[发明专利]电极催化剂和酶电极

说明书

技术领域

本发明涉及电极催化剂和酶电极，更详细地说，涉及作为生物传感器、 燃料电池等各种电化学器件的电极使用的酶电极，以及在酶电极中使用的 电极催化剂。

背景技术

酶是使生物体内的化学反应(代谢)进行的生物体催化剂，以蛋白质为 基本结构。酶也有的仅由蛋白质构成，但大多数酶为了发挥酶活性或者提 高酶活性，需要除蛋白质之外的成分(辅因子)。

酶有下述(1)、(2)等特征：

(1)在接近常温、常压的温和条件下显示催化作用；

(2)同时具有只对特定的底物(通过酶而受到作用的物质)发挥作用的 “底物特异性”，以及对特定的化学反应显示催化作用、并不引起副反应的 “反应特异性”。

在酶中，将催化生物体内的氧化还原的酶称为“氧化还原酶 (oxidoreductase)”。另外，将以氧作为电子受体而使底物氧化的酶特别地 称为“氧化酶(oxidase)”，将使底物还原的酶特别地称为“还原酶 (reductase)”。如果在电极表面固定某种氧化还原酶，则可以通过酶的催化 作用而在电极上选择性地只进行特定的氧化还原反应，从而通过电极将氧 化还原反应所产生的物质转换成电信号。将这样的电极称为“酶电极”，可 以在各种生物传感器、燃料电池等的电极中使用。

为了使用酶作为电极催化剂，必须将酶固定在适当的载体表面。但是， 因为酶一般是水溶性的，所以在使用中存在酶容易流出等问题。

另外，酶具有与底物特异性地结合、接受催化作用的部位(活性中心)。 因为很多时候活性中心被埋在具有复杂的立体结构的蛋白质的内部深处， 所以难以与电极之间直接进行电子授受。在这样的情况下，通常要并用侵 入到酶的活性部位、与酶进行电子迁移、再将电子运送到电极的低分子物 质。这样的低分子物质被称为“介体”。但是，因为酶/介体之间的电子移动 速度依赖于各自的分子运动，所以未必充分，有可能成为限制酶电极的电 流密度的主要原因。

因此，为了解决该问题，一直以来人们提出了各种方案。

例如，专利文献1公开了一种含氮碳系复合材料，该复合材料具有多 孔体，所述多孔体含有由碳原子和氮原子形成骨架的含氮碳系材料，并且 该复合材料还具有担载在上述多孔体上的氧化还原酶。

上述文献中还记载了下述要点(1)、和(2)：

要点(1)因为含氮碳系材料在细孔表面存在极性位点，所以如果在其 上担载氧化还原酶，则会与蛋白质表面的亲水基团之间生成氢键等新的结 合，从而蛋白质与载体的结合被加强；

要点(2)作为担载在载体上的氧化还原酶，可列举漆酶、心肌黄酶、 脂肪氧合酰胺脱氢酶(Lipoxyamide dehydrogenase)、醇脱氢酶、葡萄糖氧 化酶(包括以其它糖为底物的氧化酶)、葡萄糖脱氢酶(包括以其它糖为底物 的脱氢酶)。

另外，专利文献2公开了一种酶电极，该酶电极具有导电性部件、酶、 第1和第2介体，第1介体和第2介体通过载体固定在导电性部件上，并 且第1介体与第2介体氧化还原电位彼此不同。

上述文献中还记载了下述要点(1)、(2)和(3)：

要点(1)通过采用这样的构成，可以提高导电性部件的单位实效表面 积的酶担载密度；

要点(2)除可以进行与酶之间的高速的电子移动的第1介体之外，可 以通过进一步使用在第1介体与导电性部件之间进行电荷传递的第2介体， 从而与酶进行高速电子移动；

要点(3)作为酶，可列举葡萄糖氧化酶、半乳糖氧化酶、胆红素氧化 酶、丙酮酸氧化酶、D-或L-氨基酸氧化酶、胺氧化酶、胆固醇氧化酶、抗 坏血酸氧化酶、细胞色素氧化酶、醇脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、胆固醇脱氢 酶、醛脱氢酶、葡萄糖脱氢酶、果糖脱氢酶、山梨糖醇脱氢酶、乳酸脱氢 酶、苹果酸脱氢酶、甘油脱氢酶、17B羟基类固醇脱氢酶、雌二醇17B脱 氢酶、氨基酸脱氢酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶、3-羟基类固醇脱氢酶、心肌 黄酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、NADH-细胞色素b5 还原酶、NADPH-皮质铁氧还蛋白还原酶、细胞色素b5还原酶、皮质铁氧 还蛋白还原酶、硝酸还原酶。

专利文献1：特开2005-343775号公报

专利文献2：特开2006-058289号公报

发明内容