專(zhuān)利名稱(chēng)：：在生物陽(yáng)極、生物陰極、和生物燃料電池中使用酶的直接電子轉(zhuǎn)移的制作方法在生物陽(yáng)極、生物陰極、和生物燃料電池中使用酶的直接電子轉(zhuǎn)移生物燃料電池為一種電化學(xué)裝置，其中通過(guò)活細(xì)胞和/或它們的酶的催化活性的方式將衍生自化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化為電能。生物燃料電池通常使用絡(luò)合分子以在陽(yáng)極上產(chǎn)生將氧還原為水所需的氫離子，同時(shí)產(chǎn)生用于電應(yīng)用的自由電子。生物陽(yáng)極為其中在燃料氧化時(shí)釋放出電子的生物燃料電池的電極，且生物陰極為其中通過(guò)催化劑使用電子和來(lái)自陽(yáng)極的質(zhì)子將過(guò)氧化物或氧還原為水的電極。生物燃料電池與傳統(tǒng)燃料電池的區(qū)別在于用于催化電化學(xué)反應(yīng)的材料。生物燃料電池依賴(lài)于生物分子如酶而并非使用多孔金屬作為催化劑進(jìn)行反應(yīng)。多數(shù)生物陽(yáng)極和生物陰極包括電子介體。但是，一些包括電子介體的生物陽(yáng)極和生物陰極可以具有降低的壽命，降低的穩(wěn)定性，不利的熱動(dòng)力學(xué)，和低的電子介體活性。由此，存在對(duì)于不存在與包括電子介體相關(guān)的問(wèn)題的生物陽(yáng)極和生物陰極的需求。發(fā)明概述另一方面為包括電子導(dǎo)體；至少一種陰極酶；和酶固定材料的生物陰極。該陰極酶能夠與氧化劑反應(yīng)以生成水，且能夠從電子導(dǎo)體中得到電子。該酶固定材料能夠固定和穩(wěn)定該酶，且可滲透氧化劑。使用本文中所述生物燃料電池發(fā)電的方法包括，將燃料流體在陽(yáng)極或生物陽(yáng)極上氧化和使氧化劑在陰極或生物陰極上還原。圖1A顯示了在基于直接電子轉(zhuǎn)移的膽紅素氧化酶生物陰極上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，且圖1B顯示了在包括電子介體的生物陰極上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。0010]圖2顯示了單個(gè)的、功能性生物陽(yáng)極或生物陰極。[OOll]圖3顯示了微流體生物燃料電池。圖5顯示了微流體生物燃料電池堆。圖12顯示了包含三曱基辛基銨(TMOA)-改性的Nation⑧和超氧化物岐化酶的直接電子轉(zhuǎn)移生物陰極的功率曲線(xiàn)。發(fā)明詳述本發(fā)明涉及生物陽(yáng)極、生物陰極、和生物燃料電池，其包含酶，其能夠與電子導(dǎo)體直接電子轉(zhuǎn)移。所述的另一方式，該生物陽(yáng)極、和包含該生物陽(yáng)極的生物燃料電池，含有能夠?qū)㈦娮俞尫沤o電子導(dǎo)體的陽(yáng)極酶，且該生物陰極、和包含該生物陰極的生物燃料電池，含有能夠從電子導(dǎo)體中得到電子的陰極酶。這種酶和電子導(dǎo)體之間電子轉(zhuǎn)移的能力，是優(yōu)于較低效率的這樣的電子介導(dǎo)體系的顯著優(yōu)點(diǎn)，在該電子介導(dǎo)體系中，必須將電子介體轉(zhuǎn)移到氧化還原反應(yīng)的附近且不可以具有恰當(dāng)?shù)木植繚舛纫源龠M(jìn)高效氧化還原反應(yīng)。通過(guò)排除該體系中的電子介體，該反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不會(huì)受電子介體的傳質(zhì)限制，且由此，可以是更有效的。另外，當(dāng)將酶固定在電子導(dǎo)體上時(shí)，可以通過(guò)在電子導(dǎo)體(其可以隨后收集產(chǎn)生的電子M艮接近處具有反應(yīng)物(酶和燃料流體)使氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)最大化。本發(fā)明的生物燃料電池包括生物陰極和/或生物陽(yáng)極。通常，該生物陽(yáng)極包括實(shí)現(xiàn)燃料流體的氧化的元素，由此釋^t出電子并導(dǎo)向外部電負(fù)荷。獲得的電流給該電負(fù)荷提供動(dòng)力，隨后電子被導(dǎo)向生物陰極，其中將氧化劑還原并產(chǎn)生水。A.生物陰極依據(jù)本發(fā)明的生物陰極包括電子導(dǎo)體、和固定在酶固定材料中的酶。一種實(shí)施方式中，這些組分4皮此相鄰，即它們通過(guò)適宜方式物理或化學(xué)相連。1.電子導(dǎo)體電子導(dǎo)體為傳導(dǎo)電子的物質(zhì)。該電子導(dǎo)體在性質(zhì)上可以是有機(jī)或無(wú)機(jī)的，只要能夠通過(guò)該材料傳導(dǎo)電子。該電子導(dǎo)體可以是基于碳的材料、不銹鋼、不銹鋼網(wǎng)、金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體、金屬氧化物、或改性導(dǎo)體。優(yōu)選實(shí)施方式中，該電子導(dǎo)體為基于碳的材料。另外，該電子導(dǎo)體可以是半導(dǎo)體。適宜半導(dǎo)體材料包括硅和鍺，其可以摻雜其它元素。該半導(dǎo)體可以用磷、硼、鎵、砷、銦或銻，或其組合來(lái)?yè)诫s。其它電子導(dǎo)體可以是金屬氧化物，金屬硫化物，主族化合物(即，過(guò)渡金屬化合物)，和采用電子導(dǎo)體改性的材料。示例性的這類(lèi)電子導(dǎo)體為納米多孔二氧化鈥、涂覆二氧化鈦的玻璃、二氧化鈰顆粒、硫化鉬、氮化硼納米管、采用導(dǎo)體材料如碳改性的氣凝膠(aerogel)、采用導(dǎo)體材料如碳改性的溶膠凝膠(solgel)、釕碳?xì)饽z、和采用導(dǎo)體材料如碳改性的中孔二氧化硅。依據(jù)本發(fā)明，酶使氧化劑在生物陰極上還原。通常，含有一個(gè)以上的氧化還原中心的酶適用于本發(fā)明的生物陰極和生物燃料電池。例如，膽紅素氧化酶含有4個(gè)原子銅中心，其中Tl銅中心用于接受來(lái)自供給基質(zhì)的電子且T2-T3電子給予束用于還原氧。不受理論限制，建議含有一個(gè)以上的氧化還原中心的許多酶可以作為它們自身的內(nèi)介體用于到和來(lái)自電子導(dǎo)體的電子轉(zhuǎn)移。適用于生物陰極的示例性酶為膽紅素氧化酶、漆酶、超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶、或其組合。各種優(yōu)選實(shí)施方式中，當(dāng)氧化劑為氧時(shí)，該酶為膽紅素氧化酶。一些實(shí)施方式中，當(dāng)氧化劑為氧化物時(shí)，該酶為超氧化物岐化酶。3.酶固定材料料。一種實(shí)施方式中，該生物陽(yáng)極的酶固定材料可滲透燃料流體且固定和穩(wěn)定該酶。該固定材料可滲透燃料流體，使得可以通過(guò)固定的酶催化在生物陽(yáng)極處燃料的氧化反應(yīng)。通常，酶用于催化在生物陰極和/或生物陽(yáng)極處的氧化還原反應(yīng)。在依據(jù)本發(fā)明的生物陰極和/或生物陽(yáng)極中，將酶固定在固定和穩(wěn)定該酶的酶固定材料中。典型地，溶液中的自由酶在幾小時(shí)到幾天內(nèi)喪失其催化活性，但是適當(dāng)固定和穩(wěn)定的酶可以保持其催化活性至少約7天到約730天。催化活性的保持定義為具有至少約75%的其初始活性的酶，其初始活性可以通過(guò)化學(xué)發(fā)光、電化學(xué)、UV-Vis、輻射化學(xué)、或焚光化驗(yàn)來(lái)測(cè)量。該酶保持至少約75%的其初始活性，同時(shí)該生物燃料電池連續(xù)發(fā)電至少約7天到約730天。固定的酶為物理限定在酶固定材料的一定區(qū)域中、同時(shí)保持其催化活性的酶。存在多種用于酶固定的方法，包括載體-結(jié)合、交聯(lián)和捕捉。載體-結(jié)合為將酶結(jié)合于水不溶性載體。交聯(lián)為使用雙官能或多官能試劑的分子間交聯(lián)酶。捕捉為將酶結(jié)合到半滲透材料的格柵中。酶固定的特定方法并非關(guān)鍵重要，只要該酶固定材料(l)固定該酶，(2)穩(wěn)定該酶，和(3)可滲透燃料流體或氧化劑。各種實(shí)施方式中，該酶優(yōu)選地位于酶固定材料的孔內(nèi)且該化合物通過(guò)傳送通道在該酶固定材料內(nèi)進(jìn)出?？缀蛡魉屯ǖ赖南鄬?duì)尺寸可以使得孔足夠大以固定酶，但傳送通道對(duì)于酶過(guò)小以至于不能穿過(guò)其移動(dòng)。另外，傳送通道的直徑優(yōu)選為至少約10nm。仍另一實(shí)施方式中，孔尺寸與傳送通道半徑比為至少約2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1、10:1或更大。仍另一實(shí)施方式中，優(yōu)選地，傳送通道的直徑為至少約10nm且孔尺寸與傳送通道直徑比為至少約2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1、10:1或更大?！┟腹潭ú牧?，且特別是膠束酶固定材料和改性的全氟磺酸-PTFE共聚物，描述于美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/931147(以美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2005/0095466出版)，和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/617452(以美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2004/0101741出版)，將其二者全部引入本文中作為參考。關(guān)于疏水陽(yáng)離子的第一種功能，與疏水陽(yáng)離子混合物澆鑄全氟磺酸-PTFE共聚物(或全氟化離子交換聚合物)以產(chǎn)生改性的全氟磺酸PTFE共聚物(或者改性的全氟化離子交換聚合物)(Nafion⑧或Flemioi^)膜提供了酶固定化材料，其中孔尺寸取決于疏水陽(yáng)離子的大小。因此，疏水陽(yáng)離子越大，孔尺寸越大。疏水陽(yáng)離子的上述功能允許通過(guò)改變疏水陽(yáng)離子的大小使得孔尺寸更大或更小以適合特定的酶。關(guān)于疏水陽(yáng)離子的第二種作用，通過(guò)用疏水陽(yáng)離子交換全氟磺酸-PTFE共聚物(或全氟化離子交換聚合物)膜上作為-S(V基團(tuán)的反離子的質(zhì)子，改變?nèi)撬?PTFE共聚物(或全氟化離子交換聚合物)膜的性能。這種反離子的改變提供了對(duì)pH的緩沖作用，因?yàn)槭杷?yáng)離子相比于質(zhì)子具有對(duì)-S(V位點(diǎn)更大的親合力。膜的這種緩沖作用使得改變?nèi)芤簆H時(shí)孔的pH保持實(shí)質(zhì)上不變；換句話(huà)說(shuō)，孔的pH抵抗溶液pH的變化。另夕卜，該膜提供了機(jī)械阻隔，其進(jìn)一步保護(hù)固定的酶。為了制備改性的全氟磺酸-PTFE共聚物(或全氟化離子交換聚合物)膜，第一步是澆鑄與疏水陽(yáng)離子的溶液的全氟磺酸-PTFE共聚物(或全氟化離子交換聚合物)膜、特別是Nafion⑧的懸浮液以形成膜。隨后從該膜中提取出過(guò)量的疏水陽(yáng)離子和它們的鹽，并再次澆鑄膜。再次澆鑄時(shí)，該膜含有與全氟磺酸-PTFE共聚物(或全氟化離子交換聚合物)膜的-S(V位點(diǎn)相連系的疏水陽(yáng)離子。從該膜中除去疏水陽(yáng)離子的鹽導(dǎo)致更穩(wěn)定的和可再生產(chǎn)的膜，因?yàn)檫^(guò)量的鹽可以變?yōu)榉@在孔中或者導(dǎo)致膜中的孔隙。)的脫乙?；瘉?lái)制備。典型的商品脫乙酰殼多糖具有約85。/。的脫乙?；?。這些脫乙?；幕蜃杂砂坊鶊F(tuán)可以進(jìn)一步用烴基，特別是，烷基進(jìn)行官能化。由此，各種實(shí)施方式中，該膠束疏水改性的脫乙酰殼多糖對(duì)應(yīng)于式1的結(jié)構(gòu)其中，n為整數(shù)；R^獨(dú)立地為氫、烴基、或取代的烴基；和Ru獨(dú)立地為氫、烴基、或取代的烴基。本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，n為使聚合物分子量為約21000~約500000、優(yōu)選為約90000~約500000、更優(yōu)選為約150000~約350000、更優(yōu)選為約225000~約275000的整數(shù)。一些實(shí)施方式中，R，o獨(dú)立地為氫或烷基，且Ru獨(dú)立地為氯或烷基。另外，R^獨(dú)立地為氫或己基，且Ru獨(dú)立地為氫或己基。替換性地，Rm獨(dú)立地為氫或辛基，且Ru獨(dú)立地為氫或辛基。疏水改性脫乙酰殼多糖膜在乙醇中具有有利的不溶性。例如，上述脫乙酰殼多糖酶固定材料通常能夠在具有最多大于約99重量％或99體積％乙醇的溶液中固定和穩(wěn)定酶。各種實(shí)施方式中，脫乙酰殼多糖固定材料在具有15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、卯、95或更大重量％或體積％乙醇的溶液中有作用的。其它實(shí)施方式中，膠束或反向膠束酶固定材料為多陰離子聚合物，如疏水改性的多糖，特別地，疏水改性的藻酸鹽。藻酸鹽為含有P-(l-4)-連接的D-甘露糖醛酸(mannuronicacid)和a-(l-4)-連接的L-古羅糖醛酸(guluronicacid)殘基的線(xiàn)性未支化聚合物。在未質(zhì)子化的形式中，|5-(1-4)-連接的D-甘露糖醛酸對(duì)應(yīng)于式3A的結(jié)構(gòu)且在未質(zhì)子化的形式中，a-(l-4)-連接的L-古羅糖醛酸對(duì)應(yīng)于式3B的結(jié)構(gòu)藻酸鹽是由甘露糖醛酸殘基的聚合物嵌段和古羅糖醛酸殘基的聚合物嵌段組成的異質(zhì)聚合物。藻酸鹽聚合物可以以多種方式來(lái)改性。一種類(lèi)型是采用大于銨離子(NBU+)的疏水陽(yáng)離子改性的藻酸鹽。該疏水陽(yáng)離子起到(l)支配聚合物孔尺寸和(2)作為幫助保持孔的pH水平的化學(xué)緩沖劑的雙重作用，二者都使酶穩(wěn)定。關(guān)于疏水陽(yáng)離子的笫一種作用，采用疏水陽(yáng)離子改性藻酸鹽產(chǎn)生酶固定材料，其中孔尺寸取決于疏水基團(tuán)的大小。由此，采用疏水陽(yáng)離子改性藻酸鹽的大小、形狀、和程度影響孔的大小和形狀。疏水陽(yáng)離子的這種作用容許孔尺寸制得更大或更小或者不同形狀以符合具體酶，通過(guò)改變疏水陽(yáng)離子的大小和支化。為了制備改性的藻酸鹽膜，第一步是澆鑄與疏水陽(yáng)離子的溶液的藻酸鹽聚合物的懸浮液以形成膜。隨后從該膜中提取出過(guò)量的疏水陽(yáng)離子和它們的鹽，然后再次澆鑄膜。再次澆鑄時(shí)，該膜含有與藻酸鹽膜的-<:02-位點(diǎn)相連系的疏水陽(yáng)離子。從該膜中除去疏水陽(yáng)離子的鹽導(dǎo)致更穩(wěn)定的和可再生產(chǎn)的膜，因?yàn)檫^(guò)量的鹽可以變?yōu)榉@在孔中或者導(dǎo)致膜中的孔隙?！N實(shí)施方式中，該生物陽(yáng)極包括電子導(dǎo)體和固定在酶固定材料中的酶。上面確定的生物陽(yáng)極組分彼此相鄰；表明它們是通過(guò)適當(dāng)方式物理或化學(xué)連接的。由于該組分通常與生物陰極組分相同，下面討論關(guān)注于各個(gè)元件組成的差別和功能的差別，當(dāng)恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候。1.電子導(dǎo)體酶在生物陽(yáng)極處催化燃料流體的氧化反應(yīng)。具體地，用于生物陽(yáng)極的示例性酶為發(fā)生反應(yīng)以氧化燃料流體的酶，且包括一個(gè)以上的氧化還原中心。例如，適宜的陽(yáng)極酶包括PQQ-依賴(lài)性(PQQ-dependent)脫氫酶、脂肪氧合酶(lipoxygenase)、或其組合。PQQ-依賴(lài)性醇脫氫酶提取自葡萄糖軒菌(gluconobacter)。3.酶固定材料用于生物陰極的氧化劑在固定酶的氧化還原中心的還原反應(yīng)中被消耗，采用生物陽(yáng)極提供的電子。氧化劑的分子尺寸足夠小，使得通過(guò)該酶固定材料的擴(kuò)散系數(shù)大。可以利用本領(lǐng)域中已知的提供氧化劑來(lái)源的各種方式。但是，不同于標(biāo)準(zhǔn)生物燃料電池，本發(fā)明的生物燃料電池利用至少一個(gè)微模制的電極。一種實(shí)施方式中，該微模制的電極具有通過(guò)容許燃料在該微電極內(nèi)流動(dòng)的結(jié)構(gòu)的流動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)生物燃料電池電極，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的電流密度，因?yàn)榕c燃料接觸的微電極表面積的量更大。另一實(shí)施方式中，該微模制的電極具有不規(guī)則形狀。另外，微電極的電流密度由于更大量的與燃料接觸的表面積而相對(duì)于傳統(tǒng)生物燃料電池電極更大。這些特征與本文中公開(kāi)的其它特征組合，由此由尺寸上更小的原料形成了相對(duì)于傳統(tǒng)生物燃料電池電流密度增加的生物燃料電池。最后，本發(fā)明的方法可以有益地用于經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)可一次性燃料電池。A.孩t流體通道在制作依據(jù)本發(fā)明的^:流體生物燃料電池時(shí)，^使用在其上構(gòu)成其它生物燃料電池組件的襯底。優(yōu)選實(shí)施方式中，第一步是形成電連接器，隨后制作微電極，和任選地定義生物燃料室。替換的實(shí)施方式中，在其它特征之后形成該電連接器。A.電連接器的制作本發(fā)明的微流體生物燃料電池是通過(guò)提供其上形成剩余組件的村底來(lái)形成的。該村底可以是由不導(dǎo)電的任何材料制成的，其將不會(huì)鈍化微電極的導(dǎo)電材料，通過(guò)加工將導(dǎo)電材料粘著于其上，并且可以將模具可逆地密封到其上。一種實(shí)施方式中，該襯底為玻璃。優(yōu)選實(shí)施方式中，該襯底為聚(二曱基硅氧烷)(PDMS)。另一優(yōu)選實(shí)施方式中，該襯底為聚碳酸酯。一種實(shí)施方式中，該襯底是平的。替換的實(shí)施方式中，該襯底可以呈現(xiàn)有利地適合特定應(yīng)用的幾何形狀。優(yōu)選實(shí)施方式中，在該襯底上形成的第一生物燃料電池特征為電連接器，其將在完成的生物燃料電池中與微電極電連接，由此提供用于將外部電負(fù)荷連接于微電極的途徑。該連接器可以是由任何導(dǎo)電材料制成的。示例性材料包括鉑、釔、金、這些貴金屬的合金、碳、鎳、銅和不銹鋼。優(yōu)選實(shí)施方式中，該連接器是由鉑制成的?？梢圆捎霉杈I(yè)中已知的傳統(tǒng)照相平板印刷技術(shù)將該連接器形成在襯底上。例如，為了形成薄層鉑電連接器，首先在襯底上、減射鈦粘合層。隨后在鈥層之上濺射鉑層。這兩個(gè)濺射過(guò)程可以，例如，在氬氣-離子濺射體系中進(jìn)行。隨后通過(guò)照片平板印刷術(shù)定義連接器，其中將光刻膠施用到鉑層上以保護(hù)期望的連接位置。采用可商購(gòu)獲得的蝕刻劑化學(xué)蝕刻該兩個(gè)層，隨后剝?nèi)ス饪棠z，將產(chǎn)生最終的鉑電連接器。替換的實(shí)施方式中，該電連接器是最后形成的特征。下面詳細(xì)描述這種實(shí)施方式。B.微電極的制作在鑄模中形成微通道之后，將鑄模的圖案形成側(cè)粘著于襯底以完成該微電極的模制。參見(jiàn)圖4(a)。在襯底上已預(yù)先形成電連接器(31)的實(shí)施方式中，該微通道應(yīng)在電連接器上對(duì)齊，使得完成的微電極將與連接器電連接。另外，將管狀連接器(30)粘著于襯底以保持隨后將變?yōu)槿肟谌萜鞯奈恢谩Ｔ谝罁?jù)本發(fā)明的方法中，將微電極進(jìn)行處理以將酶、和酶固定材料賦予到其中以形成生物陽(yáng)極。一些實(shí)施方式中，將含酶的酶固定材料施用到固化的微電極。為了形成生物陽(yáng)極，在固化微電極之后從襯底除去鑄模。參見(jiàn)圖4(c)。參照?qǐng)D4(d)，在鑄模的位置，將具有寬度為鑄模微通道的約兩倍的微通道(34)的氣體可滲透的模具可逆地密封在微電極上。該氣體可滲透的模具可以是由不導(dǎo)電的、不會(huì)鈍化電子導(dǎo)體且有利于溶劑的蒸發(fā)的任何材料制成的。優(yōu)選地，硅聚合物，如PDMS，用作該氣體可滲透的模具材料。更優(yōu)選地，熱塑性樹(shù)脂，如聚碳酸酯，為該氣體可滲透的模具材料。在氣體可滲透的模具就位之后，將含生物陽(yáng)極酶的酶固定材料施用到固化的微電極。這點(diǎn)通過(guò)將澆鑄溶液注射泵送到入口容器(33)中并通過(guò)氣體可滲透的模具到出口(35)來(lái)完成。對(duì)于完成的生物陽(yáng)極，參見(jiàn)圖4(d)。所有實(shí)施方式中，酶固定材料的具體組成和酶在上面I.B.2-I.B.3中詳細(xì)描述過(guò)。生物陽(yáng)極的優(yōu)選酶固定材料為四烷基銨改性的全氟磺酸-PTFE共聚物或者疏水改性的多糖，特別地，疏水改性的脫乙酰殼多糖。陽(yáng)極處優(yōu)選的酶為PQQ-依賴(lài)性脫氫酶。另外，所有實(shí)施方式中鑄才莫可以包括多于一個(gè)的微通道。2.生物陰極制作上面IILB.l.中描迷的微電極制作技術(shù)指的是其中依次形成生物陽(yáng)極和生物陰極的實(shí)施方式，隨后借助于微通道將生物陽(yáng)極和生物陰極連接以形成生物燃料電池的方法。替換的實(shí)施方式中，可以同時(shí)形成該生物陽(yáng)極和生物陰極。這種實(shí)施方式中，將單個(gè)鑄^t形成圖案以同時(shí)形成生物陽(yáng)極和生物陰極。替換性地，可以使用鑄模的組合來(lái)形成單個(gè)的生物陽(yáng)極和生物陰極。無(wú)論那種情形中，在同時(shí)形成生物陽(yáng)極和生物陰極之后，通過(guò)或是施用微流體通道形式或是改性鑄模來(lái)形成可操作的生物燃料電池，如上面III.B.3中詳細(xì)描述的那樣。上述實(shí)施方式描述了其中生物陽(yáng)極和生物陰極二者容納在生物燃料電池的微通道內(nèi)的生物燃料電池。雖然這是優(yōu)選的實(shí)施方式，但是本此時(shí)，通過(guò)將微流體生物陽(yáng)極或生物陰極與適宜外部陽(yáng)極或陰極組合來(lái)形成燃料電池。C.微流體生物燃料電池的用途本文中使用的術(shù)語(yǔ)"烴"和"烴基"描述了僅由元素碳和氫組成的化合物或基團(tuán)。這些部分包括烷基、鏈烯基、炔基、和芳基部分。這些部分也包括被其它脂肪族或環(huán)狀烴基取代的烷基、鏈烯基、炔基、和芳基部分，如烷芳基，鏈烯芳基、和炔芳基。除非相反地指出，否則這些部分優(yōu)選地包括1~20個(gè)碳原子。本文中單獨(dú)地或者作為另一基團(tuán)的一部分使用的術(shù)語(yǔ)"芳基"或"芳"表示任選取代的碳環(huán)芳基，優(yōu)選單環(huán)或雙環(huán)基團(tuán)，在環(huán)部分中含有612個(gè)碳原子，如苯基、聯(lián)苯基、萘基、取代的苯基、取代的聯(lián)苯基或取代的萘基。苯基和取代的苯基為更優(yōu)選的芳基。本文中單獨(dú)地或者作為另一基團(tuán)的一部分使用的術(shù)語(yǔ)"?；?，，表示從有機(jī)羧酸的基團(tuán)-COOH中除去羥基形成的部分，例如RC(O)-，其中R為Rlo術(shù)語(yǔ)"雜原子"應(yīng)含義為除碳和氫之外的原子。本文中單獨(dú)地或者作為另一基團(tuán)的一部分使用的術(shù)語(yǔ)"雜環(huán)"或"雜環(huán)的"表示任選取代的、完全飽和或不飽和的、單環(huán)或雙環(huán)的、芳族或非芳族的基團(tuán)，其至少一個(gè)環(huán)中具有至少一個(gè)雜原子，且優(yōu)選每個(gè)環(huán)中5或6個(gè)原子。雜環(huán)基團(tuán)優(yōu)選環(huán)中具有1或2個(gè)氧原子，l或2個(gè)石克原子，和/或1~4個(gè)氮原子，且可以通過(guò)碳或雜原子鍵合于分子的其余部分。示例性雜環(huán)包括雜芳基如咬喃基、噻吩基、p比咬基、噁唑基、吡咯基、丐1咮基、喹啉基、或異會(huì)啉基等。示例性取代基包括一種或多種下列基團(tuán)烴基、取代的烴基、酮類(lèi)、羥基、保護(hù)的羥基、酰基、酰氧基、烷氧基、鏈烯氧基、炔氧基、芳氧基、卣素、酰胺基、氨基、硝基、氰基、硫醇、縮酮、縮醛、酯和醚。下列實(shí)施例闡述了本發(fā)明。實(shí)施例實(shí)施例l:在不同碳表面上使用膽紅素氧化酶的直接電子轉(zhuǎn)移碳膏電極改性采用新填充的碳膏電極來(lái)進(jìn)行每個(gè)實(shí)驗(yàn)。在填充碳膏之后，采用一種碳材料來(lái)改性4個(gè)電極碳黑、碳蠕蟲(chóng)、直徑20nm和長(zhǎng)5-20微米的碳納米管、和Pt(在VulcanXC-72上)。使用未改性的碳膏電極作為對(duì)照。將改性電極浸沒(méi)在4°C下pH7.15pH緩沖溶液中的膽紅素氧化酶溶液中15分鐘。將含有l(wèi).Omg膽紅素氧化酶的膽紅素氧化酶溶液溶解于10mL0.1MpH7.15砩酸鹽緩沖液中。一旦電極在酶溶液中達(dá)到平衡，將它們置于真空干燥器中千燥約15分鐘。一旦千燥，將電極在脫氣pH7.15磷酸鹽緩沖溶液的對(duì)照溶液中進(jìn)行伏安試驗(yàn)。改性碳膏電極用作工作電極，然后與鉑網(wǎng)對(duì)電極和SCE參比電極連接。以0.01V/s的掃描速率將每個(gè)電極從0.8V-0.1V掃描。將每個(gè)改性碳膏電極在脫氣磷酸鹽緩沖液中試驗(yàn)之后，將試驗(yàn)溶液氧化并采用先前所述的相同參數(shù)掃描每個(gè)電極，由此確定是否發(fā)生了直接電子轉(zhuǎn)移。第三種方法(方法3)也是采用拋光玻璃質(zhì)碳電極開(kāi)始。隨后，通過(guò)含有0.05g懸浮在1.0mLpH7.15磷酸鹽緩沖液中的納米管，制得納米管膏料。將納米管懸浮液在ScientificIndustriesVortexGenie2中渦流以確保充分混合。將20^t升該納米管懸浮液用移液管移動(dòng)到干燥納米管膏料之上的電極的端部上，隨后使其早真空干燥器中干燥約15分鐘。將20微升如上所述制得的膽紅素氧化酶溶液用移液管移動(dòng)到干燥納米管膏料之上的電極的端部上。一旦干燥，將這些電極用5微升TBAB改性Nafion⑧聚合物以50rpm旋涂。使電極在真空干燥器中干燥約15分鐘。以如前所述相同的方式對(duì)采用TBAB改性Nafion⑧涂覆的納米管膏料/酶溶液旋涂的電極進(jìn)行試驗(yàn)。表2.對(duì)于形成碳納米管/酶/TBAB改性Nafion⑧復(fù)合材料的不同方法的通量提高的對(duì)比<table>tableseeoriginaldocumentpage39</column></row><table>實(shí)施例2:生物燃料電池中的膽紅素氧化酶陰極使用了兩種類(lèi)型的電化學(xué)電池。在U形玻璃槽中測(cè)試傳統(tǒng)燃料電池，其中陽(yáng)極和陰極室通過(guò)Nafion⑧117PEM膜(AlfaAesar)分開(kāi)。對(duì)于第二種類(lèi)型燃料電池(無(wú)膜燃料電池)，將生物陽(yáng)極和生物陰極引入到含有燃料溶液的50mL燒杯中。該燃料溶液由在pH7.15、7.5和8.0的磷酸鹽緩沖液中的1.0mM乙醇和1.0mMNAD+組成。使該溶液在空氣中達(dá)到平衡以確保試驗(yàn)之前緩沖液中溶解的氧。將電極定位分開(kāi)約lcm以確保它們不會(huì)彼此接觸。在U形玻璃槽中測(cè)試傳統(tǒng)燃料電池，其中陽(yáng)極和陰極室通過(guò)Nafion117PEM膜(AlfaAesar)分開(kāi)。陽(yáng)極液為不同pH的磷酸鹽緩沖液中的1.0mM燃料溶液，同時(shí)陰極液為暴露于空氣的具有不同pH的緩沖溶液。實(shí)驗(yàn)期間，唯一的氧源為緩沖液中溶解的氧。將完成的入0+-依賴(lài)性生物陽(yáng)極引入分開(kāi)的陽(yáng)極燃料電池室，其連接于含有膽紅素氧化酶生物陰極的其自己的陰極室。通過(guò)將生物陰極和生物陽(yáng)極置于含有在已暴露于空氣的pH8.0緩沖溶液中的l.OmMNAD+和1.0mM乙醇的燒杯中，形成無(wú)膜的乙醇/氧生物燃料電池。在先前研制的生物陽(yáng)極的正常試驗(yàn)期間，并不將NAD+加到緩沖溶液中，因?yàn)镹AD+已在生物陽(yáng)極內(nèi)靜電固定。但是，將NAD+加到用于測(cè)試該體系的溶液中以確?？赡軓纳镪?yáng)極中浸出的任何NAD+不會(huì)影響生物陰極反應(yīng)和生物陰極壽命。無(wú)膜生物燃料電池的初始開(kāi)路電壓為1.20V且最大功率密度為0.64mW/cm2。可以指出，開(kāi)路電壓和功率密度二者對(duì)于無(wú)膜體系來(lái)說(shuō)更高。對(duì)于其中膽紅素氧化酶不含氧化還原介體的生物燃料電池相對(duì)于含有含氧化還原介體的膽紅素氧化酶的生物燃料電池，開(kāi)路電壓增加為0.30V且功率密度增加為0.25mW/cm2。表3對(duì)比了在室溫下和不同緩沖液pH下不同生物燃料電池獲得的數(shù)據(jù)。可以看出，采用具有增加的溶液pH的傳統(tǒng)生物燃料電池，開(kāi)路電壓、電流密度和功率密度也增加。在pH8.0下獲得的最大開(kāi)路電壓為1.16V且電流密度為7.65mA/cm2和功率密度為0.45mW/cm2。對(duì)于無(wú)膜生物燃料電池，在相同工作條件下，在pH8.0下獲得的最大開(kāi)路電壓為1.10V且電流密度為11.7mA/cm2和功率密度為0.64mW/cm2。在pH7.15下獲得更高開(kāi)路電壓1.20V,但是在該pH下電流和功率密度低于pH8下的值。對(duì)于無(wú)膜生物燃料電池可以總結(jié)出，燃料溶液pH的增加導(dǎo)致開(kāi)路電壓的微小增加和電流與功率密度的增加。表3<table>complextableseeoriginaldocumentpage41</column></row><table>在室溫下pH8.0磷酸鹽緩沖液中的l.OmMNAD+溶液中，收集如上所述無(wú)膜生物燃料電池的其它實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖6顯示了該體系的示意性功率曲線(xiàn)。圖7顯示了該體系的輸出功率隨制作中的時(shí)間的變化。圖8顯示了50%濕度下輸出功率隨溫度的變化。下表詳細(xì)描述了不同乙醇濃度下的最大開(kāi)路電壓、最大電流密度和最大功率密度。<table>tableseeoriginaldocumentpage42</column></row><table>實(shí)施例3:脂肪氧合酶生物陽(yáng)極的制備利用具有NafionTM117膜分隔陽(yáng)極和陰極室的U形玻璃槽。燃料電池的陰極側(cè)填充緩沖液(pH7.15)且將鉑陰極部分懸浮在溶液中。燃料電池的陽(yáng)極側(cè)填充在lOOmL緩沖液中含有IO微升大豆油的超聲處理后的燃料溶液。將陽(yáng)極完全懸浮在溶液中。Nafion⑧用四丁基溴化銨(TBAB)、三乙基己基溴化銨(TEHA)、三曱基己基溴化銨(TMHA)、三甲基辛基溴化銨(TMOA)、三甲基癸基溴化銨(TMDA)、三甲基十二烷基溴化銨(TMDDA)、或三甲基十四烷基溴化銨(TMTDA)改性。下表詳細(xì)描述含有改性Nafion⑧膜和脂肪氧合酶的各種生物陽(yáng)極的結(jié)果。<table>tableseeoriginaldocumentpage43</column></row><table>實(shí)施例4:烷基改性脫乙酰殼多糖的制備通過(guò)快速攪拌將中分子量脫乙酰殼多糖(從Aldrich獲得)(0.500g)溶解于15mL1%乙酸中。這樣獲得粘稠的凝膠狀溶液并隨后加入15mL甲醇。使脫乙酰殼多糖凝膠攪拌約15分鐘，隨后將20mL醛(丁醛、己醛、辛醛、或癸醛)加到脫乙酰殼多糖凝膠中，隨后加入1.25g氰基硼氫化鈉。將凝膠連續(xù)攪拌直到懸浮液冷卻到室溫。將獲得的產(chǎn)物通過(guò)真空過(guò)濾分離并用150mL增量的甲醇洗滌三次。隨后將改性脫乙酰殼多糖在真空烘箱中40。C下干燥2小時(shí)，獲得片狀白色固體。在50%乙酸、氯仿、和叔戊醇中形成每種聚合物的1重量％懸浮液。實(shí)施例5:疏水改性脫乙酰殼多糖的熒光成像將2微升的每種聚合物懸浮液澆鑄在玻璃顯微載玻片(Fisher)上并在干燥器中干燥。將20微升體積的O.OlmMRu(bpy)+或O.OlmMFITC用移液管移動(dòng)到澆鑄的聚合物上并使其浸沒(méi)2分鐘。浸沒(méi)之后，將載玻片用18MQ水沖洗并使其在干燥器中干燥。利用OlympusBX60M表面焚光(epifluorescence)顯孩吏鏡(Melville，NY)使聚合物成像。在具有攝影機(jī)(SonySSC-DC50A)的40X超長(zhǎng)焦點(diǎn)距離鏡頭下觀(guān)察聚合物。采用汞燈實(shí)現(xiàn)焚光激發(fā)。4吏用幀接收器卡(IntegralTechnologies,Inc.,Indianapolis,IN)來(lái)收集圖像，并利用SPOT軟件(DiagnosticInstruments,Inc.)在DellPC上分析圖像。進(jìn)行在Ru(bpy)+和熒光素中的每個(gè)疏水改性聚電解質(zhì)的熒光成像，以確定疏水改性的形態(tài)影響。熒光研究顯示，在疏水改性脫乙酰殼多糖內(nèi)形成聚積體且形態(tài)隨烷基鏈長(zhǎng)而變化。丁基改性的脫乙酰殼多糖顯示具有小的、纖維狀互聯(lián)，但是己基改性的脫乙酰殼多糖具有含更小膠束域的大域。隨著烷基鏈長(zhǎng)增加，膠束域的數(shù)目降低，但是域的尺寸增加。未改性脫乙酰殼多糖的熒光顯孩t照片并未顯示截然不同的域，由此對(duì)于未改性脫乙酰殼多糖觀(guān)察不到膠束結(jié)構(gòu)。實(shí)施例6:疏水改性脫乙酰殼多糖的電化學(xué)測(cè)量使用0.05微米氧化鋁將玻璃質(zhì)碳工作電極(直徑3mm,CHInstmments)在Buehler拋光布上拋光并在18Mil7jC中沖洗。將2孩￡升每種聚合物懸浮液澆鑄到玻璃質(zhì)碳電極表面上并使其在真空干燥器干燥直到使用。采用循環(huán)伏安法測(cè)量在電極表面氧化還原物質(zhì)通過(guò)聚合物膜的通量。使工作電極在作為支撐電解質(zhì)的、含有0.1M硫酸鈉的1.0mM氧化還原物質(zhì)溶液中達(dá)到平衡，一起的還有鉑網(wǎng)對(duì)電極且相對(duì)于飽和甘汞參比電極測(cè)量。研究的氧化還原物質(zhì)為咖啡因、鐵氰化鉀、和Ru(bpy)32+。在連接于CHInstruments穩(wěn)壓器型號(hào)810的Dell計(jì)算機(jī)上收集和分析數(shù)據(jù)。以范圍從0.05V/S到0.20V/S的掃描速率進(jìn)行循環(huán)伏安。所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行三次且報(bào)道的誤差對(duì)應(yīng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。葡萄糖氧化酶(GOx)催化p-D-葡萄糖到D-葡糖酸-S-內(nèi)酯的氧化反應(yīng)，同時(shí)釋放出過(guò)氧化氫。這點(diǎn)對(duì)于P-D-葡萄糖是高特定的且并不作用于a-D-葡萄糖。存在過(guò)氧化物酶時(shí)，過(guò)氧化氫進(jìn)入到該試驗(yàn)的第二反應(yīng)中，其包括p-羥基苯甲酸和4-氨基安替比林，同時(shí)定量形成醌亞胺(quinoneimine)染料^^物，其在510nm下測(cè)量。在每種疏水改性Nafion和脫乙酰殼多糖膜中測(cè)量GOx酶的活性。在將GOx酶固定在疏水改性脫乙酰殼多糖膜之內(nèi)、并將其澆鑄在塑料瓶中之后，在510nm相對(duì)于水測(cè)量吸收。所有實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行三次且報(bào)道的誤差對(duì)應(yīng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。如上所述和表2中列表顯示的那樣，在懸浮于叔戊醇的己基改性脫乙酰殼多糖中觀(guān)察到葡萄糖氧化酶的最高酶活性。這些固定膜顯示GOx酶活性相對(duì)于緩沖液中的酶增加2.53倍。實(shí)施例9:脫乙酰殼多糖-丁基生物陰極另外，進(jìn)行了確定各種生物燃料電池操作的最佳溫度的研究。在不同溫度下測(cè)量關(guān)于(1)TBA改性的NafionNAD、依賴(lài)性醇脫氬酶陽(yáng)極和丁基脫乙酰殼多糖膽紅素氧化酶陰極、(2)丁基脫乙酰殼多糖NAD+-依賴(lài)性醇脫氫酶陽(yáng)極和TBA改性的Nafion⑧膽紅素氧化酶陰極、和(3)丁基脫乙酰殼多糖人0+-依賴(lài)性醇脫氫酶陽(yáng)極和丁基脫乙酰殼多糖膽紅素氧化酶陰極的最大開(kāi)路電壓(V)、最大電流密度(mA/cm"和最大功率密度(mW/cm2)。下表中給出了這些溫度數(shù)據(jù)。表.介導(dǎo)的生物陽(yáng)極(包括TBA改性的Nafion⑧和入0+-依賴(lài)性醇脫氫酶)和直接電子轉(zhuǎn)移生物陰極(包括丁基脫乙酰殼多糖和膽紅素氧化酶)<table>tableseeoriginaldocumentpage47</column></row><table>表.介導(dǎo)的生物陽(yáng)極(包括丁基脫乙酰殼多糖和入0+-依賴(lài)性醇脫氫酶)和直接電子轉(zhuǎn)移生物陰極(包括TBA改性的Nafion⑧和膽紅素氧化酶)<table>tableseeoriginaldocumentpage47</column></row><table>表.介導(dǎo)的生物陽(yáng)極(包括丁基脫乙酰殼多糖和入0+-依賴(lài)性醇脫氫酶)和<table>tableseeoriginaldocumentpage48</column></row><table>實(shí)施例10:烷基改性殼藻酸鹽的制備通過(guò)^f吏用3重量％藻酸鹽懸浮液共澆鑄溴化季銨，形成結(jié)合了溴化季銨的藻酸鹽膜。使用的聚合物為極低、低、或中分子量藻酸鹽。通過(guò)將溴化季銨加到3重量％懸浮液中制得混合物-澆鑄溶液。制得所有混合物-澆鑄溶液，使得溴化季銨的濃度比藻酸鹽懸浮液中羧酸位點(diǎn)的濃度過(guò)量。最優(yōu)化之后，確定最穩(wěn)定和可再生產(chǎn)的膜具有的溴化季銨濃度為交換位點(diǎn)濃度的三倍。為了確定孔特性，隨后將三滴每種聚合物置于載玻片上并使其干燥。徹底干燥之后，將它們浸沒(méi)在乙醇中的lmMRu(bpy)Z+中至少3小時(shí)。用乙醇沖洗掉之后，在采用熒光顯微鏡成像來(lái)觀(guān)察膠束結(jié)構(gòu)之前，使聚合物干燥。圖11中顯示了結(jié)構(gòu)的示例。另一實(shí)驗(yàn)中，將極低分子量藻酸鹽和十二烷基胺置于25%乙醇中并回流，以通過(guò)羧酸基團(tuán)的酰胺化制得十二烷基改性的藻酸鹽。實(shí)施例11:藻酸鹽電極的制備C銨陽(yáng)離子改性的藻酸鹽聚合物的3重量V。溶液懸浮在醇(akohol)中，并加入酶溶液(例如，膽紅素氧化酶)。將該溶液用移液管移動(dòng)到電極材料上。該電極材料通常為碳布、或其它碳材料。實(shí)施例12:藻酸鹽生物燃料電池通過(guò)與酶和緩沖液的溶液混合物澆鑄疏水改性藻酸鹽并將混合物用移液管移動(dòng)到碳布上，由此，形成類(lèi)似上面實(shí)施例10中所述的那些的生物陽(yáng)極，制得具有固定在疏水改性藻酸鹽中的陽(yáng)極酶的生物燃料電池?？梢允褂冒缟厦婧兔绹?guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/931，147(以美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2005/0095466公開(kāi))中所述的疏水改性Nafion⑧膜的生物陰極來(lái)形成具有生物陽(yáng)極和生物陰極的生物燃料電池。替換性地，通過(guò)與酶和緩沖液的溶液混合物澆鑄疏水改性藻酸鹽并將混合物用移液管移動(dòng)到碳布上，由此，形成生物陰極，制得具有固定在疏水改性藻酸鹽中的陰極酶的生物燃料電池?？梢允褂冒缟厦婧兔绹?guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/617，45(以美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)物陽(yáng)極和生物陰才及的生物燃料電池。另一實(shí)施方式中，可以制得具有固定在如上所述制得的疏水改性藻酸鹽中的陰極酶和具有固定在如上所述制得的疏水改性藻酸鹽中的陽(yáng)極酶的生物陽(yáng)極的生物燃料電池。實(shí)施例13:生物燃料電池從當(dāng)?shù)夭ＡУ曩?gòu)得鈉鉤玻璃(soda-limeglass)板。該板為7cm寬、10cm長(zhǎng)和1.54mm厚。通過(guò)將玻璃板浸沒(méi)在piranha溶液(70°/。濃硫^/30%過(guò)氧化氫)中15分鐘以除去有機(jī)雜質(zhì)，將它們清洗干凈。隨后將玻璃用Nanopure(18MH-cm)水徹底沖洗并用氮干燥。采用傳統(tǒng)平版印刷和濺射^支術(shù)，在該玻璃上制作特定圖案的鉑電極。每個(gè)板可以容納具有電極的幾個(gè)流動(dòng)通道。這點(diǎn)更特別地通過(guò)鈦層(用于粘合性能)和鈀層的氬離子'減射來(lái)完成。為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，將玻璃置于沉積體系(ThinFihnD印ositionSystem,KurtJ.LeskerCo.)中以沉積金屬。利用石英晶體沉積監(jiān)視器(InficonXTM/2,LeyboldInficon)監(jiān)控金屬的厚度。以2.3人/s的速率從Ti-靼中沉積鈦到200A深度。以1.9A/s的速率從Pd-靼中沉積鈀到2000A深度。將AZ1518正光刻膠動(dòng)態(tài)分散于涂覆鈀的玻璃上。在95。C下預(yù)烘焙1分鐘之后，通過(guò)正性膜紫外曝光9秒鐘。除去該膜并將玻璃置于可商購(gòu)獲得的顯像劑(AZ300MIF顯像劑)中45秒鐘。用水沖洗和用氮干燥之后，將該玻璃在95°C下后烘焙1分鐘。采用濕法蝕刻，利用王水(8:7:1H20:HC1:HN03)除去不需要的鈀和利用鈦蝕刻劑從玻璃中除去不需要的鈦。一旦完成之后，將該玻璃用丙酮和異丙醇沖洗以除去殘留的光刻膠并用氮干燥。采用l-mm金剛石鉆頭和Dremel旋轉(zhuǎn)工具(Dremel)，通過(guò)每個(gè)玻璃板鉆流動(dòng)出入孔，同時(shí)浸沒(méi)在水下。采用Dremd旋轉(zhuǎn)工具和連同的切割圓盤(pán)除去leur適配器的注射連接器部分。采用砂盤(pán)拋光之后，采用J.B.Weld將leur適配器固定到玻璃板上。使用前將環(huán)氧樹(shù)脂在烘箱中(75。C)固化2小時(shí)。通過(guò)銅線(xiàn)和膠體銀獲得與鉑電極的連接。0154為了制作碳油墨微電極，首先將PDMS微;漠制通道密封到與已徹底清潔的鉑導(dǎo)線(xiàn)(釆用leiir裝配連接)接觸的玻璃板上。首先用溶劑稀釋劑(N-160)將PDMS通道涂底漆(prime)。通過(guò)在一個(gè)容器中施加真空來(lái)除去稀釋劑。一除去稀釋劑，就將可商購(gòu)獲得的碳油墨和溶劑稀釋劑的混合物加到通道中并通過(guò)在相對(duì)端施加真空(借助于吸水器)使其穿過(guò)通道。制備油墨/稀釋劑混合物，使得加入的稀釋劑的體積為初始油墨重量的0.2%(v/w)。用碳油墨填充通道之后，將其中已施加真空的容器用油墨/稀釋劑溶液填充并將整個(gè)芯片置于烘箱中75°C下1小時(shí)。這段時(shí)間之后，可以從玻璃中除去PDMS，留下連接于玻璃表面的碳^L電極。通過(guò)將芯片置于單獨(dú)的烘箱中12。C下1小時(shí)，完成最后的固化/調(diào)節(jié)步驟。采用表面光度儀測(cè)量碳微電極的高度和借助顯微鏡測(cè)量寬度。對(duì)上述工序略微改變，以簡(jiǎn)化形成包括電子導(dǎo)體和酶固定材料的電極的過(guò)程。為此，將電子導(dǎo)體溶液改性以包括酶固定材料。通過(guò)加入2重量。/。的^k戊醇中的疏水改性脫乙酰殼多糖溶液或者3重量％的醇中的疏水改性藻酸鹽溶液，懸浮在ErconN160溶劑稀釋劑并徹底渦流，制得另一材料。最后，將lmL這種改性稀釋劑加到0.5gErconE-978(I)碳基油墨中。然后使所述改性電子導(dǎo)體溶液流過(guò)由鑄模和襯底形成的模腔并且根據(jù)本實(shí)施例中以上所述方法使其固化。本文中權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的其它實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)在考慮本文中公開(kāi)的發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)施時(shí)是顯然的。意味著該說(shuō)明書(shū)與實(shí)施例一起應(yīng)認(rèn)為僅是示例性的，其中本發(fā)明的范圍和精神由實(shí)施例之后的權(quán)利要求來(lái)表明。權(quán)利要求1、一種生物陽(yáng)極，包括(a)電子導(dǎo)體；(b)至少一種能夠與燃料流體反應(yīng)以生成氧化形式的燃料流體的陽(yáng)極酶，該陽(yáng)極酶能夠?qū)㈦娮俞尫沤o電子導(dǎo)體；和(c)能夠固定和穩(wěn)定該酶的酶固定材料，該材料可滲透燃料流體。2、一種生物陰極，包括(a)電子導(dǎo)體；(b)至少一種能夠與氧化劑反應(yīng)以生成水的陰極酶，該陰極酶能夠從電子導(dǎo)體中得到電子；和(c)能夠固定和穩(wěn)定該酶的酶固定材料，該材料可滲透氧化劑。3、一種用于發(fā)電的生物燃料電池，包括燃料流體；權(quán)利要求l的生物陽(yáng)極；和權(quán)利要求2的生物陰極。4、一種用于發(fā)電的生物燃料電池，包括燃料流體；權(quán)利要求1的生物陽(yáng)極；和陰極。5、一種用于發(fā)電的生物燃料電池，包括燃料流體；陽(yáng)極；和權(quán)利要求2的生物陰極。6、權(quán)利要求1~5中任一項(xiàng)的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該酶固定材料包括膠束或反向膠束結(jié)構(gòu)。7、權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該酶固定材料包括改性的全氟磺酸-PTFE共聚物。8、權(quán)利要求16中任一項(xiàng)的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該酶固定材料包括疏水改性的藻酸鹽。9、權(quán)利要求7或8的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中采用大于NH/的疏水陽(yáng)離子對(duì)該酶固定材料改性。10、權(quán)利要求9的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該疏水陽(yáng)離子包括基于銨的陽(yáng)離子、季銨陽(yáng)離子、烷基三甲氧基銨陽(yáng)離子、有機(jī)陽(yáng)離子、轔陽(yáng)離子、三苯基鱗、吡啶鑰陽(yáng)離子、咪唑鑰陽(yáng)離子、十六烷基吡啶鑰、乙錠、紫精、曱基紫精、千基紫精、雙(三苯基膦)亞胺、金屬絡(luò)合物、聯(lián)吡咬金屬絡(luò)合物、基于菲咯啉的金屬絡(luò)合物、[Ru(聯(lián)吡咬)3廣或[Fe(菲咯啉)33+。11、權(quán)利要求9的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該疏水陽(yáng)離子包括式4所示的季銨離子<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，R!、R2、R3和R4獨(dú)立地為氫、烴基、取代的烴基或雜環(huán)，其中R^R2、R3和Rt中的至少一個(gè)不為氫。12、權(quán)利要求11的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中R，、R2、R3和Rt獨(dú)立地為氫、甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基或癸基，其中R,、R2、R3和R4中的至少一個(gè)不為氫。13、權(quán)利要求11的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中R,、R2、R3和R4相同且為甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、或己基。14、權(quán)利要求11的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中Ri、R2、R3和Rj為丁基。15、權(quán)利要求11的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中Rj、R2、R3和R4中的一個(gè)為己基、辛基、癸基、十二烷基、或十四烷基，且其它獨(dú)立地為甲基、乙基、或丙基。16、權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該酶固定材料為疏水改性的多糖。17、權(quán)利要求16的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該多糖包括脫乙酰殼多糖、纖維素、甲殼質(zhì)、淀粉、直鏈淀粉、藻酸鹽、及其組合。18、權(quán)利要求17的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中所述膠束疏水改性的多糖對(duì)應(yīng)于式1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，n為整數(shù)；R^獨(dú)立地為氫、烴基、或取代的烴基；和Ru獨(dú)立地為氬、烴基、或取代的烴基。19、權(quán)利要求18的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該疏水改性的多^t的分子量為約卯000~約500000。20、權(quán)利要求18的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該疏水改性的多糖的分子量為約225000~約275000。21、權(quán)利要求18的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中R^獨(dú)立地為氫或烷基，且Ru獨(dú)立地為氫或烷基。22、權(quán)利要求18的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中Rjo獨(dú)立地為氫或己基，且Rn獨(dú)立地為氫或己基。23、權(quán)利要求18的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中R^獨(dú)立地為氫或辛基，且Ru獨(dú)立地為氫或辛基。24、權(quán)利要求1~23中任一項(xiàng)的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該電子導(dǎo)體包括基于碳的材料、金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體、金屬氧化物或改性的導(dǎo)體。25、權(quán)利要求1~23中任一項(xiàng)的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該電子導(dǎo)體包括基于碳的導(dǎo)體。26、權(quán)利要求25的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該電子導(dǎo)體包括碳布、碳紙、碳絲網(wǎng)印刷的電極、碳黑、碳粉、碳纖維、單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、碳納米管陣列、涂覆金剛石的導(dǎo)體、玻璃碳、中孑L碳、石墨、未壓制的石墨蠕蟲(chóng)、分層的純化片狀石墨、高性能石墨、高規(guī)則的熱解石墨、熱解石墨或多晶石墨。27、權(quán)利要求25的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該電子導(dǎo)體包括碳納米管。28、權(quán)利要求1~27中任一項(xiàng)的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該陰極酶或陽(yáng)極酶包括一個(gè)以上的氧化還原中心。29、權(quán)利要求28的生物陽(yáng)極、生物陰極、或生物燃料電池，其中該陰極酶或陽(yáng)才及酶包括膽紅素氧化酶、漆酶、PQQ-依賴(lài)性氫化酶、脂肪氧合酶、超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶、或其組合。30、權(quán)利要求2、3、和5~29中任一項(xiàng)的生物陰極或生物燃料電池，其中該陰極酶包括膽紅素氧化酶或超氧化物歧化酶。31、權(quán)利要求l、3、4、和6~30中任一項(xiàng)的生物陽(yáng)極或生物燃料電池，其中該陽(yáng)極酶包括PQQ-依賴(lài)性氫化酶或脂肪氧合酶。32、權(quán)利要求3~31中任一項(xiàng)的生物燃料電池，其中該氧化劑包括氧或過(guò)氧化物。33、權(quán)利要求32的生物燃料電池，其中該氧化劑包括氧。34、權(quán)利要求3~33中任一項(xiàng)的生物燃料電池，其中該燃料流體包括氨、甲醇、乙醇、丙醇、異丁醇、丁醇、異丙醇、烯丙醇、芳基醇、甘油、丙二醇、甘露醇、葡糖醛酸、醛、碳水化合物、葡萄糖、葡萄糖-1、D-葡萄糖、L-葡萄糖、葡萄糖-6-磷酸酯、乳酸酯、乳酸酯-6-磷酸酯、D-乳酸酯、L-乳酸酯、果糖、半乳糖-1、半乳糖、醛糖、山梨糖、甘露糖、甘油酸酯、輔酶A、乙?；鵆o-A、蘋(píng)果酸酯、異杵檬酸酯、甲醛、乙醛、乙酸酯、檸檬酸酯、L-葡糖酸酯、j5-羥基類(lèi)固醇、a-羥基類(lèi)固醇、乳醛、睪酮、葡糖酸酯、脂肪酸、脂質(zhì)、磷酸甘油酸酯、視黃醛、雌二醇、環(huán)戊醇、十六烷醇、長(zhǎng)鏈醇、松柏基-醇、肉桂基-醇、甲酸酯、長(zhǎng)鏈醛、丙酮酸酯、丁醛、?；?CoA、類(lèi)固醇、氨基酸、黃素、NADH、NADH2、NADPH、NADPH2或氫。35、權(quán)利要求34的生物燃料電池，其中該燃料流體包括曱醇、乙醇或丙醇。36、權(quán)利要求34的生物燃料電池，其中該燃料流體包括乙醇。37、權(quán)利要求3、和6~36中任一項(xiàng)的生物燃料電池，其中該生物陽(yáng)極或生物陰極并不通過(guò)鹽橋或聚合物電解質(zhì)膜分開(kāi)。38、一種采用權(quán)利要求337中任一項(xiàng)的生物燃料電池發(fā)電的方法，包括在陽(yáng)極或生物陽(yáng)極上氧化燃料流體和在陰極或生物陰極上還原氧化劑。全文摘要包含電子導(dǎo)體、至少一種陽(yáng)極酶或陰極酶、和酶固定材料的生物陽(yáng)極、生物陰極、和生物燃料電池。該陽(yáng)極酶能夠與燃料流體反應(yīng)以生成氧化形式的燃料流體，且能夠?qū)㈦娮俞尫沤o電子導(dǎo)體。該陰極酶能夠與氧化劑反應(yīng)以生成水，且能夠從電子導(dǎo)體中得到電子。用于陽(yáng)極酶和陰極酶二者的酶固定材料能夠固定和穩(wěn)定該酶，且可滲透燃料流體和/或氧化劑。文檔編號(hào)H01M4/90GK101351913SQ200680050217公開(kāi)日2009年1月21日申請(qǐng)日期2006年11月2日優(yōu)先權(quán)日2005年11月2日發(fā)明者B·L·特魯,R·杜馬,S·D·明特爾申請(qǐng)人:圣路易斯大學(xué)