PL220927B1 - Biokatoda, sposób wykonania biokatody i ogniwo cynkowo-tlenowe - Google Patents

Biokatoda, sposób wykonania biokatody i ogniwo cynkowo-tlenowe

Info

Publication number
PL220927B1
PL220927B1 PL393196A PL39319610A PL220927B1 PL 220927 B1 PL220927 B1 PL 220927B1 PL 393196 A PL393196 A PL 393196A PL 39319610 A PL39319610 A PL 39319610A PL 220927 B1 PL220927 B1 PL 220927B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
biocathode
enzyme
electrode
itonp
nanoparticles
Prior art date
Application number
PL393196A
Other languages
English (en)
Other versions
PL393196A1 (pl
Inventor
Ewa Roźniecka
Marcin Opałło
Martin Jönsson-Niedziółka
Joanna Niedziółka-Jönsson
Katarzyna Szot
Original Assignee
Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk filed Critical Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Priority to PL393196A priority Critical patent/PL220927B1/pl
Priority to GB1119819.9A priority patent/GB2486303B/en
Publication of PL393196A1 publication Critical patent/PL393196A1/pl
Publication of PL220927B1 publication Critical patent/PL220927B1/pl

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9008—Organic or organo-metallic compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8846—Impregnation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)
  • Enzymes And Modification Thereof (AREA)
  • Peptides Or Proteins (AREA)

Description

Przedmiotem wynalazku jest biokatoda obejmująca elektrodę szklaną, pokrytą cienką warstwą tlenku indu domieszkowanego tlenkiem cyny, ITO, oraz co najmniej jedną warstwę nanocząstek tlenku metalu zawierającą nanocząstki tlenku indu domieszkowane tlenkiem cyny, ITONP charakteryzuje się tym, że na powierzchni elektrody znajduje się zaadsorbowany enzym w postaci oksydazy bilirubiny, BOD, zaadsorbowanej bezpośrednio na powierzchni elektrody szklanej pokrytej warstwą tlenku indu domieszkowanego tlenkiem cyny, ITO, modyfikowanej nanocząstkami tlenku indu domieszkowanymi tlenkiem cyny, ITONP. Wynalazek obejmuje także sposób wykonania takiej biokatody oraz ogniwo cynkowo-tlenowe, obejmujące taką biokatodę.
Bioogniwo paliwowe jest to urządzenie elektrochemiczne, w którym energia reakcji chemicznej jest przekształcana w energię elektryczną. Do tego celu, jako biokatalizatory reakcji elektrodowych, wykorzystuje się enzymy lub całe, żywe mikroorganizmy. W bioogniwie paliwowym na bioanodzie, w wyniku utleniania biopaliwa, wytwarzane są elektrony, które następnie wykorzystywane są do redukcji nadtlenku wodoru lub ditlenu do wody zachodzącej na biokatodzie. W większości przypadków bioanody i biokatody zawierają, oprócz enzymu, także mediator - przekaźnik elektronów, który wpływa na zwiększenie wydajności bioogniwa paliwowego. Jednak obecność mediatora może wpływać na skrócenie czasu życia (działania) bioogniwa, pogorszyć stabilność jego pracy, a także skomplikować konstrukcję bioogniwa i ograniczyć możliwość jego miniaturyzacji. Z tego ostatniego względu biokatalizatory muszą być trwale unieruchomione na powierzchni elektrody (bioanody lub biokatody), a konstrukcja elektrody powinna umożliwiać bezmediatorową bioelektrokatalizę. W stanie techniki do tego celu stosowane są elektrody modyfikowane filmami otrzymanych z nanocząstek o różnej architekturze i składzie, np. zawierających nanocząstki metali, tlenków metali lub węgla. Pomimo licznych doniesień literaturowych dotyczących modyfikacji elektrod nanocząstkami metali i węgla, wykorzystanie nanocząstek tlenków metali jest mniej popularne (Chen 2001, The Analyst 126: 1728-1732, Jia 2005, Journal of Electroanalytical Chemistry 580(2): 213-221, Li 2006, Analytical Biochemistry 349: 33-40, Salimi 2006, Electrochemistry Communications 8(9): 1499-1508, Zong 2006, Langmuir 22: 8915-8919, Salimi 2007, Biophysical Chemistry 130(3): 122-131, Salimi 2007, Biosensors and Bioelectronics 22(12): 3146-3153, Zong 2007, Analytica Chimica Acta 582: 361-366, Moghaddam 2008, Journal of Electroanalytical Chemistry 614(1-2): 83-92, Moghaddam 2008, Journal of Applied Electrochemistry 38: 1233-1239, Solanki 2008, Applied Physics Letters 93: 163903, Szot 2008, Journal of Electroanalytical Chemistry 612: 1-8, Wang 2008, Biosensors and Bioelectronics 23: 1781-1787, Kim 2009, Enzyme and Microbial Technology 44: 129-134, Wang 2009, Sensors and Actuators B: Chemical 136(2): 332-337, Alkasir 2010, Biosensors and Bioelectronics in press, Rahman 2010, Sensors 10:4855-4886).
Unieruchamianie enzymu na powierzchni elektrody modyfikowanej nanocząstkami tlenków metali realizowane jest poprzez jednoczesne elektroosadzanie nanocząstek i biokatalizatora (Salimi
2007, Biosensors and Bioelectronics 22(12): 3146-3153, Salimi 2007, Biophysical Chemistry 130(3): 122-131, Kim 2009, Enzyme and Microbial Technology 44: 129-134, Alkasir 2010, Biosensors and
Bioelectronics in press), elektroosadzanie nanocząstek i następnie sieciowanie na nich enzymu (Alkasir 2010, Biosensors and Bioelectronics in press), adsorpcję enzymu na nanocząstkach tlenków metali, na które następnie nanosi się warstwę polimeru z nanorurkami węglowymi (Wang 2009, Sensors and Actuators B: Chemical 136(2): 332-337), unieruchomienie biokatalizatora w polimerze hybrydowym (Szot 2008, Journal of Electroanalytical Chemistry 612: 1-8) lub w nanokompozytach polimerowych (Chen 2001, The Analyst 126:1728-1732, Jia 2005, Journal of Electroanalytical Chemistry 580(2): 213-221, Li 2006, Analytical Biochemistry 349: 33-40, Zong 2006, Langmuir 22: 89158919, Zong 2007, Analytica Chimica Acta 582: 361-366, Solanki 2008, Applied Physics Letters 93:163903, Wang 2008, Biosensors and Bioelectronics 23:1781-1787, Wang 2009, Sensors and Actuators B: Chemical 136(2): 332-337).
W stanie techniki elektrody modyfikowane nanocząstkami tlenku indu domieszkowanego tlenkiem cyny (ITO) stosowane są do adsorpcji cytochromu c (Frasca 2010, ChemCatChem 2, 839-845) oraz do unieruchamiania lakazy w polimerze hybrydowym (Szot 2008, Journal of Electroanalytical Chemistry 612: 1-8). Pierwsza z wspomnianych elektrod wykorzystywana jest jako bioczujnik do oznaczania anionu ponadtlenkowego (O2“), druga zaś jako biokatoda do mediowanej ABTS redukcji ditlenu do wody.
PL 220 927 B1
Nieoczekiwanie okazało się, że osadzając w prosty sposób nanocząstki ITONP na powierzchni elektrody ITO i adsorbując na nich enzym, można uzyskać elektrodę, która charakteryzuje się o wiele lepszą wydajnością bezmediatorowego procesu biokatalitycznej redukcji tlenu w porównaniu do elektrody niemodyfikowanej nanocząstkami.
Zgodnie z wynalazkiem, biokatoda obejmująca elektrodę szklaną, pokrytą cienką warstwą tlenku indu domieszkowanego tlenkiem cyny, ITO, oraz co najmniej jedną warstwę nanocząstek tlenku metalu zawierającą nanocząstki tlenku indu domieszkowane tlenkiem cyny, ITONP charakteryzuje się tym, że na powierzchni elektrody znajduje się zaadsorbowany enzym w postaci oksydazy bilirubiny, BOD, zaadsorbowanej bezpośrednio na powierzchni elektrody szklanej pokrytej warstwą tlenku indu domieszkowanego tlenkiem cyny, ITO, modyfikowanej nanocząstkami tlenku indu domieszkowanymi tlenkiem cyny, ITONP.
Korzystnie, nanocząstki ITONP mają średnice od 10 nm do 100 nm, korzystniej ok. 20 nm.
Korzystnie, obejmuje od 1 do 12 warstw nanocząstek ITONP.
Korzystnie, biokatoda dodatkowo pokryta jest warstwą sieciującą otrzymaną z mieszaniny wodnych roztworów aldehydu glutarowego, GA, surowiczej albuminy wołowej, BSA oraz buforu Mcllvaine'a.
Korzystnie, biokatoda obejmuje warstwę sieciującą otrzymaną z mieszaniny wodnych roztworów enzymu, aldehydu glutarowego, GA oraz surowiczej albuminy wołowej, BSA.
Wynalazek dotyczy także sposobu wykonania biokatody, w którym na powierzchnię elektrody szklanej pokrytej cienką warstwą ITO nanosi się z roztworu nanocząstki tlenku metalu zawierające nanocząstki tlenku indu domieszkowane tlenkiem cyny, ITONP charakteryzujący się tym, że adsorbuje się enzym bezpośrednio na powierzchni elektrody szklanej pokrytej cienką warstwą tlenku indu domieszkowanego tlenkiem cyny, ITO, modyfikowanej nanocząstkami tlenku indu domieszkowanymi tlenkiem cyny, ITONP, poprzez zanurzenie elektrody w roztworze enzymu, przy czym adsorbowanym enzymem jest oksydaza bilirubiny, BOD.
-3 -3 -3
Korzystnie, roztwór enzymu ma stężenie od 0,1 mg cm-3 do 10 mg cm-3, korzystniej około 1 mg cm-3.
Korzystnie, czas etapu adsorpcji wynosi od 1 h do 24 h, korzystniej 2h.
Korzystnie, po etapie absorpcji enzymu sposób obejmuje on etap pokrywania biokatody warstwą sieciującą otrzymaną z mieszaniny wodnych roztworów aldehydu glutarowego, GA, surowiczej albuminy wołowej, BSA oraz buforu Mcllvaine'a.
Korzystnie, stężenia GA i BSA wynoszą 1% wag., a stosunek objętościowy zmieszanych roztworów wynosi 1:1:1.
Korzystnie, sposób obejmuje etap pokrywania biokatody warstwą sieciującą otrzymaną z mieszaniny wodnych roztworów enzymu, aldehydu glutarowego, GA oraz surowiczej albuminy wołowej, BSA.
Korzystnie, stężenia GA i BSA wynoszą 1% wag., stężenie enzymu wynosi 1 mg cm -3, a stosunek objętościowy zmieszanych roztworów wynosi 1:1:1.
Wynalazek dotyczy także ogniwa cynkowo-tlenowego, obejmującego anodę cynkową; elektrolit, którym jest bufor Mcllvaine'a o stężeniu od 0,02M do 1M, korzystnie około 0,1; i pH od 4 do 8, korzystnie około 4,8; oraz biokatodę według wynalazku.
Nieoczekiwanym efektem modyfikacji powierzchni elektrody nanocząstkami ITO i następnie adsorpcją enzymu według wynalazku okazało się zwiększenie wydajności procesu bezpośredniego przeniesienia elektronu pomiędzy enzymem a powierzchnią elektrody przy jednocześnie prostej metodzie przygotowania biokatody.
Korzystne przykłady wykonania wynalazku
Obecny wynalazek zostanie bardziej szczegółowo przedstawiony w przykładach wykonania z odniesieniem do załączonego rysunku, na którym:
fig. 1 przedstawia schemat modyfikacji elektrody ITO nanocząstkami ITONP i oksydazą bilirubiny; fig. 2 przedstawia schemat biokatody (A) z oksydazą bilirubiny zaadsorbowaną na elektrodzie
ITO modyfikowaną nanocząstkami ITONP (ITONP | BOD), (B) BOD unieruchomioną w warstwie sieciującej (ITONP | BODemb, BSA, GA) oraz (C) z oksydazą bilirubiny zaadsorbowaną na elektrodzie ITO modyfikowaną nanocząstkami ITONP i pokrytą warstwą sieciującą (ITONP| BODads, BSA, GA) według wynalazku;
fig. 3 przedstawia krzywe woltamperometryczne otrzymane dla elektrod ITO: niemodyfikowanej oraz modyfikowanych 1, 3, 6, 9 i 12 warstwami nanocząstek ITONP z zaadsorbowaną BOD zanurzonych w nasyconym ditlenem 0,1 M buforze Mcllvaine'a pH 4,8;
PL 220 927 B1 fig. 4 przedstawia krzywe woltamperometryczne otrzymane dla elektrod ITO (A) niemodyfikowanej oraz (B) modyfikowanej 6 warstwami nanocząstek ITONP z zaadsorbowaną BOD zanurzonych w nasyconym ditlenem 0,1 M buforze Mcllvaine'a pH 4,8 (DET) oraz w nasyconym ditlenem 0,1 mM roztworze ABTS pH 4,8 (MET);
fig. 5 przedstawia zależności gęstości prądu od czasu otrzymane dla elektrod: ITONP | BOD (—), ITONP | BODemb, BSA, GA (—) oraz ITONP | BODads, BSA, GA modyfikowanych 12 warstwami nanocząstek ITONP z zaadsorbowaną BOD zanurzonych w nasyconym ditlenem 0,1 M buforze Mcllvaine'a pH 4,8;
fig. 6 przedstawia charakterystyki prąd-napięcie () oraz prąd-moc (o) ogniwa składającego się z anody cynkowej pokrytej cienką warstwą Nafionu oraz (A) ITONP| BODads, BSA, GA lub (B) ITONP|BOD BODemb, BSA, GA zanurzonych w nasyconym ditlenem 0,1 M buforze Mcllvaine'a pH 4,8.
Odczynniki i stosowane materiały.
Do przygotowania katod użyto materiał elektrodowy - ITO (tlenek indu domieszkowany tlenkiem cyny) zakupiony w Delta Technologies, Ltd., nanocząstki ITONP o średnicy 21 nm zakupione Nanophase Technologies Corp., metanol zakupiony w Chempur, aldehyd glutarowy (GA) zakupiny w Fluka, surowicza albumina wołowa (BSA) oraz 2,2'-azyno-bis(3-etylobenzotiazolino-6-sulfonian) amonu zakupione w Sigma-Aldrich. Oksydaza bilirubiny otrzymana z Amano Enzymes Inc.
Do przygotowania anody użyto drut cynkowy o średnicy 0,25 mm zakupiony w GoodFelIow, Nafion (5% roztwór w izopropanolu) zakupiony w Sigma-Aldrich, alkohol izopropylowy (C3H7OH) zakupiony w Merck.
Do przygotowania elektrolitów użyto wodorofosforan sodu (Na2HPO4) zakupiony w POCh, kwas cytrynowy (C6H8O7xH2O) zakupiony w Chempur, wodę demineralizowaną (p > 15 ΜΩ cm) otrzymaną z systemu oczyszczania Millipore Elix oraz ditlen (99,99999%) - Multax.
Aparatura
Do pomiarów woltamperometrycznych, wyznaczenia charakterystyk prądowo-napięciowych i charakterystyk mocy ogniw posłużono się elektrochemiczną stacją pomiarową Autolab PGSTAT30 wyprodukowanej przez Eco Chemie.
Do nanoszenia nanocząstek ITO wykorzystano urządzenie do nakładania warstw typu dip-coater wyprodukowane przez KSV Instruments Ltd.
Przygotowanie elektrod oraz elektrolitu
Elektrody ITO modyfikowane nanocząstkami ITONP będące biokatodami w prezentowanych przykładach zostały przygotowane zgodnie z procedurą opisaną wcześniej (Niedziolka 2007, Electroanalysis 19: 155-160). Przed modyfikacją elektrody ITO były czyszczone zgodnie z procedurą opisaną przez Macdonald 2008, Journal of Solid State Electrochemistry 12: 287-293 oraz Murata 2009, Energy and Environmental Science 2 (12): 1280-1285. Następnie warstwy nanocząstek ITO nakładano poprzez sekwencyjne zanurzanie i wynurzanie elektrod ITO w 3% wag. zawiesinie ITONP w meta-1 nolu z szybkością 85 mm min-1 (fig. 1). Proces ten powtarzano od 1 do 12 razy. Po każdym etapie zanurzania i wynurzania elektroda była płukana w metanolu w celu usunięcia niezwiązanych nanocząstek ITO.
Kolejnym etapem modyfikacji była adsorbcja enzymu na powierzchni elektrody. W tym celu elektrodę ITO z naniesionymi warstwami nanocząstek ITONP zanurzano w 1 mg cm-3 roztworze BOD w 0,1 M buforze Mcllvaine'a pH 4,8 przez 2 h w temperaturze ok. 5°C. Powierzchnia biokatody wyno2 siła 0,2 cm2. Otrzymana w ten sposób biokatoda w dalszej części tekstu jest nazywana ITONP| BOD (fig. 2A).
Unieruchomienie enzymu w warstwie sieciującej wykonano dwiema metodami wykorzystując zmodyfikowaną procedurę opisaną wcześniej (Li 2008, Electrochemistry Communications 10: 851-854). W pierwszej metodzie zmieszano w stosunku objętościowym 1:1:1 wodne roztwory BSA (1% wag.), GA (1% wag.) oraz 0,1 M bufor Mcllvaine'a pH 4,8. 5 μl tej mieszaniny nakroplono na elektrodę modyfikowaną nanocząstkami ITO i z zaadsorbowaną oksydazą bilirubiny. Elektroda była następnie pozostawiana do wyschnięcia na 2 godzin w temperaturze pokojowej. W drugiej metodzie zmieszano roz-3 twór BOD (1 mg cm-3) z wodnym roztworem BSA (1% wag.) i GA (1% wag.) w stosunku objętościowym 1:1:1.5 μl tej mieszaniny nakroplono na elektrodę modyfikowaną nanocząstkami ITO i pozostawiono do wyschnięcia na 2 godz. w temperaturze pokojowej. Otrzymane w ten sposób biokatody w dalszej części tekstu są nazywane odpowiednio ITONP| BODads, BSA, GA (fig. 2C) oraz ITONP| BODemb, BSA, GA (fig. 2B).
PL 220 927 B1
Anoda cynkowa została przygotowana w sposób podobny do opublikowanego wcześniej (Shin
2005, J. Am. Chem. Soc. 127: 14590-14591). Drut cynkowy (0 = 0,25 mm) pokryto cienką warstwą Nafionu przez zanurzenie go do 0,5% roztworu Nafionu w izopropanolu i wysuszenie.
Elektrolitami były nasycone tlenem: wodny 0,1 M bufor Mcllvaine'a pH 4,8 przygotowane podczas pH-metrycznego miareczkowania roztworu Na2HPO4 o stężeniu 0,2 M za pomocą roztworu kwasu cytrynowego o stężeniu 0,1 M lub wodny roztwór 0,1 mM ABTS w 0,1 M buforze Mcllvaine'a pH 4,8.
P r z y k ł a d 1
W celu zobrazowania wydajności procesu biokatalitycznej redukcji tlenu biokatod modyfikowanych nanocząstkami ITONP i enzymem przeprowadzono pomiary woltametrii cyklicznej elektrod zanurzonych do nasyconego ditlenem buforu Mcllvaine'a pH 4,8. Krzywe woltametrii cyklicznej przedstawiono na fig. 3. Nieoczekiwanie okazało się, że osadzając nanocząstki ITO na powierzchni elektrody ITO i absorbując BOD, można uzyskać o wiele lepszą wydajność procesu biokatalitycznej redukcji tlenu w porównaniu do elektrody niemodyfikowanej nanocząstkami, na której zaadsorbowano BOD. -1
Największą wydajnością wynoszącą ok. 110 μΛ cm- charakteryzuje się elektroda modyfikowana 12 warstwami nanocząstek ITONP, a najmniejszą, wynoszącą ok. 14 μΛ cm-1, elektroda niemodyfikowana nanocząstkami. Wydajność procesu biokatalitycznej redukcji jest proporcjonalna do liczby warstw nanocząstek ITONP (fig. 2), co sugeruje, że BOD jest zaadsorbowana nie tylko na zewnętrznej powierzchni nanocząstek ITONP, ale także w głębszych warstwach ITONP.
P r z y k ł a d 2
W celu zobrazowania wpływu obecności mediatora na wydajności procesu biokatalitycznej redukcji tlenu biokatod modyfikowanych nanocząstkami ITONP i BOD postępowano analogicznie jak w przykładzie 1 zmieniając jedynie elektrolit na 0,1 M roztwór ABTS w buforze Mcllvaine'a pH 4,8. Porównanie procesu bezpośredniego przeniesienia elektronu (DET) pomiędzy enzymem a powierzchnią elektrody i mediowanego przez ABTS (MET) przedstawiono na fig. 4. Można zauważyć, że zarówno dla elektrody modyfikowanej tylko BOD (fig. 3A), jak i dla elektrody modyfikowanej 6 warstwami ITONP i BOD (fig. 3B) wpływ mediatora jest niewielki. Jest to spowodowane tym, że BOD na powierzchni elektrody zorientowana jest w odpowiedni sposób, aby mogło zajść bezpośrednie przeniesienie elektronu pomiędzy centrum katalitycznym enzymu a elektrodą.
P r z y k ł a d 3
W celu zobrazowania trwałości adsorpcji enzymu na powierzchni zmodyfikowanej elektrody postępowano analogicznie jak w przykładzie 1 z tym, że prowadzono chronoamperometrię przykładając potencjał E=100 mV (fig. 5). Można zauważyć, że po ok. 1 h gęstość prądu katalitycznego dla elektrody modyfikowanej 12 warstwami ITONP i BOD (ITONP | BOD) spada o ok. 90%. Jest to spowodowane desorpcją enzymu. Trwałość adsorpcji została polepszona przez zastosowanie warstwy sieciującej, którą naniesiono na zaadsorbowaną BOD na elektrodzie z 12 warstwami ITONP (ITONP | BODads, BSA, GA) lub w której unieruchomiono enzym (ITONP| BODemb BSA, GA). Stwierdzono, że zarówno dla ITONP | BODads, BSA, GA jak i dla ITONP | BODemb BSA, GA w ciągu pierwszych 15 min. wzrasta gęstość prądu katalitycznego. Jest to spowodowane zwilżaniem warstwy sieciującej, dzięki czemu ułatwiona jest dyfuzja ditlenu rozpuszczonego w elektrolicie do BOD. Po około 105 min. obserwowany jest spadek prądu katalitycznego o ok. 33%, jednak trwałość adsorpcji BOD na tych elektrodach jest lepsza w porównaniu do takiej samej elektrody niemodyfikowanej warstwą sieciującą.
P r z y k ł a d 4
W celu zobrazowania wydajności przykładowych ogniw z biokatodą ITONP| BODads, BSA, GA lub ITONP| BODemb, BSA, GA zarejestrowano ich charakterystyki prądowo-napięciowe. W tym celu umożliwiano przepływ przez ogniwa zadanego prądu za pomocą galwanostatu. Po czasie 100 s od przyłożenia zadanego prądu rejestrowano napięcie ogniw, a następnie sporządzono wykresy zależności tego napięcia od gęstości prądu. Sporządzono również zależności gęstości mocy (iloczyn napięcia i gęstości prądu) od gęstości prądu. Charakterystyki prąd-napięcie oraz prąd-moc przykładowych ogniw są przedstawione na fig. 6. Napięcie obwodu rozwartego dla ogniw z biokatodą ITONP| BODads,
BSA, GA lub ITONP|BODemb, BSA, GA wynosi ok. 1,6 V. Wyższą gęstość mocy uzyskano dla ogniwa -2 z ITONP | BODemb, BSA, GA jako biokatodą wynoszącą 54 μW cm- przy 1,1 V, a niższe dla ogniwa z ITONP | BODads, BSA, GA jako biokatodą wynoszącą 43 μW cm-2 przy 0,86 V.

Claims (13)

1. Biokatoda obejmująca elektrodę szklaną, pokrytą cienką warstwą tlenku indu domieszkowanego tlenkiem cyny, ITO, oraz co najmniej jedną warstwę nanocząstek tlenku metalu zawierającą nanocząstki tlenku indu domieszkowane tlenkiem cyny, ITONP, znamienna tym, że na powierzchni elektrody znajduje się zaadsorbowany enzym w postaci oksydazy bilirubiny, BOD, zaadsorbowanej bezpośrednio na powierzchni elektrody szklanej pokrytej warstwą tlenku indu domieszkowanego tlenkiem cyny, ITO, modyfikowanej nanocząstkami tlenku indu domieszkowanymi tlenkiem cyny, ITONP.
2. Biokatoda według zastrz. 1, znamienna tym, że nanocząstki ITONP mają średnice od 10 nm do 100 nm, korzystniej ok. 20 nm.
3. Biokatoda według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że obejmuje od 1 do 12 warstw nanocząstek ITONP.
4. Biokatoda według dowolnego z zastrz. od 1 do 3, znamienna tym, że dodatkowo pokryta jest warstwą sieciującą otrzymaną z mieszaniny wodnych roztworów aldehydu glutarowego, GA, surowiczej albuminy wołowej, BSA oraz buforu Mcllvaine'a.
5. Biokatoda według dowolnego z zastrz. od 1 do 4, znamienna tym, że obejmuje warstwę sieciującą otrzymaną z mieszaniny wodnych roztworów enzymu, aldehydu glutarowego, GA oraz surowiczej albuminy wołowej, BSA.
6. Sposób wykonania biokatody, w którym na powierzchnię elektrody szklanej pokrytej cienką warstwą ITO nanosi się z roztworu nanocząstki tlenku metalu zawierające nanocząstki tlenku indu domieszkowane tlenkiem cyny, ITONP, znamienny tym, że adsorbuje się enzym bezpośrednio na powierzchni elektrody szklanej pokrytej cienką warstwą tlenku indu domieszkowanego tlenkiem cyny, ITO, modyfikowanej nanocząstkami tlenku indu domieszkowanymi tlenkiem cyny, ITONP, poprzez zanurzenie elektrody w roztworze enzymu, przy czym adsorbowanym enzymem jest oksydaza bilirubiny, BOD.
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że roztwór enzymu korzystnie ma stężenie od -3 -3 -3
0,1 mg cm-3 do 10 mg cm-3, korzystniej około 1 mg cm-3.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że czas etapu adsorpcji wynosi od 1 h do 24 h, korzystniej 2 h.
9. Sposób według dowolnego z zastrz. od 6 do 8, znamienny tym, że po etapie absorpcji enzymu obejmuje on etap pokrywania biokatody warstwą sieciującą otrzymaną z mieszaniny wodnych roztworów aldehydu glutarowego, GA, surowiczej albuminy wołowej, BSA oraz buforu Mcllvaine'a.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że stężenia GA i BSA wynoszą 1% wag., a stosunek objętościowy zmieszanych roztworów wynosi 1:1:1.
11. Sposób według dowolnego z zastrz. od 6 do 8, znamienny tym, że obejmuje etap pokrywania biokatody warstwą sieciującą otrzymaną z mieszaniny wodnych roztworów enzymu, aldehydu glutarowego, GA oraz surowiczej albuminy wołowej, BSA.
12. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że stężenia GA i BSA wynoszą 1% wag., stę-3 żenie enzymu wynosi 1 mg cm-3, a stosunek objętościowy zmieszanych roztworów wynosi 1:1:1.
13. Ogniwo cynkowo-tlenowe, obejmujące anodę cynkową; elektrolit, którym jest bufor Mcllvaine'a o stężeniu od 0,02M do 1M, korzystnie około 0,1; i pH od 4 do 8, korzystnie około 4,8; oraz blokatodę według dowolnego z zastrz. od 1 do 5.
PL393196A 2010-12-10 2010-12-10 Biokatoda, sposób wykonania biokatody i ogniwo cynkowo-tlenowe PL220927B1 (pl)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL393196A PL220927B1 (pl) 2010-12-10 2010-12-10 Biokatoda, sposób wykonania biokatody i ogniwo cynkowo-tlenowe
GB1119819.9A GB2486303B (en) 2010-12-10 2011-11-17 Biocathode, method of fabricating a biocathode and zinc-oxygen cell comprising a biocathode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL393196A PL220927B1 (pl) 2010-12-10 2010-12-10 Biokatoda, sposób wykonania biokatody i ogniwo cynkowo-tlenowe

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL393196A1 PL393196A1 (pl) 2012-06-18
PL220927B1 true PL220927B1 (pl) 2016-01-29

Family

ID=45444254

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL393196A PL220927B1 (pl) 2010-12-10 2010-12-10 Biokatoda, sposób wykonania biokatody i ogniwo cynkowo-tlenowe

Country Status (2)

Country Link
GB (1) GB2486303B (pl)
PL (1) PL220927B1 (pl)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201604671D0 (en) 2016-03-18 2016-05-04 Isis Innovation Electrodes
CN116203091B (zh) * 2023-02-23 2025-08-22 苏州大学 一种基于氟掺杂锡氧化物的电化学生物传感器及其构建方法与应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8859151B2 (en) * 2003-11-05 2014-10-14 St. Louis University Immobilized enzymes in biocathodes
US20080248354A1 (en) * 2004-07-23 2008-10-09 Canon Kabushiki Kaisha Enzyme Electrode, and Device, Sensor, Fuel Cell and Electrochemical Reactor Employing the Enzyme Electrode
KR20080080105A (ko) * 2005-11-02 2008-09-02 세인트 루이스 유니버시티 바이오애노드, 바이오캐소드 및 바이오연료 전지 내의효소를 사용하는 직접 전자 전달

Also Published As

Publication number Publication date
GB2486303B (en) 2018-05-09
PL393196A1 (pl) 2012-06-18
GB2486303A (en) 2012-06-13
GB201119819D0 (en) 2011-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Facile preparation of amperometric laccase biosensor with multifunction based on the matrix of carbon nanotubes–chitosan composite
Christwardana et al. A correlation of results measured by cyclic voltammogram and impedance spectroscopy in glucose oxidase based biocatalysts
Lee et al. Immobilization of horseradish peroxidase on multi-wall carbon nanotubes and its electrochemical properties
Nasri et al. A glucose biosensor based on direct electron transfer of glucose oxidase immobilized onto glassy carbon electrode modified with nitrophenyl diazonium salt
Zhang et al. A polyaniline microtube platform for direct electron transfer of glucose oxidase and biosensing applications
JPS5816698B2 (ja) 酵素電極およびその製造法
Yazdi et al. Rechargeable membraneless glucose biobattery: Towards solid-state cathodes for implantable enzymatic devices
CN105261761B (zh) 一种基于石墨烯的生物燃料电池酶修饰阳极及制备与应用
Chung et al. Performance evaluation of enzymatic biofuel cells using a new cathodic catalyst containing hemin and poly acrylic acid promoting the oxygen reduction reaction
Xu et al. Anode modification with peptide nanotubes encapsulating riboflavin enhanced power generation in microbial fuel cells
Ji et al. Membraneless biofuel cells using new cathodic catalyst including hemin bonded with amine functionalized carbon nanotube and glucose oxidase sandwiched by poly (dimethyl-diallylammonium chloride)
Farajpour et al. A novel antimicrobial electrochemical glucose biosensor based on silver–Prussian blue‐modified TiO2 nanotube arrays
Che et al. Amperometric glucose biosensor based on Prussian blue–multiwall carbon nanotubes composite and hollow PtCo nanochains
Gao et al. Electrocatalytic activity of carbon spheres towards NADH oxidation at low overpotential and its applications in biosensors and biofuel cells
Ammam et al. Gold electrode modified with a self-assembled glucose oxidase and 2, 6-pyridinedicarboxylic acid as novel glucose bioanode for biofuel cells
CN111326743A (zh) 源于竹子的多孔碳作为电极材料用于葡萄糖生物传感和葡萄糖生物燃料电池的应用
KR20140127169A (ko) 전기화학적 응용에 사용되는 효소-그래핀 옥사이드 복합체 및 그 제조방법
Babaei et al. Electrochemical investigations on a third generation biosensor for determination of hydrogen peroxide based on immobilization of myoglobin on a novel platinum nanoparticle/carbon nanotube/ionic liquid/nafion composite
KR101363297B1 (ko) 산화그라파이트/수산화코발트/키토산-효소 합성물이 전기 증착된 효소연료전지용 전극, 그의 제조방법, 및 그를 포함하는 효소연료전지
US9074174B2 (en) Composite of enzyme and carbon structure complex, method for producing the same and use thereof
Xie et al. Bioelectrocatalytic performance of glucose oxidase/nitrogen‐doped titania nanotube array enzyme electrode
Upadhyay et al. Immobilization of horseradish peroxidase and nile blue into the ormosil nanocomposite for the fabrication of hydrogen peroxide biosensor based on MWCNT modified glassy carbon electrode
CN105717177B (zh) 电极及其制备方法、生物传感器和酶生物燃料电池
GB2486303A (en) Biocathode and zinc-oxygen cell including said biocathode
Liu et al. Layer-by-layer immobilization of horseradish peroxidase on a gold electrode modified with colloidal gold nanoparticles