一種葡萄糖酶生物燃料電池的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了葡萄糖脫氫酶作催化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的酶電極，在該酶電極上，有陽(yáng)極室的葡萄糖脫氫酶GDH，輔酶NADP，催化葡萄糖反應(yīng)，產(chǎn)生氫離子和電子，氫離子通過(guò)兩極室間的質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極室，電子則從陽(yáng)極電極通過(guò)導(dǎo)線負(fù)載到達(dá)陰極電極，由于電極附近的氧化還原反應(yīng)高效進(jìn)行，所以酶電極可提高所獲得的電能輸出，因此，適用于多種燃料電池的設(shè)計(jì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種葡萄糖酶生物燃料電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種酶生物燃料電池。其中起催化作用的酶進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，且被 改良W實(shí)現(xiàn)更高的輸出，還設(shè)及該燃料電池的關(guān)鍵組件，酶電極。
【背景技術(shù)】
[0002] 附圖描述了一般的生物燃料電池的反應(yīng)方案，圖中所示的使用葡萄糖作為燃料的 生物燃料電池中，葡萄糖的氧化反應(yīng)在負(fù)極處進(jìn)行(如圖(a))，而大氣中的氧(〇2)的還原反 應(yīng)在正極處進(jìn)行(如圖（b))。在負(fù)極處，電子連續(xù)轉(zhuǎn)移到葡萄糖、葡萄糖脫氨酶、煙酷胺腺嚷 嶺二核巧酸(NAD+)、屯、肌黃酶、電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)，最后轉(zhuǎn)移到碳電極。相反，在正極處，從負(fù)極 釋放的電子W如下順序連續(xù)轉(zhuǎn)移到電極(C)，電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)，然后到膽紅素氧化酶(BOD)，且 用電子和外部供應(yīng)的氧氣進(jìn)行還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能。雖然運(yùn)樣的生物燃料電池作為高 度安全的燃料電池而引起了注意，但比其他燃料電池輸出低。近期有一些其它方面的研究， 除了通過(guò)修改電極結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)較高輸出的技術(shù)，還有通過(guò)改變固定在電極上的酶自身使燃 料電池實(shí)現(xiàn)較高輸出的技術(shù)。例如，P化3公開(kāi)了通過(guò)脫氨酶和屯、肌黃酶的融合制備蛋白質(zhì)， 該融合蛋白質(zhì)固定在負(fù)極上，從而有效地執(zhí)行從基質(zhì)到電極的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，使得生物燃 料電池具有較高輸出。為了提高生物燃料電池的輸出，需要在由電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)等決定的電 勢(shì)保持在高水平下而獲得高電流，在目前的情況下，酶和反應(yīng)基質(zhì)的組合受到限制，導(dǎo)致輸 出值受到限制。目前，從提高生物燃料電池輸出角度的技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多，但獲得電能 的生物燃料電池的基本原理都是基于電極上的氧化還原反應(yīng)，而不是提高反應(yīng)基質(zhì)和電極 上酶之間的反應(yīng)效率。不解決反應(yīng)效率問(wèn)題，就不能獲得根本的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的陽(yáng)極，采用了多個(gè)鍛金薄片的焊接來(lái)制備，而陰極采用了加工過(guò)的二氧 化儘液體為底物。本發(fā)明的酶電極是利用作為催化劑的酶進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的電極，并且 是酶與輔酶已經(jīng)進(jìn)行過(guò)提純處理，可極大提高葡萄糖反應(yīng)速率。向燃料電池兩極室分別加 入處理好的底物，通過(guò)導(dǎo)線和負(fù)載進(jìn)行連接。設(shè)置兩組對(duì)照試驗(yàn)，第一組只加入水，第二組 依次加入葡萄糖溶液、GDH、NADP，全程測(cè)量負(fù)載電壓與陽(yáng)極抑值，得到第二組的電壓穩(wěn)定在 120mV(負(fù)載為33歐姆）的持續(xù)時(shí)間為110分鐘。pH值從7.55變?yōu)?.71并穩(wěn)定下來(lái)。實(shí)驗(yàn)記錄 如下表。通過(guò)另一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了鍛金薄片的電極適用性遠(yuǎn)大于碳棒，改變陽(yáng)極接觸面 積會(huì)影響檢測(cè)電壓的數(shù)值。
[0004]
[0005] 本發(fā)明的主要目的是人工提高生物燃料電池電極上的反應(yīng)基質(zhì)和酶之間反應(yīng)能 力W便提高電極上的反應(yīng)速率，從而使得生物燃料電池能夠更高輸出。
[0006] 本發(fā)明通過(guò)使用處理提純過(guò)的葡萄糖脫氨酶，降低葡萄糖反應(yīng)需要的活化能，W 此來(lái)加速葡萄糖反應(yīng)生成葡萄糖酸、氨離子和電子。向陽(yáng)極加入了還原型煙酷胺腺嚷嶺二 核巧酸憐酸(NADP)，促進(jìn)了反應(yīng)的更快進(jìn)行。
[0007] 本發(fā)明使用二氧化儘作為陰極基質(zhì)，與通過(guò)從陽(yáng)極經(jīng)過(guò)質(zhì)子交換膜的氨離子發(fā)生 還原反應(yīng)，完成與陽(yáng)極共同的氧化還原反應(yīng)，W電子轉(zhuǎn)移形成穩(wěn)定的電流。陽(yáng)極通過(guò)使用多 個(gè)鍛金薄片焊接技術(shù)制成的優(yōu)良惰性電極，極大的增加了反應(yīng)的接觸面積，與碳作電極相 比，接收電子能力更強(qiáng)，可產(chǎn)生更大的電勢(shì)差。
【具體實(shí)施方式】
[000引 W下說(shuō)明執(zhí)行本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。注意：下面所述實(shí)施方式是本發(fā)明代表性 實(shí)施方案的實(shí)例，不能用運(yùn)些實(shí)施方案狹隘地解釋本發(fā)明的范圍。
[0009] 實(shí)施例：
[0010] 酶的提純方法為:取蛋白酶濁液2. OmL于試管中，加2. OmL的飽和硫酸錠溶液，攬拌 均勻，靜置2分鐘，400化/min離屯、10分鐘，棄去上清，沉淀為所需蛋白，加入2. OmL蒸饋水溶 解葡萄糖脫氨酶粗液，4.(TC保存。酶活性的測(cè)定方法為:配置10.OmM的憐酸鹽緩沖液(pH= 7.4)，270g/L的葡萄糖溶液，60mM的NADP(稱(chēng)取0.47244gNADP溶解定容至10.0 mL)，分別取常 溫下2.7血憐酸鹽緩沖液、0.2血葡萄糖、0.1血NADP于比色皿中，置于紫外分光光度計(jì)中，吸 收值歸零，取憐酸鹽緩沖液稀釋100倍的葡萄糖脫氨酶〇.〇5mL加入比色皿中混勻并開(kāi)始計(jì) 時(shí)，讀取兩分鐘時(shí)340nm處波長(zhǎng)的吸收值，此處讀取的值為0.522,在正常范圍內(nèi)。（正常范圍 為0.3~0.7)，根據(jù)葡萄糖脫氨酶酶活計(jì)算公式:GDH酶活(U/mL) = (AOD/min X Vt X df)/ (6.22 X 1.0 X Vs) Vt是反應(yīng)總體積，為3.05mL，壯是稀釋倍數(shù)，6.22為NADP在340nm下的摩爾 消光系數(shù)，1.0為測(cè)量光程，Vs為GDH酶的體積，為0.05mL，計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)所用的葡萄糖脫氨 酶GDH的酶活力約為511.929U/mL。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 本發(fā)明陽(yáng)極的制備為使用多個(gè)鍍金薄片通過(guò)焊接技術(shù)制備形成。陰極底物通過(guò)使用 加工過(guò)的二氧化錳液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明的酶電極是利用作為催化劑的酶進(jìn)行氧化還原反 應(yīng)的電極，并且是酶與輔酶已經(jīng)進(jìn)行過(guò)提純處理，可極大提高葡萄糖反應(yīng)速率。向燃料電池 兩極室分別加入處理好的底物，通過(guò)導(dǎo)線和負(fù)載進(jìn)行連接。設(shè)置兩組對(duì)照試驗(yàn)，第一組只加 入水，第二組依次加入葡萄糖溶液、GDH、NADP。全程測(cè)量負(fù)載電壓與陽(yáng)極pH值。得到第二組 的電壓穩(wěn)定在120mV(負(fù)載為33歐姆)的持續(xù)時(shí)間為110分鐘。pH值從7.55變?yōu)?.71并穩(wěn)定下 來(lái)。實(shí)驗(yàn)記錄如下表。通過(guò)另一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了鍍金薄片的電極適用性遠(yuǎn)大于碳棒。改變 陽(yáng)極接觸面積會(huì)影響檢測(cè)電壓數(shù)值。2. 根據(jù)權(quán)利要求所述，酶電極是指，通過(guò)多個(gè)鍍金薄片制作的惰性陽(yáng)極，增大了電極與 陽(yáng)極燃料的接觸面積，即是增大了電極接收電子的能力，惰性陽(yáng)極還包括其它惰性的，可做 為電極的物質(zhì)。3. 根據(jù)權(quán)利要求所述，酶電池反應(yīng)是指，陽(yáng)極通過(guò)GDH、NADP催化葡萄糖反應(yīng)生成葡萄 糖酸和氫離子、電子，氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與二氧化錳發(fā)生還原反應(yīng)，完成電 子的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生電流。該酶生物燃料電池的負(fù)極反應(yīng)底物可選擇性十分寬泛，除了本實(shí)驗(yàn)所 采用的二氧化錳外還可以選擇過(guò)氧化氫、氧氣及其他可被還原的物質(zhì)。4. 根據(jù)權(quán)利要求所述，GDH的純化是指，通過(guò)鹽析分離進(jìn)行提純，不單指使用硫酸銨，常 用的GDH純化方案均在保護(hù)范圍之內(nèi)。5. 根據(jù)權(quán)利要求所述，酶的提純方法為:取蛋白酶濁液2. OmL于試管中，加2. OmL的飽和 硫酸銨溶液，攪拌均勻，靜置2分鐘，4000r/min離心10分鐘，棄去上清，沉淀為所需蛋白，加 入2. OmL蒸餾水溶解葡萄糖脫氫酶粗液，4.0°C保存。酶活性的測(cè)定方法為:配置10.0 mM的磷 酸鹽緩沖液(pH = 7.4)，270g/L的葡萄糖溶液，60mM的NADP(稱(chēng)取0.47244gNADP溶解定容至 10 . OmL)，分別取常溫下2.7mL磷酸鹽緩沖液、0.2mL葡萄糖、0. lmLNADP于比色皿中，置于紫 外分光光度計(jì)中，吸收值歸零，取磷酸鹽緩沖液稀釋100倍的葡萄糖脫氫酶〇.〇5mL加入比色 皿中混勻并開(kāi)始計(jì)時(shí)，讀取兩分鐘時(shí)340nm處波長(zhǎng)的吸收值，此處讀取的值為0.522,在正常 范圍內(nèi)。（正常范圍為0.3~0.7)，根據(jù)葡萄糖脫氫酶酶活計(jì)算公式:GDH酶活(U/mL) = (A OD/min X Vt X df )/(6 · 22 X 1 · 0 X Vs)Vt是反應(yīng)總體積，為3 · 05mL，df 是稀釋倍數(shù)，6 · 22為 NADP在340nm下的摩爾消光系數(shù)，1.0為測(cè)量光程，Vs為⑶Η酶的體積，為0.05mL，計(jì)算得出實(shí) 驗(yàn)所用的葡萄糖脫氫酶GDH的酶活力約為511.929U/mL。
【文檔編號(hào)】H01M4/86GK106099150SQ201610674637
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月16日 公開(kāi)號(hào)201610674637.8, CN 106099150 A, CN 106099150A, CN 201610674637, CN-A-106099150, CN106099150 A, CN106099150A, CN201610674637, CN201610674637.8
【發(fā)明人】張?zhí)? 衛(wèi)澤明, 楊凡, 田萌
【申請(qǐng)人】西安岳達(dá)生物科技股份有限公司