燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、バイオセンサー、バイオリアクター、エネルギー変換素子および酵素反応利用装置
【課題】一種または複数種の酵素および補酵素を微小な空間に閉じ込め、この空間を反応場として酵素反応を行うことにより燃料から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができ、これらの酵素および補酵素の電極への固定化も容易に行う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】酵素反応に必要な酵素および補酵素をリポソーム１２に封入し、このリポソーム１２を多孔質カーボンなどからなる電極１１の表面に固定化して酵素固定化電極を形成する。リポソーム１２には必要に応じてトランスポーターを組み込む。電極１１の表面には電子メディエーターも固定化する。この酵素固定化電極を例えばバイオ燃料電池の負極として用いる。
【解決手段】酵素反応に必要な酵素および補酵素をリポソーム１２に封入し、このリポソーム１２を多孔質カーボンなどからなる電極１１の表面に固定化して酵素固定化電極を形成する。リポソーム１２には必要に応じてトランスポーターを組み込む。電極１１の表面には電子メディエーターも固定化する。この酵素固定化電極を例えばバイオ燃料電池の負極として用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、バイオセンサー、バイオリアクター、エネルギー変換素子および酵素反応利用装置に関し、例えば、酵素を用いたバイオ燃料電池、バイオセンサーおよびバイオリアクターならびに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】
燃料電池は、正極（酸化剤極）と負極（燃料極）とが電解質（プロトン伝導体）を介して対向した構造を有する。従来の燃料電池では、負極に供給された燃料（水素）が酸化されて電子とプロトン（Ｈ+ ）とに分離し、電子は負極に渡され、Ｈ+ は電解質を通って正極まで移動する。正極では、このＨ+ が、外部から供給された酸素および負極から外部回路を通って送られた電子と反応してＨ2 Ｏを生成する。
【０００３】
このように、燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高効率な発電装置であり、天然ガス、石油、石炭などの化石エネルギーが持つ化学エネルギーを使用場所や使用時によらずに、しかも高い変換効率で電気エネルギーとして取り出すことができる。このため、従来から大規模発電用途などとしての燃料電池の開発研究が活発に行われている。例えば、スペースシャトルに燃料電池が搭載され、電力と同時に乗組員用の水を補給できることや、クリーンな発電装置であることを証明した実績がある。
【０００４】
さらに、近年、固体高分子型燃料電池など、室温から９０℃程度の比較的低温の作動温度域を示す燃料電池が開発され、注目を集めている。このため、大規模発電用途のみならず、自動車の駆動用電源、パーソナルコンピュータやモバイル機器などのポータブル電源などの小型システムへの応用が模索されつつある。
このように、燃料電池は大規模発電から小規模発電まで幅広い用途が考えられ、高効率な発電装置として多くの注目を集めている。しかしながら、燃料電池では、燃料として通常、天然ガス、石油、石炭などを改質器により水素ガスに変換して用いており、限りある資源を消費するとともに、高温に加熱する必要があったり、白金（Ｐｔ）などの高価な貴金属の触媒を必要としたりするなど、種々の問題点がある。また、水素ガスやメタノールを直接燃料として用いる場合でも、その取り扱いには注意を要する。
【０００５】
そこで、生物内で行われている生体代謝が高効率なエネルギー変換機構であることに着目し、これを燃料電池に適用する提案がなされている。ここでいう生体代謝には、微生物体細胞内で行われる呼吸、光合成などが含まれる。生体代謝は、発電効率が極めて高く、また、室温程度の穏やかな条件で反応が進行するという特長を兼ね備えている。
例えば、呼吸は、糖類、脂肪、タンパク質などの栄養素を微生物または細胞内に取り込み、これらの化学エネルギーを、数々の酵素反応ステップを有する解糖系およびクエン酸（ＴＣＡ）回路を介して二酸化炭素（ＣＯ2 ）を生成する過程でニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ+ ）を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）とすることで酸化還元エネルギー、すなわち電気エネルギーに変換し、さらに電子伝達系においてこれらのＮＡＤＨの電気エネルギーをプロトン勾配の電気エネルギーに直接変換するとともに酸素を還元し、水を生成する機構である。ここで得られた電気エネルギーは、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）合成酵素を介して、アデノシン二リン酸（ＡＤＰ）からＡＴＰを生成し、このＡＴＰは微生物や細胞が生育するために必要な反応に利用される。このようなエネルギー変換は、細胞質ゾルおよびミトコンドリアで行われている。
【０００６】
また、光合成は、光エネルギーを取り込み、電子伝達系を介してニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ+ ）を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰＨ）とすることで電気エネルギーに変換する過程で、水を酸化し酸素を生成する機構である。この電気エネルギーは、ＣＯ2 を取り込み炭素固定化反応に利用され、炭水化物の合成に利用される。
上述したような生体代謝を燃料電池に利用する技術としては、微生物中で発生した電気エネルギーを電子メディエーターを介して微生物外に取り出し、この電子を電極に渡すことで電流を得る微生物電池が報告されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
しかしながら、微生物および細胞には化学エネルギーから電気エネルギーへの変換といった目的の反応以外にも不要な反応が多く存在するため、上述した方法では望まない反応に化学エネルギーが消費されて十分なエネルギー変換効率が発揮されない。
そこで、酵素を用いて所望の反応のみを行う燃料電池（バイオ燃料電池）が提案されている（例えば、特許文献２〜１１参照。）。このバイオ燃料電池は、燃料を酵素により分解してプロトンと電子とに分離するもので、燃料としてメタノールやエタノールのようなアルコール類あるいはグルコースのような単糖類あるいはデンプンのような多糖類を用いたものが開発されている。
【０００８】
このバイオ燃料電池においては、電極に対する酵素の固定化・配列が非常に重要であることが分かっている。また、電子を伝達する役目を果たす電子メディエーターが酵素とともに有効に存在する必要性もあることが分かっている。従来の酵素の固定化方法は様々なものがあるが、その中でも本発明者らは、プラスに電荷を帯びたポリマーとマイナスに電荷を帯びたポリマーとを酵素と適当な割合で混合して多孔質カーボンなどからなる電極上に塗布することにより、電極との接着性を保ちつつ固定化膜を安定化させるポリイオンコンプレックス法やグルタルアルデヒド法を主体に開発してきた。
【０００９】
【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
【非特許文献１】秋吉一成、辻井薫監修、リポソーム応用の新展開「人口細胞の開発に向けて」、株式会社エヌ・ティー・エス、２００５年６月１日発行
【非特許文献２】Biotechnology and Bioengineering,Vol.81,No.6,pp.695-704(2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述のポリイオンコンプレックスを用いる固定化方法は、酵素の物理化学的性質、特に電荷に大きく依存しており、外部溶液の変化、使用中の環境変化などにより固定化の状態が絶えず変化することが懸念され、固定化した酵素などが溶出しやすい。また、一般的に酵素は熱に対する耐性が低いが、バイオ燃料電池の実用化に向けて酵素を改変してゆく際に、酵素そのものの物理化学的性質が変わり、その都度、固定化膜作製方法の最適化を図る必要があり、煩雑である。さらに、燃料からより多くの電子を取り出したいときには、より多くの酵素が必要となるが、これらの酵素を固定化する場合、その固定化条件の最適化に多大な労力を費やすことになる。
【００１１】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、一種または複数種の酵素および補酵素を微小な空間に閉じ込め、この空間を反応場として酵素反応を行うことにより燃料から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができ、これらの酵素および補酵素の電極への固定化も容易に行うことができる燃料電池およびその製造方法、この燃料電池を用いた高性能の電子機器、この燃料電池に適用して好適な酵素固定化電極ならびに高効率のバイオセンサー、バイオリアクター、エネルギー変換素子および電極反応利用装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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結果、バイオ燃料電池において、酵素反応に必要な酵素および補酵素を人工細胞であるリポソームに封入した場合には、同量の酵素および補酵素をリポソームに封入しないで用いる場合に比べて、酵素反応をはるかに効率的に行って極めて高い触媒電流を得たり、電極への固定化を容易にしたりすることができることを見出し、実験でその有効性を確認し、さらにこの手法の適用が可能な範囲について様々な観点から検討を行い、この発明を案出するに至った。また、この手法は、バイオ燃料電池だけでなく、酵素および補酵素を用いる各種の素子または装置に適用して好適なものである。
【００１３】
酵素反応に必要な酵素および補酵素をリポソームに封入することにより酵素反応をはるかに効率的に行うことができ、極めて高い触媒電流を得ることができるという本発明者らが独自に得た知見は、従来の定説を覆すものである。すなわち、従来は、リポソーム内に封入された酵素を生体触媒として捉えたとき、リポソームを構成する脂質二重層に対する基質の透過速度が制限されるため、反応速度は低いと考えられていた。例えば、非特許文献１の第４５４頁右欄の２行目から６行目には「リポソーム内封入酵素を生体触媒として使用する際、脂質膜の高い透過選択性のため、リポソーム外水相に添加された親水性あるいは高分子量の基質に対するリポソーム内封入酵素の反応性が過度に制限されることが問題となる」と記載されている。また、非特許文献２の第６９５頁右欄下から８行目から下から５行目には「一般に、リポソーム内に封入された酵素の外部から添加された基質に対する反応性はリポソームの二重層を横断する基質透過性に著しく依存する」と記載されている。
【００１４】
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されている燃料電池である。
【００１５】
第２の発明は、
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出す燃料電池を製造する場合に、少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素をリポソームに封入する工程を有する燃料電池の製造方法である。
【００１６】
第１および第２の発明において、リポソームは、リン脂質などからなる脂質二重層により形成された閉鎖小胞であり、内部が水相となっている。このリポソームには、一層の脂質二重層からなる単層リポソーム（ＳＵＶ：小さな一枚膜リポソーム、ＧＵＶ：巨大一枚膜リポソーム）だけでなく、小さなリポソーム（ＳＵＶ）が大きいリポソーム（ＧＵＶ）に取り込まれて入れ子になった多重層リポソーム（ＭＵＶ）も含まれる。リポソームは、例えば、直径１００ｎｍ程度のものから１０μｍに及ぶ大きなものまで作製することができ、直径は必要に応じて選ばれるが、具体例を挙げると２〜７μｍである。リン脂質としては基本的にはどのようなものを用いてもよく、グリセロリン脂質、スフィンゴリン脂質のいずれを用いてもよい。グリセロリン脂質としては、ホスファチジン酸、ホスファチジルコリン（レシチン）、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルグリセロール、ジホスファチジルグリセロール（カルジオリピン）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。スフィンゴリン脂質としては、スフィンゴミエリンなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。ホスファチジルコリンの代表例はジミリストイルホスファチジルコリン（ＤＭＰＣ）である。リポソームの形成およびリポソーム内部への酵素および補酵素の封入には従来公知の方法を用いることができる。
【００１７】
このリポソームには、酵素反応に必要な酵素および補酵素のうち、少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素を封入するが、酵素反応に必要な全ての酵素および補酵素をリポソームに封入してもよいし、一部の酵素または補酵素をリポソームに封入せず、このリポソームを構成する脂質二重層に組み込んだり、固定化したり、リポソームの外部に存在させるようにしてもよい。酵素または補酵素をリポソームを構成する脂質二重層に固定化する場合には、例えばポリエチレングリコール鎖などのアンカーを用いることができる。
【００１８】
使用する燃料が、リポソームを構成する脂質二重層を通過してリポソーム内部に取り込まれることが困難である場合には、この脂質二重層に燃料または燃料の分解生成物の輸送を行うトランスポーター（輸送タンパク質）を組み込むことができる。あるいは、脂質の種類、組成、粒子径などを適切に選択することによっても燃料の透過性を向上させることが可能である。
【００１９】
このリポソームは、好適には負極に固定化されるが、必ずしも固定化する必要はなく、プロトン伝導体に緩衝液（緩衝物質）を含む電解質を用いるような場合にはその緩衝液に含ませるようにしてもよい。リポソームの固定には、例えば細胞の固定に用いられる従来公知の各種の固定化方法を用いることができる。また、この場合、負極に対するリポソームの固定を安定化するために、負極とリポソームとの間に中間層を形成してもよい。この中間層としては、タンパク質やＤＮＡなどの生体高分子のみならず、親水、疎水の両方の性質を持つような高分子電解質や、ミセル、逆ミセル、ラメラなどの構造体を形成することができるものや、ナノメートル構造を持ち、一つまたは複数の性質を持つ化合物であって生体親和性の高い化合物を用いることができる。タンパク質としては、例えば、アルブミンを代表とした、アルコールデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、オボアルブミン、ミオキナーゼなどの酸性タンパク質のほか、等電点をアルカリ側に持つリゾチウム、チトクロームｃ、ミオグロビン、トリプシノーゲンなどを用いることができる。このようなタンパク質などからなる中間層を電極表面に物理的に吸着させ、この中間層にリポソームを固定化することにより、負極に対してリポソームを安定に固定化することが可能である。
【００２０】
燃料（基質）としては、各種のものを用いることができ、必要に応じて選ばれるが、代表的なものを挙げると、メタノールやエタノールなどのアルコール、単糖類、多糖類などである。単糖類、多糖類などを燃料に用いる場合、典型的には、これら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。
燃料としての基質と酵素との組み合わせの例を表１に示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
リポソームに封入する酵素は、典型的には、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。
【００２３】
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。この電子メディエーターは、酵素および補酵素が封入されたリポソームとともに負極に固定化してもよいし、このリポソームの内部に封入してもよいし、このリポソームに固定してもよいし、燃料溶液に含ませるようにしてもよい。
【００２４】
例えば、燃料としてアルコールを用いる場合には、リポソームに封入する酵素は、アルコール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。酸化酵素としては例えばアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）（特に、ＮＡＤ依存型アルコールデヒドロゲナーゼ）が、補酵素としては例えばニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ+ ）またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ+ ）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。
【００２５】
また、燃料としてグルコースのような単糖類を用いる場合には、好適には、リポソームに封入する酵素は、単糖類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。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依存型グルコースデヒドロゲナーゼ）が、補酵素としては例えばＮＡＤ+ またはＮＡＤＰ+ が、補酵素酸化酵素としては例えばＤＩが用いられる。リポソーム内部にグルコースを取り込むために、この場合、好適には、リポソームを構成する脂質二重層にグルコーストランスポーター（糖輸送担体）が組み込まれる。グルコーストランスポーターとしては従来公知の各種のものを用いることができ、必要に応じて選択される。例えば、リポソーム内外のグルコース濃度差に基づく促通拡散（促進拡散）機構によりグルコースの輸送を行う場合には、促通拡散を担うグルコーストランスポーターとして、六種類のアイソフォームＧＬＵＴ１〜ＧＬＵＴ６やこれらの変異体を用いることができる。
【００２６】
燃料として多糖類（広義の多糖類であり、加水分解によって２分子以上の単糖を生じる全ての炭水化物を指し、二糖、三糖、四糖などのオリゴ糖を含む）を用いる場合には、上記の酸化酵素、補酵素酸化酵素および補酵素に加えて、多糖類の加水分解などの分解を促進し、グルコースなどの単糖類を生成する分解酵素も用いる。この場合、例えば、上記の酸化酵素、補酵素酸化酵素および補酵素はリポソームに封入し、分解酵素は、リポソームを構成する脂質二重層に組み込むか、固定化するか、リポソームの外部に存在させるようにする。この分解酵素は、リポソームの外部に存在させる場合には、好適には負極に固定化されるが、必ずしも固定化する必要はなく、プロトン伝導体に緩衝液（緩衝物質）を含む電解質を用いるような場合にはその緩衝液に含ませるようにしてもよい。多糖類としては、具体的には、例えば、デンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、マルトース、スクロース、ラクトースなどが挙げられる。これらは単糖類が二つ以上結合したものであり、いずれの多糖類においても結合単位の単糖類としてグルコースが含まれている。なお、アミロースとアミロペクチンとはデンプンに含まれる成分であり、デンプンはアミロースとアミロペクチンとの混合物である。多糖類の分解酵素としてグルコアミラーゼを用い、単糖類を分解する酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた場合には、グルコアミラーゼによりグルコースにまで分解することができる多糖類、例えばデンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、マルトースのいずれかを含むものであれば、これを燃料として発電することが可能となる。なお、グルコアミラーゼはデンプンなどのα−グルカンを加水分解しグルコースを生成する分解酵素であり、グルコースデヒドロゲナーゼはβ−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化する酸化酵素である。
【００２７】
分解酵素としてセルラーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、セルラーゼによりグルコースにまで分解することができるセルロースを燃料とすることができる。セルラーゼは、より詳しくはセルラーゼ（ＥＣ ３．２．１．４）、エキソセロビオヒドラーゼ（ＥＣ ３．２．１．９１）、β−グルコシダーゼ（ＥＣ ３．２．１．２１）などのいずれか少なくとも一種である。なお、分解酵素としてグルコアミラーゼとセルラーゼとを混合して用いてもよく、この場合には、自然界で生産される多糖類の大半を分解することができるため、これらを多く含むもの、例えば生ごみなどを燃料とすることが可能となる。
【００２８】
また、分解酵素としてα−グルコシダーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、α−グルコシダーゼによりグルコースに分解されるマルトースを燃料とすることができる。
また、分解酵素としてスクラーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、スクラーゼによりグルコースとフルクトースとに分解されるスクロースを燃料とすることができる。スクラーゼは、より詳しくはα−グルコシダーゼ（ＥＣ ３．２．１．２０）、スクロース−α−グルコシダーゼ（ＥＣ ３．２．１．４８）、β−フルクトフラノシダーゼ（ＥＣ ３．２．１．２６）などの少なくともいずれか一種である。
また、分解酵素としてβ−ガラクトシダーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、β−ガラクトシダーゼによりグルコースとガラクトースとに分解されるラクトースを燃料とすることができる。
必要に応じて、これらの燃料となる多糖類も負極上に固定化してもよい。
【００２９】
特に、デンプンを燃料とする燃料電池では、デンプンを糊化してゲル状の固形化燃料としたものを用いることもできる。この場合、糊化したデンプンを例えば酵素および補酵素が封入されたリポソームが固定化された負極に接触させるか、あるいは負極上にこのリポソームなどとともに固定化する方法をとることができる。このようにすることにより、負極表面のデンプン濃度を、溶液中に溶解したデンプンを用いた場合よりも高い状態に保持することができ、酵素による分解反応がより速くなり、出力が向上するとともに、燃料の取り扱いが溶液の場合よりも容易で、燃料供給システムを簡素化することができ、しかも燃料電池を天地無用とする必要がないため、モバイル機器に用いたときに非常に有利である。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
正極および負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。この多孔体導電材料は、多孔体材料からなる骨格の少なくとも一部の表面に、カーボン系材料を主成分とする材料をコーティングすることにより得ることができる。この多孔体導電材料の骨格を構成する多孔体材料は、多孔率が高くても骨格を安定に維持することができるものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、導電性の有無も問わない。多孔体材料としては、好適には、高多孔率および高導電性を有する材料が用いられる。このような高多孔率および高導電性を有する多孔体材料としては、具体的には、金属材料（金属または合金）や骨格を強固にした（もろさを改善した）カーボン系材料などを用いることができる。多孔体材料として金属材料を用いる場合、金属材料は溶液のｐＨや電位などの使用環境との兼ね合いにより状態安定性が異なることから様々な選択肢が考えられるが、例えば、ニッケル、銅、銀、金、ニッケル−クロム合金、ステンレス鋼などの発泡金属あるいは発泡合金は入手しやすい材料の一つである。多孔体材料としては、上記の金属材料やカーボン系材料以外に樹脂材料（例えば、スポンジ状のもの）を用いることもできる。この多孔体材料の多孔率および孔径（孔の最小径）は、この多孔体材料からなる骨格の表面にコーティングする、カーボン系材料を主成分とする材料の厚さとの兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。この多孔体材料の孔径は一般的には１０ｎｍ〜１ｍｍ、典型的には１０ｎｍ〜６００μｍである。一方、骨格の表面を被覆する材料は、導電性を有し、想定される作動電位において安定なものを用いる必要がある。ここでは、このような材料としてカーボン系材料を主成分とする材料を用いる。カーボン系材料は一般に電位窓が広く、しかも化学的に安定なものが多い。このカーボン系材料を主成分とする材料は、具体的には、カーボン系材料のみからなるものと、カーボン系材料を主成分とし、多孔体導電材料に要求される特性などに応じて選ばれる副材料を微量含む材料とがある。後者の材料の具体例を挙げると、カーボン系材料に金属などの高導電性材料を添加することにより電気伝導性を向上させた材料や、カーボン系材料にポリテトラフルオロエチレン系材料などを添加することにより表面撥水性を付与するなど、導電性以外の機能を付与した材料である。カーボン系材料にも様々な種類が存在するが、いかなるカーボン系材料であってもよく、カーボン単体のほか、カーボンに他の元素を添加したものであってもよい。このカーボン系材料は、特に、高導電性・高表面積を有する微細粉末カーボン材料が好ましい。このカーボン系材料としては、具体的には、例えば、ＫＢ（ケッチェンブラック）などの高導電性を付与したものや、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの機能性カーボン材料などを用いることができる。このカーボン系材料を主成分とする材料のコーティング方法は、必要に応じて適当な結着剤を用いるなどして多孔体材料からなる骨格の表面にコーティング可能であれば、いかなるコーティング方法を用いてもよい。この多孔体導電材料の孔径は、その孔を通して基質などを含む溶液が容易に出入り可能な程度の大きさに選ばれ、一般的には９ｎｍ〜１ｍｍ、あるいは１μｍ〜１ｍｍ、あるいは１〜６００μｍである。多孔体材料からなる骨格の少なくとも一部の表面がカーボン系材料を主成分とする材料により被覆された状態、あるいは、多孔質材料からなる骨格の少なくとも一部の表面をカーボン系材料を主成分とする材料によりコーティングした状態では、孔が全て互いに連通し、あるいは、カーボン系材料を主成分とする材料による目詰まりが発生しないようにするのが望ましい。
【００３４】
この燃料電池の全体構成は必要に応じて選ばれるが、例えば、コイン型またはボタン型の構成とする場合には、好適には、酸化剤が透過可能な構造を有する正極集電体と燃料が透過可能な構造を有する負極集電体との間に形成された空間の内部に、正極、電解質および負極が収納された構造とする。この場合、典型的には、正極集電体および負極集電体の一方の縁が絶縁性の密封部材を介して正極集電体および負極集電体の他方に対してかしめられることで、正極、電解質および負極を収納する空間が形成されるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて他の加工方法によりこの空間を形成してもよい。正極集電体と負極集電体とは絶縁性の密封部材により互いに電気的に絶縁される。この絶縁性の密封部材としては、典型的には、シリコーンゴムなどの各種の弾性体からなるガスケットが用いられるが、これに限定されるものではない。これらの正極集電体および負極集電体の平面形状は必要に応じて選ぶことができるが、例えば、円形、楕円形、四角形、六角形などである。典型的には、正極集電体は一つまたは複数の酸化剤供給口を有し、負極集電体は一つまたは複数の燃料供給口を有するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、正極集電体の材料として酸化剤が透過可能なものを用いたりすることにより酸化剤供給口を形成しないでもよく、負極集電体の材料として燃料が透過可能なものを用いたりすることにより燃料供給口を形成しないでもよい。負極集電体は、典型的には、燃料保持部を有する。この燃料保持部は負極集電体と一体に設けてもよいし、負極集電体に対して着脱自在に設けてもよい。燃料保持部は、典型的には、密閉用の蓋を有する。この場合、この蓋を外して燃料保持部に燃料を注入することができる。密閉用の蓋を用いないで、燃料保持部の側面などから燃料を注入するようにしてもよい。燃料保持部を負極集電体に対して着脱自在に設ける場合には、例えば、燃料保持部として、あらかじめ燃料が充填された燃料タンクや燃料カートリッジなどを取り付けてもよい。これらの燃料タンクや燃料カートリッジは、使い捨て形であってもよいが、資源の有効利用を図る観点より、燃料を充填することができるものが好ましい。また、使用済みの燃料タンクや燃料カートリッジを燃料が充填された燃料タンクや燃料カートリッジと交換してもよい。さらに、例えば、燃料保持部を燃料の供給口および排出口を有する密閉容器状に形成し、この供給口を介して外部から燃料を密閉容器内に連続的に供給することで燃料電池の連続使用が可能である。あるいは、燃料電池に燃料保持部を設けず、開放系の燃料タンクに入れられた燃料の上に燃料電池を負極側が下に、正極側が上になるようにして浮かべた状態で使用してもよい。
【００３５】
この燃料電池は、所定の中心軸の周りに、負極、電解質、正極および酸化剤が透過可能な構造を有する正極集電体が順次設けられており、燃料が透過可能な構造を有する負極集電体が負極と電気的に接続されて設けられている構造としてもよい。この燃料電池において、負極は、断面形状が円、楕円、多角形などの筒状であってもよいし、断面形状が円、楕円、多角形などの柱状であってもよい。負極が筒状である場合、負極集電体は、例えば、負極の内周面側に設けてもよいし、負極と電解質との間に設けてもよいし、負極の少なくとも一端面に設けてもよいし、さらにはこれらの二箇所以上に設けてもよい。また、負極を燃料を保持することができるように構成し、例えば、負極を多孔質材料により形成し、この負極に燃料保持部を兼用させるようにしてもよい。あるいは、所定の中心軸上に柱状の燃料保持部を設けてもよい。この燃料保持部は、例えば、負極集電体が負極の内周面側に設けられる場合、この負極集電体により囲まれる空間そのものであってもよいし、この空間内に負極集電体とは別に設けられる燃料タンクや燃料カートリッジなどの容器であってもよく、この容器は着脱自在でも固定されたものでもよい。燃料保持部は、例えば、円柱状、楕円柱状、四角形、六角形などの多角柱状などであるが、これに限定されるものではない。電解質は、負極および負極集電体の全体を包み込むように袋状の容器に形成するようにしてもよい。こうすることで、燃料保持部に燃料を一杯に入れた場合、この燃料を負極の全体と接触させることができる。この容器のうちの少なくとも正極と負極との間に挟まれた部分を電解質により形成し、その他の部分はこの電解質と異なる材料により形成するようにしてもよい。この容器を燃料の供給口および排出口を有する密閉容器とし、この供給口を介して外部から燃料を容器内に連続的に供給することにより燃料電池の連続使用が可能である。負極としては、好適には、内部に燃料を十分に蓄えることができるようにするために、空隙率が大きいものが好ましく、例えば空隙率が６０％以上のものが好ましい。
【００３６】
正極および負極としてペレット電極を用いることもできる。このペレット電極は、カーボン系材料（特に、高導電性・高表面積を有する微細粉末カーボン材料が好ましい）、具体的には、例えば、ＫＢ（ケッチェンブラック）などの高導電性を付与したものや、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの機能性カーボン材料などと、必要に応じてバインダー、例えばポリフッ化ビニリデンと、上述の酵素の粉末（あるいは酵素溶液）、補酵素の粉末（あるいは補酵素溶液）、電子メディエーターの粉末（あるいは電子メディエーター溶液）、固定化用のポリマーの粉末（あるいはポリマー溶液）などとを、めのう乳鉢などで混合し、適宜乾燥させたものを所定の形状にプレス加工することなどにより形成することができる。このペレット電極の厚さ（電極厚）も必要に応じて決められるが、一例を挙げると５０μｍ程度である。例えば、コイン型の燃料電池を製造する場合には、上記のペレット電極形成用の材料を錠剤製造機により円形の形状（直径の一例を挙げると１５ｍｍであるが、直径はこれに限定されるものではなく、必要に応じて決められる）にプレス加工することによりペレット電極を形成することができる。このペレット電極を形成する場合、所要の電極厚とするためには、例えば、ペレット電極形成用の材料に占めるカーボン量やプレス圧などを制御する。コイン型の電池缶に正極または負極を挿入する場合、例えば、これらの正極または負極と電池缶との間に金属メッシュスペーサーを挿入することでそれらの電気的接触を取るのが好ましい。
【００３７】
ペレット電極の製造方法としては、上記の方法以外に、例えば、カーボン系材料と、必要に応じてバインダーと、酵素固定化成分（酵素、補酵素、電子メディエーター、ポリマーなど）の混合溶液（水系あるいは有機溶媒混合溶液）とを集電体などに適宜塗布し、乾燥させ、全体をプレス加工した後、所望の電極サイズに切り分けるようにしてもよい。
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。
【００３８】
第３の発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているものである電子機器である。
【００３９】
この電子機器は、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。
第３の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００４０】
第４の発明は、
少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入されたリポソームが固定化されている酵素固定化電極である。
第４の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００４１】
第５の発明は、
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているバイオセンサーである。
【００４２】
第６の発明は、
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているバイオリアクターである。
【００４３】
第７の発明は、
少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入されたリポソームを用いたエネルギー変換素子である。
ここで、このエネルギー変換素子は、燃料または基質が持つ化学エネルギーを酵素反応により電気エネルギーに変換する素子であり、上記の燃料電池、すなわちバイオ燃料電池はこのエネルギー変換素子の一種である。
【００４４】
第８の発明は、
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されている酵素反応利用装置である。
この酵素反応利用装置には、上記の燃料電池、すなわちバイオ燃料電池のほか、バイオセンサー（グルコースセンサーなど）、バイオリアクターなどが含まれ、酵素としては個々の目的に応じたものが用いられる。
第５〜第８の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００４５】
上述のように構成されたこの発明においては、酵素反応に関与する少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が高活性を保ったままリポソームに封入されるので、このリポソームの内部の微小な空間を反応場として効率的に酵素反応が行われ、燃料または基質から効率的に電子を取り出すことができる。この場合、このリポソームの内部に封入された酵素および補酵素の濃度は極めて高く、従って酵素および補酵素の相互の間隔は極めて小さいため、これらの酵素および補酵素による触媒サイクルは極めて高速に進行し、酵素反応が高速に進行する。そして、このリポソームを負極または電極に固定化することにより、このリポソームの内部に封入された酵素および補酵素をこのリポソームを介して負極または電極に容易に固定化することができるので、燃料または基質から取り出された電子を確実に負極または電極に受け渡すことができる。この場合、リポソームの固定は、酵素や補酵素をポリイオンコンプレックスなどにより固定化する場合に比べて簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００４６】
この発明によれば、酵素および補酵素が封入されたリポソームの内部の微小な空間を反応場として酵素反応を行うことができることにより燃料または基質から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができ、しかもこれらの酵素および補酵素の電極への固定化も容易な高効率の燃料電池を実現することができる。そして、このように高効率の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。また、同様に、高効率のバイオセンサー、バイオリアクター、エネルギー変換素子および酵素反応利用装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態による酵素固定化電極を示す。
図１に示すように、この酵素固定化電極においては、多孔質カーボンなどからなる電極１１の表面にリン脂質などの脂質二重層からなるリポソーム１２が物理吸着などにより固定化されている。このリポソーム１２の内部の水相に、目的とする酵素反応に関与する少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入される。図２にこのリポソーム１２の構造の詳細を示す。図２においては、リポソーム１２の内部の水相１２ａに、二種類の酵素１３、１４および一種類の補酵素１５が封入されているが、封入される酵素および補酵素の種類は適宜選択され、これに限定されるものではない。例えば、酵素１３は燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素、酵素１４はこの燃料の酸化に伴って還元された補酵素１５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電極１１に渡す補酵素酸化酵素である。このリポソーム１２の内部の水相１２ａには、これらの酵素１３、１４および補酵素１５以外に、例えば電子メディエーターを封入してもよい。この電子メディエーターは、リポソーム１２とともに電極１１上に固定化してもよい。
【００４８】
この酵素固定化電極は、例えば、酵素１３、１４および補酵素１５が封入されたリポソーム１２を作製した後、このリポソーム１２を電極１１上に固定化することにより製造することができる。より具体的には、例えば、酵素１３を含む緩衝溶液、酵素１４を含む緩衝溶液、補酵素１５を含む緩衝溶液およびリポソーム１２（内部に酵素１３、１４および補酵素１５が封入されていないもの）を含む緩衝溶液をそれぞれ作製し、これらの緩衝溶液を混合した後、この混合溶液をゲルろ過カラムに通したりすることなどによりリポソーム１２外の酵素１３、１４および補酵素１５を除去する。
【００４９】
図３にこの酵素固定化電極における酵素、補酵素および電子メディエーターによる電子の受け渡し反応の一例を模式的に示す。この例では、エチルアルコール（ＥｔＯＨ）の分解に関与する酵素がアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）、エチルアルコール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）であり、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電子メディエーターが受け取って電極１１に渡す。この場合、エチルアルコールは、リポソーム１２を構成する脂質二重層を透過してリポソーム１２の内部に入り、アルコールデヒドロゲナーゼによるこのエチルアルコールの分解によりアセトアルデヒドが生成され、このアセトアルデヒドがリポソーム１２の外部に出る。電子メディエーターは、リポソーム１２を構成する脂質二重層を出入りして電子伝達を行う。
【００５０】
実施例について説明する。
ジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ １．８．１．４、天野エンザイム製）を５ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＤＩ酵素緩衝溶液（１）とした。
アルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）（ＮＡＤ依存型、ＥＣ １．１．１．１、天野エンザイム製）を５ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＡＤＨ酵素緩衝溶液（２）とした。
上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。
【００５１】
ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ製、Ｎ−８１２９）を３５ｍｇ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（３）とした。
２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン（Ｑ０）を１５〜３００ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、Ｑ０緩衝溶液（４）とした。
卵黄レシチン（Ｗａｋｏ製）を１００ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１０ｍＬに溶解させてホモジナイザーで均一化し、リポソーム緩衝溶液（５）とした。
上記のようにして作製した各種の溶液を、下記に示す量ずつ採取して混合し、凍結融解を３度繰り返した。
ＤＩ酵素緩衝溶液（１）：５０μＬ
ＡＤＨ酵素緩衝溶液（２）：５０μＬ
ＮＡＤＨ緩衝溶液（３）：５０μＬ
リポソーム緩衝溶液（５）：５０μＬ
上記の混合溶液をゲルろ過カラムに通し、リポソーム外の酵素およびＮＡＤＨを除去する。ここで得たリポソーム溶液をＡＤＨ、ＤＩ、ＮＡＤＨ封入リポソーム溶液（６）とした。
【００５２】
図４、図５および図６は、シアニン色素Ｃｙ２で蛍光ラベル化したＡＤＨ、シアニン色素Ｃｙ３で蛍光ラベル化したＤＩおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡写真である。図４、図５および図６において、Ｅｘ（Excitation) は励起光を示し、Ｅｘの右に記載されている波長を有し、ＤＭ（Dichroic mirror)は励起光と蛍光を分離するミラーを示し、ＤＭの右に記載されている波長以上の光のみを透過し、ＢＡ（Barrier filter)
は蛍光と散乱光を分離するフィルターを示し、ＢＡの右に記載されている波長以上の光を透過する。この蛍光顕微鏡では、励起光により色素を励起し、それによって得られる光をＤＭおよびＢＡに順次通して不要な光を除去し、色素からの蛍光のみを検出する。図４は波長４５０〜４９０ｎｍの励起光でＣｙ２を励起して蛍光を発生させたものでＡＤＨの分布を示す。図５は波長５１０〜５６０ｎｍの励起光でＣｙ３を励起して蛍光を発生させたものでＤＩの分布を示す。図６は波長３８０〜４２０ｎｍの励起光でＮＡＤＨを励起して蛍光を発生させたものでＮＡＤＨの分布を示す。
【００５３】
図４、図５および図６より、リポソームの直径は平均４．６μｍ、標準偏差は２．０μｍであった。ただし、リポソームの平均直径は、図４、図５および図６中の３０個のリポソームの直径を測定し、それらの平均を取ることにより求めた。
【００５４】
図７、図８および図９は、Ｃｙ２で蛍光ラベル化したＡＤＨ、Ｃｙ３で蛍光ラベル化したＤＩおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示すグラフであり、図７はＣｙ２で蛍光ラベル化したＡＤＨからの蛍光強度、図８はＣｙ３で蛍光ラベル化したＤＩからの蛍光強度、図９はＮＡＤＨからの蛍光強度を示す。図７、図８および図９において、Ｅｍ（Emission）は励起光Ｅｘにより色素を励起した時に放出される光を示し、Ｅｍの右に記載されている波長を有し、Ｅｘの波長およびＥｍの波長の右の括弧内の数値は半値幅である。図７、図８および図９から分かるように、いずれの場合も、エチルアルコール濃度１００ｍＭまで蛍光強度は変化しなかった。つまり、少なくともエチルアルコール濃度１００ｍＭまではリポソームは安定で、リポソーム内部にＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが確実に封入されていることが分かった。また、界面活性剤である０．３％ＴｒｉｔｏｎＸを添加したところ、蛍光強度が増加した。これは、０．３％ＴｒｉｔｏｎＸによりリポソームが破壊され、内部のＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨがリポソーム外に放出され、蛍光強度が増加したことを意味する。この時の様子をＮＡＤＨを例に取って図１０に示す。図１０に示すように、リポソームの内部にＮＡＤＨが封入されていた状態ではＮＡＤＨによる蛍光強度は低いが、リポソームが破壊され、内部に封入されていたＮＡＤＨがリポソームの外部に放出されるとＮＡＤＨによる蛍光強度が増加する。
【００５５】
こうして得たＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入リポソーム溶液（６）とＱ０緩衝溶液（４）とを混合して総体積１００μＬの測定溶液を作製し、カーボンフェルトを作用電極とし、参照電極Ａｇ｜ＡｇＣｌに対して、０．３Ｖと電子メディエーターの酸化還元電位より十分高い電位に設定し、溶液攪拌下においてクロノアンペロメトリーを行った。クロノアンペロメトリー中に測定溶液に、エチルアルコールが終濃度１、１０、１００ｍＭとなるよう添加したものを順次添加した。
【００５６】
ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入リポソームを含む上記測定溶液に上述のようにしてエチルアルコールを添加した際のクロノアンペロメトリーの結果を図１１の曲線（ａ）に示す。この曲線（ａ）から明らかなように、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合にはエチルアルコール由来の触媒電流が観察され、エチルアルコールの濃度が高くなるに従って触媒電流は増加する。すなわち、人工細胞であるＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入リポソームによる電気化学的触媒活性が観察された。一方、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合と同量のＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入せず、単にＱ０緩衝溶液（４）中に分散させた場合について、上記と同様にしてクロノアンペロメトリーを行った。その結果を図１１の曲線（ｂ）に示す。この曲線（ｂ）から明らかなように、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入せず、単にＱ０緩衝溶液（４）中に分散させた場合にはエチルアルコール由来の触媒電流はほとんど観測されない。例えば、エチルアルコールの濃度が１００ｍＭの場合で比較すると、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入せず、単にＱ０緩衝溶液（４）中に分散させた場合に得られる触媒電流は、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合に得られる触媒電流の約３０分の１程度に過ぎない。このことから、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合には、封入しない場合に比べてはるかに高い触媒電流を得ることができることが明らかである。
【００５７】
このように、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合には、封入しない場合に比べてはるかに高い触媒電流が得られる理由について説明する。図１２に示すように、リポソーム１２内にＡＤＨ（横線を施した○で示す）、ＤＩ（縦線を施した○で示す）およびＮＡＤＨ（空白の○で示す）を封入したものが緩衝液Ｓ中に正方格子状に配列している場合を考える。一方、図１３に示すように、図１２に示すものと同じ体積の緩衝液Ｓ中に、図１２に示すものと同じ量のＡＤＨ（横線を施した○で示す）、ＤＩ（縦線を施した○で示す）およびＮＡＤＨ（空白の○で示す）が六方格子状に配列している場合を考える。緩衝液Ｓの体積は例えば１００μＬ、リポソーム１２の内部の体積は例えば約０．１７μＬである。ただし、リポソーム１２の脂質二重層を構成するリン脂質は緩衝液Ｓ中に５．５×１０-3μｍｏｌ存在し、リポソーム１２の内部の体積の合計はリポソーム１μｍｏｌ当たりに換算すると３０μＬ／μｍｏｌである。図１３に示すようにＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが緩衝液Ｓ中に単に分散されている場合におけるＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの濃度に比べて、図１２に示すようにリポソーム１２内にＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが封入されている場合におけるこれらのＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの局所的な濃度は約６００倍も高い。すなわち、リポソーム１２内にＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨを封入することにより、これらのＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの濃度を著しく高くすることができ、これらのＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの相互の間隔を極めて小さくすることができる。このため、リポソーム１２内では、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨによる触媒サイクルが極めて高速に進行し、図１１に示すような結果が得られる。
【００５８】
以上のように、この第１の実施形態によれば、リポソーム１２の内部に酵素反応に必要な酵素および補酵素を封入し、このリポソーム１２を電極１１上に固定化している。このため、酵素反応をリポソーム１２の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、基質から効率的に電子を取り出し、電極１１に受け渡すことができる。また、酵素などをポリイオンコンプレックスなどにより電極１１上に直接固定化する場合に比べて固定化を簡単に行うことができる。
【００５９】
図１４はこの発明の第２の実施形態による酵素固定化電極を示す。
図１４に示すように、この酵素固定化電極においては、第１の実施形態と同様に、電極１１上にリポソーム１２が物理吸着などにより固定化され、このリポソーム１２の内部の水相に、目的とする酵素反応に関与する少なくとも一種類の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入されていることに加えて、このリポソーム１２を構成する脂質二重層にトランスポーター１６が組み込まれている。図１５にこのリポソーム１２の構造の詳細を示す。トランスポーター１６は、酵素反応の基質が、リポソーム１２を構成する脂質二重層を通って内部に取り込まれにくい場合にこの基質を輸送するためのものであり、基質に応じて適宜選択されたものが用いられる。例えば、基質がグルコースである場合は、トランスポーター１６としてグルコーストランスポーターが用いられる。
この酵素固定化電極の上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
【００６０】
図１６にこの酵素固定化電極における酵素、補酵素および電子メディエーターによる電子の受け渡し反応の一例を模式的に示す。この例では、リポソーム１２に組み込まれたトランスポーター１６がグルコーストランスポーター、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）であり、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電子メディエーターが受け取って電極１１に渡す。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００６１】
次に、この発明の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態においては、バイオ燃料電池の負極として、第２の実施形態による酵素固定化電極を用いる。
図１７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ものとする。図１８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。
【００６２】
図１７および図１８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。
【００６３】
負極２１は、例えば多孔質カーボンなどからなる電極１１（図１８参照）上に、グルコースの分解に関与する酵素と、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（例えば、ＮＡＤ+ ）と、補酵素の還元体（例えば、ＮＡＤＨ）を酸化する補酵素酸化酵素（例えば、ジアホラーゼ（ＤＩ））とが封入されたリポソーム１２が固定化され、必要に応じてこれに加えて、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（例えば、ＡＣＮＱ）が、第２の実施形態による酵素固定化電極と同様に固定化されて構成されている。リポソーム１２を構成する脂質二重層にはトランスポーター１６としてグルコーストランスポーターが組み込まれているが、図１８においては図示が省略されている。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
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。
【００６７】
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。
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。
【００６８】
上記の酵素および補酵素が封入されたリポソーム１２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。
【００６９】
図１８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。
【００７０】
正極２２は、多孔質カーボン電極などに、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。
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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１９Ａ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。
図１９Ｂ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。
【００７４】
この第３の実施形態によれば、酵素反応に必要な酵素群および補酵素が封入され、かつトランスポーター１６としてグルコーストランスポーターが組み込まれたリポソーム１２を電極１１上に固定化した酵素固定化電極を負極２１として用いていることにより、酵素反応をリポソーム１２の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、燃料であるグルコースから効率的に電子を取り出し、電極１１に受け渡すことができるとともに、酵素などをポリイオンコンプレックスなどにより電極１１上に直接固定化する場合に比べて固定化を簡単に行うことができる。このように負極２１として用いられる酵素固定化電極が高効率であることにより、高効率のバイオ燃料電池を実現することができる。また、バイオ燃料電池の高出力化のためには燃料であるグルコースから２電子よりも多くの電子を取り出す必要があり、このためには三種類以上の酵素が適切な位置に固定化された酵素固定化電極を負極２１に用いる必要があるが、リポソーム１２の内部に三種類以上の酵素を封入することによりこのような要求も満たすことができる。また、互いに異なる三種類以上の酵素が封入された多種類のリポソームを混在させることにより多種類の燃料への対応が容易になる。さらには、負極リポソームと正極リポソームとを配列させたマイクロバイオ燃料電池の実現も可能である。
【００７５】
次に、この発明の第４の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
このバイオ燃料電池においては、燃料として、多糖類であるデンプンを用いる。また、デンプンを燃料に用いることに伴い、負極２１にデンプンをグルコースに分解する分解酵素であるグルコアミラーゼも固定化する。具体的には、例えば、グルコアミラーゼを電極１１に直接固定化したり、リポソーム１２に例えばポリエチレングリコール鎖などをアンカーとして固定化したりする。
【００７６】
このバイオ燃料電池においては、負極２１側に燃料としてデンプンが供給されると、このデンプンがグルコアミラーゼによりグルコースに加水分解され、さらにこのグルコースがグルコーストランスポーターによりリポソーム１２の内部に取り込まれてグルコースデヒドロゲナーゼにより分解され、この分解プロセスにおける酸化反応に伴ってＮＡＤ+ が還元されてＮＡＤＨが生成され、このＮＡＤＨがジアホラーゼにより酸化されて２個の電子とＮＡＤ+ とＨ+ とに分離する。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２個の電子と２個のＨ+ とが生成される。２段階の酸化反応では合計４個の電子と４個のＨ+ とが生成される。こうして発生する電子は負極２１の電極１１に渡され、Ｈ+ は電解質層２３を通って正極２２まで移動する。正極２２では、このＨ+ が、外部から供給された酸素および負極２１から外部回路を通って送られた電子と反応してＨ2 Ｏを生成する。
上記以外のことは第３の実施形態によるバイオ燃料電池と同様である。
この第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、デンプンを燃料に用いていることにより、グルコースを燃料に用いる場合に比べて発電量を増加させることができるという利点を得ることができる。
【００７７】
次に、この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
図２０Ａ、ＢおよびＣならびに図２１はこのバイオ燃料電池を示し、図２０Ａ、ＢおよびＣはこのバイオ燃料電池の上面図、断面図および裏面図、図２１はこのバイオ燃料電池の各構成要素を分解して示す分解斜視図である。
【００７８】
図２０Ａ、ＢおよびＣならびに図２１に示すように、このバイオ燃料電池においては、正極集電体５１と負極集電体５２との間に形成された空間の内部に、正極２２、電解質層２３および負極２１が、その上下を正極集電体５１と負極集電体５２とにより挟まれて収納されている。これらの正極集電体５１、負極集電体５２、正極２２、電解質層２３および負極２１の隣同士のものは互いに密着している。この場合、これらの正極集電体５１、負極集電体５２、正極２２、電解質層２３および負極２１は円形の平面形状を有し、このバイオ燃料電池の全体も円形の平面形状を有する。
【００７９】
正極集電体５１は、正極２２で発生した電流を集めるためのものであり、この正極集電体５１から外部に電流が取り出される。また、負極集電体５２は、負極２１で発生した電流を集めるためのものである。これらの正極集電体５１および負極集電体５２は、一般的には、金属や合金などにより形成されるが、これに限定されるものではない。正極集電体５１は偏平でほぼ円筒状の形状を有する。負極集電体５２も偏平でほぼ円筒状の形状を有する。そして、正極集電体５１の外周部５１ａの縁が、例えばシリコーンゴムなどの絶縁性の材料からなるリング状のガスケット５６ａおよび例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのリング状の疎水性樹脂５６ｂを介して負極集電体５２の外周部５２ａに対してかしめられることにより、正極２２、電解質層２３および負極２１を収納する空間が形成されている。疎水性樹脂５６ｂは正極２２、正極集電体５１およびガスケット５６ａにより囲まれた空間に、これらの正極２２、正極集電体５１およびガスケット５６ａに密着した状態で設けられている。この疎水性樹脂５６ｂにより、燃料の正極２２側への過剰な染み込みを効果的に抑制することができる。電解質層２３の端部は正極２２および負極２１の外側に延在しており、ガスケット５６ａと疎水性樹脂５６ｂとの間に挟まれている。正極集電体５１は、その底面の全面に複数の酸化剤供給口５１ｂを有し、これらの酸化剤供給口５１ｂの内部に正極２２が露出している。図２１Ｃおよび図２２には１３個の円形の酸化剤供給口５１ｂが図示されているが、これは一例に過ぎず、酸化剤供給口５１ｂの個数、形状、大きさおよび配置とも適宜選ぶことができる。負極集電体５２も、その上面の全面に複数の燃料供給口５２ｂを有し、これらの燃料供給口５２ｂの内部に負極２１が露出している。図２２には７個の円形の燃料供給口５２ｂが図示されているが、これは一例に過ぎず、燃料供給口５２ｂの個数、形状、大きさおよび配置とも適宜選ぶことができる。
【００８０】
負極集電体５２は負極２１と反対側の面に円筒形状の燃料タンク５７を有する。この燃料タンク５７は負極集電体５２と一体に形成されている。この燃料タンク５７の中に、使用する燃料（図示せず）、例えば、グルコース溶液やこれにさらに電解質を加えたものなどが入れられる。この燃料タンク５７には円筒形状の蓋５８が取り外し可能に取り付けられている。この蓋５８は、例えば、燃料タンク５７に嵌め込まれ、あるいは、ねじ止めされるようになっている。この蓋５８の中央部には円形の燃料供給口５８ａが形成されている。この燃料供給口５８ａは、例えば、図示省略した密封シールを貼り付けたりすることなどにより密封される。
このバイオ燃料電池の上記以外の構成は、その性質に反しない限り、第３の実施形態と同様である。
【００８１】
次に、このバイオ燃料電池の製造方法の一例について説明する。この製造方法を図２２Ａ〜Ｄに示す。
図２２Ａに示すように、まず、一端が開放した円筒形状の正極集電体５１を用意する。この正極集電体５１の底面の全面には複数の酸化剤供給口５１ｂが形成されている。この正極集電体５１の内部の底面の外周部の上にリング状の疎水性樹脂５６ｂを載せ、この底面の中央部の上に、正極２２、電解質層２３および負極２１を順次重ねる。
【００８２】
一方、図２２Ｂに示すように、一端が開放した円筒形状の負極集電体５２上に円筒形状の燃料タンク５７を一体に形成したものを用意する。この負極集電体５２には全面に複数の燃料供給口５２ｂが形成されている。この負極集電体５２の外周面の縁にＵ字状の断面形状のガスケット５６ａを取り付ける。そして、この負極集電体５２をその開放部側を下にして負極２１の上にかぶせ、正極集電体５１とこの負極集電体５２との間に、正極２２、電解質層２３および負極２１を挟む。
【００８３】
次に、図２２Ｃに示すように、こうして正極集電体５１と負極集電体５２との間に正極２２、電解質層２３および負極２１を挟んだものを、かしめ機の台６１の上に載せ、押圧部材６２により負極集電体５２を押圧して正極集電体５１、正極２２、電解質層２３、負極２１および負極集電体５２の隣同士を互いに密着させ、この状態でかしめ具６３を下降させて正極集電体５１の外周部５１ｂの縁をガスケット５６ａおよび疎水性樹脂５６ｂを介して負極集電体５２の外周部５２ｂに対してかしめる。このかしめを行う際には、ガスケット５６ａが徐々に潰れて正極集電体５１とガスケット５６ａとの間および負極集電体５２とガスケット５６ａとの間に隙間ができないようにする。また、この際、疎水性樹脂５６ｂも徐々に圧縮されて正極２２、正極集電体５１およびガスケット５６ａと密着するようにする。こうすることで、正極集電体５１と負極集電体５２とがガスケット５６ａにより互いに電気的に絶縁された状態でそれらの内部に、正極２２、電解質層２３および負極２１を収納する空間が形成される。この後、かしめ具６３を上昇させる。
【００８４】
こうして、図２２Ｄに示すように、正極集電体５１と負極集電体５２との間に形成された空間の内部に正極２２、電解質層２３および負極２１が収納されたバイオ燃料電池が製造される。
次に、燃料タンク５７に蓋５８を取り付け、この蓋５８の燃料供給口５８ａより燃料および電解質を注入した後、この燃料供給口５８ａを密封シールを貼り付けたりすることにより閉じる。ただし、燃料および電解質は、図２２Ｂに示す工程で燃料タンク５７に注入してもよい。
【００８５】
このバイオ燃料電池においては、燃料タンク５７に入れる燃料として例えばグルコース溶液を用いる場合、負極２１は、供給されたグルコースを酵素により分解して電子を取り出すとともに、Ｈ+ を発生する。正極２２は、負極２１からそれぞれ電解質層２３を通って輸送されたＨ+ 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。そして、正極集電体５１と負極集電体５２との間に出力電圧が得られる。
【００８６】
図２３に示すように、このバイオ燃料電池の正極集電体５１および負極集電体５２にそれぞれメッシュ電極７１、７２を形成してもよい。この場合、メッシュ電極７１の穴を通して外部の空気が正極集電体５１の酸化剤供給口５１ｂに入り、メッシュ電極７２の穴を通って燃料が蓋５８の燃料供給口５８ａから燃料タンク５７に入る。
【００８７】
図２４は２個のバイオ燃料電池を直列接続した場合を示す。この場合、一方のバイオ燃料電池（図中、上のバイオ燃料電池）の正極集電体５１と他方のバイオ燃料電池（図中、下のバイオ燃料電池）の蓋５８との間にメッシュ電極７３を挟む。この場合、メッシュ電極７３の穴を通って外部の空気が正極集電体５１の酸化剤供給口５１ｂに入るようになっている。燃料の供給は燃料供給システムを用いて行うことも可能である。
【００８８】
図２５は２個のバイオ燃料電池を並列接続した場合を示す。この場合、一方のバイオ燃料電池（図中、上のバイオ燃料電池）の燃料タンク５７と他方のバイオ燃料電池（図中、下のバイオ燃料電池）の燃料タンク５７とをそれらの蓋５８の燃料供給口５８ａ同士が一致するように互いに接触させ、これらの燃料タンク５７の側面から電極７４を引き出す。また、上記一方のバイオ燃料電池の正極集電体５１と上記他方のバイオ燃料電池の正極集電体５１とにそれぞれメッシュ電極７５、７６を形成する。これらのメッシュ電極７５、７６は互いに接続する。メッシュ電極７５、７６の穴を通って外部の空気が正極集電体５１の酸化剤供給口５１ｂに入る。
【００８９】
この第５の実施形態によれば、燃料タンク５７を除くとコイン型またはボタン型のバイオ燃料電池において、第３の実施形態と同様な利点を得ることができる。また、このバイオ燃料電池においては、正極集電体５１と負極集電体５２との間に正極２２、電解質層２３および負極２１を挟み、正極集電体５１の外周部５１ａの縁をガスケット５６を介して負極集電体５２の外周部５２ａに対してかしめることにより、各構成要素同士を均一に密着させることができるので、出力のばらつきを防止することができるとともに、各構成要素間の界面から燃料や電解質などの電池溶液が漏液するのを防止することができる。また、このバイオ燃料電池は製造工程が簡単である。また、このバイオ燃料電池は小型化が容易である。さらに、このバイオ燃料電池は、燃料としてグルコース溶液やデンプンを用い、使用する電解質のｐＨを７付近（中性）に選ぶことにより、万が一、燃料や電解質が外部に漏れても、安全である。
また、現在実用化されている空気電池では燃料および電解質を製造時に添加する必要があり、製造後に添加することは困難であるのに対し、このバイオ燃料電池では、製造後に燃料および電解質を添加することが可能であるので、このバイオ燃料電池は現在実用化されている空気電池に比べて製造が容易である。
【００９０】
次に、この発明の第６の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
図２６に示すように、この第６の実施形態においては、第５の実施形態によるバイオ燃料電池から、負極集電体５２に一体に設けられた燃料タンク５７を取り除き、さらに正極集電体５１および負極集電体５２にそれぞれメッシュ電極７１、７２を形成したものを用い、開放系の燃料タンク５７に入れられた燃料５７ａの上にこのバイオ燃料電池を負極２１側が下に、正極２２側が上になるようにして浮かべた状態で使用する。
この第６の実施形態の上記以外のことは、その性質に反しない限り、第３および第５の実施形態と同様である。
この第６の実施形態によれば、第３および第５の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００９１】
次に、この発明の第７の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。第５の実施形態によるバイオ燃料電池がコイン型またはボタン型であるのに対し、このバイオ燃料電池は円筒型である。
図２７ＡおよびＢならびに図２８はこのバイオ燃料電池を示し、図２７Ａはこのバイオ燃料電池の正面図、図２７Ｂはこのバイオ燃料電池の縦断面図、図２８はこのバイオ燃料電池の各構成要素を分解して示す分解斜視図である。
【００９２】
図２７ＡおよびＢならびに図２８に示すように、このバイオ燃料電池においては、円柱状の燃料保持部７７の外周に、それぞれ円筒状の負極集電体５２、負極２１、電解質層２３、正極２２および正極集電体５１が順次設けられている。この場合、燃料保持部７７は、円筒状の負極集電体５２により囲まれた空間からなる。この燃料保持部７７の一端は外部に突き出ており、この一端には蓋７８が取り付けられている。図示は省略するが、燃料保持部７７の外周の負極集電体５２にはその面の全体に複数の燃料供給口５２ｂが形成されている。また、電解質層２３は負極２１および負極集電体５２を包む袋状になっている。電解質層２３と燃料保持部７７の一端の負極集電体５２との間の部分は例えばシール部材（図示せず）などによりシールされており、この部分から燃料が外部に漏れないようになっている。
【００９３】
このバイオ燃料電池においては、燃料保持部７７に燃料および電解質を入れる。これらの燃料および電解質は負極集電体５２の燃料供給口５２ｂを通って負極２１に到達し、この負極２１の空隙部に浸透することにより、この負極２１の内部に蓄えられるようになっている。負極２１の内部に蓄えることができる燃料の量を多くするためには、負極２１の空隙率は例えば６０％以上とすることが望ましいが、これに限定されるものではない。
【００９４】
このバイオ燃料電池においては、耐久性向上のために、正極集電体５１の外周面に気液分離層を設けてもよい。この気液分離層の材料としては、例えば、防水性透湿性素材（ポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリマーとを複合化した素材）（例えば、ＷＬゴア＆アソシエイツ社製のゴアテックス（商品名））を用いる。このバイオ燃料電池の各構成要素同士を均一に密着させるために、好適には、この気液分離層の外側または内側に、外部から空気が透過可能な網目構造を有する伸縮性ゴム（バンド状でもシート状でも可）を巻き付けてこのバイオ燃料電池の構成要素の全体を締め付ける。
この第７の実施形態の上記以外のことは、その性質に反しない限り、第３および第５の実施形態と同様である。
この第７の実施形態によれば、第３および第５の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００９５】
次に、この発明の第８の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
この第８の実施形態によるバイオ燃料電池は、負極２１の電極材に図２９ＡおよびＢに示すような多孔体導電材料を用いることを除いて、第３の実施形態によるバイオ燃料電池と同様な構成を有する。
図２９Ａはこの多孔体導電材料の構造を模式的に示し、図２９Ｂはこの多孔体導電材料の骨格部の断面図である。図２９ＡおよびＢに示すように、この多孔体導電材料は、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格７９ａと、この骨格７９ａの表面を被覆するカーボン系材料７９ｂとからなり、このカーボン系材料７９ｂの表面に、第３の実施形態と同様なリポソーム１２が固定化されている。この多孔体導電材料は、カーボン系材料７９ｂに囲まれた多数の孔８０が網目に相当する三次元網目状構造を有する。この場合、これらの孔８０同士は互いに連通している。カーボン系材料７９ｂ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。
【００９６】
多孔体材料からなる骨格７９ａとしては、発泡金属あるいは発泡合金、例えば発泡ニッケルが用いられる。この骨格７９ａ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７９ｂ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８０の径は、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。
【００９７】
次に、この多孔体導電材料の製造方法について説明する。
図３０Ａに示すように、まず、発泡金属あるいは発泡合金（例えば、発泡ニッケル）からなる骨格７９ａを用意する。
次に、図３０Ｂに示すように、この発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格７９ａの表面にカーボン系材料７９ｂをコーティングする。このコーティング方法としては従来公知の方法を用いることができる。一例を挙げると、カーボン粉末や適当な結着剤などを含むエマルションをスプレーにより骨格７９ａの表面に噴射することによりカーボン系材料７９ｂをコーティングする。このカーボン系材料７９ｂのコーティング厚さは、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格７９ａの多孔率および孔径との兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。このコーティングの際には、カーボン系材料７９ｂに囲まれた多数の孔８０同士が互いに連通するようにする。
こうして、目的とする多孔体導電材料が製造される。この後、この多孔体導電材料のカーボン系材料７９ｂの表面にリポソーム１２を固定化する。
上記以外のことは第３の実施形態と同様である。
【００９８】
この第８の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点に加えて次のような利点を得ることができる。すなわち、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格７９ａの表面をカーボン系材料７９ｂにより被覆した多孔体導電材料は、孔８０の径が十分に大きく、粗な三次元網目状構造を有しながら、高強度でしかも高い導電性を有し、必要十分な表面積を得ることもできる。このため、この多孔体導電材料を電極材に用い、これに酵素、補酵素および電子メディエーターを固定化することで得られる酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極からなる負極２１は、その上での酵素代謝反応を高効率に行わせることができ、あるいは、電極の近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えることが可能であり、しかも使用環境によらずに安定であり、高性能のバイオ燃料電池を実現することが可能である。
【００９９】
次に、この発明の第９の実施形態によるバイオリアクターについて説明する。このバイオリアクターは、第１または第２の実施形態による酵素固定化電極を用いたものである。図３１はこのバイオリアクターを示す。
図３１に示すように、このバイオリアクターにおいては、反応槽８１内に反応溶液８２が入れられており、その中にワーキング電極８３、参照電極８４および対向電極８５が浸漬されている。ワーキング電極８３としては、第１または第２の実施形態による酵素固定化電極が用いられる。参照電極８４と対向電極８５との間には定電圧発生装置８６が接続されており、参照電極８４が一定電圧に保持されるようになっている。ワーキング電極８３は、定電圧発生装置８６の参照電極８４が接続された端子に接続されている。
このバイオリアクターにおいては、基質（例えば、アルコール、グルコースなど）をワーキング電極８３に送り込み、酵素反応を起こさせて所望の生成物を生成する。
【０１００】
この第９の実施形態によれば、酵素反応に必要な酵素群および補酵素が封入されたリポソーム１２を電極１１上に固定化した酵素固定化電極を用いていることにより、酵素反応をリポソーム１２の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、所望の生成物を効率的に得ることができるとともに、酵素などをポリイオンコンプレックスなどにより電極１１上に直接固定化する場合に比べて固定化を簡単に行うことができる。このように電極として用いられる酵素固定化電極が高効率であることにより、高効率のバイオリアクターを実現することができる。また、三種類以上の酵素を用いる必要がある場合、リポソーム１２の内部に三種類以上の酵素を封入することにより、このような要求も満たすことができる。
【０１０１】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態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。また、必要に応じて、第４〜第８の実施形態のいずれか二つ以上を組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】この発明の第１の実施形態による酵素固定化電極を示す略線図である。
【図２】この発明の第１の実施形態による酵素固定化電極において用いられる酵素および補酵素が封入されたリポソームを示す略線図である。
【図３】この発明の第１の実施形態による酵素固定化電極においてリポソームに封入された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４】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図５】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図６】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図７】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。
【図８】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。
【図９】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。
【図１０】この発明の実施例においてリポソームの安定性を説明するための略線図である。
【図１１】この発明の実施例においてアルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを所定の溶液中に分散させた場合ならびにアルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを単に所定の溶液中に分散させた場合に行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
【図１２】この発明の実施例においてアルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを緩衝液中に分散させた状態を示す略線図である。
【図１３】この発明の実施例においてアルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを単に緩衝液中に分散させた状態を示す略線図である。
【図１４】この発明の第２の実施形態による酵素固定化電極を示す略線図である。
【図１５】この発明の第２の実施形態による酵素固定化電極において用いられる酵素および補酵素が封入され、トランスポーターが組み込まれたリポソームを示す略線図である。
【図１６】この発明の第２の実施形態による酵素固定化電極においてリポソームに封入された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１７】この発明の第３の実施形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。
【図１８】この発明の第３の実施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１９】この発明の第３の実施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２０】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池を示す上面図、断面図および裏面図である。
【図２１】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池を示す分解斜視図である。
【図２２】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池の製造方法を説明するための略線図である。
【図２３】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池の使用方法の第１の例を説明するための略線図である。
【図２４】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池の使用方法の第２の例を説明するための略線図である。
【図２５】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池の使用方法の第３の例を説明するための略線図である。
【図２６】この発明の第６の実施形態によるバイオ燃料電池およびその使用方法を示す略線図である。
【図２７】この発明の第７の実施形態によるバイオ燃料電池を示す正面図および縦断面図である。
【図２８】この発明の第７の実施形態によるバイオ燃料電池を示す分解斜視図である。
【図２９】この発明の第８の実施形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の構造を説明するための略線図および断面図である。
【図３０】この発明の第８の実施形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の製造方法を説明するための略線図である。
【図３１】この発明の第９の実施形態によるバイオリアクターを示す略線図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１１…電極、１２…リポソーム、１３、１４…酵素、１５…補酵素、１６…トランスポーター、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
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池、燃料電池の製造方法、電子機器、酵素固定化電極、バイオセンサー、バイオリアクター、エネルギー変換素子および酵素反応利用装置に関し、例えば、酵素を用いたバイオ燃料電池、バイオセンサーおよびバイオリアクターならびに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】
燃料電池は、正極（酸化剤極）と負極（燃料極）とが電解質（プロトン伝導体）を介して対向した構造を有する。従来の燃料電池では、負極に供給された燃料（水素）が酸化されて電子とプロトン（Ｈ+ ）とに分離し、電子は負極に渡され、Ｈ+ は電解質を通って正極まで移動する。正極では、このＨ+ が、外部から供給された酸素および負極から外部回路を通って送られた電子と反応してＨ2 Ｏを生成する。
【０００３】
このように、燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高効率な発電装置であり、天然ガス、石油、石炭などの化石エネルギーが持つ化学エネルギーを使用場所や使用時によらずに、しかも高い変換効率で電気エネルギーとして取り出すことができる。このため、従来から大規模発電用途などとしての燃料電池の開発研究が活発に行われている。例えば、スペースシャトルに燃料電池が搭載され、電力と同時に乗組員用の水を補給できることや、クリーンな発電装置であることを証明した実績がある。
【０００４】
さらに、近年、固体高分子型燃料電池など、室温から９０℃程度の比較的低温の作動温度域を示す燃料電池が開発され、注目を集めている。このため、大規模発電用途のみならず、自動車の駆動用電源、パーソナルコンピュータやモバイル機器などのポータブル電源などの小型システムへの応用が模索されつつある。
このように、燃料電池は大規模発電から小規模発電まで幅広い用途が考えられ、高効率な発電装置として多くの注目を集めている。しかしながら、燃料電池では、燃料として通常、天然ガス、石油、石炭などを改質器により水素ガスに変換して用いており、限りある資源を消費するとともに、高温に加熱する必要があったり、白金（Ｐｔ）などの高価な貴金属の触媒を必要としたりするなど、種々の問題点がある。また、水素ガスやメタノールを直接燃料として用いる場合でも、その取り扱いには注意を要する。
【０００５】
そこで、生物内で行われている生体代謝が高効率なエネルギー変換機構であることに着目し、これを燃料電池に適用する提案がなされている。ここでいう生体代謝には、微生物体細胞内で行われる呼吸、光合成などが含まれる。生体代謝は、発電効率が極めて高く、また、室温程度の穏やかな条件で反応が進行するという特長を兼ね備えている。
例えば、呼吸は、糖類、脂肪、タンパク質などの栄養素を微生物または細胞内に取り込み、これらの化学エネルギーを、数々の酵素反応ステップを有する解糖系およびクエン酸（ＴＣＡ）回路を介して二酸化炭素（ＣＯ2 ）を生成する過程でニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ+ ）を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤＨ）とすることで酸化還元エネルギー、すなわち電気エネルギーに変換し、さらに電子伝達系においてこれらのＮＡＤＨの電気エネルギーをプロトン勾配の電気エネルギーに直接変換するとともに酸素を還元し、水を生成する機構である。ここで得られた電気エネルギーは、アデノシン三リン酸（ＡＴＰ）合成酵素を介して、アデノシン二リン酸（ＡＤＰ）からＡＴＰを生成し、このＡＴＰは微生物や細胞が生育するために必要な反応に利用される。このようなエネルギー変換は、細胞質ゾルおよびミトコンドリアで行われている。
【０００６】
また、光合成は、光エネルギーを取り込み、電子伝達系を介してニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ+ ）を還元して還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰＨ）とすることで電気エネルギーに変換する過程で、水を酸化し酸素を生成する機構である。この電気エネルギーは、ＣＯ2 を取り込み炭素固定化反応に利用され、炭水化物の合成に利用される。
上述したような生体代謝を燃料電池に利用する技術としては、微生物中で発生した電気エネルギーを電子メディエーターを介して微生物外に取り出し、この電子を電極に渡すことで電流を得る微生物電池が報告されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
しかしながら、微生物および細胞には化学エネルギーから電気エネルギーへの変換といった目的の反応以外にも不要な反応が多く存在するため、上述した方法では望まない反応に化学エネルギーが消費されて十分なエネルギー変換効率が発揮されない。
そこで、酵素を用いて所望の反応のみを行う燃料電池（バイオ燃料電池）が提案されている（例えば、特許文献２〜１１参照。）。このバイオ燃料電池は、燃料を酵素により分解してプロトンと電子とに分離するもので、燃料としてメタノールやエタノールのようなアルコール類あるいはグルコースのような単糖類あるいはデンプンのような多糖類を用いたものが開発されている。
【０００８】
このバイオ燃料電池においては、電極に対する酵素の固定化・配列が非常に重要であることが分かっている。また、電子を伝達する役目を果たす電子メディエーターが酵素とともに有効に存在する必要性もあることが分かっている。従来の酵素の固定化方法は様々なものがあるが、その中でも本発明者らは、プラスに電荷を帯びたポリマーとマイナスに電荷を帯びたポリマーとを酵素と適当な割合で混合して多孔質カーボンなどからなる電極上に塗布することにより、電極との接着性を保ちつつ固定化膜を安定化させるポリイオンコンプレックス法やグルタルアルデヒド法を主体に開発してきた。
【０００９】
【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
【非特許文献１】秋吉一成、辻井薫監修、リポソーム応用の新展開「人口細胞の開発に向けて」、株式会社エヌ・ティー・エス、２００５年６月１日発行
【非特許文献２】Biotechnology and Bioengineering,Vol.81,No.6,pp.695-704(2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述のポリイオンコンプレックスを用いる固定化方法は、酵素の物理化学的性質、特に電荷に大きく依存しており、外部溶液の変化、使用中の環境変化などにより固定化の状態が絶えず変化することが懸念され、固定化した酵素などが溶出しやすい。また、一般的に酵素は熱に対する耐性が低いが、バイオ燃料電池の実用化に向けて酵素を改変してゆく際に、酵素そのものの物理化学的性質が変わり、その都度、固定化膜作製方法の最適化を図る必要があり、煩雑である。さらに、燃料からより多くの電子を取り出したいときには、より多くの酵素が必要となるが、これらの酵素を固定化する場合、その固定化条件の最適化に多大な労力を費やすことになる。
【００１１】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、一種または複数種の酵素および補酵素を微小な空間に閉じ込め、この空間を反応場として酵素反応を行うことにより燃料から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができ、これらの酵素および補酵素の電極への固定化も容易に行うことができる燃料電池およびその製造方法、この燃料電池を用いた高性能の電子機器、この燃料電池に適用して好適な酵素固定化電極ならびに高効率のバイオセンサー、バイオリアクター、エネルギー変換素子および電極反応利用装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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結果、バイオ燃料電池において、酵素反応に必要な酵素および補酵素を人工細胞であるリポソームに封入した場合には、同量の酵素および補酵素をリポソームに封入しないで用いる場合に比べて、酵素反応をはるかに効率的に行って極めて高い触媒電流を得たり、電極への固定化を容易にしたりすることができることを見出し、実験でその有効性を確認し、さらにこの手法の適用が可能な範囲について様々な観点から検討を行い、この発明を案出するに至った。また、この手法は、バイオ燃料電池だけでなく、酵素および補酵素を用いる各種の素子または装置に適用して好適なものである。
【００１３】
酵素反応に必要な酵素および補酵素をリポソームに封入することにより酵素反応をはるかに効率的に行うことができ、極めて高い触媒電流を得ることができるという本発明者らが独自に得た知見は、従来の定説を覆すものである。すなわち、従来は、リポソーム内に封入された酵素を生体触媒として捉えたとき、リポソームを構成する脂質二重層に対する基質の透過速度が制限されるため、反応速度は低いと考えられていた。例えば、非特許文献１の第４５４頁右欄の２行目から６行目には「リポソーム内封入酵素を生体触媒として使用する際、脂質膜の高い透過選択性のため、リポソーム外水相に添加された親水性あるいは高分子量の基質に対するリポソーム内封入酵素の反応性が過度に制限されることが問題となる」と記載されている。また、非特許文献２の第６９５頁右欄下から８行目から下から５行目には「一般に、リポソーム内に封入された酵素の外部から添加された基質に対する反応性はリポソームの二重層を横断する基質透過性に著しく依存する」と記載されている。
【００１４】
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されている燃料電池である。
【００１５】
第２の発明は、
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出す燃料電池を製造する場合に、少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素をリポソームに封入する工程を有する燃料電池の製造方法である。
【００１６】
第１および第２の発明において、リポソームは、リン脂質などからなる脂質二重層により形成された閉鎖小胞であり、内部が水相となっている。このリポソームには、一層の脂質二重層からなる単層リポソーム（ＳＵＶ：小さな一枚膜リポソーム、ＧＵＶ：巨大一枚膜リポソーム）だけでなく、小さなリポソーム（ＳＵＶ）が大きいリポソーム（ＧＵＶ）に取り込まれて入れ子になった多重層リポソーム（ＭＵＶ）も含まれる。リポソームは、例えば、直径１００ｎｍ程度のものから１０μｍに及ぶ大きなものまで作製することができ、直径は必要に応じて選ばれるが、具体例を挙げると２〜７μｍである。リン脂質としては基本的にはどのようなものを用いてもよく、グリセロリン脂質、スフィンゴリン脂質のいずれを用いてもよい。グリセロリン脂質としては、ホスファチジン酸、ホスファチジルコリン（レシチン）、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルグリセロール、ジホスファチジルグリセロール（カルジオリピン）などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。スフィンゴリン脂質としては、スフィンゴミエリンなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。ホスファチジルコリンの代表例はジミリストイルホスファチジルコリン（ＤＭＰＣ）である。リポソームの形成およびリポソーム内部への酵素および補酵素の封入には従来公知の方法を用いることができる。
【００１７】
このリポソームには、酵素反応に必要な酵素および補酵素のうち、少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素を封入するが、酵素反応に必要な全ての酵素および補酵素をリポソームに封入してもよいし、一部の酵素または補酵素をリポソームに封入せず、このリポソームを構成する脂質二重層に組み込んだり、固定化したり、リポソームの外部に存在させるようにしてもよい。酵素または補酵素をリポソームを構成する脂質二重層に固定化する場合には、例えばポリエチレングリコール鎖などのアンカーを用いることができる。
【００１８】
使用する燃料が、リポソームを構成する脂質二重層を通過してリポソーム内部に取り込まれることが困難である場合には、この脂質二重層に燃料または燃料の分解生成物の輸送を行うトランスポーター（輸送タンパク質）を組み込むことができる。あるいは、脂質の種類、組成、粒子径などを適切に選択することによっても燃料の透過性を向上させることが可能である。
【００１９】
このリポソームは、好適には負極に固定化されるが、必ずしも固定化する必要はなく、プロトン伝導体に緩衝液（緩衝物質）を含む電解質を用いるような場合にはその緩衝液に含ませるようにしてもよい。リポソームの固定には、例えば細胞の固定に用いられる従来公知の各種の固定化方法を用いることができる。また、この場合、負極に対するリポソームの固定を安定化するために、負極とリポソームとの間に中間層を形成してもよい。この中間層としては、タンパク質やＤＮＡなどの生体高分子のみならず、親水、疎水の両方の性質を持つような高分子電解質や、ミセル、逆ミセル、ラメラなどの構造体を形成することができるものや、ナノメートル構造を持ち、一つまたは複数の性質を持つ化合物であって生体親和性の高い化合物を用いることができる。タンパク質としては、例えば、アルブミンを代表とした、アルコールデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、オボアルブミン、ミオキナーゼなどの酸性タンパク質のほか、等電点をアルカリ側に持つリゾチウム、チトクロームｃ、ミオグロビン、トリプシノーゲンなどを用いることができる。このようなタンパク質などからなる中間層を電極表面に物理的に吸着させ、この中間層にリポソームを固定化することにより、負極に対してリポソームを安定に固定化することが可能である。
【００２０】
燃料（基質）としては、各種のものを用いることができ、必要に応じて選ばれるが、代表的なものを挙げると、メタノールやエタノールなどのアルコール、単糖類、多糖類などである。単糖類、多糖類などを燃料に用いる場合、典型的には、これら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。
燃料としての基質と酵素との組み合わせの例を表１に示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
リポソームに封入する酵素は、典型的には、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。
【００２３】
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。この電子メディエーターは、酵素および補酵素が封入されたリポソームとともに負極に固定化してもよいし、このリポソームの内部に封入してもよいし、このリポソームに固定してもよいし、燃料溶液に含ませるようにしてもよい。
【００２４】
例えば、燃料としてアルコールを用いる場合には、リポソームに封入する酵素は、アルコール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。酸化酵素としては例えばアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）（特に、ＮＡＤ依存型アルコールデヒドロゲナーゼ）が、補酵素としては例えばニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（ＮＡＤ+ ）またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（ＮＡＤＰ+ ）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。
【００２５】
また、燃料としてグルコースのような単糖類を用いる場合には、好適には、リポソームに封入する酵素は、単糖類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。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依存型グルコースデヒドロゲナーゼ）が、補酵素としては例えばＮＡＤ+ またはＮＡＤＰ+ が、補酵素酸化酵素としては例えばＤＩが用いられる。リポソーム内部にグルコースを取り込むために、この場合、好適には、リポソームを構成する脂質二重層にグルコーストランスポーター（糖輸送担体）が組み込まれる。グルコーストランスポーターとしては従来公知の各種のものを用いることができ、必要に応じて選択される。例えば、リポソーム内外のグルコース濃度差に基づく促通拡散（促進拡散）機構によりグルコースの輸送を行う場合には、促通拡散を担うグルコーストランスポーターとして、六種類のアイソフォームＧＬＵＴ１〜ＧＬＵＴ６やこれらの変異体を用いることができる。
【００２６】
燃料として多糖類（広義の多糖類であり、加水分解によって２分子以上の単糖を生じる全ての炭水化物を指し、二糖、三糖、四糖などのオリゴ糖を含む）を用いる場合には、上記の酸化酵素、補酵素酸化酵素および補酵素に加えて、多糖類の加水分解などの分解を促進し、グルコースなどの単糖類を生成する分解酵素も用いる。この場合、例えば、上記の酸化酵素、補酵素酸化酵素および補酵素はリポソームに封入し、分解酵素は、リポソームを構成する脂質二重層に組み込むか、固定化するか、リポソームの外部に存在させるようにする。この分解酵素は、リポソームの外部に存在させる場合には、好適には負極に固定化されるが、必ずしも固定化する必要はなく、プロトン伝導体に緩衝液（緩衝物質）を含む電解質を用いるような場合にはその緩衝液に含ませるようにしてもよい。多糖類としては、具体的には、例えば、デンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、マルトース、スクロース、ラクトースなどが挙げられる。これらは単糖類が二つ以上結合したものであり、いずれの多糖類においても結合単位の単糖類としてグルコースが含まれている。なお、アミロースとアミロペクチンとはデンプンに含まれる成分であり、デンプンはアミロースとアミロペクチンとの混合物である。多糖類の分解酵素としてグルコアミラーゼを用い、単糖類を分解する酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた場合には、グルコアミラーゼによりグルコースにまで分解することができる多糖類、例えばデンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、マルトースのいずれかを含むものであれば、これを燃料として発電することが可能となる。なお、グルコアミラーゼはデンプンなどのα−グルカンを加水分解しグルコースを生成する分解酵素であり、グルコースデヒドロゲナーゼはβ−Ｄ−グルコースをＤ−グルコノ−δ−ラクトンに酸化する酸化酵素である。
【００２７】
分解酵素としてセルラーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、セルラーゼによりグルコースにまで分解することができるセルロースを燃料とすることができる。セルラーゼは、より詳しくはセルラーゼ（ＥＣ ３．２．１．４）、エキソセロビオヒドラーゼ（ＥＣ ３．２．１．９１）、β−グルコシダーゼ（ＥＣ ３．２．１．２１）などのいずれか少なくとも一種である。なお、分解酵素としてグルコアミラーゼとセルラーゼとを混合して用いてもよく、この場合には、自然界で生産される多糖類の大半を分解することができるため、これらを多く含むもの、例えば生ごみなどを燃料とすることが可能となる。
【００２８】
また、分解酵素としてα−グルコシダーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、α−グルコシダーゼによりグルコースに分解されるマルトースを燃料とすることができる。
また、分解酵素としてスクラーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、スクラーゼによりグルコースとフルクトースとに分解されるスクロースを燃料とすることができる。スクラーゼは、より詳しくはα−グルコシダーゼ（ＥＣ ３．２．１．２０）、スクロース−α−グルコシダーゼ（ＥＣ ３．２．１．４８）、β−フルクトフラノシダーゼ（ＥＣ ３．２．１．２６）などの少なくともいずれか一種である。
また、分解酵素としてβ−ガラクトシダーゼを用い、酸化酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼを用いた燃料電池では、β−ガラクトシダーゼによりグルコースとガラクトースとに分解されるラクトースを燃料とすることができる。
必要に応じて、これらの燃料となる多糖類も負極上に固定化してもよい。
【００２９】
特に、デンプンを燃料とする燃料電池では、デンプンを糊化してゲル状の固形化燃料としたものを用いることもできる。この場合、糊化したデンプンを例えば酵素および補酵素が封入されたリポソームが固定化された負極に接触させるか、あるいは負極上にこのリポソームなどとともに固定化する方法をとることができる。このようにすることにより、負極表面のデンプン濃度を、溶液中に溶解したデンプンを用いた場合よりも高い状態に保持することができ、酵素による分解反応がより速くなり、出力が向上するとともに、燃料の取り扱いが溶液の場合よりも容易で、燃料供給システムを簡素化することができ、しかも燃料電池を天地無用とする必要がないため、モバイル機器に用いたときに非常に有利である。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
正極および負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。この多孔体導電材料は、多孔体材料からなる骨格の少なくとも一部の表面に、カーボン系材料を主成分とする材料をコーティングすることにより得ることができる。この多孔体導電材料の骨格を構成する多孔体材料は、多孔率が高くても骨格を安定に維持することができるものであれば、基本的にはどのようなものであってもよく、導電性の有無も問わない。多孔体材料としては、好適には、高多孔率および高導電性を有する材料が用いられる。このような高多孔率および高導電性を有する多孔体材料としては、具体的には、金属材料（金属または合金）や骨格を強固にした（もろさを改善した）カーボン系材料などを用いることができる。多孔体材料として金属材料を用いる場合、金属材料は溶液のｐＨや電位などの使用環境との兼ね合いにより状態安定性が異なることから様々な選択肢が考えられるが、例えば、ニッケル、銅、銀、金、ニッケル−クロム合金、ステンレス鋼などの発泡金属あるいは発泡合金は入手しやすい材料の一つである。多孔体材料としては、上記の金属材料やカーボン系材料以外に樹脂材料（例えば、スポンジ状のもの）を用いることもできる。この多孔体材料の多孔率および孔径（孔の最小径）は、この多孔体材料からなる骨格の表面にコーティングする、カーボン系材料を主成分とする材料の厚さとの兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。この多孔体材料の孔径は一般的には１０ｎｍ〜１ｍｍ、典型的には１０ｎｍ〜６００μｍである。一方、骨格の表面を被覆する材料は、導電性を有し、想定される作動電位において安定なものを用いる必要がある。ここでは、このような材料としてカーボン系材料を主成分とする材料を用いる。カーボン系材料は一般に電位窓が広く、しかも化学的に安定なものが多い。このカーボン系材料を主成分とする材料は、具体的には、カーボン系材料のみからなるものと、カーボン系材料を主成分とし、多孔体導電材料に要求される特性などに応じて選ばれる副材料を微量含む材料とがある。後者の材料の具体例を挙げると、カーボン系材料に金属などの高導電性材料を添加することにより電気伝導性を向上させた材料や、カーボン系材料にポリテトラフルオロエチレン系材料などを添加することにより表面撥水性を付与するなど、導電性以外の機能を付与した材料である。カーボン系材料にも様々な種類が存在するが、いかなるカーボン系材料であってもよく、カーボン単体のほか、カーボンに他の元素を添加したものであってもよい。このカーボン系材料は、特に、高導電性・高表面積を有する微細粉末カーボン材料が好ましい。このカーボン系材料としては、具体的には、例えば、ＫＢ（ケッチェンブラック）などの高導電性を付与したものや、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの機能性カーボン材料などを用いることができる。このカーボン系材料を主成分とする材料のコーティング方法は、必要に応じて適当な結着剤を用いるなどして多孔体材料からなる骨格の表面にコーティング可能であれば、いかなるコーティング方法を用いてもよい。この多孔体導電材料の孔径は、その孔を通して基質などを含む溶液が容易に出入り可能な程度の大きさに選ばれ、一般的には９ｎｍ〜１ｍｍ、あるいは１μｍ〜１ｍｍ、あるいは１〜６００μｍである。多孔体材料からなる骨格の少なくとも一部の表面がカーボン系材料を主成分とする材料により被覆された状態、あるいは、多孔質材料からなる骨格の少なくとも一部の表面をカーボン系材料を主成分とする材料によりコーティングした状態では、孔が全て互いに連通し、あるいは、カーボン系材料を主成分とする材料による目詰まりが発生しないようにするのが望ましい。
【００３４】
この燃料電池の全体構成は必要に応じて選ばれるが、例えば、コイン型またはボタン型の構成とする場合には、好適には、酸化剤が透過可能な構造を有する正極集電体と燃料が透過可能な構造を有する負極集電体との間に形成された空間の内部に、正極、電解質および負極が収納された構造とする。この場合、典型的には、正極集電体および負極集電体の一方の縁が絶縁性の密封部材を介して正極集電体および負極集電体の他方に対してかしめられることで、正極、電解質および負極を収納する空間が形成されるが、これに限定されるものではなく、必要に応じて他の加工方法によりこの空間を形成してもよい。正極集電体と負極集電体とは絶縁性の密封部材により互いに電気的に絶縁される。この絶縁性の密封部材としては、典型的には、シリコーンゴムなどの各種の弾性体からなるガスケットが用いられるが、これに限定されるものではない。これらの正極集電体および負極集電体の平面形状は必要に応じて選ぶことができるが、例えば、円形、楕円形、四角形、六角形などである。典型的には、正極集電体は一つまたは複数の酸化剤供給口を有し、負極集電体は一つまたは複数の燃料供給口を有するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、正極集電体の材料として酸化剤が透過可能なものを用いたりすることにより酸化剤供給口を形成しないでもよく、負極集電体の材料として燃料が透過可能なものを用いたりすることにより燃料供給口を形成しないでもよい。負極集電体は、典型的には、燃料保持部を有する。この燃料保持部は負極集電体と一体に設けてもよいし、負極集電体に対して着脱自在に設けてもよい。燃料保持部は、典型的には、密閉用の蓋を有する。この場合、この蓋を外して燃料保持部に燃料を注入することができる。密閉用の蓋を用いないで、燃料保持部の側面などから燃料を注入するようにしてもよい。燃料保持部を負極集電体に対して着脱自在に設ける場合には、例えば、燃料保持部として、あらかじめ燃料が充填された燃料タンクや燃料カートリッジなどを取り付けてもよい。これらの燃料タンクや燃料カートリッジは、使い捨て形であってもよいが、資源の有効利用を図る観点より、燃料を充填することができるものが好ましい。また、使用済みの燃料タンクや燃料カートリッジを燃料が充填された燃料タンクや燃料カートリッジと交換してもよい。さらに、例えば、燃料保持部を燃料の供給口および排出口を有する密閉容器状に形成し、この供給口を介して外部から燃料を密閉容器内に連続的に供給することで燃料電池の連続使用が可能である。あるいは、燃料電池に燃料保持部を設けず、開放系の燃料タンクに入れられた燃料の上に燃料電池を負極側が下に、正極側が上になるようにして浮かべた状態で使用してもよい。
【００３５】
この燃料電池は、所定の中心軸の周りに、負極、電解質、正極および酸化剤が透過可能な構造を有する正極集電体が順次設けられており、燃料が透過可能な構造を有する負極集電体が負極と電気的に接続されて設けられている構造としてもよい。この燃料電池において、負極は、断面形状が円、楕円、多角形などの筒状であってもよいし、断面形状が円、楕円、多角形などの柱状であってもよい。負極が筒状である場合、負極集電体は、例えば、負極の内周面側に設けてもよいし、負極と電解質との間に設けてもよいし、負極の少なくとも一端面に設けてもよいし、さらにはこれらの二箇所以上に設けてもよい。また、負極を燃料を保持することができるように構成し、例えば、負極を多孔質材料により形成し、この負極に燃料保持部を兼用させるようにしてもよい。あるいは、所定の中心軸上に柱状の燃料保持部を設けてもよい。この燃料保持部は、例えば、負極集電体が負極の内周面側に設けられる場合、この負極集電体により囲まれる空間そのものであってもよいし、この空間内に負極集電体とは別に設けられる燃料タンクや燃料カートリッジなどの容器であってもよく、この容器は着脱自在でも固定されたものでもよい。燃料保持部は、例えば、円柱状、楕円柱状、四角形、六角形などの多角柱状などであるが、これに限定されるものではない。電解質は、負極および負極集電体の全体を包み込むように袋状の容器に形成するようにしてもよい。こうすることで、燃料保持部に燃料を一杯に入れた場合、この燃料を負極の全体と接触させることができる。この容器のうちの少なくとも正極と負極との間に挟まれた部分を電解質により形成し、その他の部分はこの電解質と異なる材料により形成するようにしてもよい。この容器を燃料の供給口および排出口を有する密閉容器とし、この供給口を介して外部から燃料を容器内に連続的に供給することにより燃料電池の連続使用が可能である。負極としては、好適には、内部に燃料を十分に蓄えることができるようにするために、空隙率が大きいものが好ましく、例えば空隙率が６０％以上のものが好ましい。
【００３６】
正極および負極としてペレット電極を用いることもできる。このペレット電極は、カーボン系材料（特に、高導電性・高表面積を有する微細粉末カーボン材料が好ましい）、具体的には、例えば、ＫＢ（ケッチェンブラック）などの高導電性を付与したものや、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの機能性カーボン材料などと、必要に応じてバインダー、例えばポリフッ化ビニリデンと、上述の酵素の粉末（あるいは酵素溶液）、補酵素の粉末（あるいは補酵素溶液）、電子メディエーターの粉末（あるいは電子メディエーター溶液）、固定化用のポリマーの粉末（あるいはポリマー溶液）などとを、めのう乳鉢などで混合し、適宜乾燥させたものを所定の形状にプレス加工することなどにより形成することができる。このペレット電極の厚さ（電極厚）も必要に応じて決められるが、一例を挙げると５０μｍ程度である。例えば、コイン型の燃料電池を製造する場合には、上記のペレット電極形成用の材料を錠剤製造機により円形の形状（直径の一例を挙げると１５ｍｍであるが、直径はこれに限定されるものではなく、必要に応じて決められる）にプレス加工することによりペレット電極を形成することができる。このペレット電極を形成する場合、所要の電極厚とするためには、例えば、ペレット電極形成用の材料に占めるカーボン量やプレス圧などを制御する。コイン型の電池缶に正極または負極を挿入する場合、例えば、これらの正極または負極と電池缶との間に金属メッシュスペーサーを挿入することでそれらの電気的接触を取るのが好ましい。
【００３７】
ペレット電極の製造方法としては、上記の方法以外に、例えば、カーボン系材料と、必要に応じてバインダーと、酵素固定化成分（酵素、補酵素、電子メディエーター、ポリマーなど）の混合溶液（水系あるいは有機溶媒混合溶液）とを集電体などに適宜塗布し、乾燥させ、全体をプレス加工した後、所望の電極サイズに切り分けるようにしてもよい。
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。
【００３８】
第３の発明は、
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているものである電子機器である。
【００３９】
この電子機器は、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。
第３の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００４０】
第４の発明は、
少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入されたリポソームが固定化されている酵素固定化電極である。
第４の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００４１】
第５の発明は、
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているバイオセンサーである。
【００４２】
第６の発明は、
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているバイオリアクターである。
【００４３】
第７の発明は、
少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入されたリポソームを用いたエネルギー変換素子である。
ここで、このエネルギー変換素子は、燃料または基質が持つ化学エネルギーを酵素反応により電気エネルギーに変換する素子であり、上記の燃料電池、すなわちバイオ燃料電池はこのエネルギー変換素子の一種である。
【００４４】
第８の発明は、
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されている酵素反応利用装置である。
この酵素反応利用装置には、上記の燃料電池、すなわちバイオ燃料電池のほか、バイオセンサー（グルコースセンサーなど）、バイオリアクターなどが含まれ、酵素としては個々の目的に応じたものが用いられる。
第５〜第８の発明においては、上記以外のことについては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００４５】
上述のように構成されたこの発明においては、酵素反応に関与する少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が高活性を保ったままリポソームに封入されるので、このリポソームの内部の微小な空間を反応場として効率的に酵素反応が行われ、燃料または基質から効率的に電子を取り出すことができる。この場合、このリポソームの内部に封入された酵素および補酵素の濃度は極めて高く、従って酵素および補酵素の相互の間隔は極めて小さいため、これらの酵素および補酵素による触媒サイクルは極めて高速に進行し、酵素反応が高速に進行する。そして、このリポソームを負極または電極に固定化することにより、このリポソームの内部に封入された酵素および補酵素をこのリポソームを介して負極または電極に容易に固定化することができるので、燃料または基質から取り出された電子を確実に負極または電極に受け渡すことができる。この場合、リポソームの固定は、酵素や補酵素をポリイオンコンプレックスなどにより固定化する場合に比べて簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００４６】
この発明によれば、酵素および補酵素が封入されたリポソームの内部の微小な空間を反応場として酵素反応を行うことができることにより燃料または基質から効率的に電子を取り出して電気エネルギーを発生させることができ、しかもこれらの酵素および補酵素の電極への固定化も容易な高効率の燃料電池を実現することができる。そして、このように高効率の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。また、同様に、高効率のバイオセンサー、バイオリアクター、エネルギー変換素子および酵素反応利用装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態による酵素固定化電極を示す。
図１に示すように、この酵素固定化電極においては、多孔質カーボンなどからなる電極１１の表面にリン脂質などの脂質二重層からなるリポソーム１２が物理吸着などにより固定化されている。このリポソーム１２の内部の水相に、目的とする酵素反応に関与する少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入される。図２にこのリポソーム１２の構造の詳細を示す。図２においては、リポソーム１２の内部の水相１２ａに、二種類の酵素１３、１４および一種類の補酵素１５が封入されているが、封入される酵素および補酵素の種類は適宜選択され、これに限定されるものではない。例えば、酵素１３は燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素、酵素１４はこの燃料の酸化に伴って還元された補酵素１５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電極１１に渡す補酵素酸化酵素である。このリポソーム１２の内部の水相１２ａには、これらの酵素１３、１４および補酵素１５以外に、例えば電子メディエーターを封入してもよい。この電子メディエーターは、リポソーム１２とともに電極１１上に固定化してもよい。
【００４８】
この酵素固定化電極は、例えば、酵素１３、１４および補酵素１５が封入されたリポソーム１２を作製した後、このリポソーム１２を電極１１上に固定化することにより製造することができる。より具体的には、例えば、酵素１３を含む緩衝溶液、酵素１４を含む緩衝溶液、補酵素１５を含む緩衝溶液およびリポソーム１２（内部に酵素１３、１４および補酵素１５が封入されていないもの）を含む緩衝溶液をそれぞれ作製し、これらの緩衝溶液を混合した後、この混合溶液をゲルろ過カラムに通したりすることなどによりリポソーム１２外の酵素１３、１４および補酵素１５を除去する。
【００４９】
図３にこの酵素固定化電極における酵素、補酵素および電子メディエーターによる電子の受け渡し反応の一例を模式的に示す。この例では、エチルアルコール（ＥｔＯＨ）の分解に関与する酵素がアルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）、エチルアルコール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）であり、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電子メディエーターが受け取って電極１１に渡す。この場合、エチルアルコールは、リポソーム１２を構成する脂質二重層を透過してリポソーム１２の内部に入り、アルコールデヒドロゲナーゼによるこのエチルアルコールの分解によりアセトアルデヒドが生成され、このアセトアルデヒドがリポソーム１２の外部に出る。電子メディエーターは、リポソーム１２を構成する脂質二重層を出入りして電子伝達を行う。
【００５０】
実施例について説明する。
ジアホラーゼ（ＤＩ）（ＥＣ １．８．１．４、天野エンザイム製）を５ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＤＩ酵素緩衝溶液（１）とした。
アルコールデヒドロゲナーゼ（ＡＤＨ）（ＮＡＤ依存型、ＥＣ １．１．１．１、天野エンザイム製）を５ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、ＡＤＨ酵素緩衝溶液（２）とした。
上記の酵素を溶解させる緩衝溶液は直前まで冷蔵されていたものが好ましく、酵素緩衝溶液もできるだけ冷蔵保存しておくことが好ましい。
【００５１】
ＮＡＤＨ（シグマアルドリッチ製、Ｎ−８１２９）を３５ｍｇ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（３）とした。
２，３−ジメトキシ−５−メチル−１，４−ベンゾキノン（Ｑ０）を１５〜３００ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１ｍＬに溶解させ、Ｑ０緩衝溶液（４）とした。
卵黄レシチン（Ｗａｋｏ製）を１００ｍｇ秤量し、緩衝溶液（１０ｍＭリン酸緩衝液、ｐＨ７）１０ｍＬに溶解させてホモジナイザーで均一化し、リポソーム緩衝溶液（５）とした。
上記のようにして作製した各種の溶液を、下記に示す量ずつ採取して混合し、凍結融解を３度繰り返した。
ＤＩ酵素緩衝溶液（１）：５０μＬ
ＡＤＨ酵素緩衝溶液（２）：５０μＬ
ＮＡＤＨ緩衝溶液（３）：５０μＬ
リポソーム緩衝溶液（５）：５０μＬ
上記の混合溶液をゲルろ過カラムに通し、リポソーム外の酵素およびＮＡＤＨを除去する。ここで得たリポソーム溶液をＡＤＨ、ＤＩ、ＮＡＤＨ封入リポソーム溶液（６）とした。
【００５２】
図４、図５および図６は、シアニン色素Ｃｙ２で蛍光ラベル化したＡＤＨ、シアニン色素Ｃｙ３で蛍光ラベル化したＤＩおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡写真である。図４、図５および図６において、Ｅｘ（Excitation) は励起光を示し、Ｅｘの右に記載されている波長を有し、ＤＭ（Dichroic mirror)は励起光と蛍光を分離するミラーを示し、ＤＭの右に記載されている波長以上の光のみを透過し、ＢＡ（Barrier filter)
は蛍光と散乱光を分離するフィルターを示し、ＢＡの右に記載されている波長以上の光を透過する。この蛍光顕微鏡では、励起光により色素を励起し、それによって得られる光をＤＭおよびＢＡに順次通して不要な光を除去し、色素からの蛍光のみを検出する。図４は波長４５０〜４９０ｎｍの励起光でＣｙ２を励起して蛍光を発生させたものでＡＤＨの分布を示す。図５は波長５１０〜５６０ｎｍの励起光でＣｙ３を励起して蛍光を発生させたものでＤＩの分布を示す。図６は波長３８０〜４２０ｎｍの励起光でＮＡＤＨを励起して蛍光を発生させたものでＮＡＤＨの分布を示す。
【００５３】
図４、図５および図６より、リポソームの直径は平均４．６μｍ、標準偏差は２．０μｍであった。ただし、リポソームの平均直径は、図４、図５および図６中の３０個のリポソームの直径を測定し、それらの平均を取ることにより求めた。
【００５４】
図７、図８および図９は、Ｃｙ２で蛍光ラベル化したＡＤＨ、Ｃｙ３で蛍光ラベル化したＤＩおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示すグラフであり、図７はＣｙ２で蛍光ラベル化したＡＤＨからの蛍光強度、図８はＣｙ３で蛍光ラベル化したＤＩからの蛍光強度、図９はＮＡＤＨからの蛍光強度を示す。図７、図８および図９において、Ｅｍ（Emission）は励起光Ｅｘにより色素を励起した時に放出される光を示し、Ｅｍの右に記載されている波長を有し、Ｅｘの波長およびＥｍの波長の右の括弧内の数値は半値幅である。図７、図８および図９から分かるように、いずれの場合も、エチルアルコール濃度１００ｍＭまで蛍光強度は変化しなかった。つまり、少なくともエチルアルコール濃度１００ｍＭまではリポソームは安定で、リポソーム内部にＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが確実に封入されていることが分かった。また、界面活性剤である０．３％ＴｒｉｔｏｎＸを添加したところ、蛍光強度が増加した。これは、０．３％ＴｒｉｔｏｎＸによりリポソームが破壊され、内部のＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨがリポソーム外に放出され、蛍光強度が増加したことを意味する。この時の様子をＮＡＤＨを例に取って図１０に示す。図１０に示すように、リポソームの内部にＮＡＤＨが封入されていた状態ではＮＡＤＨによる蛍光強度は低いが、リポソームが破壊され、内部に封入されていたＮＡＤＨがリポソームの外部に放出されるとＮＡＤＨによる蛍光強度が増加する。
【００５５】
こうして得たＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入リポソーム溶液（６）とＱ０緩衝溶液（４）とを混合して総体積１００μＬの測定溶液を作製し、カーボンフェルトを作用電極とし、参照電極Ａｇ｜ＡｇＣｌに対して、０．３Ｖと電子メディエーターの酸化還元電位より十分高い電位に設定し、溶液攪拌下においてクロノアンペロメトリーを行った。クロノアンペロメトリー中に測定溶液に、エチルアルコールが終濃度１、１０、１００ｍＭとなるよう添加したものを順次添加した。
【００５６】
ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入リポソームを含む上記測定溶液に上述のようにしてエチルアルコールを添加した際のクロノアンペロメトリーの結果を図１１の曲線（ａ）に示す。この曲線（ａ）から明らかなように、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合にはエチルアルコール由来の触媒電流が観察され、エチルアルコールの濃度が高くなるに従って触媒電流は増加する。すなわち、人工細胞であるＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨ封入リポソームによる電気化学的触媒活性が観察された。一方、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合と同量のＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入せず、単にＱ０緩衝溶液（４）中に分散させた場合について、上記と同様にしてクロノアンペロメトリーを行った。その結果を図１１の曲線（ｂ）に示す。この曲線（ｂ）から明らかなように、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入せず、単にＱ０緩衝溶液（４）中に分散させた場合にはエチルアルコール由来の触媒電流はほとんど観測されない。例えば、エチルアルコールの濃度が１００ｍＭの場合で比較すると、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入せず、単にＱ０緩衝溶液（４）中に分散させた場合に得られる触媒電流は、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合に得られる触媒電流の約３０分の１程度に過ぎない。このことから、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合には、封入しない場合に比べてはるかに高い触媒電流を得ることができることが明らかである。
【００５７】
このように、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨをリポソームに封入した場合には、封入しない場合に比べてはるかに高い触媒電流が得られる理由について説明する。図１２に示すように、リポソーム１２内にＡＤＨ（横線を施した○で示す）、ＤＩ（縦線を施した○で示す）およびＮＡＤＨ（空白の○で示す）を封入したものが緩衝液Ｓ中に正方格子状に配列している場合を考える。一方、図１３に示すように、図１２に示すものと同じ体積の緩衝液Ｓ中に、図１２に示すものと同じ量のＡＤＨ（横線を施した○で示す）、ＤＩ（縦線を施した○で示す）およびＮＡＤＨ（空白の○で示す）が六方格子状に配列している場合を考える。緩衝液Ｓの体積は例えば１００μＬ、リポソーム１２の内部の体積は例えば約０．１７μＬである。ただし、リポソーム１２の脂質二重層を構成するリン脂質は緩衝液Ｓ中に５．５×１０-3μｍｏｌ存在し、リポソーム１２の内部の体積の合計はリポソーム１μｍｏｌ当たりに換算すると３０μＬ／μｍｏｌである。図１３に示すようにＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが緩衝液Ｓ中に単に分散されている場合におけるＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの濃度に比べて、図１２に示すようにリポソーム１２内にＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨが封入されている場合におけるこれらのＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの局所的な濃度は約６００倍も高い。すなわち、リポソーム１２内にＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨを封入することにより、これらのＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの濃度を著しく高くすることができ、これらのＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨの相互の間隔を極めて小さくすることができる。このため、リポソーム１２内では、ＡＤＨ、ＤＩおよびＮＡＤＨによる触媒サイクルが極めて高速に進行し、図１１に示すような結果が得られる。
【００５８】
以上のように、この第１の実施形態によれば、リポソーム１２の内部に酵素反応に必要な酵素および補酵素を封入し、このリポソーム１２を電極１１上に固定化している。このため、酵素反応をリポソーム１２の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、基質から効率的に電子を取り出し、電極１１に受け渡すことができる。また、酵素などをポリイオンコンプレックスなどにより電極１１上に直接固定化する場合に比べて固定化を簡単に行うことができる。
【００５９】
図１４はこの発明の第２の実施形態による酵素固定化電極を示す。
図１４に示すように、この酵素固定化電極においては、第１の実施形態と同様に、電極１１上にリポソーム１２が物理吸着などにより固定化され、このリポソーム１２の内部の水相に、目的とする酵素反応に関与する少なくとも一種類の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入されていることに加えて、このリポソーム１２を構成する脂質二重層にトランスポーター１６が組み込まれている。図１５にこのリポソーム１２の構造の詳細を示す。トランスポーター１６は、酵素反応の基質が、リポソーム１２を構成する脂質二重層を通って内部に取り込まれにくい場合にこの基質を輸送するためのものであり、基質に応じて適宜選択されたものが用いられる。例えば、基質がグルコースである場合は、トランスポーター１６としてグルコーストランスポーターが用いられる。
この酵素固定化電極の上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
【００６０】
図１６にこの酵素固定化電極における酵素、補酵素および電子メディエーターによる電子の受け渡し反応の一例を模式的に示す。この例では、リポソーム１２に組み込まれたトランスポーター１６がグルコーストランスポーター、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）であり、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電子メディエーターが受け取って電極１１に渡す。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００６１】
次に、この発明の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態においては、バイオ燃料電池の負極として、第２の実施形態による酵素固定化電極を用いる。
図１７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ものとする。図１８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。
【００６２】
図１７および図１８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。
【００６３】
負極２１は、例えば多孔質カーボンなどからなる電極１１（図１８参照）上に、グルコースの分解に関与する酵素と、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（例えば、ＮＡＤ+ ）と、補酵素の還元体（例えば、ＮＡＤＨ）を酸化する補酵素酸化酵素（例えば、ジアホラーゼ（ＤＩ））とが封入されたリポソーム１２が固定化され、必要に応じてこれに加えて、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（例えば、ＡＣＮＱ）が、第２の実施形態による酵素固定化電極と同様に固定化されて構成されている。リポソーム１２を構成する脂質二重層にはトランスポーター１６としてグルコーストランスポーターが組み込まれているが、図１８においては図示が省略されている。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
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。
【００６７】
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。
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。
【００６８】
上記の酵素および補酵素が封入されたリポソーム１２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。
【００６９】
図１８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。
【００７０】
正極２２は、多孔質カーボン電極などに、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。
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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１９Ａ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。
図１９Ｂ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。
【００７４】
この第３の実施形態によれば、酵素反応に必要な酵素群および補酵素が封入され、かつトランスポーター１６としてグルコーストランスポーターが組み込まれたリポソーム１２を電極１１上に固定化した酵素固定化電極を負極２１として用いていることにより、酵素反応をリポソーム１２の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、燃料であるグルコースから効率的に電子を取り出し、電極１１に受け渡すことができるとともに、酵素などをポリイオンコンプレックスなどにより電極１１上に直接固定化する場合に比べて固定化を簡単に行うことができる。このように負極２１として用いられる酵素固定化電極が高効率であることにより、高効率のバイオ燃料電池を実現することができる。また、バイオ燃料電池の高出力化のためには燃料であるグルコースから２電子よりも多くの電子を取り出す必要があり、このためには三種類以上の酵素が適切な位置に固定化された酵素固定化電極を負極２１に用いる必要があるが、リポソーム１２の内部に三種類以上の酵素を封入することによりこのような要求も満たすことができる。また、互いに異なる三種類以上の酵素が封入された多種類のリポソームを混在させることにより多種類の燃料への対応が容易になる。さらには、負極リポソームと正極リポソームとを配列させたマイクロバイオ燃料電池の実現も可能である。
【００７５】
次に、この発明の第４の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
このバイオ燃料電池においては、燃料として、多糖類であるデンプンを用いる。また、デンプンを燃料に用いることに伴い、負極２１にデンプンをグルコースに分解する分解酵素であるグルコアミラーゼも固定化する。具体的には、例えば、グルコアミラーゼを電極１１に直接固定化したり、リポソーム１２に例えばポリエチレングリコール鎖などをアンカーとして固定化したりする。
【００７６】
このバイオ燃料電池においては、負極２１側に燃料としてデンプンが供給されると、このデンプンがグルコアミラーゼによりグルコースに加水分解され、さらにこのグルコースがグルコーストランスポーターによりリポソーム１２の内部に取り込まれてグルコースデヒドロゲナーゼにより分解され、この分解プロセスにおける酸化反応に伴ってＮＡＤ+ が還元されてＮＡＤＨが生成され、このＮＡＤＨがジアホラーゼにより酸化されて２個の電子とＮＡＤ+ とＨ+ とに分離する。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２個の電子と２個のＨ+ とが生成される。２段階の酸化反応では合計４個の電子と４個のＨ+ とが生成される。こうして発生する電子は負極２１の電極１１に渡され、Ｈ+ は電解質層２３を通って正極２２まで移動する。正極２２では、このＨ+ が、外部から供給された酸素および負極２１から外部回路を通って送られた電子と反応してＨ2 Ｏを生成する。
上記以外のことは第３の実施形態によるバイオ燃料電池と同様である。
この第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、デンプンを燃料に用いていることにより、グルコースを燃料に用いる場合に比べて発電量を増加させることができるという利点を得ることができる。
【００７７】
次に、この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
図２０Ａ、ＢおよびＣならびに図２１はこのバイオ燃料電池を示し、図２０Ａ、ＢおよびＣはこのバイオ燃料電池の上面図、断面図および裏面図、図２１はこのバイオ燃料電池の各構成要素を分解して示す分解斜視図である。
【００７８】
図２０Ａ、ＢおよびＣならびに図２１に示すように、このバイオ燃料電池においては、正極集電体５１と負極集電体５２との間に形成された空間の内部に、正極２２、電解質層２３および負極２１が、その上下を正極集電体５１と負極集電体５２とにより挟まれて収納されている。これらの正極集電体５１、負極集電体５２、正極２２、電解質層２３および負極２１の隣同士のものは互いに密着している。この場合、これらの正極集電体５１、負極集電体５２、正極２２、電解質層２３および負極２１は円形の平面形状を有し、このバイオ燃料電池の全体も円形の平面形状を有する。
【００７９】
正極集電体５１は、正極２２で発生した電流を集めるためのものであり、この正極集電体５１から外部に電流が取り出される。また、負極集電体５２は、負極２１で発生した電流を集めるためのものである。これらの正極集電体５１および負極集電体５２は、一般的には、金属や合金などにより形成されるが、これに限定されるものではない。正極集電体５１は偏平でほぼ円筒状の形状を有する。負極集電体５２も偏平でほぼ円筒状の形状を有する。そして、正極集電体５１の外周部５１ａの縁が、例えばシリコーンゴムなどの絶縁性の材料からなるリング状のガスケット５６ａおよび例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのリング状の疎水性樹脂５６ｂを介して負極集電体５２の外周部５２ａに対してかしめられることにより、正極２２、電解質層２３および負極２１を収納する空間が形成されている。疎水性樹脂５６ｂは正極２２、正極集電体５１およびガスケット５６ａにより囲まれた空間に、これらの正極２２、正極集電体５１およびガスケット５６ａに密着した状態で設けられている。この疎水性樹脂５６ｂにより、燃料の正極２２側への過剰な染み込みを効果的に抑制することができる。電解質層２３の端部は正極２２および負極２１の外側に延在しており、ガスケット５６ａと疎水性樹脂５６ｂとの間に挟まれている。正極集電体５１は、その底面の全面に複数の酸化剤供給口５１ｂを有し、これらの酸化剤供給口５１ｂの内部に正極２２が露出している。図２１Ｃおよび図２２には１３個の円形の酸化剤供給口５１ｂが図示されているが、これは一例に過ぎず、酸化剤供給口５１ｂの個数、形状、大きさおよび配置とも適宜選ぶことができる。負極集電体５２も、その上面の全面に複数の燃料供給口５２ｂを有し、これらの燃料供給口５２ｂの内部に負極２１が露出している。図２２には７個の円形の燃料供給口５２ｂが図示されているが、これは一例に過ぎず、燃料供給口５２ｂの個数、形状、大きさおよび配置とも適宜選ぶことができる。
【００８０】
負極集電体５２は負極２１と反対側の面に円筒形状の燃料タンク５７を有する。この燃料タンク５７は負極集電体５２と一体に形成されている。この燃料タンク５７の中に、使用する燃料（図示せず）、例えば、グルコース溶液やこれにさらに電解質を加えたものなどが入れられる。この燃料タンク５７には円筒形状の蓋５８が取り外し可能に取り付けられている。この蓋５８は、例えば、燃料タンク５７に嵌め込まれ、あるいは、ねじ止めされるようになっている。この蓋５８の中央部には円形の燃料供給口５８ａが形成されている。この燃料供給口５８ａは、例えば、図示省略した密封シールを貼り付けたりすることなどにより密封される。
このバイオ燃料電池の上記以外の構成は、その性質に反しない限り、第３の実施形態と同様である。
【００８１】
次に、このバイオ燃料電池の製造方法の一例について説明する。この製造方法を図２２Ａ〜Ｄに示す。
図２２Ａに示すように、まず、一端が開放した円筒形状の正極集電体５１を用意する。この正極集電体５１の底面の全面には複数の酸化剤供給口５１ｂが形成されている。この正極集電体５１の内部の底面の外周部の上にリング状の疎水性樹脂５６ｂを載せ、この底面の中央部の上に、正極２２、電解質層２３および負極２１を順次重ねる。
【００８２】
一方、図２２Ｂに示すように、一端が開放した円筒形状の負極集電体５２上に円筒形状の燃料タンク５７を一体に形成したものを用意する。この負極集電体５２には全面に複数の燃料供給口５２ｂが形成されている。この負極集電体５２の外周面の縁にＵ字状の断面形状のガスケット５６ａを取り付ける。そして、この負極集電体５２をその開放部側を下にして負極２１の上にかぶせ、正極集電体５１とこの負極集電体５２との間に、正極２２、電解質層２３および負極２１を挟む。
【００８３】
次に、図２２Ｃに示すように、こうして正極集電体５１と負極集電体５２との間に正極２２、電解質層２３および負極２１を挟んだものを、かしめ機の台６１の上に載せ、押圧部材６２により負極集電体５２を押圧して正極集電体５１、正極２２、電解質層２３、負極２１および負極集電体５２の隣同士を互いに密着させ、この状態でかしめ具６３を下降させて正極集電体５１の外周部５１ｂの縁をガスケット５６ａおよび疎水性樹脂５６ｂを介して負極集電体５２の外周部５２ｂに対してかしめる。このかしめを行う際には、ガスケット５６ａが徐々に潰れて正極集電体５１とガスケット５６ａとの間および負極集電体５２とガスケット５６ａとの間に隙間ができないようにする。また、この際、疎水性樹脂５６ｂも徐々に圧縮されて正極２２、正極集電体５１およびガスケット５６ａと密着するようにする。こうすることで、正極集電体５１と負極集電体５２とがガスケット５６ａにより互いに電気的に絶縁された状態でそれらの内部に、正極２２、電解質層２３および負極２１を収納する空間が形成される。この後、かしめ具６３を上昇させる。
【００８４】
こうして、図２２Ｄに示すように、正極集電体５１と負極集電体５２との間に形成された空間の内部に正極２２、電解質層２３および負極２１が収納されたバイオ燃料電池が製造される。
次に、燃料タンク５７に蓋５８を取り付け、この蓋５８の燃料供給口５８ａより燃料および電解質を注入した後、この燃料供給口５８ａを密封シールを貼り付けたりすることにより閉じる。ただし、燃料および電解質は、図２２Ｂに示す工程で燃料タンク５７に注入してもよい。
【００８５】
このバイオ燃料電池においては、燃料タンク５７に入れる燃料として例えばグルコース溶液を用いる場合、負極２１は、供給されたグルコースを酵素により分解して電子を取り出すとともに、Ｈ+ を発生する。正極２２は、負極２１からそれぞれ電解質層２３を通って輸送されたＨ+ 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。そして、正極集電体５１と負極集電体５２との間に出力電圧が得られる。
【００８６】
図２３に示すように、このバイオ燃料電池の正極集電体５１および負極集電体５２にそれぞれメッシュ電極７１、７２を形成してもよい。この場合、メッシュ電極７１の穴を通して外部の空気が正極集電体５１の酸化剤供給口５１ｂに入り、メッシュ電極７２の穴を通って燃料が蓋５８の燃料供給口５８ａから燃料タンク５７に入る。
【００８７】
図２４は２個のバイオ燃料電池を直列接続した場合を示す。この場合、一方のバイオ燃料電池（図中、上のバイオ燃料電池）の正極集電体５１と他方のバイオ燃料電池（図中、下のバイオ燃料電池）の蓋５８との間にメッシュ電極７３を挟む。この場合、メッシュ電極７３の穴を通って外部の空気が正極集電体５１の酸化剤供給口５１ｂに入るようになっている。燃料の供給は燃料供給システムを用いて行うことも可能である。
【００８８】
図２５は２個のバイオ燃料電池を並列接続した場合を示す。この場合、一方のバイオ燃料電池（図中、上のバイオ燃料電池）の燃料タンク５７と他方のバイオ燃料電池（図中、下のバイオ燃料電池）の燃料タンク５７とをそれらの蓋５８の燃料供給口５８ａ同士が一致するように互いに接触させ、これらの燃料タンク５７の側面から電極７４を引き出す。また、上記一方のバイオ燃料電池の正極集電体５１と上記他方のバイオ燃料電池の正極集電体５１とにそれぞれメッシュ電極７５、７６を形成する。これらのメッシュ電極７５、７６は互いに接続する。メッシュ電極７５、７６の穴を通って外部の空気が正極集電体５１の酸化剤供給口５１ｂに入る。
【００８９】
この第５の実施形態によれば、燃料タンク５７を除くとコイン型またはボタン型のバイオ燃料電池において、第３の実施形態と同様な利点を得ることができる。また、このバイオ燃料電池においては、正極集電体５１と負極集電体５２との間に正極２２、電解質層２３および負極２１を挟み、正極集電体５１の外周部５１ａの縁をガスケット５６を介して負極集電体５２の外周部５２ａに対してかしめることにより、各構成要素同士を均一に密着させることができるので、出力のばらつきを防止することができるとともに、各構成要素間の界面から燃料や電解質などの電池溶液が漏液するのを防止することができる。また、このバイオ燃料電池は製造工程が簡単である。また、このバイオ燃料電池は小型化が容易である。さらに、このバイオ燃料電池は、燃料としてグルコース溶液やデンプンを用い、使用する電解質のｐＨを７付近（中性）に選ぶことにより、万が一、燃料や電解質が外部に漏れても、安全である。
また、現在実用化されている空気電池では燃料および電解質を製造時に添加する必要があり、製造後に添加することは困難であるのに対し、このバイオ燃料電池では、製造後に燃料および電解質を添加することが可能であるので、このバイオ燃料電池は現在実用化されている空気電池に比べて製造が容易である。
【００９０】
次に、この発明の第６の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
図２６に示すように、この第６の実施形態においては、第５の実施形態によるバイオ燃料電池から、負極集電体５２に一体に設けられた燃料タンク５７を取り除き、さらに正極集電体５１および負極集電体５２にそれぞれメッシュ電極７１、７２を形成したものを用い、開放系の燃料タンク５７に入れられた燃料５７ａの上にこのバイオ燃料電池を負極２１側が下に、正極２２側が上になるようにして浮かべた状態で使用する。
この第６の実施形態の上記以外のことは、その性質に反しない限り、第３および第５の実施形態と同様である。
この第６の実施形態によれば、第３および第５の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００９１】
次に、この発明の第７の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。第５の実施形態によるバイオ燃料電池がコイン型またはボタン型であるのに対し、このバイオ燃料電池は円筒型である。
図２７ＡおよびＢならびに図２８はこのバイオ燃料電池を示し、図２７Ａはこのバイオ燃料電池の正面図、図２７Ｂはこのバイオ燃料電池の縦断面図、図２８はこのバイオ燃料電池の各構成要素を分解して示す分解斜視図である。
【００９２】
図２７ＡおよびＢならびに図２８に示すように、このバイオ燃料電池においては、円柱状の燃料保持部７７の外周に、それぞれ円筒状の負極集電体５２、負極２１、電解質層２３、正極２２および正極集電体５１が順次設けられている。この場合、燃料保持部７７は、円筒状の負極集電体５２により囲まれた空間からなる。この燃料保持部７７の一端は外部に突き出ており、この一端には蓋７８が取り付けられている。図示は省略するが、燃料保持部７７の外周の負極集電体５２にはその面の全体に複数の燃料供給口５２ｂが形成されている。また、電解質層２３は負極２１および負極集電体５２を包む袋状になっている。電解質層２３と燃料保持部７７の一端の負極集電体５２との間の部分は例えばシール部材（図示せず）などによりシールされており、この部分から燃料が外部に漏れないようになっている。
【００９３】
このバイオ燃料電池においては、燃料保持部７７に燃料および電解質を入れる。これらの燃料および電解質は負極集電体５２の燃料供給口５２ｂを通って負極２１に到達し、この負極２１の空隙部に浸透することにより、この負極２１の内部に蓄えられるようになっている。負極２１の内部に蓄えることができる燃料の量を多くするためには、負極２１の空隙率は例えば６０％以上とすることが望ましいが、これに限定されるものではない。
【００９４】
このバイオ燃料電池においては、耐久性向上のために、正極集電体５１の外周面に気液分離層を設けてもよい。この気液分離層の材料としては、例えば、防水性透湿性素材（ポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリマーとを複合化した素材）（例えば、ＷＬゴア＆アソシエイツ社製のゴアテックス（商品名））を用いる。このバイオ燃料電池の各構成要素同士を均一に密着させるために、好適には、この気液分離層の外側または内側に、外部から空気が透過可能な網目構造を有する伸縮性ゴム（バンド状でもシート状でも可）を巻き付けてこのバイオ燃料電池の構成要素の全体を締め付ける。
この第７の実施形態の上記以外のことは、その性質に反しない限り、第３および第５の実施形態と同様である。
この第７の実施形態によれば、第３および第５の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００９５】
次に、この発明の第８の実施形態によるバイオ燃料電池について説明する。
この第８の実施形態によるバイオ燃料電池は、負極２１の電極材に図２９ＡおよびＢに示すような多孔体導電材料を用いることを除いて、第３の実施形態によるバイオ燃料電池と同様な構成を有する。
図２９Ａはこの多孔体導電材料の構造を模式的に示し、図２９Ｂはこの多孔体導電材料の骨格部の断面図である。図２９ＡおよびＢに示すように、この多孔体導電材料は、三次元網目状構造の多孔体材料からなる骨格７９ａと、この骨格７９ａの表面を被覆するカーボン系材料７９ｂとからなり、このカーボン系材料７９ｂの表面に、第３の実施形態と同様なリポソーム１２が固定化されている。この多孔体導電材料は、カーボン系材料７９ｂに囲まれた多数の孔８０が網目に相当する三次元網目状構造を有する。この場合、これらの孔８０同士は互いに連通している。カーボン系材料７９ｂ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。
【００９６】
多孔体材料からなる骨格７９ａとしては、発泡金属あるいは発泡合金、例えば発泡ニッケルが用いられる。この骨格７９ａ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７９ｂ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８０の径は、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。
【００９７】
次に、この多孔体導電材料の製造方法について説明する。
図３０Ａに示すように、まず、発泡金属あるいは発泡合金（例えば、発泡ニッケル）からなる骨格７９ａを用意する。
次に、図３０Ｂに示すように、この発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格７９ａの表面にカーボン系材料７９ｂをコーティングする。このコーティング方法としては従来公知の方法を用いることができる。一例を挙げると、カーボン粉末や適当な結着剤などを含むエマルションをスプレーにより骨格７９ａの表面に噴射することによりカーボン系材料７９ｂをコーティングする。このカーボン系材料７９ｂのコーティング厚さは、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格７９ａの多孔率および孔径との兼ね合いで、多孔体導電材料に要求される多孔率および孔径に応じて決められる。このコーティングの際には、カーボン系材料７９ｂに囲まれた多数の孔８０同士が互いに連通するようにする。
こうして、目的とする多孔体導電材料が製造される。この後、この多孔体導電材料のカーボン系材料７９ｂの表面にリポソーム１２を固定化する。
上記以外のことは第３の実施形態と同様である。
【００９８】
この第８の実施形態によれば、第３の実施形態と同様な利点に加えて次のような利点を得ることができる。すなわち、発泡金属あるいは発泡合金からなる骨格７９ａの表面をカーボン系材料７９ｂにより被覆した多孔体導電材料は、孔８０の径が十分に大きく、粗な三次元網目状構造を有しながら、高強度でしかも高い導電性を有し、必要十分な表面積を得ることもできる。このため、この多孔体導電材料を電極材に用い、これに酵素、補酵素および電子メディエーターを固定化することで得られる酵素／補酵素／電子メディエーター固定化電極からなる負極２１は、その上での酵素代謝反応を高効率に行わせることができ、あるいは、電極の近傍で起こっている酵素反応現象を効率よく電気信号として捉えることが可能であり、しかも使用環境によらずに安定であり、高性能のバイオ燃料電池を実現することが可能である。
【００９９】
次に、この発明の第９の実施形態によるバイオリアクターについて説明する。このバイオリアクターは、第１または第２の実施形態による酵素固定化電極を用いたものである。図３１はこのバイオリアクターを示す。
図３１に示すように、このバイオリアクターにおいては、反応槽８１内に反応溶液８２が入れられており、その中にワーキング電極８３、参照電極８４および対向電極８５が浸漬されている。ワーキング電極８３としては、第１または第２の実施形態による酵素固定化電極が用いられる。参照電極８４と対向電極８５との間には定電圧発生装置８６が接続されており、参照電極８４が一定電圧に保持されるようになっている。ワーキング電極８３は、定電圧発生装置８６の参照電極８４が接続された端子に接続されている。
このバイオリアクターにおいては、基質（例えば、アルコール、グルコースなど）をワーキング電極８３に送り込み、酵素反応を起こさせて所望の生成物を生成する。
【０１００】
この第９の実施形態によれば、酵素反応に必要な酵素群および補酵素が封入されたリポソーム１２を電極１１上に固定化した酵素固定化電極を用いていることにより、酵素反応をリポソーム１２の内部の微小な空間を反応場として効率的に行うことができ、所望の生成物を効率的に得ることができるとともに、酵素などをポリイオンコンプレックスなどにより電極１１上に直接固定化する場合に比べて固定化を簡単に行うことができる。このように電極として用いられる酵素固定化電極が高効率であることにより、高効率のバイオリアクターを実現することができる。また、三種類以上の酵素を用いる必要がある場合、リポソーム１２の内部に三種類以上の酵素を封入することにより、このような要求も満たすことができる。
【０１０１】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態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。また、必要に応じて、第４〜第８の実施形態のいずれか二つ以上を組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】この発明の第１の実施形態による酵素固定化電極を示す略線図である。
【図２】この発明の第１の実施形態による酵素固定化電極において用いられる酵素および補酵素が封入されたリポソームを示す略線図である。
【図３】この発明の第１の実施形態による酵素固定化電極においてリポソームに封入された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４】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図５】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図６】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームの蛍光顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図７】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。
【図８】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。
【図９】この発明の実施例において蛍光ラベル化したアルコールデヒドロゲナーゼ、蛍光ラベル化したジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを蛍光モニタリングした結果を示す略線図である。
【図１０】この発明の実施例においてリポソームの安定性を説明するための略線図である。
【図１１】この発明の実施例においてアルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを所定の溶液中に分散させた場合ならびにアルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを単に所定の溶液中に分散させた場合に行ったクロノアンペロメトリーの結果を示す略線図である。
【図１２】この発明の実施例においてアルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを封入したリポソームを緩衝液中に分散させた状態を示す略線図である。
【図１３】この発明の実施例においてアルコールデヒドロゲナーゼ、ジアホラーゼおよびＮＡＤＨを単に緩衝液中に分散させた状態を示す略線図である。
【図１４】この発明の第２の実施形態による酵素固定化電極を示す略線図である。
【図１５】この発明の第２の実施形態による酵素固定化電極において用いられる酵素および補酵素が封入され、トランスポーターが組み込まれたリポソームを示す略線図である。
【図１６】この発明の第２の実施形態による酵素固定化電極においてリポソームに封入された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１７】この発明の第３の実施形態によるバイオ燃料電池を示す略線図である。
【図１８】この発明の第３の実施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１９】この発明の第３の実施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２０】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池を示す上面図、断面図および裏面図である。
【図２１】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池を示す分解斜視図である。
【図２２】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池の製造方法を説明するための略線図である。
【図２３】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池の使用方法の第１の例を説明するための略線図である。
【図２４】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池の使用方法の第２の例を説明するための略線図である。
【図２５】この発明の第５の実施形態によるバイオ燃料電池の使用方法の第３の例を説明するための略線図である。
【図２６】この発明の第６の実施形態によるバイオ燃料電池およびその使用方法を示す略線図である。
【図２７】この発明の第７の実施形態によるバイオ燃料電池を示す正面図および縦断面図である。
【図２８】この発明の第７の実施形態によるバイオ燃料電池を示す分解斜視図である。
【図２９】この発明の第８の実施形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の構造を説明するための略線図および断面図である。
【図３０】この発明の第８の実施形態によるバイオ燃料電池において負極の電極材料に用いる多孔体導電材料の製造方法を説明するための略線図である。
【図３１】この発明の第９の実施形態によるバイオリアクターを示す略線図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１１…電極、１２…リポソーム、１３、１４…酵素、１５…補酵素、１６…トランスポーター、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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されている燃料電池。
【請求項２】
上記リポソームが上記負極に固定化されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
上記負極に電子メディエーターが固定化されている請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
上記酵素が、燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素を含む請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
上記酵素が、上記燃料の酸化に伴って還元された上記補酵素を酸化体に戻すとともに上記電子メディエーターを介して電子を上記負極に渡す補酵素酸化酵素を含む請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
上記補酵素の酸化体がＮＡＤ+ であり、上記補酵素酸化酵素がジアホラーゼである請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
上記酸化酵素がＮＡＤ依存型アルコールデヒドロゲナーゼである請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
上記プロトン伝導体が緩衝物質としてイミダゾール環を含む化合物を含む電解質からなる請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
上記イミダゾール環を含む化合物に塩酸、酢酸、リン酸および硫酸からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸が添加されている請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
上記酵素が、単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含む請求項３記載の燃料電池。
【請求項１１】
上記酵素が、上記単糖類の酸化に伴って還元された上記補酵素を酸化体に戻すとともに上記電子メディエーターを介して電子を上記負極に渡す補酵素酸化酵素を含む請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１２】
上記補酵素の酸化体がＮＡＤ+ であり、上記補酵素酸化酵素がジアホラーゼである請求項１１記載の燃料電池。
【請求項１３】
上記酸化酵素がＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼである請求項１２記載の燃料電池。
【請求項１４】
上記リポソームを構成する脂質二重層にグルコーストランスポーターが組み込まれている請求項１３記載の燃料電池。
【請求項１５】
上記酵素が、上記リポソームを構成する脂質二重層に組み込まれるか固定化され、または、上記リポソームの外部に存在する、多糖類の分解を促進し単糖類を生成する分解酵素、および、生成した単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含む請求項３記載の燃料電池。
【請求項１６】
上記分解酵素がグルコアミラーゼ、上記酸化酵素がＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼである請求項１５記載の燃料電池。
【請求項１７】
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出す燃料電池を製造する場合に、少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素をリポソームに封入する工程を有する燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているものである電子機器。
【請求項１９】
少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入されたリポソームが固定化されている酵素固定化電極。
【請求項２０】
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているバイオセンサー。
【請求項２１】
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているバイオリアクター。
【請求項２２】
少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入されたリポソームを用いたエネルギー変換素子。
【請求項２３】
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されている酵素反応利用装置。
【請求項１】
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されている燃料電池。
【請求項２】
上記リポソームが上記負極に固定化されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
上記負極に電子メディエーターが固定化されている請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
上記酵素が、燃料の酸化を促進し分解する酸化酵素を含む請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
上記酵素が、上記燃料の酸化に伴って還元された上記補酵素を酸化体に戻すとともに上記電子メディエーターを介して電子を上記負極に渡す補酵素酸化酵素を含む請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
上記補酵素の酸化体がＮＡＤ+ であり、上記補酵素酸化酵素がジアホラーゼである請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
上記酸化酵素がＮＡＤ依存型アルコールデヒドロゲナーゼである請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
上記プロトン伝導体が緩衝物質としてイミダゾール環を含む化合物を含む電解質からなる請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
上記イミダゾール環を含む化合物に塩酸、酢酸、リン酸および硫酸からなる群より選ばれた少なくとも一種の酸が添加されている請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
上記酵素が、単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含む請求項３記載の燃料電池。
【請求項１１】
上記酵素が、上記単糖類の酸化に伴って還元された上記補酵素を酸化体に戻すとともに上記電子メディエーターを介して電子を上記負極に渡す補酵素酸化酵素を含む請求項１０記載の燃料電池。
【請求項１２】
上記補酵素の酸化体がＮＡＤ+ であり、上記補酵素酸化酵素がジアホラーゼである請求項１１記載の燃料電池。
【請求項１３】
上記酸化酵素がＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼである請求項１２記載の燃料電池。
【請求項１４】
上記リポソームを構成する脂質二重層にグルコーストランスポーターが組み込まれている請求項１３記載の燃料電池。
【請求項１５】
上記酵素が、上記リポソームを構成する脂質二重層に組み込まれるか固定化され、または、上記リポソームの外部に存在する、多糖類の分解を促進し単糖類を生成する分解酵素、および、生成した単糖類の酸化を促進し分解する酸化酵素を含む請求項３記載の燃料電池。
【請求項１６】
上記分解酵素がグルコアミラーゼ、上記酸化酵素がＮＡＤ依存型グルコースデヒドロゲナーゼである請求項１５記載の燃料電池。
【請求項１７】
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出す燃料電池を製造する場合に、少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素をリポソームに封入する工程を有する燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
一つまたは複数の燃料電池を用い、
少なくとも一つの上記燃料電池が、
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、酵素および補酵素を用いて燃料から電子を取り出すように構成され、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているものである電子機器。
【請求項１９】
少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入されたリポソームが固定化されている酵素固定化電極。
【請求項２０】
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているバイオセンサー。
【請求項２１】
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されているバイオリアクター。
【請求項２２】
少なくとも一種の酵素および少なくとも一種の補酵素が封入されたリポソームを用いたエネルギー変換素子。
【請求項２３】
酵素および補酵素を用い、
少なくとも一種の上記酵素および少なくとも一種の上記補酵素がリポソームに封入されている酵素反応利用装置。
【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１５】
【図１６】
【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１５】
【図１６】
【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】
【公開番号】特開２００９−１５８４５８（Ｐ２００９−１５８４５８Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２７８８８（Ｐ２００８−１２７８８８）
【出願日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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