2019 Fiscal Year Research-status Report
新規なバイオ電池および自己駆動型クーロメトリーの開発とその教育カリキュラムの作成
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19K03131
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| Research Institution | Nara National College of Technology |
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Principal Investigator |
三木 功次郎 奈良工業高等専門学校, 物質化学工学科, 教授 (80259910)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
直江 一光 奈良工業高等専門学校, 物質化学工学科, 教授 (00259912)
北村 誠 奈良工業高等専門学校, 一般教科, 准教授 (60341369)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 教材開発 / バイオ電池 / 自己駆動型クーロメトリー / 微生物細胞活性測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，電気化学を基にバイオ電池および自己駆動型クーロメトリーの2つの実験教材の開発を行った。これらの実験教材には，簡単に製作可能な電気化学セルが必要であり，使い捨て型の電気化学セルの開発を行った。負極および正極にはそれぞれカーボンフェルトを用い，このカーボンフェルトをラミネート加工で圧縮することにより，取扱いが容易な電気化学セルが実現できた。
この電気化学セルを用いてバイオ電池の作製を試みた。負極にはパン酵母，エタノール，ビタミンK3(電子伝達メディエータ)の溶液を含侵させ，正極にはヘキサシアニド鉄(Ⅲ)酸カリウム(電子受容体)の溶液を含侵させ，模型用モーターを一定時間駆動することが可能となった。
自己駆動型クーロメトリーは，電池と同じ原理で負極と正極にそれぞれ含侵させた酸化還元物質の電位差で自己放電させる。両極間に接続した抵抗にデジタルボルトメータを接続して，その測定電圧から電流を求め，測定物質の定量を行った。グルコース測定では，グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)を用いてグルコースを酸化してユビキノン(UQ)を還元した。この還元型UQ とヘキサシアニド鉄(Ⅲ)酸カリウムを用いて電池を構成して，電流応答から電気量を求め，酸化されたUQ量からグルコース定量が簡便に行えた。コスト低減のためにGDHの代わりにGOD(グルコースオキシダーゼ)を用いても，窒素ガスで反応溶液に含まれる酸素の除去により，グルコース測定が可能であった。
この電気化学セルを用いて，バイオ電池と自己駆動型クーロメトリーの実験が実施できるので，各種微生物を用いたバイオ電池の作製や自己駆動型クーロメトリーによる新規な定量法の開発を中学生・高校生・高専生レベルで実施できる。そこで，物質の絶対定量・酸化還元・分析・環境問題・エネルギーなどについて，総合的に学習させることを目指して実験カリキュラム検討も行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
パン酵母を用いたバイオ電池については，得られる電流応答が予想された値よりも小さかったため，電流効率について今後さらに実験条件の検討が必要である。また，自己駆動型クーロメトリーを用いた細胞活性測定の基礎的検討を行ったが，得られた電流応答が小さく，基礎的な実験条件の検討などがやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
取扱いが容易な電気化学セルを開発できたので，自己駆動型電量分析装置による乳酸測定，グルコース測定，過酸化水素測定やアスコルビン酸測定などの教材化をさらに進めていきたい。また，自己駆動型クーロメトリーを用いた細胞活性測定についても基礎的な実験条件の確立を行っていく。
また，バイオ電池教材を用いて，中学生，高校生，高専生を対象とした実験カリキュラムの開発を目指す。知識の習得だけでなく，創造力，探求心，科学技術に関連する事象に対する理解力・判断力などを伸ばすために必要なカリキュラムを検討する。小学生および中学生向けの実験では，パン酵母を用いたバイオ電池をメインの実験として，アルコール発酵などの実験を組み合わせて視覚的に理解でき，かつ興味が持てる実験カリキュラムの構築を目指している。
また，高校生および高専生向けの実験では，単に面白い，興味を持つだけの授業・実験ではなく，バイオ・エネルギー・環境・定量分析などに関して総合的に学習でき，定性的，定量的な議論ができる指導内容となるカリキュラムを目指している。
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