素を用いた場合、したがって炭素電極および炭素粒子とも繊維状炭素からなる場合には、燃料溶液の交換により毎回電流値が半減するほどの大きな電流値の低下が見られる。これは、バイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）では、これらの表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより溶出が防止されるが、表面にナノ細孔が存在しない繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換によりニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが容易に溶出してしまうためである。
【００９３】
上記と同様な試験において、毎回の燃料溶液中のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出量を高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）により測定した結果を図８に示す。図８より、ナノ細孔を有する炭素粒子であるバイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）を用いた場合には、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが炭素粒子に強固に吸着され、溶出がほとんど見られないことが確認された。
【００９４】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を設けたものに酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）のみを固定化し、グルコースに加えてニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび電子メディエーターを含む燃料溶液を繰り返し交換してサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）測定を行った。その結果を図９に示す。図９より、初期には燃料溶液交換により電流値が低下するものの、その後は一定の電流値を示すようになった。この結果より、酵素もナノ細孔を有するバイオカーボン（ＢＣ）に反応可能な状態で強固に吸着することが確認された。
【００９５】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を設けたものを用い、グルコースに加えて、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび電子メディエーターを含む燃料溶液を繰り返し交換してＣＶ測定を行った。その結果を図１０に示す。図１０より、燃料溶液交換ごとに電子メディエーターのピーク電流値が上昇することから、毎回の燃料溶液に含まれる電子メディエーターが、ナノ細孔を有するバイオカーボン（ＢＣ）に反応可能な状態で強固に保持されていることが確認された。
【００９６】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を設けたものに電子メディエーターを固定化し、グルコースに加えて、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを含む燃料溶液を繰り返し交換してＣＶ測定を行った。その結果を図１１に示す。図１１より、燃料溶液交換に関わらず、触媒電流値が保持されていることが確認された。つまり、電子メディエーターが、ナノ細孔を有するバイオカーボン（ＢＣ）に反応可能な状態で強固に保持されていることが確認された。
【００９７】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）、活性炭１または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を設けたものにＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび電子メディエーターを塗布し、燃料溶液を繰り返し交換して定電圧測定（−０．３５Ｖ）および定電流測定（１．５ｍＡｃｍ-2）を行った。
【００９８】
定電圧測定の結果を図１２に示す。図１２は燃料溶液の交換回数に対して定電圧測定における一時間後の電流値（電流密度ｉ）を、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合について比較して示したものである。図１２に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合には、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電流値は二割程度の減少しかなく、大きな電流値の低下は見られない。これに対し、炭素粒子として繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換回数が増すごとに急速に電流値が低下する。これは、バイオカーボン（ＢＣ）では、表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより溶出が防止されるのに対し、表面にナノ細孔が存在しない繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換によりニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが容易に溶出してしまうためである。
【００９９】
炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合の定電流測定の結果を図１３に示す。図１３は２時間ごとに１２時間後まで燃料溶液の交換を行った時の電位Ｅの経時変化を、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合について比較して示したものである。図１３に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合には、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電位Ｅの変化は少ない。これに対し、炭素粒子として繊維状炭素（Ｃｔｒｌ）を用いた場合には、燃料溶液を２回交換すると、電位Ｅは０になってしまう。これは、バイオカーボン（ＢＣ）では、表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより溶出が防止されるのに対し、表面にナノ細孔が存在しない繊維状炭素を用いた場合には、燃料溶液の交換によりニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが容易に溶出してしまうためである。
【０１００】
炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または活性炭１を用いた場合の定電流測定の結果を図１４に示す。図１４は２時間ごとに１２時間後まで燃料溶液の交換を行った時の電位Ｅの経時変化を、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）または活性炭１を用いた場合について比較して示したものである。図１４に示すように、炭素粒子としてバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合も活性炭１を用いた場合も、超純水による洗浄を含む燃料溶液の交換を行っても、電位Ｅの変化は少ない。これは、バイオカーボン（ＢＣ）および活性炭１では、表面のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドが固定化されていることにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出が防止されているためである。また、図１４より、活性炭１を用いた場合よりもバイオカーボン（ＢＣ）を用いた場合の方が、より効果的にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出が防止されていることが分かる。
【０１０１】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子として天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、バイオカーボン（ＢＣ）またはケッチェンブラック（ＫＢ）を固定化したものの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を観察した。その結果を図１５Ａ、ＢおよびＣならびに図１６Ａ、ＢおよびＣに示す。図１５Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ、炭素粒子として天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、バイオカーボン（ＢＣ）およびケッチェンブラック（ＫＢ）を固定化したもの、図１６Ａ、ＢおよびＣは図１５Ａ、ＢおよびＣより倍率を大きくしたものである。図１５ＢおよびＣならびに図１６ＢおよびＣより、バイオカーボン（ＢＣ）およびケッチェンブラック（ＫＢ）の表面にナノ細孔が観察される。
【０１０２】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子として天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、バイオカーボン（ＢＣ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、活性炭１、活性炭２、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子を固定化したものの細孔分布を測定した。図１７ＡおよびＢにバイオカーボン（ＢＣ）およびケッチェンブラック（ＫＢ）の細孔分布の測定結果を示す。また、図１８にＮＬＤＦＴ／ＧＣＭＣ法により見積もったバイオカーボン（ＢＣ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、活性炭１および活性炭２の細孔分布を示す。天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子は低比表面積のため（つまり細孔が無いか非常に少ないため）細孔分布は測定できなかった。表１に、バイオカーボン（ＢＣ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、活性炭１および活性炭２のＢＥＴ法による比表面積および細孔容積をまとめて示す。表１に示すように、ＢＥＴ法による比表面積は、天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子は１ｍ2 ／ｇから５ｍ2 ／ｇ程度、バイオカーボン（ＢＣ）は２０５０ｍ2 ／ｇ、ケッチェンブラック（ＫＢ）は１１７０ｍ2 ／ｇ、活性炭１（塩化亜鉛賦活）は１８５０ｍ2 ／ｇ、活性炭２（水蒸気賦活）は１３１０ｍ2 ／ｇであり、細孔容積は天然黒鉛（Ｃｔｒｌ）、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子は約０．０１ｃｍ3 ／ｇ、バイオカーボン（ＢＣ）は１．９５ｃｍ3 ／ｇ、ケッチェンブラック（ＫＢ）は２．４４ｃｍ3 ／ｇ、活性炭１は１．７３ｃｍ3 ／ｇ、活性炭２は０．９０ｃｍ3 ／ｇ、である。図１７および図１８より、バイオカーボン（ＢＣ）では０．５ｎｍから２ｎｍ位までのマイクロ細孔および２ｎｍから２０ｎｍ位までのメソ細孔が顕著に存在し、一方でケッチェンブラック（ＫＢ）では０．５ｎｍから２ｎｍ位までのマイクロ細孔および２０ｎｍ付近のメソ細孔が存在し、さらに１００ｎｍ付近のメソ細孔とマクロ孔との境界領域にも細孔が存在することが見積もられた。活性炭１ではマイクロ細孔は乏しいが、２ｎｍから２０ｎｍ位までのメソ細孔が顕著に存在する。活性炭２では０．５ｎｍから２ｎｍ位までのマイクロ細孔が顕著に存在するが、４ｎｍ以上のメソ細孔は乏しい。
【０１０３】
表１ ＢＥＴ法による比表面積および細孔容積
比表面積（ｍ2 ／ｇ） 細孔容積（ｃｍ3 ／ｇ）
ＢＣ ２０５０ １．９５
ＫＢ １１７０ ２．４４
活性炭１ １８５０ １．７３
活性炭２ １３１０ ０．９０
【０１０４】
表１より、概ね、比表面積１５００（ｍ2 ／ｇ）以上、細孔容積１．５ｃｍ3 ／ｇ以上が好ましいと言える。
【０１０５】
繊維状炭素からなる炭素電極上に炭素粒子として活性炭１、活性炭２、メソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子を設けたものに電子メディエーターを固定化し、グルコースに加えて、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼ（ＤＩ）、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドを含む燃料溶液を繰り返し交換してＣＶ測定を行った。その結果を図１９に示す。図１９より、細孔が無いか非常に少ないメソ炭素マイクロビーズ（ＭＣＭＢ）およびグラッシーカーボン（ＧＣ）粒子では、燃料溶液交換により触媒電流値が激減するのに対し、活性炭１および活性炭２では、燃料溶液交換に関わらず、触媒電流値が保持されていることが確認された。つまり、電子メディエーターが、ナノ細孔を有する活性炭１および活性炭２に反応可能な状態で強固に保持されていることが確認された。また、図１９より、水蒸気で賦活した活性炭１を用いた場合よりも塩化亜鉛で賦活した活性炭２を用いた場合の方が、より効果的にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出が防止されていることが分かる。
【０１０６】
以上のように、この第１の実施の形態によれば、電極１１上にナノ細孔を有する炭素１２を形成しているので、この炭素１２のナノ細孔にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を酵素などとの反応性を高く保持したまま強固に固定化することができる。このため、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体の溶出を有効に防止することができる。また、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極に酵素や電子メディエーターを固定化する場合にも、これらの酵素や電子メディエーターの溶出を有効に防止することができる。
【０１０７】
〈２．第２の実施の形態〉
［バイオ燃料電池］
次に、第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態においては、バイオ燃料電池の負極として、第１の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いる。
【０１０８】
図２０はこのバイオ燃料電池を模式的に示す。このバイオ燃料電池では、燃料としてグルコースを用いる。図２１は、このバイオ燃料電池の負極の構成の詳細ならびにこの負極に固定化されたリポソーム１２に封入された酵素群および補酵素の一例およびこの酵素群および補酵素による電子の受け渡し反応を模式的に示す。
【０１０９】
図２０および図２１に示すように、このバイオ燃料電池は、負極２１と正極２２とが電解質層２３を介して対向した構造を有する。負極２１は、燃料として供給されたグルコースを酵素により分解し電子を取り出すとともにプロトン（Ｈ+ ）を発生する。正極２２は、負極２１から電解質層２３を通って輸送されたプロトンと負極２１から外部回路を通って送られた電子と例えば空気中の酸素とにより水を生成する。
【０１１０】
負極２１としては、第１の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極が用いられる。この酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極は、具体的には、電極１１上に、脂質２分子膜にグルコースの透過が可能な穴１７を有するリポソーム１２が固定化されたものである。このリポソーム１２の内部には、グルコースの分解に関与する酵素、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素および補酵素の還元体を酸化する補酵素酸化酵素が封入されている。電極１１上には、必要に応じて、リポソーム１２に加えて、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡す電子メディエーターも固定化される。
【０１１１】
グルコースの分解に関与する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、好適にはＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼを用いることができる。この酸化酵素を存在させることにより、例えば、β−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化することができる。
【０１１２】
さらに、このＤ−グルコノ−δ−ラクトンは、グルコノキナーゼとフォスフォグルコネートデヒドロゲナーゼ（ＰｈＧＤＨ）との二つの酵素を存在させることにより、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに分解することができる。すなわち、Ｄ−グルコノ−δ−ラクトンは、加水分解によりＤ−グルコネートになり、Ｄ−グルコネートは、グルコノキナーゼの存在下、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）をアデノシン二リン酸（ＡＤＰ）とリン酸とに加水分解することでリン酸化されて、６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートになる。この６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートは、酸化酵素ＰｈＧＤＨの作用により、２−ケト−６−フォスフォ−Ｄ−グルコネートに酸化される。
【０１１３】
また、グルコースは上記分解プロセスのほかに、糖代謝を利用してＣＯ2 まで分解することもできる。この糖代謝を利用した分解プロセスは、解糖系によるグルコースの分解およびピルビン酸の生成ならびにＴＣＡ回路に大別されるが、これらは広く知られた反応系である。
【０１１４】
単糖類の分解プロセスにおける酸化反応は、補酵素の還元反応を伴って行われる。この補酵素は作用する酵素によってほぼ定まっており、ＧＤＨの場合、補酵素にはＮＡＤ+ が用いられる。すなわち、ＧＤＨの作用によりβ−Ｄ−グルコースがＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化されると、ＮＡＤ+ がＮＡＤＨに還元され、Ｈ+ を発生する。
【０１１５】
生成されたＮＡＤＨは、ジアホラーゼ（ＤＩ）の存在下で直ちにＮＡＤ+ に酸化され、二つの電子とＨ+ とを発生する。したがって、グルコース１分子につき１段階の酸化反応で二つの電子と二つのＨ+ とが生成されることになる。２段階の酸化反応では、合計四つの電子と四つのＨ+ とが生成される。
【０１１６】
上記プロセスで生成された電子はジアホラーゼから電子メディエーターを介して電極１１に渡され、Ｈ+ は電解質層２３を通って正極２２へ輸送される。
【０１１７】
上記の酵素、補酵素および電子メディエーターは、電極反応が効率よく定常的に行われるようにするために、電解質層２３に含まれるリン酸緩衝液やトリス緩衝液などの緩衝液によって、酵素にとって最適なｐＨ、例えばｐＨ７付近に維持されていることが好ましい。リン酸緩衝液としては、例えばＮａＨ2 ＰＯ4 やＫＨ2 ＰＯ4 が用いられる。さらに、イオン強度（Ｉ．Ｓ．）は、あまり大きすぎても小さすぎても酵素活性に悪影響を与えるが、電気化学応答性も考慮すると、適度なイオン強度、例えば０．３程度であることが好ましい。ただし、ｐＨおよびイオン強度は、用いる酵素それぞれに最適値が存在し、上述した値に限定されない。
【０１１８】
図２１には、一例として、グルコースの分解に関与する酵素がグルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）、グルコースの分解プロセスにおける酸化反応に伴って還元体が生成される補酵素がＮＡＤ+ 、補酵素の還元体であるＮＡＤＨを酸化する補酵素酸化酵素がジアホラーゼ（ＤＩ）、補酵素酸化酵素から補酵素の酸化に伴って生じる電子を受け取って電極１１に渡す電子メディエーターがＡＣＮＱである場合が図示されている。
【０１１９】
正極２２は、例えば多孔質カーボンなどの電極材料からなる電極に、例えばビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどの酸素を分解する酵素を固定化したものである。この正極２２の外側の部分（電解質層２３と反対側の部分）は通常、多孔質カーボンよりなるガス拡散層により形成されるが、これに限定されるものではない。正極２２には、好適には、酵素に加えて、この正極２２との間で電子の受け渡しを行う電子メディエーターも固定化される。
【０１２０】
この正極２２においては、上記の酸素を分解する酵素の存在下で、電解質層２３からのＨ+ と負極２１からの電子とにより空気中の酸素を還元し水を生成する。
【０１２１】
電解質層２３は負極２１において発生したＨ+ を正極２２に輸送するためのもので、電子伝導性を持たず、Ｈ+ を輸送することが可能な材料により構成されている。電解質層２３としては、具体的には、例えば、セロハンなどの既に挙げたものが用いられる。
【０１２２】
以上のように構成されたバイオ燃料電池において、負極２１側にグルコースが供給されると、このグルコースが酸化酵素を含む分解酵素により分解される。この単糖類の分解プロセスで酸化酵素が関与することで、負極２１側で電子とＨ+ とを生成することができ、負極２１と正極２２との間で電流を発生させることができる。
【０１２３】
次に、バイオ燃料電池の具体的な構造例について説明する。
図２２ＡおよびＢに示すように、このバイオ燃料電池は、負極２１と正極２２とが電解質層２３を介して対向した構成を有している。この場合、正極２２の下および負極２１の下にそれぞれＴｉ集電体４１、４２が置かれ、集電を容易に行うことができるようになっている。符号４３、４４は固定板を示す。これらの固定板４３、４４はねじ４５により相互に締結され、それらの間に、正極２２、負極２１、電解質層２３およびＴｉ集電体４１、４２の全体が挟み込まれている。固定板４３の一方の面（外側の面）には空気取り込み用の円形の凹部４３ａが設けられ、この凹部４３ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４３ｂが設けられている。これらの穴４３ｂは正極２２への空気の供給路となる。一方、固定板４４の一方の面（外側の面）には燃料装填用の円形の凹部４４ａが設けられ、この凹部４４ａの底面に他方の面まで貫通した多数の穴４４ｂが設けられている。これらの穴４４ｂは負極２１への燃料の供給路となる。この固定板４４の他方の面の周辺部にはスペーサー４６が設けられており、固定板４３、４４をねじ４５により相互に締結したときにそれらの間隔が所定の間隔になるようになっている。
【０１２４】
図２２Ｂに示すように、Ｔｉ集電体４１、４２の間に負荷４７を接続し、固定板４４の凹部４４ａに燃料として例えばリン酸緩衝液にグルコースを溶かしたグルコース溶液を入れて発電を行う。
【０１２５】
この第２の実施形態によれば、負極２１として第１の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いていることにより、負極２１からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出を有効に防止することができる。このため、負極２１からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの溶出によるバイオ燃料電池の性能劣化を防止することができる。
【０１２６】
〈３．第３の実施の形態〉
［バイオリアクター］
図２３は第３の実施の形態によるバイオリアクターを示す。
【０１２７】
図２３に示すように、このバイオリアクターにおいては、カラムリアクター内にニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１が設置されている。このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１は、第１の実施の形態によるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極と同様に、ナノ細孔を有する炭素１２を所定の基板上に設け、この炭素１２にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を固定化し、加えてニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を補酵素とする酵素を固定化したものである。
【０１２８】
このバイオリアクターにおいては、反応物を含む溶液をカラムリアクターに流してニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１と接触させる。そして、このニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１に固定化された酵素による酵素反応により反応物から生成物が得られる。
【０１２９】
このバイオリアクターにおいては、上記以外のことは、その性質に反しない限り、第１の実施の形態と同様である。
【０１３０】
この第３の実施の形態によれば、バイオリアクターにおいて第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。加えて、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体５１からのニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体の溶出を有効に防止することができることにより、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を、毎時反応ごとに新規もしくは再精製したものを添加する必要がなくなり、低コスト化を図ることができる。
【０１３１】
〈４．第４の実施の形態〉
［酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極］
図２４は第４の実施の形態による酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を示す。
【０１３２】
図２４に示すように、この酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極においては、電極（図示せず）の表面に形成された、ナノ細孔を有する炭素１２の表面に、炭素と結合する部位と酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物６１を介して酵素１９が結合している。より詳細には、炭素１２の表面に酵素固定化用化合物６１の炭素と結合する部位が結合しており、この酵素固定化用化合物６１の酵素と結合する部位に酵素１９が結合している。典型的には、酵素固定化用化合物６１の炭素と結合する部位は、炭素１２のナノ細孔の内部に入り込んで炭素１２の表面に吸着し、あるいは、π結合などにより結合している。炭素１２のナノ細孔への吸着性から、酵素固定化用化合物６１の分子量は、好適には例えば１０００以下、電荷は好適には２価以下である。
【０１３３】
酵素固定化用化合物６１としては、例えば、炭素１２のナノ細孔の内部に入り込んで炭素１２の表面に吸着可能なビオチン（Biotin）分子、π結合により炭素１２の表面に吸着するフルオレセン（Fluorescein)やキラリティを有する分子、各種の多環芳香族化合物（Polycyclic Aromatic Hydrocarbon,ＰＡＨｓ）などを用いることができ、必要に応じて選ばれる。酵素固定化用化合物６１の具体例を挙げると次の通りである。
【０１３４】
〈多環芳香族化合物〉
・ピレン（Pyrene）誘導体
・コロネン（Coronene）誘導体
・クリセン（Chrysene）誘導体
・ナフタセン（Naphtacene）誘導体
・ペンタセン（Pentacene)誘導体
・ピセン（Picene) 誘導体
・ペリレン（Perylene) 誘導体
・アントラセン（Anthracene）誘導体
・フェナントレン（Phenanthrene）誘導体
・フルオレン（Fluorene）誘導体
・ナフタレン（Naphtalene）誘導体
・フルオランテン（Fluoranthene）誘導体
・アセナフテン（Acenaphthene）誘導体
・アセナフチレン（Acenaphthylene）誘導体
・トリフェニレン（Triphenylene）誘導体
【０１３５】
〈π結合により炭素と結合する物質〉
・ターチオフェン（Terthiophene）誘導体
・テトラフェニルベンジジン（Tetraphenylbenzidine）誘導体
・テトラフェニルナフタセン（Tetraphenylnaphtacene)誘導体
・ベンゾチオフェン（Benzothiophene）誘導体
・チオフェン（Thiophene)誘導体
・ピロール（Pyrrole)誘導体
・カルバゾール（Carbazole)誘導体
・フェナントロリン（Phenanthroline) 誘導体
・フェニルピリジン（Phenylpyridine) 誘導体
・キノリン（Quinoline)誘導体
・トリフェニルアミン（Triphenylamine) 誘導体
・ジフェニルアミン（Diphenylamine)誘導体
・オキサゾール（Oxazole)誘導体
・オキサジアゾール（Oxadiazole) 誘導体
・ｐ−フェニル（p-Phenyl) 誘導体
・キナクリドン（Quinacridone) 誘導体
・フルクレノン（Flucrenone) 誘導体
・フタロシアニン（Phthalocyanine) 誘導体
・スピロピラン（Spiropyran) 誘導体
・ビオロゲン（Viologen) 誘導体
・スピロペリミジン（Spiroperimidine)誘導体
・フェニルエステル（Phenyl Esters)
・ベンゾ酸（Benzoic Acids)
・ビフェニル（Biphenyl) 誘導体
・ベンゾフェノン（Benzophenone) 誘導体
・ジフェニルアミン（Diphenylamine)誘導体
・ジフェニルエーテル（Diphenyl Ethers)
・ジフェニルスルフィド（Diphenyl Sulfides)
・ジフェニルスルホン（Diphenyl Sulfones)
・ビスフェノール（Bisphenol)誘導体
・アントラキノン（Anthraquinone)誘導体
・ホスホニウム（Phosphonium)化合物
・フルオレセン（Fluorescein)誘導体
・ローダミン（Rhodamine)誘導体
・クマリン（Coumarin) 誘導体
・シアニン（Cyanine)誘導体
【０１３６】
〈その他の化合物〉
ヌクレオシド、ヌクレオチド、リボース、糖、アミノ酸、脂質、ステロール、テルペン、ステロイド、プロパノイド、アルカノイド、アルコール、アミン、アミノアルコール、イソシアナート、アミド、エステル、ジオール、グリシジル化合物、ヒドラジン、シラン、ポリケチド、ポリアミン、ポルフィリン、ビタミン、クラウンエーテル、シクロデキストリン、ジアクリラート、ジメタクリレート、テトラカルボン酸、ピロリジン、アルカノール、カルボン酸、アズレン、第四級アンモニウム、フルオロカーボン、アリールやシクロアルカンなどの環式有機化合物を含む化合物。
【０１３７】
酵素固定化用化合物６１の中でもピレン誘導体が好適である。ピレン誘導体は、例えば、アミン基、スルホン基、スルフヒドリル基、カルボキシル基、水酸基、アジ基、アゾ基、ニトロ基、ニトリル基、シアノ基、アレン基、イソニトリル基、ウレア基、アルデヒド基、ケトン基、ＮＨＳエステル、イミドエステル、マレイミド、ピリジルジチオール、アリルアジド、ハロアセテート、イソシアナート、カルボジイミド、アリルアジド、ジアジリン、ヒドラジド、ソラレン、ヨード、ピリジンジスルフィド、ビニルスルホンなどの官能基および反応基を有する。また、官能基および反応基とピレンとの間はアルキル基や、ポリエチレングリコールなどをスペーサーとして隔てられていてもよい。また、これらの官能基および反応基、スペーサーなどの修飾はピレンのどの位置の炭素に結合していてもよい。ピレン誘導体はその官能基および反応基を介してタンパク質と結合することができる。また、ピレン誘導体にビオチン、グルタチオン、糖分子もしくは抗原となる分子を修飾させておくことで、これらに特異的に結合するタンパク質を固定化することもできる。
【０１３８】
〈実施例５〉
実施例５では、繊維状炭素からなる炭素電極上にナノ細孔を有する炭素１２としてバイオカーボン（ＢＣ）を塗布したもののナノ細孔に、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに加えて、電子メディエーターとしてＡＱ２Ｓ（アントラキノン−２−スルホン酸）を固定化し、酵素としてＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）（ＥＣ １．１．１．４７、天野エンザイム製）およびジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ １．８．１．４、天野エンザイム製）をＮＨＳピレンを介して固定化し、酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。図２５に、酵素固定化用化合物６１がＮＨＳピレンである場合を示す。
【０１３９】
〈比較例２〉
比較例２では、酵素固定化用化合物６１としてのＮＨＳピレンを用いないことを除いて実施例５と同様にして酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製した。
【０１４０】
〈実験結果〉
燃料としてグルコースを用い、これを１．０Ｍのリン酸緩衝液（ＫＰＢ、ＫＨ2 ＰＯ4 ）に溶解してグルコース濃度が０．８Ｍの燃料溶液（ｐＨ７．５）を調製した。この燃料溶液中で実施例５および比較例２の酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて定電流測定（１．５ｍＡ／ｃｍ2 ）を行い、その際、１時間ごとに燃料溶液を交換してその繰り返し特性を測定した。燃料溶液の交換の際に２０回、酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極の直上から強くピペッティングを行った。
【０１４１】
測定結果を図２６に示す。図２６に示すように、ＧＤＨおよびＤＩをＮＨＳピレンを用いずに直接バイオカーボンに吸着させた比較例２では１時間で電圧が低下するのに対し、ＧＤＨおよびＤＩをＮＨＳピレンを介してバイオカーボンに吸着させた実施例５では７時間電圧が維持される。
【０１４２】
上記の定電流測定において燃料溶液を１時間ごとに交換する際に廃液を回収し、その１回目、２回目の廃液中に含まれる酵素をＳＤＳ−ＰＡＧＥにより分析することで溶出した酵素を分析した。ナノ細孔を有する炭素１２としてバイオカーボンを用い、酵素としてＧＤＨおよびＤＩを用いた場合の測定結果を図２７Ａに示す。また、ナノ細孔を有する炭素１２としてケッチェンブラックを用い、酵素としてビリルビンオキシダーゼ（ＢＯＤ）を用いた場合の測定結果を図２７Ｂに示す。図２７ＡおよびＢより、ＮＨＳピレンを用いないで酵素を直接バイオカーボンまたはケッチェンブラックに固定化した場合には２回目の燃料溶液の交換時には７０％から９０％に近い酵素が溶出していることになり、その結果として電圧が低下したことが示唆される。これに対し、ＮＨＳピレンを用いて酵素をバイオカーボンまたはケッチェンブラックに固定化した場合には酵素の溶出は１０％以下に抑制されており、このことから酵素がＮＨＳピレンによって強固に固定化されることが示された。また、ＮＨＳピレンを用いて固定化する効果は、ナノ細孔を有する炭素１２がバイオカーボンであるかケッチェンブラックであるか、あるいは酵素の種類によらずに得られることが分かる。
【０１４３】
図２８は、ナノ細孔を有する炭素１２としてバイオカーボンを用い、そのナノ細孔に、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドに加えて、電子メディエーターとしてＡＱ２Ｓを固定化し、酵素としてのＧＤＨおよびＤＩをＮＨＳピレンを介して固定化した酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極において、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化量を変えて定電流測定（１．５ｍＡ／ｃｍ2 ）を行った結果を示す。図２８より、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドの固定化量を低減させても出力や繰り返し特性が維持されることが分かる。これは、ＮＨＳピレンによって酵素がナノ細孔近傍に固定化されることで、ナノ細孔に吸着固定化されているニコチンアミドアデニンジヌクレオチドや電子メディエーターの溶出を効果的に防止する役割（いわば蓋の役割）を担っていると考えられる。実際、図２９に示すように、表面にＮＨＳピレンを塗布したバイオカーボンとＮＨＳピレンを塗布しないバイオカーボンとについて細孔分布を測定したところ、ＮＨＳピレンの塗布によってナノ細孔の容積の低下が確認された。このことは、図３０に示すように、バイオカーボン６２のナノ細孔６２ａの内部の表面にＮＨＳピレン６３を介して酵素６４が固定化されていることを示すものと考えられる。符号６５は電子メディエーターを示す。
【０１４４】
次に、酵素固定化用化合物６１の種類による酵素の固定化能、電極性能を比較検討した結果について説明する。酵素固定化用化合物６１として次の５種類の化合物を用いた。
【０１４５】
・1-Pyrenebutanoic acid,succinimidyl ester（Pyrene)
化学構造は下記の通りである。
【化１】
このPyrene（分子量は３８５）はπ結合能が高く（π電子数＝８）、蛍光物質であるので蛍光検出が可能である。
【０１４６】
・N-［(9H-Fluoren-9-ylmethoxy)carbonyloxylsuccinimide （Fmoc)
化学構造は下記の通りである。
【化２】
このFmoc（分子量は４３１）は平面的であり、π結合能を有し（π電子数＝６）、蛍光物質であるので蛍光検出が可能である。
【０１４７】
・NHS-Fluorescein(Fluorescein)
化学構造は下記の通りである。
【化３】
このFluorescein （分子量は４７３）はπ結合能を有するが（π電子数＝９）、分子内で回転が起きるため平面的でない。このFluorescein は蛍光物質であるので蛍光検出が可能である。
【０１４８】
・Succinimidyl(2R)-6-(Tetrahydro-2H-pyran-2-yloxy)-2,5,7,8-tetramethylchroman-2-carboxylate(NPCA)
化学構造は下記の通りである。
【化４】
このNPCA（分子量は４３１）はπ結合能を有するが（π電子数＝３）、Pyreneに比べると弱いと考えられる。このNPCAは光学活性を有し、応用によっては光学分割能や光学的立体識別能が期待される。
【０１４９】
・NHS-Biotin(Biotin)
化学構造は下記の通りである。
【化５】
このBiotin（分子量は３４１）はπ結合能を有していない。このBiotin自体は水溶性のビタミンＢ7 で安全性は高いと考えられる。このBiotinはアジピンタンパク質により高感度かつ特異的に検出可能である。
【０１５０】
〈実験結果〉
酵素固定化用化合物６１として上記の５種類の化合物を同重量用い、実施例５と同様の方法でバイオカーボンを用いた酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を作製し、酵素溶出の比較検討および定電圧測定（−０．３５Ｖ）による電流値を測定した。
【０１５１】
酵素の固定化能の比較結果を図３１に、電流値（電流密度Ｉ（ｍＡ／ｃｍ2 ））の比較結果を図３２に示す。図３１に示すように、Pyreneの固定化能を１としたときの相対的な固定化能は、Pyrene、FmocおよびNPCAは同程度であるのに対し、Fluorescein は半分程度であった。一方、BiotinはPyreneと比較して倍の固定化能を示した。また、図３２に示すように、電流値に関しては、Pyreneが一番高く、Biotinでは若干低くなり、FmocおよびNPCAではさらに低くなり、Fluorescein では最も低い。
【０１５２】
以上より、Pyrene同様にFmocやNPCAなどの平面的なπ結合部分を有する分子でも、同様な効果が確認された。また、π結合は有していないものの、バイオカーボンのナノ細孔によく吸着すると考えられるBiotin分子でも、効果的にアンカリングして酵素を固定化することができることが確認された。一方、π電子を多く有するものの、分子内のπ結合部分が回転可能なFluorescein では固定化能および電流値がPyreneに比べてかなり低いことが確認された。
【０１５３】
この酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極を用いて実施例５と同様に燃料溶液の交換を一回行った時の酵素溶出率の比較結果を図３３に、電流値（電流密度Ｉ（ｍＡ／ｃｍ2 ））の比較結果を図３４に示す。図３３および図３４においては、比較のために、酵素固定化用化合物を用いないで酵素を固定化したことだけが異なる酵素／ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極（Ｃｔｒｌ）を用いた場合の酵素溶出率および電流値も示す。図３３に示すように、Pyrene、Fmoc、Fluorescein 、NPCAおよびBiotinを用いて酵素を固定した場合には、これらを用いないで酵素を固定化した場合に比べて酵素溶出率は極めて低くなっている。また、図３４に示すように、Pyrene、Fmoc、Fluorescein 、NPCAおよびBiotinを用いて酵素を固定した場合には、これらを用いないで酵素を固定化した場合と同様な電流値が得られる。
【０１５４】
この第４の実施の形態によれば、ナノ細孔を有する炭素１２の表面に酵素固定化用化合物６１を介して酵素１９が結合していることにより、酵素１９をその活性を保持したまま強固に固定化することができ、溶出を極めて有効に防止することができる。また、酵素固定化用化合物６１をナノ細孔を有する炭素１２、取り分けナノ細孔１３ａを有する炭素粒子１３のナノ細孔１３ａに吸着させた電極では、配向制御などにより酵素１９による直接電子移動の効率の向上を図ることができる。
【０１５５】
〈５．第５の実施の形態〉
［物質除去剤］
第５の実施の形態においては、物質除去剤について説明する。
【０１５６】
図３５に示すように、この物質除去剤においては、酵素固定化用化合物６１と同様な化合物であって正または負に帯電したものを、ナノ細孔１３ａを表面に有する炭素粒子１３に吸着させることで、それぞれ正または負に帯電させた炭素粒子１３を得る。そして、例えば毒性物質やウイルスなどの除去したい物質８１が溶存する溶液中にこの炭素粒子１３を分散させる。すると、溶液中に含まれる、除去したい物質８１は炭素粒子１３の表面に吸着した、正または負に帯電した化合物の反応基に捕捉される。その後、この溶液に電界を印加することにより、除去したい物質８１が捕捉された炭素粒子１３を電気泳動させることにより回収することができる。こうして、溶液中から、除去したい物質８１を除去することができる。図３６に、一例として上記の化合物がピレン誘導体７１であり、このピレン誘導体７１に除去したい物質８１が捕捉された様子を示す。
【０１５７】
なお、正負への帯電だけでなく、各種の官能基を先端に保持したピレンなどの、ナノ細孔１３ａの表面に吸着可能な分子を炭素粒子１３の表面に吸着保持させることで、この炭素粒子１３にその官能基に応じた様々な性質を付与することができる。例えば、タンパク質と結合能を有するＮＨＳを先端に保持したＮＨＳピレンを吸着させた炭素粒子１３を利用すると、エアロゾル中や溶液中のタンパク質を捕捉して炭素粒子１３の表面に強固に固定化することができ、この炭素粒子１３を濾過などにより回収することで、結果的にエアロゾル中や溶液中からタンパク質を除去することが可能である。また、ＮＨＳの代わりに正または負に帯電した化合物の反応基を保持させることで、その静電相互作用で標的分子を捕捉し、その後、この溶液の濾過や電界印加に伴う電気泳動などにより回収分離することができる。
【０１５８】
この第５の実施の形態によれば、新規な物質除去剤を実現することができる。
【０１５９】
〈６．第６の実施の形態〉
［タンパク質除去剤］
第６の実施の形態においては、タンパク質除去剤について説明する。
【０１６０】
このタンパク質除去剤においては、タンパク質固定化用化合物と同様な化合物であってタンパク質に結合可能な官能基を有するものを、ナノ細孔１３ａを表面に有する炭素粒子１３に吸着させることで、それぞれ正または負に帯電させた炭素粒子１３を得る。そして、除去したいタンパク質が溶存する溶液中にこの炭素粒子１３を分散させる。すると、溶液中に溶存する、除去したいタンパク質は炭素粒子１３の表面に吸着した、正または負に帯電した化合物の反応基に捕捉される。その後、この溶液に電界を印加することにより、除去したいタンパク質が捕捉された炭素粒子１３を電気泳動させることにより回収することができる。こうして、溶液中から、除去したいタンパク質を除去することができる。
【０１６１】
この第６の実施の形態によれば、新規なタンパク質除去剤を実現することができる。
【０１６２】
〈７．第７の実施の形態〉
［抗原除去剤］
第７の実施の形態においては、抗原除去剤について説明する。
【０１６３】
図３７に示すように、この抗原除去剤においては、ナノ細孔１４ａを有する炭素シート１４の表面に、タンパク質固定化用化合物と同様な化合物を介して、抗原と特異的な相互作用を有する抗体を結合させる。そして、除去したい抗原１０１が溶存する溶液中にこの炭素シート１４を入れる。すると、溶液中に溶存する抗原１０１は炭素シート１４の表面に吸着した抗体と結合する。こうして、溶液中に溶存する抗原１０１を除去することができる。図３８に、一例として上記の化合物がピレン誘導体７１であり、このピレン誘導体７１に抗体１０２が結合し、この抗体１０２に抗原１０１が結合している様子を示す。
【０１６４】
図３７に示すように、炭素シート１４を検出器１０３と接続することにより、抗原１０１をセンシングする測定装置を得ることができる。
【０１６５】
この第７の実施の形態によれば、新規な抗原除去剤を実現することができる。
【０１６６】
なお、抗原抗体反応以外にも、レセプタータンパク質など基質特異性を有するタンパク質を用いることで特定の基質を捕捉することが可能である。
【０１６７】
〈８．第８の実施の形態〉
［ワクチン］
第８の実施の形態においては、ワクチンについて説明する。
【０１６８】
図３９に示すように、このワクチンにおいては、ＭＨＣクラスＩもしくはＭＨＣクラスＩＩもしくはそれらの細胞外領域（以下、これらをまとめてＭＨＣと称する）を、結合用化合物を介して、ナノ細孔１３ａを表面に有する炭素粒子１３に結合させる。この炭素粒子１３の表面に結合したＭＨＣに、病原体やそれに由来するペプチドなどの抗原１１１を結合させる。こうして炭素粒子１３の表面にＭＨＣ−抗原複合体が固定化される。
【０１６９】
このＭＨＣ−抗原複合体が固定化された炭素粒子１３を経口、経鼻、腹腔、皮下注射などにより体内に取り込み、粘膜や血液中の免疫反応系に抗原提示することでワクチンとして機能させることができる。この際、例えば、図３９に示すように、Ｔ細胞１１２のＴＣＲ１１２ａが抗原１１１と結合することにより、Ｔ細胞１１２が活性化される。図４０に、一例として上記の結合用化合物がピレン誘導体７１であり、このピレン誘導体７１にＭＨＣ１１３が結合し、このＭＨＣ１１３に抗原１０１が結合し、この抗原１０１にＴ細胞１１２のＴＣＲ１１２ａが結合している様子を示す。
【０１７０】
この第８の実施の形態によれば、新規なワクチンを実現することができる。
【０１７１】
〈９．第９の実施の形態〉
［バイオリアクター］
図４１は第９の実施の形態によるバイオリアクターを示す。
【０１７２】
図４１に示すように、このバイオリアクターにおいては、カラムリアクター内に酵素などのタンパク質が固定化されたタンパク質固定化担体１５１が設置されている。このタンパク質固定化担体１５１は、ナノ細孔を有する炭素１２を所定の基板上に設け、この炭素１２にタンパク質固定化用化合物を介して酵素などのタンパク質を固定化したものである。この炭素１２には、必要に応じて、タンパク質に加えて、その他の化合物などを固定化してもよい。
【０１７３】
このバイオリアクターにおいては、反応物を含む溶液をカラムリアクターに流してタンパク質固定化担体１５１と接触させることで、このタンパク質固定化担体１５１に固定化された酵素などのタンパク質による反応物が得られる。
【０１７４】
この第９の実施の形態によれば、タンパク質固定化担体１５１のタンパク質による反応生成物を効率的かつ容易に生産し、回収することができる。あるいは、タンパク質固定化担体１５１のタンパク質と相互作用する物質の精製分離が可能である。また、タンパク質固定化担体１５１からのタンパク質の溶出を有効に防止することができることにより、繰り返し使用性能の向上やタンパク質使用量の低減による低コスト化を図ることができる。
【０１７５】
以上、本開示の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、本開示は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。
【０１７６】
例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。
【０１７７】
また、必要に応じて、炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、他の補酵素やペプチドなどを固定化してもよい。他の補酵素としては、例えば、ビタミンＢ群、ビタミンＣ、葉酸などの水溶性ビタミンや、ビタミンＡ、ビタミンＤ、ビタミンＥ、ビタミンＫベータカロチンなどの脂溶性ビタミンや、ユビキノン、フラビンモノヌクレオチド（ＦＭＮ／ＭＭＮＨ2 ）、フラビンアデニンジヌクレオチド（ＦＡＤ／ＦＡＤＨ2 ）、シトクロム、クロロフィルなどの電子伝達物質）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、ペプチドとしては、各種ホルモン、サイトカインなどとして機能するポリペプチド（アミノ酸残基１００未満）や低分子ペプチド（アミノ酸残基１０未満）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらには、炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を固定化する代わりに、これらの補酵素やペプチドなどを固定化してもよい。炭素および／または無機化合物には、これらの補酵素、ペプチド、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体に加えて、酵素を含む各種のタンパク質を固定化してもよいことは言うまでもない。
【０１７８】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）正極と、負極と、上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなる燃料電池。
（２）上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する前記（１）に記載のバイオ燃料電池。
（３）上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を表面に有する前記（１）または（２）に記載の燃料電池。
（４）上記炭素は、炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む前記（１）から（３）のいずれかに記載の燃料電池。
（５）上記炭素粒子は、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む前記（４）に記載の燃料電池。
（６）上記電極は繊維状炭素からなる前記（１）から（５）のいずれかに記載の燃料電池。
（７）上記炭素および／または無機化合物にさらに酵素が固定化され、上記酵素および上記ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を有する前記（１）から（６）のいずれかに記載の燃料電池。
（８）上記炭素および／または無機化合物と結合する部位と上記酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を有する前記（７）に記載の燃料電池。
（９）上記酵素固定化用化合物は、ビオチン分子、フルオレセン、キラリティを有する分子および多環芳香族化合物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である前記（８）に記載の燃料電池。
（１０）上記酵素固定化用化合物はピレン誘導体である前記（８）または（９）に記載の燃料電池。
（１１）上記酵素は、上記酵素固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物と結合している前記（８）から（１０）のいずれかに記載の燃料電池。
（１２）上記酵素固定化用化合物は上記細孔の内部における上記炭素および／または無機化合物と結合している前記（８）から（１１）のいずれかに記載の燃料電池。
（１３）上記酵素はＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼである前記（７）から（１２）のいずれかに記載の燃料電池。
（１４）上記無機化合物は、酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、硫酸塩、リン酸塩および塩化物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である前記（１）から（１３）のいずれかに記載の燃料電池。
【符号の説明】
【０１７９】
１１…電極、１２…ナノ細孔を有する炭素、１３…炭素粒子、１３ａ…ナノ細孔、１４…炭素シート、１４ａ…ナノ細孔、１５…炭素ファイバー、１５ａ…ナノ細孔、１６…ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体、１７…繊維状炭素、１８…骨格、１９…酵素、２０…電子メディエーター、２１…負極、２２…正極、２３…電解質層、４１、４２…Ｔｉ集電体、４３、４４…固定板、４７…負荷、５１…ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化担体、６１…酵素固定化用化合物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、
負極と、
上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなる燃料電池。
【請求項２】
上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を表面に有する請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
上記炭素は、炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
上記炭素粒子は、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
上記電極は繊維状炭素からなる請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
上記炭素および／または無機化合物にさらに酵素が固定化され、上記酵素および上記ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を有する請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
上記炭素および／または無機化合物と結合する部位と上記酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を有する請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
上記酵素固定化用化合物は、ビオチン分子、フルオレセン、キラリティを有する分子および多環芳香族化合物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
上記酵素固定化用化合物はピレン誘導体である請求項８記載の燃料電池。
【請求項１１】
上記酵素は、上記酵素固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物と結合している請求項８記載の燃料電池。
【請求項１２】
上記酵素固定化用化合物は上記細孔の内部における上記炭素および／または無機化合物と結合している請求項８記載の燃料電池。
【請求項１３】
上記酵素はＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼである請求項７記載の燃料電池。
【請求項１４】
上記無機化合物は、酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、硫酸塩、リン酸塩および塩化物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である請求項１記載の燃料電池。
【請求項１５】
一つまたは複数の燃料電池を有し、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と、
負極と、
上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるものである電子機器。
【請求項１６】
上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する請求項１５記載の電子機器。
【請求項１７】
上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を表面に有する請求項１６記載の電子機器。
【請求項１８】
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極。
【請求項１９】
上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する請求項１８記載のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極。
【請求項２０】
上記炭素および／または無機化合物に電荷または反応性を有する少なくとも一種類の官能基が付与されている請求項１９記載のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極。
【請求項１】
正極と、
負極と、
上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなる燃料電池。
【請求項２】
上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を表面に有する請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
上記炭素は、炭素粒子、炭素シートおよび炭素ファイバーからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
上記炭素粒子は、活性炭、カーボンブラックおよびバイオカーボンからなる群より選ばれた少なくとも一種類を含む請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
上記電極は繊維状炭素からなる請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
上記炭素および／または無機化合物にさらに酵素が固定化され、上記酵素および上記ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体を有する請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
上記炭素および／または無機化合物と結合する部位と上記酵素と結合する部位とを有する酵素固定化用化合物を有する請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
上記酵素固定化用化合物は、ビオチン分子、フルオレセン、キラリティを有する分子および多環芳香族化合物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
上記酵素固定化用化合物はピレン誘導体である請求項８記載の燃料電池。
【請求項１１】
上記酵素は、上記酵素固定化用化合物を介して上記炭素および／または無機化合物と結合している請求項８記載の燃料電池。
【請求項１２】
上記酵素固定化用化合物は上記細孔の内部における上記炭素および／または無機化合物と結合している請求項８記載の燃料電池。
【請求項１３】
上記酵素はＮＡＤ+ ／ＮＡＤＨ依存型グルコースデヒドロゲナーゼおよびジアホラーゼである請求項７記載の燃料電池。
【請求項１４】
上記無機化合物は、酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、硫酸塩、リン酸塩および塩化物からなる群より選ばれた少なくとも一種類である請求項１記載の燃料電池。
【請求項１５】
一つまたは複数の燃料電池を有し、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
正極と、
負極と、
上記正極と上記負極との間に設けられたプロトン伝導体とを有し、
上記負極が、大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるものである電子機器。
【請求項１６】
上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する請求項１５記載の電子機器。
【請求項１７】
上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔および大きさが４ｎｍ以上２０ｎｍ以下の細孔を表面に有する請求項１６記載の電子機器。
【請求項１８】
大きさが２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の細孔を表面に有する炭素および／または無機化合物を有し、上記炭素および／または無機化合物にニコチンアミドアデニンジヌクレオチドおよび／またはその誘導体が固定化されている電極からなるニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極。
【請求項１９】
上記炭素および／または無機化合物は大きさが０．５ｎｍ以上２ｎｍ未満の細孔を表面にさらに有する請求項１８記載のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極。
【請求項２０】
上記炭素および／または無機化合物に電荷または反応性を有する少なくとも一種類の官能基が付与されている請求項１９記載のニコチンアミドアデニンジヌクレオチド固定化電極。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１７８３３５（Ｐ２０１２−１７８３３５Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７１２２４（Ｐ２０１１−２７１２２４）
【出願日】平成２３年１２月１２日（２０１１．１２．１２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１２日（２０１１．１２．１２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]