一種葡萄糖酶生物燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發明提供了葡萄糖脫氫酶作催化劑進行氧化還原反應的酶電極，在該酶電極上，有陽極室的葡萄糖脫氫酶GDH，輔酶NADP，催化葡萄糖反應，產生氫離子和電子，氫離子通過兩極室間的質子交換膜到達陰極室，電子則從陽極電極通過導線負載到達陰極電極，由于電極附近的氧化還原反應高效進行，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計。
【專利說明】
-種葡萄糖酶生物燃料電池
技術領域
[0001] 本發明設及一種酶生物燃料電池。其中起催化作用的酶進行氧化還原反應，且被 改良W實現更高的輸出，還設及該燃料電池的關鍵組件，酶電極。
【背景技術】
[0002] 附圖描述了一般的生物燃料電池的反應方案，圖中所示的使用葡萄糖作為燃料的 生物燃料電池中，葡萄糖的氧化反應在負極處進行(如圖(a))，而大氣中的氧(〇2)的還原反 應在正極處進行(如圖（b))。在負極處，電子連續轉移到葡萄糖、葡萄糖脫氨酶、煙酷胺腺嚷 嶺二核巧酸(NAD+)、屯、肌黃酶、電子轉移介質，最后轉移到碳電極。相反，在正極處，從負極 釋放的電子W如下順序連續轉移到電極(C)，電子轉移介質，然后到膽紅素氧化酶(BOD)，且 用電子和外部供應的氧氣進行還原反應，從而產生電能。雖然運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， 除了通過修改電極結構來實現較高輸出的技術，還有通過改變固定在電極上的酶自身使燃 料電池實現較高輸出的技術。例如，P化3公開了通過脫氨酶和屯、肌黃酶的融合制備蛋白質， 該融合蛋白質固定在負極上，從而有效地執行從基質到電極的電子轉移反應，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，需要在由電子轉移介質等決定的電 勢保持在高水平下而獲得高電流，在目前的情況下，酶和反應基質的組合受到限制，導致輸 出值受到限制。目前，從提高生物燃料電池輸出角度的技術，已經開發了許多，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，而不是提高反應基質和電極 上酶之間的反應效率。不解決反應效率問題，就不能獲得根本的解決方案。
【發明內容】
[0003] 本發明的陽極，采用了多個鍛金薄片的焊接來制備，而陰極采用了加工過的二氧 化儘液體為底物。本發明的酶電極是利用作為催化劑的酶進行氧化還原反應的電極，并且 是酶與輔酶已經進行過提純處理，可極大提高葡萄糖反應速率。向燃料電池兩極室分別加 入處理好的底物，通過導線和負載進行連接。設置兩組對照試驗，第一組只加入水，第二組 依次加入葡萄糖溶液、GDH、NADP，全程測量負載電壓與陽極抑值，得到第二組的電壓穩定在 120mV(負載為33歐姆）的持續時間為110分鐘。pH值從7.55變為3.71并穩定下來。實驗記錄 如下表。通過另一組對比實驗確認了鍛金薄片的電極適用性遠大于碳棒，改變陽極接觸面 積會影響檢測電壓的數值。
[0004]
[0005] 本發明的主要目的是人工提高生物燃料電池電極上的反應基質和酶之間反應能 力W便提高電極上的反應速率，從而使得生物燃料電池能夠更高輸出。
[0006] 本發明通過使用處理提純過的葡萄糖脫氨酶，降低葡萄糖反應需要的活化能，W 此來加速葡萄糖反應生成葡萄糖酸、氨離子和電子。向陽極加入了還原型煙酷胺腺嚷嶺二 核巧酸憐酸(NADP)，促進了反應的更快進行。
[0007] 本發明使用二氧化儘作為陰極基質，與通過從陽極經過質子交換膜的氨離子發生 還原反應，完成與陽極共同的氧化還原反應，W電子轉移形成穩定的電流。陽極通過使用多 個鍛金薄片焊接技術制成的優良惰性電極，極大的增加了反應的接觸面積，與碳作電極相 比，接收電子能力更強，可產生更大的電勢差。
【具體實施方式】
[000引 W下說明執行本發明的優選實施方案。注意：下面所述實施方式是本發明代表性 實施方案的實例，不能用運些實施方案狹隘地解釋本發明的范圍。
[0009] 實施例：
[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始計 時，讀取兩分鐘時340nm處波長的吸收值，此處讀取的值為0.522,在正常范圍內。（正常范圍 為0.3~0.7)，根據葡萄糖脫氨酶酶活計算公式:GDH酶活(U/mL) = (AOD/min X Vt X df)/ (6.22 X 1.0 X Vs) Vt是反應總體積，為3.05mL，壯是稀釋倍數，6.22為NADP在340nm下的摩爾 消光系數，1.0為測量光程，Vs為GDH酶的體積，為0.05mL，計算得出實驗所用的葡萄糖脫氨 酶GDH的酶活力約為511.929U/mL。
【主權項】
1. 本發明陽極的制備為使用多個鍍金薄片通過焊接技術制備形成。陰極底物通過使用 加工過的二氧化錳液體進行實驗。本發明的酶電極是利用作為催化劑的酶進行氧化還原反 應的電極，并且是酶與輔酶已經進行過提純處理，可極大提高葡萄糖反應速率。向燃料電池 兩極室分別加入處理好的底物，通過導線和負載進行連接。設置兩組對照試驗，第一組只加 入水，第二組依次加入葡萄糖溶液、GDH、NADP。全程測量負載電壓與陽極pH值。得到第二組 的電壓穩定在120mV(負載為33歐姆)的持續時間為110分鐘。pH值從7.55變為3.71并穩定下 來。實驗記錄如下表。通過另一組對比實驗確認了鍍金薄片的電極適用性遠大于碳棒。改變 陽極接觸面積會影響檢測電壓數值。2. 根據權利要求所述，酶電極是指，通過多個鍍金薄片制作的惰性陽極，增大了電極與 陽極燃料的接觸面積，即是增大了電極接收電子的能力，惰性陽極還包括其它惰性的，可做 為電極的物質。3. 根據權利要求所述，酶電池反應是指，陽極通過GDH、NADP催化葡萄糖反應生成葡萄 糖酸和氫離子、電子，氫離子通過質子交換膜到達陰極，與二氧化錳發生還原反應，完成電 子的轉移，產生電流。該酶生物燃料電池的負極反應底物可選擇性十分寬泛，除了本實驗所 采用的二氧化錳外還可以選擇過氧化氫、氧氣及其他可被還原的物質。4. 根據權利要求所述，GDH的純化是指，通過鹽析分離進行提純，不單指使用硫酸銨，常 用的GDH純化方案均在保護范圍之內。5. 根據權利要求所述，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 皿中混勻并開始計時，讀取兩分鐘時340nm處波長的吸收值，此處讀取的值為0.522,在正常 范圍內。（正常范圍為0.3~0.7)，根據葡萄糖脫氫酶酶活計算公式:GDH酶活(U/mL) = (A OD/min X Vt X df )/(6 · 22 X 1 · 0 X Vs)Vt是反應總體積，為3 · 05mL，df 是稀釋倍數，6 · 22為 NADP在340nm下的摩爾消光系數，1.0為測量光程，Vs為⑶Η酶的體積，為0.05mL，計算得出實 驗所用的葡萄糖脫氫酶GDH的酶活力約為511.929U/mL。
【文檔編號】H01M4/86GK106099150SQ201610674637
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月16日 公開號201610674637.8, CN 106099150 A, CN 106099150A, CN 201610674637, CN-A-106099150, CN106099150 A, CN106099150A, CN201610674637, CN201610674637.8
【發明人】張天, 衛澤明, 楊凡, 田萌
【申請人】西安岳達生物科技股份有限公司