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バイオ電気化学の実際―バイオセンサ・バイオ電池の実用展開―(普及版)

  • Practical Bioelectrochemistry―Recent Developments in Biosensors &amp Biofuel Cells―(Popular Edition)
2007年刊「バイオ電気化学の実際」の普及版。電気分析化学に軸足をおいたバイオセンサ・バイオ電池について、基礎から実用展開まで紹介 ! 水素、糖、アルコール、バイオマス等多様な燃料が利用できるバイオ電池 !!

商品コード: B1033

  • 監修: 池田篤治
  • 発行日: 2013年4月8日
  • 価格(税込): 5,400 円
  • 体裁: B5判、314ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0715-2

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  • ボルタンメトリー / アンペロメトリー / バイオエレクトロカタリシス / 酵素工学 / バイオセンサ / 血糖自己測定システム / グルコース-空気燃料電池 / MEMSバイオ電池 / アスコルビン酸燃料電池 / 直接電子移動型バイオ電池 / 微生物燃料電池

刊行にあたって

 代謝関連の酵素は酸化還元反応に関与することから独特の利用展開ができる。それは電気化学反応と酵素触媒反応の共役(バイオエレクトロカタリシス)に基礎をおくものである。電気化学計測は安価で簡便に微弱な信号を取り出すことができ小型化できるので、酵素触媒反応との共役によって生体物質の簡便で選択的な微量定量ができる。この方向への展開はバイオセンサの研究として知られ、簡易血糖計として実用化に至っており、製造プロセスの品質管理などへの産業利用も行われている。一方、エネルギー変換に目を向けると、バイオエレクトロカタリシス反応は食物のエネルギーを直接電気に変換する手だてを与えてくれる。この方向の研究はバイオ燃料電池(略してバイオ電池とも呼ばれる)の研究として最近多方面から注目され、実用化をめざす開発研究に関心が集まっている。
 このような新しい分野に興味を持つ人が、微生物や生化学を専門とする人々の中にも増えつつある。しかし自ら手を染めるには電気化学はとっつき難いという印象を与えているようである。分光法に比べて電気化学法はなじみが薄いことがその最大の理由と思われるが、専門外の人達を意識した解説書が少ないことも理由の一つかと思われる。本書では基礎編としてバイオ電気化学のエッセンスを説明することとし、応用編で取り上げるバイオセンサ、バイオ電池の内容理解に役立つようにした。さらに基礎編では、酸化還元酵素の構造と機能に関する最新の研究が、生化学、構造生物学の専門家によってわかりやすく説明されている。そのあとの応用編でバイオセンサ、バイオ電池の実際が取り上げられる。大学や研究所での基礎研究から、企業における実用化を見据えた開発研究までを含んだ最新情報を得ることができる。
 本書は、バイオセンサ、バイオ電池についての最新情報を提供するだけでなく、バイオ電気化学への導入書としても役立つことを意図して編集した。バイオセンサ、バイオ電池研究の現状と問題点の把握、今後の展開・展望への指針としてのみならず、微生物や生化学を専門とする人々が自ら電気化学法を使用し、基礎研究や応用研究に利用するための手引き書としてもお役に立つことを願う。

(「巻頭言」より抜粋)

2007年3月  池田篤治


<普及版の刊行にあたって>

 本書は2007年に『バイオ電気化学の実際―バイオセンサ・バイオ電池の実用展開―』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2013年4月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

池田篤治   福井県立大学 生物資源学部 生物資源学科 教授
巽広輔   福井県立大学 生物資源学部 生物資源学科 助手
片野肇   福井県立大学 生物資源学部 生物資源学科 助教授
加納健司   京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 教授
外山博英   山口大学 農学部 生物機能科学科 助教授
松下一信   山口大学 農学部 生物機能科学科 教授
緒方英明   マックスプランク生物無機化学研究所 博士研究員
樋口芳樹   兵庫県立大学 大学院生命理学研究科 教授
櫻井武   金沢大学大学院 自然科学研究科 物質科学専攻 教授
日竎隆雄   福井県立大学 生物資源学部 生物資源学科 助教授
西矢芳昭   東洋紡績(株) 敦賀バイオ研究所 研究員
八尾俊男   大阪府立大学 大学院工学研究科 物質・化学系専攻 応用化学分野 教授
内山俊一   埼玉工業大学 大学院工学研究科 教授
長谷部靖   埼玉工業大学 大学院工学研究科 助教授
水谷文雄   兵庫県立大学 大学院物質理学研究科 教授
丹羽修   (独)産業技術総合研究所 生物機能工学研究部門 副研究部門長
栗田僚二   (独)産業技術総合研究所 生物機能工学研究部門 研究員
中南貴裕   松下電器産業(株) くらし環境開発センター 主任技師
林隆造   王子計測機器(株) 大阪事業所 取締役
橋爪義雄   王子計測機器(株) 大阪事業所 マネージャー
石森義雄   (株)東芝 研究開発センター 先端機能材料ラボラトリー 研究主幹
橋本幸二   (株)東芝 研究開発センター 事業開発室 グループ長
高橋康史   東北大学大学院 環境科学研究科 環境科学専攻
安川智之   東北大学大学院 環境科学研究科 環境科学専攻 助手
珠玖仁   東北大学大学院 環境科学研究科 環境科学専攻 助教授
末永智一   東北大学大学院 環境科学研究科 環境科学専攻 教授
谷口功   熊本大学 大学院自然科学研究科(工学部 物質生命化学科)教授/工学部長
安部隆   東北大学大学院 工学研究科 バイオロボティクス専攻 助教授
西澤松彦   東北大学大学院 工学研究科 バイオロボティクス専攻 教授
藤原直子   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 次世代燃料電池研究グループ 研究員
辻村清也   京都大学 大学院農学研究科 応用生命科学専攻 助手
渡辺一哉   海洋バイオテクノロジー研究所 微生物利用領域 領域長
石井俊一   海洋バイオテクノロジー研究所 微生物利用領域 研究員

執筆者の所属表記は、2007年当時のものを使用しております。

目次

【基礎編】
第1章 基本事項
1. 代謝と電池
2. 電圧
3. 電流
4. 電圧と電流の関係:電気化学測定

第2章 ボルタンメトリーの実際
1. 測定
1.1 サイクリックボルタンモグラム
1.2 定常状態のボルタンモグラム
2. ボルタンメトリーで起こっていること
2.1 定常状態のボルタンモグラム
2.1.1 可逆電子移動反応の場合
2.1.2 電極電子移動反応が非可逆である場合
2.2 サイクリックボルタンモグラム

第3章 アンペロメトリーの実際
1. 酸素電極
1.1 電極と測定セル
1.2 測定例:酸化酵素の反応追跡
1.3 水素の測定
1.4 酸素電極で起こっていること
2. 膜被覆電極
2.1 測定例:微生物の嫌気的代謝反応の追跡
2.2 フロー系における測定
3. 回転円盤電極
4. 酵素電極
4.1 基本原理
4.2 実験例:酢酸菌の呼吸活性を利用するエタノールセンサ
5. 微小電極 
5.1 特長
5.2 微小電極で起こっていること

第4章 酵素電気化学:バイオエレクトロカタリシスの実際
1. 基本反応
2. バイオエレクトロカタリシス
3. 酵素反応速度解析
3.1 例1
3.2 例2
4. メディエータ型酵素電極:第二世代の酵素電極
4.1 基本原理
4.2 電極の構造とグルコースGlc濃度測定例
5. タンパク質の酸化還元電位測定

第5章 酵素工学の実際
1. キノ(ヘモ)プロテイン酸化還元酵素
1.1 はじめに
1.2 PQQキノプロテインの分類とアミノ酸配列上の特徴
1.3 PQQキノプロテインの立体構造
1.4 糖や糖アルコールを基質とするPQQキノプロテイン
1.5 可溶性PQQキノプロテイン・アルコール脱水素酵素(qMDH、Type-I&amp;Type-IIADH)
1.6 細胞膜結合型PQQキノプロテイン・アルコール脱水素酵素(Type-III ADH)
1.7 PQQキノヘモプロテインの分子内電子伝達
1.8 Type-III ADHのユビキノン・ユビキノール酸化還元活性
1.9 PQQキノプロテインの電極との反応性

2. ヒドロゲナーゼ
2.1 はじめに
2.2 [NiFe]ヒドロゲナーゼ
2.2.1 [NiFe]ヒドロゲナーゼの全体構造と活性部位の配位構造
2.2.2 DvM酵素の様々な状態のNi-Fe活性部位の構造
2.2.3 配位子の修飾原子の正体
2.2.4 Ni-A型とNi-B型のつくり分け
2.2.5 酸素耐性[NiFe]ヒドロゲナーゼ
2.3 [Fe]ヒドロゲナーゼ
2.4 Iron-sulfur cluster-freeヒドロゲナーゼ
2.5 モデル化合物
2.6 おわりに

3. マルチ銅オキシダーゼ

4. 構造生物学に基づいたタンパク質工学による酵素の安定化
4.1 はじめに
4.2 タンパク質工学的手法による熱安定性の向上化技術
4.3 ランダム変異を利用した臨床分析用酵素の安定化実例
4.3.1 コレステロールオキシダーゼ
4.3.2 グルコース6リン酸デヒドロゲナーゼ
4.4 立体構造解析に基づくBacillus属細菌由来ウリカーゼのタンパク質工学
4.4.1 Bacillus属細菌由来ウリカーゼの結晶構造解析
4.4.2 耐熱型インターフェースループII変異体の開発

【実用編―バイオセンサ】
第6章 メディエータ型酵素電極
1. 各種メディエータ型酵素電極
1.1 細胞膜酵素の利用(グルコン酸電極、フルクトース電極)
1.2 基質選択性の低い酵素の利用(アルドース電極)
1.3 NADH測定電極
2. 過酸化水素センサ
3. 不溶性基質の酵素活性測定
3.1 メディエータ型酵素電極を利用した糖質加水分解酵素反応の速度論的研究
3.2 グルコアミラーゼによるデンプン粒加水分解反応の速度解析
3.3 セロビオヒドロラーゼによる結晶性セルロース加水分解反応の速度解析
4. 微生物触媒電極
5. 微生物触媒電極の利用:大腸菌細胞膜酵素のインビボ活性化過程の追跡
6. まとめ

第7章 フローインジェクションバイオセンサ
1. はじめに
2. 酵素膜修飾電極を用いるFIA
2.1 化学修飾酵素膜電極
2.2 電極の形状
2.2.1 デュアル酵素電極によるD、L-アミノ酸の光学分割検出
2.2.2 トリプル酵素電極によるグルコース、L-乳酸、ピルビン酸の同時検出
2.3 増幅型酵素電極
2.3.1 酵素-電極間基質リサイクリング
2.3.2 酵素-酵素間基質リサイクリング
3. 酵素リアクターを用いるFIA
3.1 FIAシステムの基本構成
3.2 同時定量センサシステム
3.3 in vivoセンサシステム
4. おわりに

第8章 クーロメトリックバイオセンサ
1. はじめに
2. バッチインジェクション式セルの構造と測定方式
3. 多孔性炭素表面への生体分子の固定化法
3.1 吸着法
3.2 化学修飾法
3.3 電解重合膜包括法
4. 酵素を用いるバッチ式バイオクーロメトリー
5. 多孔性炭素電極を用いるフロー型バイオクーロメトリー

第9章 超微小電極とバイオセンサ
1. 超微小電極とは?
2. 超微小電極を用いたバイオセンサの特徴・利用
3. 電極修飾技術
4. 針状の電極を用いたバイオセンサ
5. 平板状の電極を用いたバイオセンサ
6. μ-TASを目指して
7. まとめ

第10章 血糖自己測定システム
1. 背景 糖尿病と血糖自己測定
2. 血糖センサ(A型)の開発
2.1 酵素および電子伝達体
2.2 電極作製
2.3 電極被覆および試薬担持
2.4 毛細管型血液キャビティ
2.5 センサの電流応答特性
2.6 妨害物質の影響
3. 血糖センサ(B型)の開発
3.1 酵素、電子伝達体、および試薬担持
3.2 電極およびキャビティ
3.3 センサの電流応答特性
4. 血糖測定器の開発
5. 血糖自己測定システムの最先端および将来展望

第11章 バイオセンサの産業利用
1. はじめに
2. 固定化酵素電極法バイオセンサ
3. オフラインバイオセンサの概要
4. 過酸化水素電極の例
5. 酵素電極の測定原理
6. バイオセンサの精度管理
7. バイオセンサのメンテナンス
8. 測定対象
9. オンラインバイオセンサ
10. 動物細胞用マルチチャンネルバイオセンサ
11. BODsセンサ―微生物センサの例―
12. BODsの原理
13. BODsセンサの例
14. BODsセンサの測定例
15. まとめ

第12章 電気化学的な遺伝子検出法―DNAセンサからDNAチップへ―
1. 何故電気化学検出なのか?
2. 電気化学的DNAセンサの検出原理
3. センサの作製と原理確認実験(B型肝炎ウイルス(HBV)検出を例にして)
4. 患者血清中のHBV遺伝子の測定
5. 他の電気化学的DNAセンサについて
5.1 SMMD法
5.2 ヘアピン型プローブを用いた電気化学的遺伝子検出法
6. 電流検出型DNAチップ
7. 電流検出型DNAチップを用いた検出例
7.1 薬物代謝酵素遺伝子解析用チップ
7.1.1 N-アセチルトランスフェラーゼ2(NAT2)
7.1.2 CYP2C19
7.1.3 CYP2C9
7.1.4 Multi-drug-resistance 1(MDR1)
7.2 C型肝炎テーラーメイド医療用DNAチップ
7.3 ヒトパピローマウイルス(HPV)検査用チップ
8. まとめ

第13章 生体物質の局所分析と電気化学イメージング
1. はじめに
2. 走査型電気化学顕微鏡(SECM)
2.1 SECMにおけるイメージングモード
2.2 SECMイメージングにおけるマイクロ電極の走査モード
2.3 電極の微細化
2.4 SECM測定システム
2.5 SECMによる酵素イメージング
2.6 SECMによる生細胞の代謝イメージング
3. 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡
3.1 SICMにおけるピペット-試料間距離制御
3.2 SICMによる生細胞表面の評価
4. おわりに

【実用編―バイオ電池】
第14章 バイオ電池の原理と実際
1. しくみと特徴
2. プロトタイプ水素‐酸素バイオ電池
2.1 水素-酸素バイオ電池の基本特性とその評価法
3. 水素の製造
4. 光合成‐呼吸電池
4.1 シアノバクテリアとビリルビンオキシダーゼ(BOD)を用いる光合成-呼吸電池

第15章 グルコース-空気燃料電池
1. はじめに
2. グルコース-空気反応のエネルギーと生物燃料電池の起電力
3. 糖-空気燃料電池構成のための電極反応特性
4. 酵素電極を用いたグルコース-空気生物燃料電池
5. 酵素系バイオ燃料電池特性の改良
6. 酵素の電極上での直接電子移動反応を利用した生物燃料電池特性の改良
7. グルコース酸化のための金属電極
7.1 金属電極の触媒作用
7.2 アンダーポテンシャルデポジション(UPD)法による触媒電極の作製
7.3 異種金属担持金電極上でのグルコース酸化反応特性
8. アルカリ性グルコース-空気燃料電池の作製
9. エネルギー事情・環境問題とグルコース-空気電池
10. おわりに:糖(グルコース)-空気電池の未来

第16章 MEMSバイオ電池技術
1. はじめに
2. MEMS微小機構の活用
3. MEMS製造技術の活用
3.1 MEMS製造技術とは?
3.2 バイオマイクロ燃料電池用材料
3.3 バイオマイクロ燃料電池のためのMEMS製造技術
4. MEMS燃料電池の例
5. おわりに

第17章 アスコルビン酸燃料電池
1. はじめに
2. アスコルビン酸の電気化学的酸化反応
3. アスコルビン酸燃料電池の発電特性
4. PEFCにおけるバイオ燃料利用の可能性

第18章 直接電子移動型バイオ電池
1. 直接電子移動型の酵素機能電極反応
2. 酸素還元反応触媒
2.1 マルチ銅酸化酵素
2.2 酵素反応律速の電流-電圧曲線
2.3 酸化還元電位と触媒電流
2.4 酸素拡散律速の電気化学的4電子還元反応
3. 燃料酸化極
4. 直接電子移動反応に基づくバイオ電池の試作と評価

第19章 微生物燃料電池の最新の進歩
1. はじめに
2. MFCの原理
2.1 MFCと内部抵抗
2.2 MFCの評価
3. MFC装置の進歩
3.1 発電力の向上
3.2 二槽式MFC
3.3 空気正極型MFC
3.4 堆積相MFC
3.5 その他のMFC
4. 電気産生微生物
4.1 電子メディエータとナノワイヤー
4.2 電気産生時の複合微生物群集
5. 実用化に向けて
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