JP7704441B2 - 電気化学デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、微生物太陽電池に代表される微生物を利用した電気化学デバイス、およびその製造方法に関する。

火力発電など化石燃料を用いる従来の発電システムでは、温室効果ガス排出による地球温暖化など深刻な環境問題、化石燃料の枯渇などを背景に、代替し得る環境調和システムとして、微生物太陽電池をはじめとする微生物を利用した電気化学デバイスが注目を集めている。微生物太陽電池は、光合成細菌やシアノバクテリアとも呼ばれる門に含まれる微生物を利用して、太陽光および水のみで発電できるシステムであり、排出物がなく、長寿命であることから、クリーンかつ持続可能であるという利点を有する。

しかし、微生物を利用した電気化学デバイスは、一般に、出力される電流密度（電流値を電極面積で割った値）が低く、実用化するには出力される電力（以下、単に出力）の向上が必要である。また従来の微生物を利用した電気化学デバイスでは、作用電極としてＩＴＯなどの平面的な電極を使用しており、電極上の初期細菌捕捉数が少なく、細菌数の増加を細菌増殖に依存するしかなく、起動から十分な出力を得るまでに数十時間以上の時間を要していた。

また、国際公開第２０１２／６６８０６号パンフレット（特許文献１）には、グラファイトフェルトやグラファイトプレートの表面にカーボンナノワイヤ構造を形成し、出力電流密度の向上のために電極表面積を増大させた微生物燃料電池が開示されている。しかしながら、電極表面積を増大させることにより、微生物を利用した電気化学デバイスによる出力には一定の改善が見込めるものの、起動から短時間で十分な出力を得る観点から、更なる改善が望まれている。

国際公開第２０１２／６６８０６号パンフレット 特許第６３７５５７８号

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、起動から短時間で十分な電力を出力し得る微生物を利用した電気化学デバイスを提供することである。

本発明は、開口を有する細孔を少なくとも１つ有する表層部を備える第１電極を含み、前記細孔は、少なくとも、その内面に導電性部位を有し、前記第１電極は、前記細孔の前記導電性部位を相互に導通させる導電経路を有し、前記細孔には、異なる分類階級または同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物が保持されている、電気化学デバイス（以下、当該発明を「第１の電気化学デバイス」と呼称する）に関する。

また本発明は、開口を有する細孔を少なくとも１つ有する表層部を備える第１電極を含み、前記細孔は、少なくとも、その内面に導電性部位を有し、前記第１電極は、前記細孔の前記導電性部位を相互に導通させる導電経路を有し、前記細孔には、平均粒径が有意に異なる電子供与微生物が保持されている、電気化学デバイス（以下、当該発明を「第２の電気化学デバイス」と呼称する）に関する。

第１、第２の電気化学デバイスのいずれであっても、前記電子供与微生物はシアノバクテリアであることが好ましく、中でも、オキシフォトバクテリア綱クロオコックス目に含まれるシネコシスティスとシネココッカスとの組み合わせであることがより好ましい。

第２の電気化学デバイスにおいて、平均粒径が有意に異なる電子供与微生物は同じ分類階級内の同じ電子供与微生物であってもよい。

第１、第２の電気化学デバイスのいずれであっても、前記表層部はハニカム状に配列された複数の細孔を有することが好ましい。

第１、第２の電気化学デバイスのいずれであっても、光合成を起こし得る波長を有する光が照射されることが好ましい。

第１、第２の電気化学デバイスのいずれであっても、前記電子供与微生物が負に帯電されており、正に帯電された磁性ナノ粒子を介して前記電子供与微生物が結合して複合体を形成していてもよい。

第１、第２の電気化学デバイスのいずれであっても、アノードとして前記第１電極を具備し、カソードとして前記第１電極とは異なる第２電極を具備することが好ましい。

本発明はまた、開口を有する細孔を少なくとも１つ有する表層部を備え、前記細孔は、少なくとも、その内面に導電性部位を有し、前記細孔の前記導電性部位を相互に導通させる導電経路を具備する電極を準備する工程と、前記細孔内に電子供与微生物を保持させる工程、とを含み、ここにおいて、前記細孔内に保持させる電子供与微生物が異なる分類階級または同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物である、電気化学デバイスの製造方法に関する（以下、当該発明を「第１の製造方法」と呼称する）。

また本発明は、開口を有する細孔を少なくとも１つ有する表層部を備え、前記細孔は、少なくとも、その内面に導電性部位を有し、前記細孔の前記導電性部位を相互に導通させる導電経路を具備する電極を準備する工程と、前記細孔内に電子供与微生物を保持させる工程、とを含み、ここにおいて、前記細孔内に保持させる電子供与微生物が平均粒径が有意に異なる電子供与微生物である、電気化学デバイスの製造方法についても提供する（以下、当該発明を「第２の製造方法」と呼称する）。

第１、第２の製造方法のいずれであっても、前記電極に電子供与微生物を含む液体を接触させた状態で、前記電極の表層部にレーザ光を照射することによって前記液体中に対流を生じさせることにより、前記細孔内に電子供与微生物を捕集することが好ましい。

また第１、第２の製造方法のいずれであっても、前記電子供与微生物が負に帯電されており、正に帯電された磁性ナノ粒子を介して複合体を形成しており、磁力を利用して複合体を細孔内に捕集することが好ましい。

本発明によれば、起動から短時間で十分な電力を出力し得る微生物を利用した電気化学デバイスを提供することができ、例えば、高効率な微生物太陽電池を提供することができる。

本発明の電気化学デバイスの好ましい一例である微生物太陽電池１の概念図である。 本発明の電気化学デバイスにおける第１電極の一例の平面画像（図２（ａ））および拡大断面画像（図２（ｂ））である。 シアノバクテリアであるシネコシスティス（synechocystis sp.）のＳＥＭ画像（図３（ａ））および実体顕微鏡像（図３（ｂ））である。 シアノバクテリアであるシネココッカス（synechococcus sp.）のＳＥＭ画像（図４（ａ））および実体顕微鏡像（図４（ｂ））である。 本発明の電気化学デバイスに好適に用いられ得る電子供与微生物２２，２３と磁性ナノ粒子２４との複合体２１を模式的に示す図である。 実験例で実際に作製した、電子供与微生物と磁性ナノ粒子との複合体のＳＥＭ画像である。 正に帯電した磁性ナノ粒子２４の表面を模式的に示す図である。 図６に示した複合体２１を用いた場合の細孔への捕集を模式的に示す図である。 マイクロレンズアレイを用いて液体中に対流を生じさせるプロセス（ａ）および微生物が捕集されるプロセス（ｂ）の説明図である。 比較実験１の結果を示す図であり、図１０（ａ）はシネココッカスについての結果（左側：サンプル１、右側：サンプル２）、図１０（ｂ）はシネコシスティスについての結果（左側：サンプル３、右側：サンプル４）、図１０（ｃ）はシネココッカスおよびシネコシスティスについての結果（左側：サンプル５、右側：サンプル６）の蛍光顕微鏡像である。 比較実験２で用いたアノード電極評価用セルを示しており、図１１（ａ）は概念図、図１１（ｂ）は写真である。 比較実験２の電流密度の擬似太陽光応答性に関する結果を示すグラフであり、図１２（ａ）はシネココッカス単独、図１２（ｂ）はシネコシスティス単独、図１２（ｃ）は複合体についての結果をそれぞれ示す。 比較実験２の擬似太陽光照射による電流密度の増加分ΔＩの擬似太陽光強度依存性に関する結果を示すグラフである。 図１４（ａ）は、比較実験３で用いた電力評価用の電気回路図を模式的に示し、図１４（ｂ）は、比較実験３で用いた電力評価用の微生物太陽電池４１を模式的に示している。 図１５（ａ）は、比較実験３において擬似太陽光照射下で得られたＩ－Ｖの関係を示すグラフであり、図１５（ｂ）は、比較実験３において擬似太陽光照射下で得られたＩ－Ｐの関係を示すグラフである。 比較実験４の結果を示す図であり、図１６（ａ）は磁力を利用した場合、図１６（ｂ）はレーザ光による対流を利用した場合の蛍光顕微鏡像である。 比較実験４の磁力を利用した場合、レーザ光による対流を利用した場合の擬似太陽光照射下での電流密度の増加分ΔＩを比較して示すグラフである。

［１］電気化学デバイス
本発明の電気化学デバイスは、開口を有する細孔を少なくとも１つ有する表層部を有する電極（「第１電極」）を含む。細孔は、少なくとも、それぞれの内面に導電性部位を有する。第１電極は、細孔の導電性部位を相互に導通させる導電経路を具備する（上述の「第１の電気化学デバイス」、「第２の電気化学デバイス」の両方を指すときは「本発明の電気化学デバイス」と総称する）。本発明の電気化学デバイスでは、前記細孔内に、電子供与微生物が保持される。「電子供与微生物」とは代謝作用によって電子を発生する微生物である。これにより、微生物が生成した電子の細孔内での効率的な授受が可能となる。電子供与微生物として光合成細菌を用いた場合には光合成を起こし得る波長を有する光（白色光、たとえば、太陽光、ソーラーシミュレーターによる擬似太陽光、蛍光灯、ＬＥＤなどからの光）を照射することにより高効率に電子供与を行い、発電または光センシングに利用することができる。光合成を起こし得る波長としては２００～３５００ｎｍ、好ましくは近紫外－可視－近赤外域４００～８００ｎｍの波長を利用することができる。

第１電極の表層部の細孔内に捕捉された電子供与微生物は、頻繁に、もしくは常時、細孔の内面の導電性部位に接触するため、効率的に導電性部位と電子供与微生物との間で電子の授受が行われる。導電性部位に移動した電子は、導電性部位を相互に導通させる導電経路を介して電極を流れ、集電される。すなわち、微生物と導電経路との距離が非常に短く、電子伝達効率に優れ、抵抗要素が少ない。このような電気化学デバイスは、電力を出力する性能と感度に優れ、容易に、短時間で高電流密度を達成することができる。

第１の電気化学デバイスは、前記細孔内に保持された電子供与微生物が、異なる分類階級または同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物であることを特徴とする。ここで、微生物の分類階級とは界（kingdom）、門（phylum）、綱（class）、目（order）、科（family）、属（genus）、種（species）を指す。ここで、「異なる分類階級」とは、「界」、「門」、「綱」、「目」、「科」、「属」、「種」が異なる電子供与微生物を指し、「同じ分類階級内でも異なる」とは、同じ「界」、「門」、「綱」、「目」、「科」、「属」、「種」に含まれる異なる電子供与微生物を指す。第１の電気化学デバイスは、細孔内に異なる分類階級または同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物を含んでいればよく、電子供与微生物は２種に限らず、３種以上含んでいても勿論よい。

電子供与微生物としては、シネコシスティス（Synechocystis sp.）、シネココッカス（Synechococcus sp.）、Arthrospira platensis（スピルリナ）、Anabaena sp. PCC 7120、Pseudanabaena （Limnothrix） sp. ABRG5-3、Halomicronema hongdechlorisなどのシアノバクテリア、シュワネラ・ロイヒカ（S. loihica）、シュワネラ・オネイデンシス（S. oneidensis）、シュワネラ・プトレファシエンス（S. putrefaciens）、及びシュワネラ・アルガ（S. algae）などのシュワネラ属の微生物、ジオバクター・サルフレドゥセンス（G. sulfurreducens）、ジオバクター・メタリレドゥセンス（G. metallireducens）などのジオバクター属の微生物、シュードモナス・エルギノーサ（P. aeruginosa）などのシュードモナス属の微生物、ロドフェラックス・フェリレドゥセンス（R. ferrireducens）などのロドフェラックス属などが例示されるが、これらに限定されるものではない。好ましくは、第１の電気化学デバイスにおいては、上記例示した電子供与微生物から選ばれる少なくとも２種が用いられる。

なお、第１の電気化学デバイスにおいては、異なる分類階級または同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物を用いているのであれば、それらの平均粒径（定義は後述）は互いに有意に異なる（定義は後述）ものでなくともよい。

第２の電気化学デバイスは、前記細孔内に保持された複数の電子供与微生物が、平均粒径が有意に異なるものであればよい。ここで、電子供与微生物の「平均粒径」とは、シネコシスティス、シネココッカスなどの球菌の場合には直径の平均値±標準偏差を指し、シュワネラ・ロイヒカなどの桿菌の場合には長軸の長さの平均値±標準偏差を指すものとする。また、この「平均粒径が有意に異なる」とは、算出された平均値が１．１倍以上、好ましくは２倍以上異なっていることを意味する。なお、電子供与微生物の平均粒径は、具体的には、顕微鏡像からサンプルについて粒径を測定し、平均をとることで算出される。

ここで、第２の電気化学デバイスに用いられる電子供与微生物は、細孔内に収容可能な大きさであれば平均粒径は特に制限されるものではなく、平均粒径が大きい電子供与微生物の平均粒径は好ましくは１～１０μｍの範囲内、より好ましくは２～５μｍの範囲内である。また、平均粒径が有意に異なる電子供与微生物を高い密度で細孔内に充填し得る観点からは、平均粒径が小さい電子供与微生物の平均粒径を１とした場合に、平均粒径が大きい電子供与微生物の平均粒径は、１．２～１０倍の範囲内の比率であることが好ましく、１．５～５倍の範囲内の比率であることがより好ましい。

第２の電気化学デバイスにおいて用いられる電子供与微生物は、第１の電気化学デバイスに好適に用いられる電子供与微生物として例示した中から、平均粒径が有意に異なるものを好適に用いることができるが、これに限定されるものでは勿論ない。

なお、第２の電気化学デバイスにおいて用いられる電子供与微生物は、平均粒径が有意に異なっているのであれば、同じ分類階級内の同じ電子供与微生物であってもよい。具体的には、電子供与微生物は、同じ分類階級内の同じ電子供与微生物同士でも個体により粒径にばらつきがあるが、本発明においては、同じ分類階級内の同じ電子供与微生物を粒径の大小により平均粒径が有意に異なる群に分け、これらを混合したものであってもよい（群に分けるという操作を経ずに、粒径のばらつきがある複数の同じ分類階級内の同じ電子供与微生物である場合とは区別される）。

本発明の電気化学デバイスにおいて、細孔内に保持される電子供与微生物は、（１）異なる分類階級または同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物である（第１の電気化学デバイス）、および／または、（２）平均粒径が有意に異なるものである（第２の電気化学デバイス）。勿論、後述するシネコシスティスとシネココッカスの組み合わせのように、上記（１）、（２）を同時に兼ね備える場合であってもよい。このような上記（１）および／または（２）を備える本発明の電気化学デバイスによれば、従来の電気化学デバイスと比較して、より高い密度で電子供与微生物を細孔内に保持することが可能となり、起動から短時間で十分な電力を出力し得る微生物を利用した電気化学デバイスを提供することができ、例えば、高効率な微生物太陽電池を提供することができる。

本発明の電気化学デバイスは、通常使用時には、細孔内に媒質が保持され、媒質中に電子供与微生物が内包される。この媒質は電解質とも呼ばれ、気体、液体および固体のいずれでもよく、これらの中間状態の媒質でもよい。中でもイオンを含む液体が好ましく、このイオンを含む液体としては水を主成分とする液体が好適であるが、微生物が生存可能な環境を形成できる液体であれば、特に限定されない。

導電性部位は、電子供与微生物との接触が可能な細孔の内面の少なくとも一部に設けられていればよいが、細孔の内面のできるだけ多くの領域（例えば、細孔の内面の全面もしくは全面の９０％以上）に設けられることが好ましい。また、導電経路は、表層部のできるだけ多くの領域（例えば、全細孔の９０％以上）を相互に導通できることが好ましい。表層部全体もしくは第１電極全体が導電性部位であってもよい。

第１電極の形状は、特に限定されず、開口を有する細孔を少なくとも１つ有する表層部を備えればよい。また、細孔形状や開口形状も特に限定されず、任意の形状でよい。細孔形状としては、たとえば、円柱形、角柱形、球形、楕円球形もしくはこれらに類似の形状が挙げられる。

第１電極が、非導電性材料と導電性材料で形成されている場合、少なくとも、導電性部位を相互に導通させる導電経路は、導電性材料で形成される。導電性材料は、金属材料でもよく、カーボンでもよく、半導体でもよく、有機物質でもよい。

電子供与微生物を内包するイオンを含む液体の少なくとも一部は、細孔の内面と液体との界面における界面張力により細孔内に担持されている。すなわち、第１電極の細孔のサイズは、当該界面張力によって電子供与微生物を内包するイオンを含む液体を保持可能なサイズであればよい。そのような細孔内では、電子供与微生物は、細孔の内面の導電性部位に接触する頻度が高くなりやすく、より高効率な発電が可能になる。

細孔を有する表層部は、光吸収性の材料を含むことが好ましい。光吸収性の材料を用いることで、後述するように、細孔内に効率的に微生物を捕集することが可能になる。光吸収性の材料としては、金属、半導体、有機物質などのナノ微粒子やマイクロ微粒子が挙げられる。ここで、「光吸収性」とは、物質により吸収される光の強度がゼロより大きい性質を意味する。光の波長領域は、紫外領域、可視領域および近赤外領域のいずれかの領域でもよく、これら３つの領域のうちの２つの領域にまたがる領域でもよく、３つの領域のすべての領域にまたがる領域でもよい。光吸収性は、たとえば光の吸収率の範囲によって定義することができる。吸収率の範囲の下限は、ゼロよりも大きければよく、特に限定されない。なお、吸収率の範囲の上限は１００％である。

前記表層部は、複数の細孔を有し、この複数の細孔は、一定程度以上の規則性を有して表層部に配列されていることが好ましい。規則的に配列した複数の細孔内に微生物を担持させることで、電極の表層部に微生物を均一に存在させることができる。よって、（ｉ）単位面積あたりの微生物の担持量が多くなり、（ｉｉ）微生物の分布が均一になり、（ｉｉｉ）微生物に燃料が均一に供給されるなどの利点が得られる。中でも、表層部における細孔密度を効率的に高めることができる点で、細孔は、表層部にハニカム状に配列していることが好ましい。ここで、「ハニカム状」とは、本願発明者らによる特許第６３７５５７８号（特許文献２）にも記載したように、複数の正六角形が２次元方向に六方格子状（ハチの巣状）に配列された形状を指す。複数の正六角形の各々には細孔が形成され、各細孔はナノメートルのオーダーからマイクロメートルのオーダーまでの範囲の開口を有する孔であり、貫通孔であってもよく非貫通孔であってもよい。また、細孔の形状は特に限定されず、円柱形、角柱形、真球形を除く球形（たとえば半球形または半楕円球形）等の任意の形状を含み得る。ハニカム状の中でも、六方最密格子が特に好ましい。

本発明の電気化学デバイスには、微生物太陽電池、微生物燃料電池、微生物電気分解セル、バイオセンサなどが包含される。これらの電気化学デバイスは、アノードとして第１電極を具備し、カソードとして第１電極とは異なる第２電極を具備する。第１電極は、細孔内に保持されたイオンを含む媒質と、イオンを含む媒質中に内包された電子供与微生物とを有する。また、必要に応じて、電解液としてイオンを含む媒質を収容する電解槽を具備する。ただし、本発明の実施形態に係る電気化学デバイスは、特に限定されず、例えばこれらの電気化学デバイスの構成部品も包含する。構成部品としては、プローブ、センサ部などが挙げられる。

以下、本発明の電気化学デバイスの好ましい一例として、微生物太陽電池の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る微生物太陽電池１の概念図である。微生物太陽電池１は、電解槽２と、アノード３と、カソード４とを備え、アノード３およびカソード４は、電解槽２中に収容された電解液５中に浸漬され、また、カソード４には、曝気などによって酸素（空気）が供給される。またアノード３とカソード４とは、外部回路６に電気的に接続されている。このような構成におけるアノード３として、上述した第１電極が用いられており、アノード３の表層部に含まれる少なくとも１つの細孔内に電子供与微生物７が保持される。電解槽２の一部、または各電極は、光合成を起こし得る波長を有する光（図１では太陽光）を透過し、アノード３に到達できることが好ましい。

図１に示す構成の微生物太陽電池１において、太陽光８を受け、アノード３側において、電子供与微生物７の光合成過程によって電子（ｅ^－）９およびプロトン（Ｈ^＋）が供与され、この電子９が外部回路６を介してカソード側４へ移動し、カソード４側では、プロトンが酸素により酸化され、結果として水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

図１に示すような微生物太陽電池１において、カソード４としては、たとえば、炭素、金属などの導電体が用いられ、また、カソード４の表面には、たとえば白金などの触媒が担持される。電解液５としては、特に限定されないが、水を好適に用いることができる。

図１には示していないが、アノード３とカソード４との間に隔膜を設け、二槽式の微生物太陽電池としても勿論よい。この場合、隔膜としては、水素イオンを選択的に透過できるプロトン交換膜（ＰＥＭ）が好適に用いられる。このようなプロトン交換膜としては、たとえばパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質を用いることができ、具体例としては、ナフィオン（登録商標：デュポン社）が挙げられる。また、ポリビニルアルコールなどの炭化水素系高分子とタングステン酸などの無機化合物とが複合化した有機／無機複合化合物の膜を用いてもよい。

さらに、必要に応じて、電子伝達性介在物質Ｍを添加することができる。電子伝達性介在物質とは、たとえば酸化還元メディエータ化合物、電子メディエータ、導電性微粒子のように、微生物から電極に電子を運搬できる電子運搬体をいう。

酸化還元メディエータ化合物とは、主として電子供与微生物内で生産された後、細胞外に放出される電子シャトル化合物をいう。電子シャトル化合物は、微生物／電極間を往復しながら、自身の酸化還元によって、微生物の代謝により発生した電子を電極に運搬する。たとえば、フェナジン－１－カルボキサミド、ピオシアニン、２－アミノ－３－カルボキシ－１，４－ナフトキノン（ＡＣＮＱ）が挙げられる。

電子メディエータとは、酸化還元メディエータ化合物と同様の機能を有する人工的に合成された酸化還元化合物をいう。たとえば、ニュートラルレッド、サフラニン、フェナジンエトスルフェート、チオニン、メチレンブルー、トルイジンブルー、フェノチアジノン、レゾルフィン、ガロシアニン、２－ヒドロキシ－１，４－ナフトキノン（ＨＮＱ）、ポルフィリンが挙げられる。

導電性微粒子とは、電子供与微生物と結合し、当該微生物から電子を抽出した後、その電子を電極に伝達し得る、金属又は半導体からなる微粒子であり、たとえば、酸化鉄、硫化鉄、酸化マンガンが挙げられる。

ここで、図２（ａ）は、図１ではアノード３に用いられる本発明の電気化学デバイスにおける第１電極の一例の平面画像であり、図２（ｂ）は、その拡大断面画像である。本発明の電気化学デバイスにおいて、第１電極は、その表層部が、図２（ａ）に示されるようにハニカム状に配列された複数の細孔を有することが好ましいが、細孔を複数有する場合の配列パターンは勿論これに限定されるものではない。また、図２（ｂ）では、細孔の内面は球面状であるが、これに限定されない。隣接する細孔同士は、電極の表層部の内部で連結していてもよく、各細孔が内壁に囲まれて独立していてもよい。

図２（ｂ）に示すように細孔の内面が球面状である場合、一旦、細孔内にトラップされた電子供与微生物は、球面状の内面に沿った方向に移動が規制されるため、細孔の外に放出されにくいと考えられる。細孔内に捕捉された電子供与微生物は、その後、電解液と接触させて電気化学デバイスとして使用しても、長期間にわたって細孔内に留まり続けることが明らかになっている。

各細孔は、電子供与微生物が侵入できる開口を有する。細孔のサイズは、細孔の内面と液体との界面における界面張力によって電子供与微生物を内包する液体を保持可能なサイズであればよい。細孔内に保持される電子供与微生物の形状は、球状（球菌）でもロッド状（桿菌）でもよい。

上述のように、本発明の電気化学デバイスにおいて、細孔内に保持される電子供与微生物は、（１）異なる分類階級または同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物である（第１の電気化学デバイス）、および／または、（２）平均粒径が有意に異なるものである（第２の電気化学デバイス）。図３は、シアノバクテリアであるシネコシスティス（synechocystis sp.）のＳＥＭ画像（２００００倍）（図３（ａ））および実体顕微鏡像（４００倍）（図３（ｂ））であり、図４は、同じくシアノバクテリアであるシネココッカス（synechococcus sp.）のＳＥＭ画像（２００００倍）（図４（ａ））および実体顕微鏡像（４００倍）（図４（ｂ））である。シネコシスティスとシネココッカスとは科（family）または種（species）が異なり、また、実体顕微鏡で１００（体）のサンプルの平均粒径を計測したところ、シネココッカスの平均粒径が１．３２±０．１３μｍ、シネコシスティスの平均粒径が２．７４±０．２４μｍであり、１０％以上の粒径の違いがあることが分かった。このように、シネコシスティスとシネココッカスとの組み合わせは、同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物（科または種が異なる）（Komarek, J., Kastovsky, J., Mares, J. & Johansen, J.R. (2014). “Taxonomic classification of cyanoprokaryotes (cyanobacterial genera) 2014, using a polyphasic approach”. Preslia 86: 295-335を参照）であると共に平均粒径が有意に異なるといえ、上記（１）、（２）を同時に兼ね備える場合に該当する。

図５は、本発明の電気化学デバイスに好適に用いられ得る電子供与微生物２２，２３と磁性ナノ粒子２４との複合体２１を模式的に示す図である。また図６は、後述する実験例で実際に作製した複合体のＳＥＭ画像である。本発明の電気化学デバイスでは、電子供与微生物が負に帯電されており、正に帯電された磁性ナノ粒子を介して電子供与微生物２２，２３が結合して複合体２１を形成していてもよい。図５に示す例では、電子供与微生物２２，２３は共に負に帯電しており（平均粒径の大きい電子供与微生物２２がシネコシスティスである場合、ゼータ電位は－１１ｍＶ、平均粒径の小さい電子供与微生物２３がシネココッカスである場合、ゼータ電位は－２１ｍＶ）、平均粒径の大きい電子供与微生物２２の表面に複数の正に帯電した磁性ナノ粒子が静電的に結合する。この電子供与微生物２２の表面に静電的に結合した複数の磁性ナノ粒子２４に、平均粒径の小さい電子供与微生物２３が静電的に結合することで、１つの電子供与微生物２２に対し複数の電子供与微生物２３が磁性ナノ粒子２４を介して結合した複合体２１が形成される。

磁性ナノ粒子の材料としては、マグネタイト、ヘマタイト、コバルト、のほか鉄白金などが用いられるが、原材料が安価であり、大量に合成することが可能であることから、マグネタイトが好ましい。ここで、図７は、正に帯電した磁性ナノ粒子２４の表面を模式的に示す図である。図７には、シランカップリングを利用して、マグネタイト（磁性ナノ粒子）の表面に正の電荷（ＮＨ_３ ^＋）を付加した場合が示されている。マグネタイトは、ゼータ電位が約＋１５ｍＶであるが、シランカップリング処理後にはゼータ電位は約＋２４～５４ｍＶとなる。

図８は、図５に示した複合体２１を用いた場合の細孔への捕集を模式的に示す図である。図５に示したような複合体２１を用いた場合には、磁性ナノ粒子２４を含むため、後述するように、磁石３２を用いた、磁力を利用した複合体２１の細孔３１内への捕集が可能となる。磁石３２としては、たとえばネオジム磁石、電磁石を好適に用いることができるが、これに限定されるものでは勿論ない。

［２］電気化学デバイスの製造方法
本発明の電気化学デバイスの製造方法は、開口を有する細孔を少なくとも１つ有する表層部を備え、前記細孔は、少なくとも、その内面に導電性部位を有し、前記細孔の前記導電性部位を相互に導通させる導電経路を具備する電極を準備する工程と、前記細孔内に、電子供与微生物を保持させる工程とを含む（上述の「第１の製造方法」、「第２の製造方法」の両方を指すときは「本発明の電気化学デバイスの製造方法」と総称する）。

第１の製造方法は、前記細孔内に保持させる電子供与微生物が異なる分類階級または同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物であることを特徴とする。このような第１の製造方法は、上述した第１の電気化学デバイスを製造する方法であり、「異なる分類階級」、「同じ分類階級内でも異なる」などの用語の定義については、第１の電気化学デバイスについて上述したとおりである。

第２の製造方法は、前記細孔内に保持させる電子供与微生物が平均粒径が有意に異なる複数の電子供与微生物であることを特徴とする。このような第２の製造方法は、上述した第２の電気化学デバイスを製造する方法であり、「平均粒径」、「平均粒径が有意に異なる」などの用語の定義については、第２の電気化学デバイスについて上述したとおりである。

本発明の電気化学デバイスの製造方法において、電極を準備する工程は、たとえば以下のようにして行うことができる。

まず、疎水性の有機溶媒に薄膜形成材料を溶解させた液組成物を調製し、液組成物の液膜を形成する。液組成物の液膜は、支持体上に形成すればよい。支持体としては、ガラス、金属、炭素材料、シリコン材料、高分子材料などが挙げられる。高分子材料としては、用途に応じて、柔軟性に富むポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンなどを用いることができる。

次に、液膜上に水系溶媒の液滴を生じさせる。水系溶媒としては、水が好ましい。たとえば、液膜上に高湿度空気を吹き付ければよい。高湿度空気は、相対湿度５０～９５％であることが好ましい。液組成物の液膜中から有機溶媒が蒸発する際、液膜表面の潜熱が奪われる。このため液膜表面の温度が下がり、高湿度空気中の水蒸気が凝結して微小な水滴となり、液膜表面に付着する。このとき、有機溶媒と水の表面張力は、互いにその界面を最小にしようと働くため、水滴は互いに凝集して成長する。

液組成物中には、有機溶媒と水系溶媒の両方に親和性を有する両親媒性化合物や界面活性剤を添加することが好ましい。液組成物中の両親媒性化合物や界面活性剤の働きによって、水滴の周囲に有機溶媒（液組成物）が存在する状態が安定となる。よって、水滴は液膜中に取り込まれ、その表面積を最小にするため液膜内で球状となる。さらに、横毛管力が働くため、水滴同士は、液膜表面に沿って、できるだけ最密に充填され、ハニカム状の配列を形成しながら成長する。この状態から有機溶媒の蒸発が進み、液組成物中の薄膜形成材料が一定濃度以上に達すると、薄膜成分が析出し、水滴の配列が固定される。

その後、水滴が蒸発すると、ハニカム状に並んだ細孔と、細孔を取り囲む薄膜成分の骨格部分が残り、開口を有する細孔がハニカム状配列された表層部を有する電極前駆体を得ることができる。ハニカム状の配列は、界面張力や自然対流によって自発的に進行するため、自己組織化と呼ばれ、極めて均一かつ規則的な構造となることが知られている。

薄膜形成材料としては、高分子材料又はその原料が好適に用いられる。具体的には、ポリ乳酸、ポリヒドロキシ酪酸、ポリカプロラクトン、ポリエチレンアジペート、ポリブチレンアジペートなどの脂肪族ポリエステル；ポリメチルメタクリレート、ポリテトラヒドロフルフリルメタクリレートなどのポリアクリル酸エステル類；ポリブチレンカーボネート、ポリエチレンカーボネートなどの脂肪族ポリカーボネート；ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエステルイミドなどのポリイミド類；ポリスチレンなどを挙げることができる。また、２種以上をポリマーブレンドとして用いられてもよい。

薄膜形成材料として、モノマー材料を用いて、液膜形成後に重合させてもよい。この場合、上述の高分子材料の重合に用いられるモノマー化合物を適宜選択して用いることができる。さらに、高分子材料とモノマー材料及び／又はオリゴマー材料、ポリイオンなどを組み合わせてもよい。また、架橋剤、触媒などを用いてもよい。

疎水性の有機溶媒としては、水系溶媒に対して溶解しないものであればよい。具体的には、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン系有機溶媒；ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素；酢酸エチル、酢酸ブチルなどのエステル類；メチルイソブチルケトンなどの非水溶性ケトン類；ジエチルエーテルなどのエーテル類；などを挙げることができる。また、二硫化炭素などの溶媒も用いることが可能である。

両親媒性化合物は、特に限定されるものではないが、たとえば、ポリアクリルアミドを主鎖骨格とし、疎水性側鎖としてドデシル基、親水性側鎖としてカルボキシル基を併せ持つ両親媒性ポリマーや、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールブロックコポリマ一などが挙げられる。

疎水性側鎖は、メチレン基、フェニレン基などの非極性直鎖状基であり、エステル基やアミド基などの連結基を除いて、末端まで極性基やイオン性解離基などの親水性基を分岐しない構造であることが好ましい。たとえばメチレン基を用いる場合は５以上のユニットからなることが好ましい。親水性側鎖は、メチレン基などの連結部分を介して末端に極性基やイオン性解離基、またはオキシエチレン基などの親水性部分を有する構造であることが好ましい。中でも、親水基成分としてジメチルジステアリルアンモニウムブロミド、疎水基成分としてポリスチレンスルホン酸ナトリウムを有する化合物を、ポリイオンコンプレックスの形態で用いることが好ましい。

界面活性剤としては、通常知られているアニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤、両性界面活性剤などを用いることができる。中でもヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド（ＣＴＡＢ）が好ましい。

なお、細孔の内壁の高さは、電子供与微生物の短軸（球菌の場合は直径）よりも大きいことが好ましい。ただし、少なくとも１つの電子供与微生物を捕捉可能であれば特に限定されるものではない。具体的には、細孔の内壁の高さは、たとえば０．５μｍ～５００μｍであり、２μｍ～１００μｍが好ましく、２μｍ～５０μｍがより好ましく、２μｍ～１０μｍがさらに好ましい。また、細孔の直径（水平方向の直径）は、特に制限されないが、０．５μｍ～５００μｍが好ましく、２μｍ～５０μｍがより好ましく、２μｍ～１０μｍがさらに好ましい。なお、第１電極の表層部の細孔は、細孔１つあたり２個（すなわち、異なる分類階級または同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物であるか、または平均粒径が有意に異なる電子供与微生物を少なくとも含む）以上、好ましくは１０個以上の電子供与微生物が捕捉されている状態であることが好ましい。

次に、電極前駆体に対し、複数の細孔の内面に導電性部位を形成するとともに、導電性部位を相互に導通させる導電経路を形成し、第１電極を形成する。導電性部位と導電経路を形成する具体的な手段としては、たとえば、細孔の内面を含む電極前駆体の表層部の最表面に、全面的に導電性被膜を形成すればよい。また、電極前駆体の表層部に導電性微粒子をドープしてもよい。あるいは、あらかじめ薄膜形成材料に導電性微粒子を混合しておくことによって電極前駆体全体に導電性を付与してもよい。

導電性被膜を形成する方法としては、スパッタ、蒸着、電気めっき、無電解めっき、吹き付け、スピンコートなどの公知の方法を用いることができる。中でも、薄く均一な導電性被膜を形成できる点でスパッタが好ましい。導電性被膜を形成する材料としては、金、白金、銀、銅、チタン、ニッケル、亜鉛、カーボン、ＩＴＯなどの金属酸化物などが好ましく、中でも金が好ましい。

次に、第１電極の表層部の細孔内に微生物を捕集する方法について説明する。
図５に示したような、正に帯電された磁性ナノ粒子を介して負に帯電した電子供与微生物が結合して形成された複合体２１を用いる場合には、図８に示したように、電極の、細孔を有する表層部とは反対側に磁石３２を配置することで、磁力により磁性ナノ粒子を複合体ごと引き寄せ、細孔内に捕集させることができる。このような方法を用いて捕集する場合、後述する対流を利用して捕集する方法において１点のレーザ光照射を利用する場合と比較すると、比較的短い時間で電子供与微生物の捕集を行うことができるという利点がある。

また、図５に示したような複合体を用いない場合には、従来公知のように、液体中に対流を生じさせて、電子供与微生物を移動させ、細孔内に捕集するようにすればよい。液体を対流させる方法は、特に限定されず、液体をポンプで循環させる方法、たとえばノズルなどを用いて液体の吸引と吐出を行う方法（ピペッティング）、液体を振とうする方法が挙げられる。電気泳動や誘電泳動を利用する方法でもよい。例えば、電場に対して平行に電子供与微生物が配列することを利用して、電場によって電子供与微生物の方向を制御すれば、電磁気学的ポテンシャルの安定領域に電子供与微生物を移動させることができる。

光や熱を利用して、液体中に電磁気学的な力や対流を発生させることも可能である。光の電磁波としての性質を利用し、電磁気学的な力で微小物体を捕捉する光ピンセットにより、電子供与微生物を任意の場所で捕捉することができる。また、表層部が光吸収性の材料を含む場合には、第１電極の表層部にレーザ光を照射することにより、光熱変換効果を利用して液体中に温度勾配を発生させ、効果的に対流を生じさせることができる。一般に、レーザ光の照射点近傍は高温になる。一方、光吸収性の被膜を表層部に形成したハニカム状の電極の隔壁上部を加熱する場合、高温になる箇所は局所的な狭い領域のみに抑制される。よって、効果的に対流を起こすことができ、かつ電極上の殆どの領域で電子供与微生物に与える熱の影響を抑制でき、電子供与微生物の機能を維持したまま、微生物を捕捉できる。

第１電極の表層部にレーザ光を照射する場合、光の照射面積を微小範囲に限定することが好ましい。具体的には、電子供与微生物を担持する細孔エリアを避けて、隣接する細孔間の壁部分に焦点（レーザスポット）を照射すればよい。細孔間の壁部分に照射されたレーザ光は、この部分で熱に変換され、微小な気泡を形成するとともに、局所的な温度上昇をもたらす。これにより液体中に温度差が生じ、レーザスポットを中心に、周辺の細孔外から細孔内に電子供与微生物を運搬するような対流が発生する。そのような対流は、一旦、細孔内に捕捉された電子供与微生物を細孔内に捕捉し続ける作用も有する。細孔内に捕捉された電子供与微生物は、その走化性により一方向にしか進むことができないため、レーザ光照射を停止した後も捕捉され続ける。

また、電極の表層部に、多分岐した複数のレーザ光を照射することによって、前記液体中の複数個所で対流を生じさせることができる。具体的には、マイクロレンズアレイによりレーザ光を多分岐して、１回の照射で同時に多数の壁部分にレーザ光を照射してもよい。図９（ａ）に、マイクロレンズアレイにより分岐されたレーザ光が複数の壁部分に照射され、微小な気泡が複数形成されている様子を示す。これにより、表層部の複数個所で液体中に対流が生じる。図９（ｂ）に、対流によって電子供与微生物が移動し、複数の細孔内に電子供与微生物が同時に捕捉される様子を示す。マイクロレンズアレイを用いることで、電子供与微生物を細孔内に捕集する作業の効率が大幅に向上する。

レーザ光としては、２００ｎｍ～２０００ｎｍの波長（空気または水中、以下同様）の光を用いることができる。中でも、第１電極の表層部の構成材料、細孔形状、レーザ光の波長などを、局在表面プラズモン共鳴条件が満たされるように選択することで、光熱変換効果を顕著に得ることができる。たとえば、ナノオーダの金属粒子に対し、波長４００ｎｍ～８００ｎｍのレーザ光を照射すると、局在表面プラズモン共鳴が生じる。スパッタリングにより形成される金薄の導電性被膜は、数十ナノメートルの微細なナノ金属粒子の集積構造体であり、光熱変換効果を発現しやすい。光吸収率が高い黒体に近い材料（たとえばカーボンナノチューブ黒体、金属ナノ粒子固定化ビーズなど）も好ましい。

実験例にて後述するように、多点のレーザ光照射の場合と、上述の複合体２１を用いた磁力を利用した場合との、細孔内へ捕集された電子供与微生物の密度を比較したところ、多点のレーザ光照射の場合の方が高い密度で、細孔内へ電子供与微生物を捕集できていたことが分かった。

以下、本発明を実験例に基づいて更に具体的に説明する。ただし、以下の実験例は、本発明を限定するものではない。なお、実験例では、球面状の内面を有する細孔がハニカム状に配列された電極を、「ハニカム薄膜」ともいう。

＜実験例＞
（原料溶液の調製）
６４．５ｍｇのポリスチレンスルホン酸ナトリウムを５０ｍＬの超純水に溶解させた溶液を透明になるまで攪拌した。また、２００ｍｇのジメチルジステアリルアンモニウムブロミドを１００ｍＬの超純水に溶解させた溶液を７０～８０℃に加熱しつつ半透明になるまで攪拌した。

続いて、ジメチルジステアリルアンモニウムブロミドの溶液を攪拌しつつ、その温度を維持したままポリスチレンスルホン酸ナトリウムの溶液をジメチルステアリルアンモニウムブロミドの溶液に加え、さらに２０分間攪拌した。これにより生じたコロイド状のポリイオンコンプレックス（ＰＩＣ）析出物の吸引濾過を行なった。吸引濾過されたＰＩＣを真空デシケータ内で乾燥させた。その後、１２．５ｍｇのポリスチレンと２．５ｍｇのＰＩＣとを１０ｍＬのクロロホルムに混合し、その混合溶液を５分間激しく混合して、原料溶液を調製した。

（ハニカム薄膜の作製）
２４ｍｍ×６０ｍｍ×０．１５ｍｍのガラス支持体上に、原料溶液を４５０μＬ滴下した。エアポンプで相対湿度５０～７０％の空気を、９０ｍＬ／ｍｉｎの速度で吹き付けた後、自然乾燥させることでハニカム薄膜を作製した。

図２（ａ）は、得られたハニカム薄膜の平面画像であり、図２（ｂ）は、その拡大断面画像である。細孔の開口部の直径は５．０μｍ、深さは３．０μｍで、開口部の直径の標準偏差は０．１μｍ以下であり、均一性の高い細孔を有するハニカム薄膜が得られた。ハニカム薄膜の膜厚は３μｍであった。ハニカム薄膜の拡大断面画像（図２（ｂ））から、細孔が球面状の内面を有することが確認された。隣接する細孔同士は、ハニカム薄膜の厚み方向の中間付近で貫通孔により連結していた。

（導電性被膜の形成）
株式会社日立ハイテクノロジーズ製のスパッタ装置（イオンスパッタＭＣ１０００）と、Ａｕターゲット（０３Ｅ－４２３３）を用いて、ハニカム薄膜上に、金スパッタ処理を行い、第１電極を作製した。

金スパッタ処理を施したハニカム薄膜（第１電極）に対して、株式会社日立ハイテクノロジーズ製のＸ線元素分析装置（ＴＭ３０００付属のＳｗｉｆｔＥＤ３０００）を用いて元素分析を行ない、金原子由来のピークが観察されることを確認した。上記ピークは、ハニカム薄膜の上面部と、複数の細孔内の底面や壁面などに渡って観察され、複数の細孔に導電性部位が形成されていることと、導電性部位を相互に導通させる導電経路が形成されていることを確認した。金被膜の膜厚は４５ｎｍであった。

（正に帯電した磁性ナノ粒子の作製）
ＦｅＣｌ_３・６Ｈ_２Ｏを４．３２ｇ、ＦｅＣｌ_２・４Ｈ_２Ｏを１．５９ｇ量り（ｍｏｌ比で２：１)、８０ｍＬの純水に溶かし、撹拌しながら８０℃まで加熱し、２８％ アンモニア水を１０ｍＬ加え、以下のように反応させ、磁性ナノ粒子としてマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）を得た。大塚電子社製のゼータ電位測定装置（ＥＬＳＺ－ＤＮ２）を用いて、得られたマグネタイトのゼータ電位を測定したところ、＋１５．０４ｍＶであった。

Ｆｅ^２＋＋２ＯＨ^－→Ｆｅ（ＯＨ）_２↓
Ｆｅ^３＋＋３ＯＨ^－→Ｆｅ（ＯＨ）_３↓→ＦｅＯＯＨ↓＋Ｈ_２Ｏ
Ｆｅ（ＯＨ）_２↓＋２ＦｅＯＯＨ↓→Ｆｅ_３Ｏ_４↓＋２Ｈ_２Ｏ
その後、１～３ｍＬの３－アミノプロピルトリエトキシシランを加え、９０分間加熱撹拌してシランカップリング処理を行なった（加熱は全て８０℃）。乾燥後、１０ｍｇ／ｍＬとなるよう純水に分散させ、図７に模式的に示したような、正に帯電した磁性ナノ粒子が得られた。この正に帯電した磁性ナノ粒子の平均粒径は１２．４ｎｍであり、ゼータ電位は＋２４～５４ｍＶであった。

（電子供与微生物の調製）
シネコシスティス（Synechocystis sp.）（国立環境研究所 微生物系統保存施設より入手）およびシネココッカス（Synechococcus sp.）（国立環境研究所 微生物系統保存施設より入手）を濃縮し、シネコシスティスについてはＯＤが８の分散液、ＯＤが１０の分散液を調製し、シネココッカスについてはＯＤが２の分散液とＯＤが１０の分散液を調製した。なお、分散媒としてはリン酸緩衝液を用いた。なお、電子供与微生物についてゼータ電位を測定したところ、シネコシスティスが－１１ｍＶ、シネココッカスが－２１ｍＶであった。

（複合体の作製）
１００ｍＭのｐ－ベンゾキノン溶液と１０ｍｇ／ｍＬの正に帯電した磁性ナノ粒子の分散液（分散媒：超純水）を調製した。マイクロチューブ２本ずつに、それぞれ、ＯＤ１０のシネコシスティスの分散液、ＯＤ８のシネコシスティスの分散液、ＯＤ１０のシネココッカスの分散液を１ｍＬ入れた。ＯＤ８のシネコシスティスの分散液に、それぞれ５μＬの正に帯電した磁性ナノ粒子の分散液を加えて攪拌し、チビタン－Ｒ（東京硝子器械株式会社製）を用いて５分間遠心分離した。上澄みを同量のＯＤ２のシネココッカスの分散液に置換し、ｐ－ベンゾキノン溶液１０μＬを加え、よく攪拌して細菌混合溶液を調製した。ＯＤ１０のシネコシスティスの分散液およびＯＤ１０のシネココッカスの分散液のチューブに、それぞれ、正に帯電した磁性ナノ粒子の分散液５μＬと、ｐ－ベンゾキノン溶液１０μＬを加え、よく攪拌した。このようにして、図５に示したような、電子供与微生物が負に帯電されており、正に帯電された磁性ナノ粒子を介してシネコシスティスとシネココッカスとが結合して形成された複合体を作製した。図６は、得られた複合体のＳＥＭ画像（４００倍）である。

［比較実験１］
以下のサンプルをそれぞれ調製した。

・サンプル１：シネココッカス単独
・サンプル２：シネココッカスと正に帯電した磁性ナノ粒子との混合物
・サンプル３：シネコシスティス単独
・サンプル４：シネコシスティスと正に帯電した磁性ナノ粒子との混合物
・サンプル５：複合体（シネコシスティス－正に帯電した磁性ナノ粒子－シネココッカス）
・サンプル６：シネコシスティスとシネココッカスとの混合物
これらの各サンプルについて、図８に示したようにネオジム磁石を用い、磁力を利用したハニカム薄膜の細孔内への捕集を行なった。図１０は、この比較実験１の結果を示す図であり、図１０（ａ）はシネココッカスについての結果（左側：サンプル１、右側：サンプル２）、図１０（ｂ）はシネコシスティスについての結果（左側：サンプル３、右側：サンプル４）、図１０（ｃ）はシネココッカスおよびシネコシスティスについての結果（左側：サンプル５、右側：サンプル６）の蛍光顕微鏡像（１００倍）である。図１０から、複合体（シネコシスティス－正に帯電した磁性ナノ粒子－シネココッカス）を用いることで、磁力を利用して、ハニカム薄膜の細孔内に高い密度でシネコシスティスおよびシネココッカスを捕集できた。

［比較実験２］
（アノード電極評価用セルの組み立て）
図１１は、比較実験２で用いたアノード電極評価用セルを示しており、図１１（ａ）は概念図、図１１（ｂ）は写真である。第１電極をガラス支持体とともにポリテトラフルオロエチレン製の上部セル部材と下部セル部材とで挟持して、アノード電極評価用セルを組み立てた。上部セル部材には、直径２．０ｍｍの円柱状の貫通孔を設け、貫通孔の底面に第１電極（アノード）の表層部を露出させた。貫通孔と第１電極（アノード）の表層部によって形成される空間が電解槽である。電解槽は、底面積３．１４ｃｍ^２、深さ７．０ｍｍ、容積２．０ｍＬである。電解槽内に、白金（Ｐｔ）ワイヤ製の対極と、Ａｇ／ＡｇＣｌ（飽和ＫＣｌ溶液）参照極とを挿入した。また、電解槽の底面の第１電極（アノード）、対極、参照極からなる三極をポテンシオスタット（ＡＬＳ－８３０Ｃ、ＢＡＳ株式会社製）に接続した。複合体（シネコシスティス－正に帯電した磁性ナノ粒子－シネココッカス）の分散液２ｍＬを、第１電極に注入し、０．６Ｖの電圧を印加し、１０００Ｗ／ｍ^２の擬似太陽光を３０秒間隔で照射して電流測定を行なった。比較のため、シネココッカス単独、シネコシスティス単独の場合についても、同様に行なった。また、光照射強度（光強度）を５０、１００、５００、１０００Ｗ／ｍ^２に切り換え、電流密度の光強度依存性についての評価を行なった。

図１２は、比較実験２の電流密度の擬似太陽光応答性に関する結果を示すグラフであり、図１２（ａ）はシネココッカス単独、図１２（ｂ）はシネコシスティス単独、図１２（ｃ）は複合体についての結果をそれぞれ示しており、いずれも、縦軸は電流密度（Ａ／ｍ^２）、横軸は時間（ｓ）である。図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されるように、いずれの場合においても照射光のオン／オフで電流密度の鋭敏な増減が確認され、電流密度の光応答性が確認された。

また図１３は、比較実験２の擬似太陽光照射による電流密度の増加分ΔＩの擬似太陽光強度依存性に関する結果を示すグラフであり、縦軸はΔＩ（Ａ／ｍ^２）、横軸は光強度（Ｗ／ｍ^２）である。図１３に示されるように、いずれの場合においても光強度の増加に伴い電流密度も増加したことが確認された。ここで、光強度が１０００Ｗ／ｍ^２の場合で比較すると、シネコシスティス単独の場合（平均粒径と第１電極の細孔１個の大きさとの関係から、細孔１個あたり１ｃｅｌｌのシネコシスティスが保持されているものと考えられる）の電流密度は、シネココッカス単独の場合（平均粒径と第１電極の細孔１個の大きさとの関係から、細孔１個あたり１９ｃｅｌｌｓのシネココッカスが保持されているものと考えられる）の電流密度の約４２倍であった。これに対し、複合体（シネコシスティス－正に帯電した磁性ナノ粒子－シネココッカス）の場合（平均粒径と第１電極の細孔１個の大きさとの関係から、細孔１個あたりシネコシスティス１ｃｅｌｌおよびシネココッカス１２ｃｅｌｌｓが保持されているものと考えられる）の電流密度は、シネココッカス単独の場合の電流密度の約７６倍であった。このように、細孔内に、異なる分類階級または同じ分類階級内でも異なる電子供与微生物、および／または、平均粒径が有意に異なる電子供与微生物を保持させることで、シネコシスティス単独の場合、シネコシスティス単独の場合と比較して、シネコシスティス１ｃｅｌｌ単独およびシネココッカス１２ｃｅｌｌｓ単独での電流密度を単純に加えた以上の、いわば相乗的な高電流密度が達成できたことが分かる。

［比較実験３］
図１４（ａ）は、比較実験３で用いた電力評価用の電気回路図を模式的に示しており、また図１４（ｂ）は、比較実験３で用いた電力評価用の微生物太陽電池４１を模式的に示している。微生物太陽電池４１は、上述のようにして作製した細孔内に複合体（シネコシスティス－正に帯電した磁性ナノ粒子－シネココッカス）を保持させた、第１電極をアノード４２として備える。アノード側には、３×１０^８ｃｅｌｌｓ／ｍＬの複合体、１０ｍＭのリン酸緩衝液、１ｍＭのパラベンゾキノン（電子伝達性物質）を添加した。カソード４３としては白金線を用い、アノード４２とカソード４３との間には隔膜４４としてナフィオン膜（登録商標）を介在させた。またカソード側には１０ｍＭ フェリシアン化カリウムを添加した。

比較実験３では、まず、図１４（ａ）に示す電気回路における抵抗Ｒを、５００Ω～１０ＭΩの範囲内で変化させて、電圧Ｖを測定した。測定値から電流Ｉおよび電力Ｐを算出した。Ｉ－Ｖの関係（電圧Ｖを縦軸、電流Ｉを横軸にしたグラフにおいて、切片が開回路電圧Ｖ_ｏｃ、傾きが内部抵抗Ｒ_ｉｎｔとなる）およびＩ－Ｐの関係（電力密度Ｐを縦軸、電流Ｉを横軸にしたグラフにおいて、ピークが最大電力Ｐ_ｍａｘとなる）から、電池特性Ｖ_ｏｃ、Ｒ_ｉｎｔ、Ｐ_ｍａｘを算出した。図１５（ａ）は、比較実験３で得られたＩ－Ｖの関係を示すグラフであり、縦軸は電圧Ｖ（ｍＶ）、横軸は電流Ｉ（ｍＡ）である。また図１５（ｂ）は、比較実験３で得られたＩ－Ｐの関係を示すグラフであり、縦軸は電力密度（ｍＷ／ｍ^２）、横軸は電流Ｉ（ｍＡ）である。結果、開回路電圧Ｖ_ｏｃが４１７．５２ｍＶ、内部抵抗Ｒ_ｉｎｔが７９８．７９Ω、最大電力Ｐ_ｍａｘが１３９．４１１ｍＷ／ｍ^２であった。

［比較実験４］
第１電極の細孔内に電子供与微生物を捕集する方法として、上述した複合体（シネコシスティス－正に帯電した磁性ナノ粒子－シネココッカス）を用いて磁力を利用した場合と、レーザ光による対流を利用した場合との比較を行なった。磁力を利用した場合には前記複合体を含有する菌液５０μＬ、レーザ光による対流を利用した場合には前記複合体を構成するシネコシスティスおよびシネココッカスと同量のシネコシスティスおよびシネココッカスを含有する菌液５０μＬを用いた。磁力を利用した捕集は、比較実験１と同様に、ネオジム磁石を用いて行なった。レーザ光による対流を利用した場合には、レーザ波長１０６４ｎｍ、カバーガラス透過後出力０．０２１Ｗ（出力は０．０４Ｗ）、１００倍ｏｉｌレンズ、照射時間１点あたり２０秒、照射間隔５０μｍで、１００点のレーザ照射を行なった。図１６は、この比較実験４の結果を示す図であり、図１６（ａ）は磁力を利用した場合、図１６（ｂ）はレーザ光による対流を利用した場合の蛍光顕微鏡像（１００倍）である。

また、磁力を利用した場合、レーザ光による対流を利用した場合のそれぞれの電子供与微生物を捕集した第１電極を、比較実験２で上述したアノード電極評価用セルに組み込み、０．６Ｖの電圧を印加しながら、１０００Ｗ／ｍ^２の擬似太陽光を当てて電流測定を行なった。図１７は、比較実験４の磁力を利用して電子供与微生物を捕集した場合、レーザ光による対流を利用して電子供与微生物を捕集した場合に、それぞれ疑似太陽光を照射した場合の電流密度の増加分ΔＩを比較して示すグラフであり、縦軸はΔＩ（Ａ／ｍ^２）である。図１７に示されるように、レーザ光による対流を利用した場合に、磁力を利用した場合と比較して約２．５倍高いΔＩが得られ、レーザ光による対流を利用した方が細孔内に電子供与微生物を高密度に集積できている可能性が高いものと考えられる。

本発明に係る電気化学デバイスは、微生物の担持とその増殖に適し、かつ電気化学的特性に優れることから、微生物燃料電池、微生物電気分解セル、バイオセンサ、微生物太陽電池、光センサなどに広く適用できる。

１ 微生物太陽電池、２ 電解槽、３ アノード、４ カソード、５ 電解液、６ 外部回路、７ 電子供与微生物、８ 太陽光、９ 電子、２１ 複合体、２２ 電子供与微生物、２３ 電子供与微生物、２４ 磁性ナノ粒子、３１ 細孔、３２ 磁石、４１ 微生物太陽電池、４２ アノード、４３ カソード、４４ 隔膜。

Claims (11)

1. 開口を有する細孔を少なくとも１つ有する表層部を備える第１電極を含み、
   前記細孔は、少なくとも、その内面に導電性部位を有し、
   前記第１電極は、前記細孔の前記導電性部位を相互に導通させる導電経路を有し、
   前記細孔には、平均粒径が有意に異なる複数の電子供与微生物が保持されている、電気化学デバイス。
2. 前記電子供与微生物がシアノバクテリアである、請求項１に記載の電気化学デバイス。
3. 前記電子供与微生物がシネコシスティスとシネココッカスとの組み合わせである、請求項２に記載の電気化学デバイス。
4. 平均粒径が有意に異なる電子供与微生物が同じ分類階級内の同じ電子供与微生物である、請求項１に記載の電気化学デバイス。
5. 前記表層部はハニカム状に配列された複数の細孔を有する、請求項１に記載の電気化学デバイス。
6. 光合成を起こし得る波長を有する光が照射される、請求項１に記載の電気化学デバイス。
7. 前記電子供与微生物が負に帯電されており、正に帯電された磁性ナノ粒子を介して前記電子供与微生物が結合して複合体を形成している、請求項１に記載の電気化学デバイス。
8. アノードとして前記第１電極を具備し、カソードとして前記第１電極とは異なる第２電極を具備する、請求項１に記載の電気化学デバイス。
9. 開口を有する細孔を少なくとも１つ有する表層部を備え、前記細孔は、少なくとも、その内面に導電性部位を有し、前記細孔の前記導電性部位を相互に導通させる導電経路を具備する電極を準備する工程と、
   前記細孔内に電子供与微生物を保持させる工程、とを含み、
   ここにおいて、前記細孔内に保持させる電子供与微生物が平均粒径が有意に異なる複数の電子供与微生物である、電気化学デバイスの製造方法。
10. 前記電極に電子供与微生物を含む液体を接触させた状態で、前記電極の表層部にレーザ光を照射することによって前記液体中に対流を生じさせることにより、前記細孔内に電子供与微生物を捕集する、請求項９に記載の電子化学デバイスの製造方法。
11. 前記電子供与微生物が負に帯電されており、正に帯電された磁性ナノ粒子を介して複合体を形成しており、磁力を利用して複合体を細孔内に捕集する、請求項９に記載の電気化学デバイスの製造方法。

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