「有線」フラビンアデニンジヌクレオチド依存性グルコースデヒドロゲナーゼを備えた階層構造の多孔質炭素電極上の非常に高いグルコース電流

この記事では、効率的な物質移動のためのマクロポアに基づいて階層的な細孔構造を利用し、高酵素負荷のメソポアに基づいて階層的細孔構造を利用することにより、効率的な酵素電解を実現するように設計された炭素電極を紹介します。酸化マグネシウムテンプルメソポーラス炭素（MGOC、平均細孔直径38 nm）を使用して、酵素固定化の有効な特定の表面積を増加させました。MGOC粒子は、電気泳動堆積方法によって電流コレクターに堆積し、マイクロメータースケールマクロポアを生成して、グルコースと電解質（バッファー）イオンの物質移動を改善しました。グルコースバイオアノードを作成するために、多孔質炭素修飾電極は、導電性レドックスポリマー、脱グリコシル化フラビンアデニン芽依存性グルコースデヒドロゲナーゼ（D-FAD-GDH）、およびAクロスリンカーで構成される生体触媒ヒドロゲルでさらにコーティングされました。FAD-GDH分子の末梢表面の炭水化物鎖は、架橋前に周期酸化により除去されました。グルコースの酸化の電流密度は、25°CおよびpH 7で100 Ma cm（-2）であり、1.0 mg cm（-2）のヒドロゲル負荷でした。同じヒドロゲルの組成と荷重の場合、MGOC修飾電極の電流密度は、平坦な炭素電極よりも30倍以上高かった。溶液温度を45°Cに上げると、触媒電流は1.6 mg cm（-2）のヒドロゲル負荷で300 mA cm（-2）に増加しました。さらに、メソポーラス炭素材料を使用することにより、ヒドロゲル電極の安定性が改善されました。初期触媒電流の95％以上は、4°Cのリン酸緩衝液での220日間の貯蔵試験の後に残り、25°Cでの7日間の連続手術の後に80％が観察されました。

This article introduces a carbon electrode designed to achieve efficient enzymatic electrolysis by exploiting a hierarchical pore structure based on macropores for efficient mass transfer and mesopores for high enzyme loading. Magnesium oxide-templated mesoporous carbon (MgOC, mean pore diameter 38 nm) was used to increase the effective specific surface area for enzyme immobilization. MgOC particles were deposited on a current collector by an electrophoretic deposition method to generate micrometer-scale macropores to improve the mass transfer of glucose and electrolyte (buffer) ions. To create a glucose bioanode, the porous-carbon-modified electrode was further coated with a biocatalytic hydrogel composed of a conductive redox polymer, deglycosylated flavin adenine dinucleotide-dependent glucose dehydrogenase (d-FAD-GDH), and a cross-linker. Carbohydrate chains on the peripheral surfaces of the FAD-GDH molecules were removed by periodate oxidation before cross-linking. The current density for the oxidation of glucose was 100 mA cm(-2) at 25 °C and pH 7, with a hydrogel loading of 1.0 mg cm(-2). For the same hydrogel composition and loading, the current density on the MgOC-modified electrode was more than 30 times higher than that on a flat carbon electrode. On increasing the solution temperature to 45 °C, the catalytic current increased to 300 mA cm(-2), with a hydrogel loading of 1.6 mg cm(-2). Furthermore, the stability of the hydrogel electrode was improved by using the mesoporous carbon materials; more than 95% of the initial catalytic current remained after a 220-day storage test in 4 °C phosphate buffer, and 80% was observed after 7 days of continuous operation at 25 °C.