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2011 年度 実績報告書

酵素固定による導電性高分子膜の修飾とバイオ燃料電池向け電極作製への応用

研究課題

研究課題/領域番号 23360302
研究機関長岡技術科学大学

研究代表者

下村 雅人  長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (20251853)

研究分担者 桑原 敬司  長岡技術科学大学, 工学部, 助教 (50525574)
キーワード酵素 / 酵素固定 / 共有結合 / ハイブリッド化 / 導電性高分子 / バイオ燃料電池 / 電極 / 酵素電極
研究概要

本研究の狙いは酵素を固定化した導電性高分子膜をバイオ燃料電池の電極として利用することにあり,当該年度(初年度)の研究によって次の成果が得られた。
まず,酵素固定化電極(アノード)表面と酵素反応系との間の電子伝達を担うメディエータの検討・評価を行った。候補物質の酸化還元特性に基づいてスクリーニングを行った結果,p-ベンゾキノンがメディエータとして良好な特性を示した。次に,電解重合法によって得た導電性高分子膜の表面に酵素(グルコースオキシダーゼ)を共有結合させた酵素固定化電極を作製し,表面へのメディエータの固定化を試みた。シッフ塩基を介して,p-ベンゾキノンの還元体であるヒドロキノンを電極表面に結合させることができ,この電極によるグルコース酸化電流が観測された。さらに,酵素固定化電極の表面に形成させたヒドロキノンの電解重合層がメディエータとして機能し,バイオ燃料電池の電子伝達系に適用可能であることを確認した。この結果は前例のない新規な酵素/メディエータ固定化電極の作製技術を提示するものであり,電極作製とグルコース酸化特性に関する研究成果はApplied Surface Science誌に掲載されることになった。
一方,上述の研究と並行して,導電性高分子膜の表面に酵素の固定化点を与えるための新規方法を検討した。ポリアクリル酸存在下における電解重合により表面にカルボキシル基を有する導電性高分子/ポリアクリル酸複合膜が得られ,この複合膜は十分な電気化学的活性を有していた。膜表面のカルボキシル基は,酵素のアミノ基と縮合可能であるため,酵素の固定化点として利用した。複合膜の作製と特性に関する研究成果はPolymer誌に掲載され,複合膜への酵素固定と酵素固定化膜をバイオ燃料電池のアノードとして適用した結果はPolymer Journal誌に掲載予定である(印刷中)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

メディエータとして選定したヒドロキノンを酵素固定化電極の表面に結合させることが可能となり,さらに,電極表面に形成させたヒドロキノンの電解重合層がメディエータとして機能することも明らかとなった。酵素固定化電極によるグルコース酸化電流が観測され,当該電極をバイオ燃料電池のアノードとして適用できる見通しが得られたことから,研究はおおむね順調に進展しているものと考える。

今後の研究の推進方策

平成23年度の研究成果を踏まえ,当初の計画どおり次の事項を実施する。
(1)グルコース燃料電池の試作:発電試験に必要なガラス製セルの設計および試作を行う。
(2)動作条件と基本特性の評価:試作セルを用いてグルコース燃料電池の発電試験を実施し,セルの構成・動作条件と基本特性との関係を把握する。
(3)セルロース由来の粗製グルコースによる発電試験:セルロースの酵素分解によって得た粗製グルコースを燃料として燃料電池の発電試験を試み,動作特性を評価する。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (12件)

  • [雑誌論文] Electrochemical Polymerization of Aniline in the Presence of Poly(acrylic acid) and Characterization of the Resulting Films2012

    • 著者名/発表者名
      T.Homma, M.Shimomura, 他
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: VOL.53 ページ: 223-228

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2011.11.038

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Modification of an Enzyme Electrode by Electrodeposition of Hydrquinone for Use as the Anode of a Glucose Fuel Cell2012

    • 著者名/発表者名
      T.Kuwahara, M.Shimomura, 他
    • 雑誌名

      Applied Surface Science

      巻: VOL.258 ページ: 6321-6325

    • DOI

      10.1016/j.apsusc.2012.03.030

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Immobilization of Acid Phosphatase on a Polyaniline /Poly (acrylic acid) Composite Film for Use as the Anode of a Fuel Cell Driven with L-Ascorbic Acid 2-Phosphate2012

    • 著者名/発表者名
      T.Homma, M.Shimomura, 他
    • 雑誌名

      Polymer Journal

      巻: (印刷中)

    • 査読あり
  • [学会発表] 酵素固定化電極を利用したアスコルビン酸誘導体燃料電池2012

    • 著者名/発表者名
      本間俊将, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      電気化学会第79回大会
    • 発表場所
      アクトシティ浜松(浜松市)
    • 年月日
      2012-03-29
  • [学会発表] グルコースオキシダーゼを固定化したポリピロール/ポリ(1-(2-カルボキシエチル)ピロール)積層電極によるグルコース検出2012

    • 著者名/発表者名
      増田昌輝, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      第17回高専シンポジウムin熊本
    • 発表場所
      崇城大学市民ホール,他(熊本市)
    • 年月日
      2012-01-28
  • [学会発表] ラッカーゼ固定化電極の酸素還元能への電極表面の化学修飾の影響2012

    • 著者名/発表者名
      出口貴士, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      第17回高専シンポジウムin熊本
    • 発表場所
      崇城大学市民ホール,他(熊本市)
    • 年月日
      2012-01-28
  • [学会発表] グルコースオキシダーゼを固定化した電極の電気化学的特性の解析2012

    • 著者名/発表者名
      浅野健, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      第17回高専シンポジウムin熊本
    • 発表場所
      崇城大学市民ホール,他(熊本市)
    • 年月日
      2012-01-28
  • [学会発表] ポリアクリル酸を含むポリアニリン膜への加水分解酵素の固定化とアスコルビン酸燃料電池への応用2011

    • 著者名/発表者名
      本間俊将, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      第60高分子学会北陸支部研究発表会
    • 発表場所
      金沢工業大学扇が丘キャンパス(野々市市)
    • 年月日
      2011-11-20
  • [学会発表] ラッカーゼを固定化した電極による酸素還元能2011

    • 著者名/発表者名
      浅野健, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      平成23年度北陸地区高分子若手研究会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス(金沢市)
    • 年月日
      2011-11-18
  • [学会発表] ポリアクリル酸含有ポリアニリン膜を利用した酵素固定化電極の作製と特性評価2011

    • 著者名/発表者名
      本間俊将, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      第60高分子討論会
    • 発表場所
      岡山大学津島キャンパス(岡山市)
    • 年月日
      2011-09-29
  • [学会発表] Effect of Surface Modification of Electrodes on Electrochemical Oxidation of Ascorbic Acid2011

    • 著者名/発表者名
      T.Kuwahara, M.Shimomura, 他
    • 学会等名
      The 62nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • 発表場所
      朱鷺メッセ・新潟コンベンションセンター,他(新潟市)
    • 年月日
      2011-09-12
  • [学会発表] 加水分解酵素を固定化した電極を利用するアスコルビン酸誘導体の電気化学的酸化とその応用2011

    • 著者名/発表者名
      本間俊将, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      2011年電気化学秋季大会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ・新潟コンベンションセンター,他(新潟市)
    • 年月日
      2011-09-11
  • [学会発表] 電解重合により作製したポリピロール膜を用いたアスコルビン酸の電気化学的酸化2011

    • 著者名/発表者名
      桑原敬司, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      第60高分子学会年次大会
    • 発表場所
      大阪国際会議場(大阪市)
    • 年月日
      2011-05-26
  • [学会発表] ポリアニリン/ポリアクリル酸複合膜への酸性ホスファターゼの固定化とアスコルビン酸2-リン酸エステルの電気化学的酸化2011

    • 著者名/発表者名
      本間俊将, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      第60高分子学会年次大会
    • 発表場所
      大阪国際会議場(大阪市)
    • 年月日
      2011-05-26
  • [学会発表] 電子メディエーターとしてベンゾキノン誘導体を導入した酵素電極によるグルコースセンシング2011

    • 著者名/発表者名
      阿部崇也, 下村雅人, 他
    • 学会等名
      第60高分子学会年次大会
    • 発表場所
      大阪国際会議場(大阪市)
    • 年月日
      2011-05-26

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公開日: 2013-06-26  

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