[发明专利]固定在疏水改性多糖中的酶

说明书

[0001]本发明根据由美国海军研究局授予的资助项目3-00475、由高级 防御研究计划机构授予的资助项目3-00487和由美国中央情报局授予的资 助项目300477在政府的支持下进行。美国政府在本发明中拥有某些权利。

背景技术

[0002]本发明通常涉及生物酶基燃料电池(又称作生物燃料电池)及其 制备方法和用途。更具体地说，本发明涉及生物阳极、生物阴极、生物燃 料电池、固定化的酶和包含疏水改性多糖的酶固定化材料及其制造方法和 用途。

[0003]生物燃料电池是一种生物化学装置，其中来自化学反应的能量 通过活细胞和/或它们的酶的催化活性转化为电能。生物燃料电池通常使用 络合物分子在阳极产生将氧还原成水所需的氢离子，而产生用于电应用中 的自由电子。生物阳极是生物燃料电池的电极，其中在燃料氧化时释放电 子并且生物阴极是其中来自阳极的电子和质子被催化剂使用将过氧化物或 氧还原成水的电极。生物燃料电池与常规燃料电池不同之处是用于催化电 化学反应的材料。生物燃料电池不是使用贵金属作为催化剂，而是依赖于 生物分子例如酶来进行反应。

发明概述

[0004]本发明的多种方面之一是包含电子导体；至少一种阳极酶；和 酶固定化材料的生物阳极。阳极酶能够与电子介体的氧化形式和燃料流体 反应产生燃料流体的氧化形式和电子介体的还原形式。电子介体的还原形 式能够向电子导体释放电子。酶固定化材料是燃料流体和电子介体可渗透 的并且包含疏水改性多糖。

[0005]在上述阳极的另一个方面中，酶固定化材料包含电子介体。

[0006]又一个方面是包含电子导体；至少一种阳极酶；酶固定化材料； 和电催化剂的生物阳极。阳极酶能够与电子介体的氧化形式和燃料流体反 应产生燃料流体的氧化形式和电子介体的还原形式。酶固定化材料是燃料 流体和电子介体可渗透的并且包含疏水改性多糖。电催化剂邻近电子导体。 电催化剂的氧化形式能够与电子介体的还原形式反应产生电子介体的氧化 形式和电催化剂的还原形式，并且电催化剂的还原形式能够向电子导体释 放电子。

[0007]在上述阳极的另一个方面中，酶固定化材料包含电子介体、电 催化剂、或电子介体和电催化剂。

[0008]另一个方面是包含电子导体；至少一种阴极酶；和酶固定化材 料的生物阴极。阴极酶能够与电子介体的还原形式和氧化剂反应产生电子 介体的氧化形式和水。酶固定化材料包含电子介体，是氧化剂可渗透的， 并且包含疏水改性多糖。电子介体的氧化形式能够从电子导体获得电子产 生电子介体的还原形式。

[0009]本发明的又一个方面是包含电子导体；至少一种阴极酶；和酶 固定化材料的生物阴极。阴极酶能够与电子介体的还原形式和氧化剂反应 产生电子介体的氧化形式和水。酶固定化材料包含电子介体、电催化剂、 或电子介体和电催化剂，是氧化剂可渗透的，并且包含疏水改性多糖。电 催化剂能够从电子导体获得电子产生电催化剂的还原形式，所述电催化剂 的还原形式能够与电子介体的氧化形式反应产生电子介体的还原形式和电 催化剂的氧化形式。

[0010]另一个方面是包含燃料流体；电子介体；如上所述的生物阳极； 和阴极的用于产生电的生物燃料电池。另外，包含燃料流体；电子介体； 阳极；和如上所述的生物阴极的用于产生电的生物燃料电池。以及，包含 燃料流体；电子介体；如上所述的生物阳极；和如上所述的生物阴极的用 于产生电的生物燃料电池。

[0011]又一个方面是使用上述生物燃料电池产生电的方法，所述方法 包括在阳极或生物阳极使燃料流体氧化并且在阴极或生物阴极使氧化剂还 原；在阴极或生物阴极处使氧化剂还原期间使电子介体的还原形式氧化； 使电催化剂氧化；和在电子导体处使电催化剂还原。

[0012]另一个方面是使用上述生物燃料电池产生电的方法，所述方法 包括在阳极或生物阳极使燃料流体氧化并且在阴极或生物阴极使氧化剂还 原；在阴极或生物阴极使氧化剂还原期间使电子介体的还原形式氧化；和 在电子导体处使电子介体还原。

[0013]本发明的另一个方面是固定在疏水改性多糖中的酶。疏水改性 多糖能够使酶固定化和稳定化并且是比酶小的化合物可渗透的。