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Scientific Reports volume 12、記事番号: 14649 (2022) この記事を引用

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2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この研究では、メソ多孔質 MgO テンプレートカーボン (MgOC) 電極を備えた紙ベースのスクリーン印刷バイオ燃料電池の性能が 2 つのステップで改善されました。 まず、少量のカルボキシメチルセルロース (CMC) を MgOC インクに添加しました。 次に、ビリルビンオキシダーゼ (BOD) を固定化する前に、カソードをビリルビンで修飾しました。 CMC により、MgOC のメソ細孔へのアクセスが向上し、その後、バイオアノードとバイオカソードの両方の性能が向上しました。 CMC は電極の安定性も高めた可能性があります。 ビリルビンによる事前修飾により BOD の配向が改善され、直接電子移動が容易になりました。 これらの 2 つのステップにより、バイオアノード酵素として乳酸オキシダーゼ、燃料として乳酸塩を使用して、0.65 V の開回路電位、1.94 mA cm-2 の最大電流密度、および 465 μW cm-2 の最大電力密度が達成されました。 これは、バイオ燃料電池として報告されている中で最高の性能の 1 つです。

メソポーラスカーボン材料は、バイオセンサーやバイオ燃料電池などの生物電気化学デバイスの製造にとって最も魅力的な材料の 1 つです1、2、3。 これらの材料は、高導電性、高表面積、および優れた生体適合性を兼ね備えており、酵素固定化用の電極およびマトリックスとして優れています。 ヤンら。 らは、グルコースオキシダーゼを規則性メソ多孔性炭素に固定化すると、温度と pH の安定性が上昇することを報告しました4。 さまざまな種類のメソポーラスカーボン材料の中には、酸化物テンプレートカーボンがあります。 酸化物テンプレート化炭素の細孔サイズは、酸化物テンプレートのサイズを制御することによって制御できます5、6、7、8、9。 このような酸化物テンプレート炭素の 1 つは、MgO テンプレート炭素 (MgOC) であり、市販されています 5,6。 MgOC の孔径が直接電気化学に及ぼす影響は、D-フルクトース デヒドロゲナーゼ 10 およびビリルビン オキシダーゼ (BOD) 11、12 について研究されています。 さらに、MgOC インク修飾カーボンクロスで作製したバイオ燃料電池 (BFC) は、酵素としてグルコースデヒドロゲナーゼ (GDH) と乳酸オキシダーゼ (LOx) を使用して、それぞれ 2 mW cm-213 と 4.3 mW cm-214 の高出力を示しました。

MgOC インクは、スクリーン印刷された MgOC 電極を製造する最初のステップでもあります。 スクリーン印刷用インクに含まれる導電性カーボン材料は、印刷時に加えられるせん断応力下で均一に分散する必要があります。 分散が不均一であると、電極が部分的に脆くなったり (バインダーが少なすぎる場合)、および/または部分的に抵抗が増加する (バインダーが多すぎる場合) 可能性があります。 分散度が高くなると、凝集が起こりにくくなるため、多孔度も高くなります。 少量の添加剤により、導電性を損なうことなくインクの分散が改善され、印刷電極の品質と再現性が向上します。 しかし、カルボキシメチルセルロース (CMC) などの生体適合性と持続可能な材料は炭素材料の分散剤として使用されてきましたが 15、スクリーン印刷用の MgOC インクでは分散剤は考慮されていませんでした。

スクリーン印刷された電極は、ウェアラブル バイオセンサー、特にヘルスケア用途の製造に有望です 16、17、18。 ウェアラブルバイオセンサーは、患者のよりパーソナライズされたリアルタイムの健康管理、およびアスリートなどのハイパフォーマンス専門家の健康状態のよりデータ駆動型の綿密なモニタリングの傾向により、近年大きな注目を集めています。そして消防士たち。 同様に、ウェアラブル BFC も、エネルギーハーベスターと自家発電センサーの両方として大きな注目を集めています 19、20、21、22。 ウェアラブル BFC はエネルギーハーベスターとして、体液に含まれるグルコースまたは乳酸塩からエネルギーを収集し、小型デバイスに電力を供給します。 自己電源式センサーとしてのウェアラブル BFC は、いつでもグルコースまたは乳酸塩から収集される電力がそれぞれの燃料の濃度に依存するという事実を利用します。 自己電源式センサーは、検出デバイス用のエネルギー源を必要としません。 ウェアラブルバイオセンサーと BFC の例としては、眼鏡の鼻パッドに統合されている 23、柔らかい素材から製造されたマイクロ流体 24,25、薄い柔軟なフィルム上に製造された 25,26、タトゥータイプ 27、繊維ベース 28,29、および紙ベース 30,31 が挙げられます。 、32。