Modification chimique sur les fonctions en surface des nanopores

La fonctionnalisation chimique sur la surface du pore est l’une des plus connues. Dans le cas de nanopores en polymère, la modification chimique s’effectue sur leurs groupements fonctionnels (par exemple pour le PET, -COOH) qui réagissent pour former des liaisons covalentes (par exemple C(O)-NH-). Après l’attaque chimique, la surface interne du nanopore en poly-(éthylène téréphtalate) (PET) est couverte de groupements carboxylates.57 Ces derniers sont utilisés pour fonctionnaliser uniquement la paroi interne du pore. Ils permettent d’effectuer un greffage chimique grâce à des carbodiimides (N-(3-dimethylaminopropyl)-N’ -ethylcarbodiimide) (EDC) (Figure 14a).

Les carbodiimides sont les composés les plus répandus et versatiles pour marquer ou réticuler des acides carboxyliques. Les conjugaisons carbodiimides activent les groupements carboxyles pour une réaction directe avec des amines primaires via la formation d’une liaison amide. L’EDC réagit avec les groupements acides carboxyliques pour former un intermédiaire actif l’O-acylisourea qui est facilement remplacé grâce à une attaque nucléophile des groupements amines primaires dans le mélange réactionnel. L’acide primaire forme une liaison amide avec le groupement carboxyle originel, et un sous-produit de l’EDC est relargué sous la forme d’un dérivé d’urée soluble. L’intermédiaire O-acylisourea est instable en solution aqueuse, s’il ne réagit pas avec une amine, il en résulte l’hydrolyse de cet intermédiaire, ce qui régénère les carboxyles (Figure 14b).

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Figure 14 : a. (N-(3-dimethylaminopropyl)-N’ -ethylcarbodiimide) (EDC), b. Schéma de la réaction de couplage grâce à l’EDC (carbodiimide). La surface du pore en PET qui possède les groupements carboxylates peut réagir avec les amines primaires par l’intermédiaire de l’EDC pour former les carboxyl-amines par réticulation

Les composés activés NHS esters réagissent avec des amines primaires en conditions physiologiques ou légèrement alcalines (pH 7,2-9) pour obtenir des liaisons amides stables. En fin de réaction, des N-hydroxysuccinimide (NHS) sont produits. L’hydrolyse des NHS ester concurrence la réaction des amines primaires. Le taux d’hydrolyse augmente avec le pH et contribue à rendre la réaction moins efficace. Les réactions de réticulation sont généralement effectuées de 0,5 à 4 h à température ambiante ou à 4°C. Les sulfo-NHS esters sont également utilisés. Ils sont identiques aux NHS esters à part qu’ils contiennent un groupement sulfonate (−SO₃−_{) sur le cycle. Ce groupement n’a aucun effet sur la réaction}

chimique, mais il a tendance à améliorer la solubilité du composé.

Acide carboxylique EDC O-Acylisourea Active Ester ^Iso-urée a b

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Figure 15 : Schéma de la réaction de réticulation grâce aux N-Hydroxysuccinimide Esters (NHS esters). La surface du pore qui a été préalablement fonctionnalisée par des groupements amines peut réagir avec les esters (NHS esters) par l’intermédiaire de l’EDC pour former les carboxyl-amines par réticulation

En utilisant ces réactions chimiques, Vlassiouk et Siwy ont développé une méthode pour modifier de façon asymétrique un nanopore, pour fabriquer une diode nanofluidique qui fonctionne avec un gradient de concentration. Tout d’abord des amines sont greffées sur la surface interne d’un pore en PET, en utilisant une solution aqueuse d’EDC, et d’éthylène diamine. Puis les groupements carboxyles sont attachés sur les amines en surface grâce à des anhydrides succiniques dans de l’éthanol. Les solutions d’EDC et d’éthylène diamine ou d’ anhydride succinique, sont ajoutées soit du petit côté du pore pour une fonctionnalisation asymétrique, soit des deux côtés pendant 12 h pour une fonctionnalisation symétrique.114 Ils ont appliqué la même technique pour développer un transistor ionique bipolaire en utilisant un nanopore en forme de sablier avec des modifications asymétriques.141 Ils ont également décrit un biocapteur basé sur ce système de diodes nanofluidiques, avec des caractéristiques courant-voltage non-linéaire, et qui permet la détermination du point isoélectrique des protéines immobilisées à la surface, en quelques minutes.142

De la même manière, des nanopores asymétriques sensibles au pH ont été fabriqués avec des pores uniques en greffant de l’ADN dans un nanopore en PET par une synthèse en deux étapes. Tout d’abord, un N-Hydroxysuccinimide ester est formé sur la surface interne du nanopore en incubant ce dernier dans une solution de N-Hydroxysuccinimide (NHS) et N-(3-Dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimide (EDC) pendant 1 h. Ensuite de l’ADN modifié (amino simple brin ADN [5′-(NH2)-(CH2)6 -AAAAAAAAAA CCC TAA CCC TAA CCC TAA CCC (Bodipy493/503)-3′]) est ajouté en solution PBS-alcaline pendant 2 h pour fonctionnaliser le nanopore.143

Une autre stratégie utilise la fonctionnalisation par éthylène diamine sur les pores en PET, grâce aux fonctions carboxyles créées sur la surface interne du nanopore après l’attaque chimique. L’équipe d’Ensinger a fonctionnalisé des nanopores coniques en PET avec des polymères terminés par des phosphates permettant de réguler le transport ionique à travers le pore grâce aux protons. Tout d’abord les nanopores sont fonctionnalisés symétriquement par EDC et pentafluorophenol, puis le nanopore incube dans de l’éthylène diamine. Ensuite des fonctions 4,4′-Azobis(4-cyanopentanoic acide) sont greffées à la surface du pore. Enfin, les (methacryloyl éthylène phosphate) polymérisent sur la surface fonctionnalisée.144-146

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Une autre stratégie pour fonctionnaliser la surface du nanopore avec des groupements fonctionnels est d’utiliser la silanisation. Les organosilanes sont particulièrement intéressant dans le cas des nanopores en nitrure de silicium ou oxydes métalliques, étant donné qu’ils peuvent former des liaisons covalentes à la surface du nanopore et ont de nombreux groupements terminaux fonctionnels. Ils ont une structure générale (RO)3Si(CH2)nX, basée autour d’un atome de silicium, contenant un groupement fonctionnel terminal.147

Figure 16 : Schéma de la réaction de silanisation, R représente le groupement fonctionnel

La silanisation d’une surface à lieu grâce à l’hydrolyse des têtes des organosilanes, suivi d’une réaction de condensation avec les groupements hydroxyles à la surface. Cette fonctionnalisation dépend du nombre de points d’ancrage en surface, mais ils sont généralement situés sur toute la surface du nanopore (interne et externe). En général la meilleure approche pour obtenir une haute densité de groupements hydroxyles en surface d’un nanopore en SiN est de l’incuber dans une solution piranha (H2SO4 : H2O2, 3 : 1), qui agit comme un oxydant et un acide fort. Cette solution a également l’avantage d’éliminer les contaminants organiques et augmente la mouillabilité de la surface. La silanisation des nanopores est facilement réalisable soit en phase vapeur, soit en solution en utilisant des solvants tels que le toluène ou le méthanol.147 Le large choix de groupements fonctionnels terminaux permet de moduler la charge de surface, de rendre le nanopore stimuli-répondant, ou d’apporter des effets stériques qui amènent une sélectivité moléculaire ou diminuent le diamètre du pore. Wanunu et Meller ont utilisé différents organosilanes et leurs dérivés pour fonctionnaliser des nanopores en SiN. Les surfaces ont été fonctionnalisées avec des groupements amines, époxydes, PEG, ou carboxylates, puis caractérisées par spectroscopie photo-électronique de rayon X (« X-ray photoelectron spectroscopy » XPS). Les fonctionnalisations réalisées in-situ ont pu être suivies simultanément par des mesures de courant ioniques à travers le nanopore.35

Il est également possible de silaniser des nanopores en polymères après un dépôt d’une couche de ZnO par ALD. Cette dernière présente des groupements hydroxyles en surface et peut donc être silanisée de la même manière que le SiN.45,69

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