A. Construction de l’édifice moléculaire
3. Immobilisation de la toxine du choléra
Après avoir électrogénéré le film de poly-pyrrole NTA à la surface de l’électrode, cette fonction peut être utilisée pour immobiliser un biorécepteur portant une fonction biotine. Cette immobilisation repose sur la formation d’un complexe de cuivre, entre le groupement NTA et le centre métallique dans un premier temps puis entre le cuivre et la fonction biotine par la suite (Figure 74-A).
Pour cela, l’électrode recouverte par le polymère est tout d’abord immergée pendant 20 min dans une solution de chlorure de cuivre (CuCl2) à 10-2 mol.L-1 dans du tampon acétate 0,1 mol.L-1 pH 4,8. L’électrode est ensuite rincée par différents lavages à l’aide d’une solution de chlorure de sodium de concentration 0,5 mol.L-1 afin d’éliminer les traces de cuivre non complexé pouvant encore être présentes à la surface de l’électrode.
Enfin la toxine du choléra, marquée par une fonction biotine, est immobilisée à son tour par complexation avec le centre métallique de cuivre. Comme dit précédemment, le cuivre possède une grande affinité pour les fonctions histidines et biotines, c’est pourquoi il est nécessaire d’utiliser une toxine préalablement marquée pour s’assurer de la réalisation de ce complexe. La Figure 74-B représente la structure de la sous-unité de la toxine du choléra utilisée dans ce travail, à savoir la sous-unité B.
Figure 74: A/ représentation schématique de la formation du complexe de cuivre avec les fonctions NTA du polymère et les fonctions biotines de la toxine. B/ Représentation en trois dimensions des 5 sous-unités B de la toxine du choléra.
La toxine du choléra est en effet une protéine constituée de deux sous-unités. La première, la sous-unité A, possède une masse molaire de 28 kDa et est située au centre de la protéine. La seconde, la sous-unité B qui est présente sous la forme d’un agrégat de 5 fragments disposés en périphérie, a quant à elle une masse molaire totale de 56 kDa270,271. La sous-unité A est responsable de l’activité enzymatique de la toxine, alors que les 5 sous-unités B sont en charge de la reconnaissance envers le substrat et donc de la liaison de la toxine à la paroi cellulaire de la molécule ciblée. C’est pourquoi, dans ce travail, la sous-unité B a été choisie pour être immobilisé à la surface de l’électrode afin de permettre la reconnaissance entre l’antigène et l’anticorps. En effet, les anticorps produits par l’organisme sont dirigés contre
cette sous-unité et ont pour but d’empêcher la reconnaissance entre la toxine et sa cible. De plus, cette sous-unité n’est pas virulente (pas d’activité enzymatique) et peut donc être manipulée sans danger.
L’incubation de la sous-unité B de la toxine du choléra se fait par dépôt de 20 µL à la surface de l’électrode d’une solution à 0,5 mg.mL-1 de la toxine du choléra dans une solution de Bovine Serum Albumine (BSA) / Phosphate Sodium Buffer (PBS) 1 % (Poids/Volume). L’électrode est laissée à incuber 30 min à 4°C avant d’être rincée avec une solution tampon afin d’éliminer les traces de toxine non immobilisée. Le rôle de la BSA est ici de bloquer les sites d’attache non-utilisés afin de limiter par la suite les interactions non-spécifiques.
La dernière étape de la conception du biocapteur est finalement l’incubation de différentes concentrations d’anticorps de la toxine du choléra et leur détection par électrochimie. Cette incubation est réalisée par dépôt de 50 µL de solution contenant les différentes concentrations d’anticorps. Cette partie ainsi que les résultats obtenus par électrochimie seront développés plus en détail dans la suite de ce chapitre. L’ensemble des étapes impliquées dans la construction du biocapteur est résumé au sein de la Figure 75.
Figure 75: Représentation schématique des différentes étapes de la conception du biocapteur pour la détection de l'anticorps de la toxine du choléra.
4. Caractérisation électrochimique de l’assemblage
Avant de procéder à la détection des anticorps pour la toxine du choléra et de tester les performances du biocapteur mis en place, des caractérisations électrochimiques ont été réalisées pour chaque étape de la construction de celui-ci et ce pour les trois différentes épaisseurs de films de CNT.
Pour ces analyses, deux méthodes ont été choisies à savoir la CV et la EIS. Comme précédemment, une cellule électrochimique conventionnelle à trois électrodes a été utilisée avec un fil de platine servant de contre-électrode et une électrode au calomel saturée (SCE) servant d’électrode de référence. Le couple [Fe(CN)6]3-/4- a été choisi comme sonde redox (5.10-3 mol.L-1 dans du tampon phosphate à pH = 7,0).
Les données expérimentales, correspondant aux étapes de polymérisation et d’immobilisation de la toxine, sont résumées dans le Tableau 6 et la Figure 76 montre les résultats obtenus par voltamétrie cyclique et par EIS à l'aide du film de CNT épais (4,0 μm). L’extrapolation des courbes d’impédance et le calcul des différents paramètres ont été faits par utilisation du circuit électrique équivalent présenté auparavant (Figure 57).
Figure 76: Mesures électrochimiques sur GCE revêtue d'un film de CNT 4,0 μm avant l'électropolymérisation, après la génération d’une couche de poly-pyrrole NTA et après l'ancrage de la toxine du choléra. A) Voltammogrammes cycliques utilisant du [Fe(CN)6]3- (5.10-3 mol.L-1) dans une solution de 0,1 mol L-1 PB, pH = 7,0. vb =100 mV.s-1. B) Diagrammes de Nyquist effectués à 0,2 V par rapport à SCE par utilisation de [Fe(CN)6]3-/4- (5.10-3 mol.L-1) dans une solution de 0,1 mol L-1 PB comme sonde redox, pH = 7,0. Les données expérimentales (points) et ajustées (lignes) sont présentées. Les points
Pour rappel, le demi-cercle à haute fréquence du diagramme de Nyquist correspond à la résistance de transfert de charge (RCT) en parallèle de la capacité de double couche (CDC). La boucle à basse fréquence est, elle, attribuée à l'impédance de Warburg (Rdiff). L’extrapolation des spectres obtenue à l’aide du circuit équivalent est représentée par les lignes noires sur la Figure 76-B. Une bonne correspondance entre les points expérimentaux et les courbes d’extrapolation peut être observée. Le Tableau 6 montre les valeurs obtenues grâce à ces spectres: résistance du transfert de charge, capacité double couche (calculée à partir de la valeur du CPE) et résistance de diffusion.
Après l'électropolymérisation du pyrrole-NTA, les courants de pic, anodique et cathodique, visibles sur les différents voltampérogrammes subissent une forte diminution d’intensité passant de -2,90×10-4 A à -1,90×10-4 A pour le pic cathodique (calculé pour le film de CNT de 4,0 µm). Une augmentation du ∆E est également observée traduisant un fort décalage des pics. Enfin, l'impédance totale du système augmente quant à elle lors de la formation de la couche de polymère. Dans le Tableau 6, l'impédance aux basses fréquences (0,2 Hz) est donnée pour chaque épaisseur. Ces phénomènes sont attendus puisque les répulsions électrostatiques entre les groupes carboxylates du film de poly-pyrrole NTA et la sonde redox [Fe(CN)6]3-/4- sont élevées. En effet ces deux espèces présentent une charge totale négative à pH 7,0.
Concernant l'analyse des spectres d’impédance, la résistance du transfert de charge augmente plus fortement que la résistance de Warburg, qui exprime la résistance de diffusion, démontrant que le transfert d'électrons est réduit alors que l'épaisseur de la couche limite de diffusion reste similaire. Ceci est en accord avec l’analyse faite précédemment concernant la répulsion des charges.
Après l’immobilisation de la toxine du choléra biotinilée (CTB), une nouvelle diminution des courants de pics est observée, en parallèle d’une nouvelle augmentation de la résistance totale du système. La sous-unité B de la toxine a un poids moléculaire de 11,6 kDa (56 kDa pour l’agrégat formé par les 5 fragments) et un point isoélectrique de 7,8, ce qui signifie que la couche protéique est chargée positivement à pH = 7,0 272. Cette charge permet donc d’améliorer la diffusion de la sonde redox [Fe(CN)6]3-/4- à travers la couche formée par la toxine. C’est pourquoi la diminution de l’intensité des courants de pics est moins prononcée que lors de la polymérisation.
L'analyse des diagrammes de Nyquist montre que la résistance de transfert de charge augmente légèrement par rapport à la résistance de diffusion démontrant ainsi que le transfert électronique reste similaire à celui observé après la polymérisation. A l’inverse, l'épaisseur de la couche de diffusion augmente fortement lors de l’ancrage des protéines à la surface de l’électrode. Ceci traduit la gêne stérique engendrée par l’immobilisation de la toxine après complexation avec le cuivre. En effet, la présence d’une protéine ayant un poids moléculaire élevé va rendre la diffusion de la sonde redox à travers les différentes couches plus difficile et ce malgré le fait qu’elle possède une charge positive.
diminution de la capacité est observée lors de la polymérisation puis de l’immobilisation de la toxine avec des valeurs respectivement de 70 et 59 µF. Cette diminution traduit le fait que le polymère ainsi que la toxine ont recouvert les CNT, entraînant ainsi une modification de l’interface entre la solution et les nanotubes. C’est cette modification qui est exprimée par la diminution du courant capacitif propre aux CNT.
Comme indiqué précédemment, la quantité de polymère est identique pour les trois films de CNT. De ce fait, le film généré sur le film de nanotubes le plus épais est théoriquement plus fin et plus étiré que les deux autres. En effet, le film de CNT d’une épaisseur de 4,0 µm possède une surface spécifique beaucoup plus importante d’après les observations réalisées précédemment. Les données récoltées par électrochimie vont également dans ce sens. En effet, la couche de polymère pour le film de CNT épais possède la plus faible valeur d’impédance (804 Ω à 0,2 Hz) ainsi qu’une plus grande capacité de double couche (70 µF). Il possède donc une surface spécifique plus importante que les deux autres polymères. Cette surface peut par la suite être utilisée pour l'immobilisation d'une quantité plus élevée de biorécepteurs. Cela devrait conduire à une augmentation des performances du biocapteur lors de la détection des anticorps de la toxine du choléra (plus grande sensibilité et plus grande gamme de détection).
Tableau 6: Tableau rassemblant les valeurs des courants cathodiques obtenues par voltampérométrie cyclique (Ipcath), les valeurs du module d'impédance à 0,2 Hz (Z0,2Hz) et les valeurs des éléments composant le circuit équivalent (RCT, CDL, Rdiff) obtenues par extrapolation des courbes d’impédance et ce pour chaque épaisseur des films de CNT (1,6, 2,6 et 4,0 μm) et pour les différentes étapes de construction du biocapteur (après le dépôt de CNT, après polymérisation et après incubation de la toxine du choléra).
CNT Polymère Toxine Épaisseur du film de CNT 1,6 μm 2,6 μm 4,0 μm 1,6 μm 2,6 μm 4,0 μm 1,6 μm 2,6 μm 4,0 μm Ipcath /A -4,6×10-5 -1,33×10-4 -2,90×10-4 -3,0×10-5 -9,5×10-5 -1,90×10-4 -1,1×10-5 -8,1×10-5 -1,39×10-4 Z0.2Hz / Ohm 674 527 404 2025 1310 527 2372 1853 804 RCT / Ohm 264 ± 4 98 ± 2 39 ± 1 1610 ± 30 800 ± 20 147 ± 3 1630 ± 30 880 ± 20 258 ± 4 CDCa / μF 38,3 ± 0,6 70 ± 2 92 ± 2 38,8 ± 0,6 45 ± 0,7 70 ± 2 27,9 ± 0,6 30,6 ± 0,6 59 ± 1 Rdiff / Ohm 240 ± 4 277± 5 230 ± 4 307 ± 5 380 ± 6 256 ± 4 665 ± 10 900 ± 20 414 ± 7