x
Contents
3.4 Data Analysis of the Steady-State DET-Type
Bioelectrocatalytic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 Characteristic Properties of Redox Enzymes as Electrocatalysts . . . . 79
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 Surface-Area Effect and Curvature Effects (or Cage Effect)
on Mesoporous Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3 Interfacial Electrode Kinetics on Microporous Electrodes . . . . . . . . 82
4.4 The Control of the Orientation of Adsorbed Enzymes
by Surface Modification of Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5 DET-Type Bi-Way Bioelectrocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5 Protein-Engineering Approach for Improvement of DET-Type
Bioelectrocatalytic Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.1 Motivation of Protein-Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 Enzyme Trimming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3 Site-Directed Mutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4 Protein Surface Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6 Applications to Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2 Selectivity of Electrochemical Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3 Electrodes for Amperometric Biosensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.4 Mass-Transfer-Controlled Amperometric Biosensing . . . . . . . . . . . . 108
6.5 Potentiometric Coulometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.5.1 Bienzyme Biosensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7 Applications to Biofuel Cells and Bioreactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.1 From Bioelectrocatalysis to Biofuel Cells and Bioreactors . . . . . . . . 115
7.2 Biofuel Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.3 Photobioelectrochemical Water Splitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.4 Bioelectrochemical/Biochemical Hydrogen/C1 Economy . . . . . . . . 125
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Conclusions and Outlooks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Contents
3.4 Data Analysis of the Steady-State DET-Type
Bioelectrocatalytic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 Characteristic Properties of Redox Enzymes as Electrocatalysts . . . . 79
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 Surface-Area Effect and Curvature Effects (or Cage Effect)
on Mesoporous Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3 Interfacial Electrode Kinetics on Microporous Electrodes . . . . . . . . 82
4.4 The Control of the Orientation of Adsorbed Enzymes
by Surface Modification of Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5 DET-Type Bi-Way Bioelectrocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5 Protein-Engineering Approach for Improvement of DET-Type
Bioelectrocatalytic Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.1 Motivation of Protein-Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2 Enzyme Trimming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3 Site-Directed Mutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4 Protein Surface Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6 Applications to Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2 Selectivity of Electrochemical Biosensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3 Electrodes for Amperometric Biosensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.4 Mass-Transfer-Controlled Amperometric Biosensing . . . . . . . . . . . . 108
6.5 Potentiometric Coulometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.5.1 Bienzyme Biosensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7 Applications to Biofuel Cells and Bioreactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.1 From Bioelectrocatalysis to Biofuel Cells and Bioreactors . . . . . . . . 115
7.2 Biofuel Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.3 Photobioelectrochemical Water Splitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.4 Bioelectrochemical/Biochemical Hydrogen/C1 Economy . . . . . . . . 125
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Conclusions and Outlooks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133