Biocapteurs électrochimiques

Après le premier biocapteur développé 1962 par Clark et Lyon et Updik et Hicks en 1967, sous forme des électrodes enzymatique qui permet le dosage par électrochimie du glucose dans une solution biologique [60]. Les biocapteurs ont connu un développement considérable par rapport à leurs diverses applications potentielles que ce soit dans le domaine médical, agro-alimentaire ou contrôle de l’environnement. Le principe de fonctionnement repose sur une réaction d’oxydo-réduction, ou une modification de conductivité électrique au niveau de l’électrode (interface), qui modifie un signal électrique mesurable suite à l’immobilisation du ligand ou de l’analyte sur une électrode.

Les biocapteurs électrochimiques sont classés suivant leurs modes de transductions comme les capteurs ampérométriques, potentiométriques ou les ISFETs. Les capteurs potentiométriques et ampérométriques sont les plus répandus mais peu de travaux portent sur les capteurs conductimétrique. Néanmoins, depuis les années 1980, beaucoup de travaux sont apparus sur les capteurs conductimétriques compte tenu de leur facilité d’élaboration. L’une des

principales raisons de l’orientation vers les biocapteurs électrochimiques est leur coût de revient relativement faible et leur rapidité de réponse. En revanche, ils posent le problème de sélectivité par rapport à l’analyte ciblé. En effet, quand le potentiel appliqué est élevé, si l’échantillon à analyser contient des substances électroactives contaminantes ou des protéines, celles-ci vont avoir tendance à s’agglomérer sur l’électrode [43,61]. L’utilisation de ces biocapteurs pour des matrices aussi complexes que le lait demande donc de prendre en considération le problème des interférences [62].

L’avantage des biocapteurs électrochimiques par rapport aux autres systèmes d'analyse réside dans le fait qu'ils peuvent fonctionner dans des milieux turbides, offrant une sensibilité instrumentale comparable et plus favorable à la miniaturisation. Les techniques électroanalytiques modernes ont des limites de détection très basses (environs l0-9 M) qui peuvent être atteintes dans de petits volumes (1 à 20 µL) d'échantillons [39,63]. En outre, la réaction en continu du système d'électrode permet un contrôle en ligne. L'équipement requis pour l'analyse électrochimique est simple et moins coûteux par rapport à la plupart des autres techniques d'analyse [39].

La quantification des processus biologiques ou biochimiques est de la plus haute importance pour les applications médicales, biologiques et biotechnologiques. Cependant, la

conversion de l'information biologique en signal électronique facilement traité est difficile en raison de la complexité de la connexion d'un dispositif électronique directement à un environnement biologique. Les biocapteurs électrochimiques fournissent un moyen attrayant pour analyser le contenu d'un échantillon biologique en raison de la conversion directe d'un événement biologique en un signal électronique. Au cours des dernières décennies, plusieurs concepts de détection et dispositifs associés ont été développés. Le premier concerne la fonctionnalisation de la surface du transducteur afin de formuler une interface biomatrice / électrode modifiée. De nombreux travaux récents se sont concentrés sur les monocouches auto-assemblées (SAM) d'alcanethiols, de sulfures qui sont chimisorbés sur diverses surfaces métalliques telles que l'or. Cela est dû à l'affinité significative des atomes de soufre vis-à-vis de l'or utilisé comme surface d’électrode. Le principe est le couplage d'un anticorps spécifique avec un transducteur d'électrode qui fonctionne pour convertir un événement de liaison en un signal électrique. Les biocapteurs électrochimiques peuvent être classés selon quatre types de transducteurs ; à savoir ampérométriques, potentiométriques, impédimétriques et conductimétriques [64,65].

De nombreux biocapteurs ampérométriques utilisent un système à base d'enzyme qui génère un produit électroactif qui peut être oxydé ou réduit au niveau d'une électrode de travail (carbone, or, etc.). Récemment, une variété de techniques ont été développées pour l'identification de E. Coli O157: H7, y compris la séparation sérologique, la morphologie des bactéries et la cytométrie de flux. Bien que ces techniques aient été utilisées avec succès pour détecter E. Coli O157: H7 dans des échantillons d'aliments, certaines de ces méthodes nécessitent des instruments sophistiqués et coûteux, ou des produits chimiques radioactifs et coûteux, ou impliquent une procédure fastidieuse. En outre, il est difficile d'utiliser certaines méthodes pour la détection rapide et la quantification d’E. Coli O157: H7 à de faibles concentrations en raison de la préparation compliquée. Par exemple, la méthode de culture microbiologique doit prendre un ou plusieurs cycles d'enrichissement et travailler durant 36 h pour obtenir les résultats de mesure. Par conséquent, il est très intéressant d'explorer une approche à faible coût pour l'identification de E. Coli O157: H7 [66].

E. Huey et al. ont développé et optimisé une méthodologie en une seule étape pour l'intégration de nanofils de silice dans un réseau de microélectrodes interdigitées. La croissance des nanofils de silice a été réalisée directement via un procédé vapeur-liquide- solide (VLS) dans un espace de microélectrodes interdigitées. L'optimisation de la croissance a été effectuée pour déterminer une température et un temps de recuit appropriés. Cela permet la croissance de nanofils denses entre des structures interdigitées et ne compromettraient pas

la structure physique / électrique des dispositifs de microélectrodes. La spectroscopie d'impédance électrochimique a été utilisée pour déterminer la viabilité de l'utilisation de ces dispositifs hybrides nano-micro pour la biodétection. Les résultats de spectroscopie d'impédance électrochimique indiquent un changement notable dans le transfert de charge pour les puces avec des nanofils par rapport aux puces sans nanofils [66].

L'un des verrous technologiques à lever par les biopuces à cellules entières est d’améliorer le rapport signal sur bruit. Il affecte directement l'efficacité de la bio-détection et la performance des biocapteurs. Quand le bruit est déterminé par l'interface frontale, l'augmentation du signal est un problème critique. Notez que c'est le cas dans la plupart des systèmes de biocapteurs électrochimiques pratiques. En conséquence, l'augmentation du rapport / signal sur bruit et la valeur absolue du signal réduisent les taux d'erreur, à la fois faux négatifs et faux positifs, et permettent un temps de réponse plus rapide. La modification de la géométrie et de la forme de l'électrode ainsi que de sa chimie de surface peuvent augmenter le signal, c'est-à-dire le courant faradique. En augmentant le courant, les biocapteurs électrochimiques peuvent également utiliser un système électronique plus simple qui peut être un composant standard; réduisant ainsi le besoin de composants analogiques spéciaux à faible signal et permettant une conception de système pouvant offrir une meilleure plage dynamique [67].