Processus de fonctionnalisation

Les nanopores coniques ont été obtenus grâce à une attaque chimique effectuée dans des conditions asymétriques. Les nanopores utilisés pour cette étude ont des petits diamètres d’environ une dizaine de nanomètres (Table 5). Après l’attaque chimique les nanopores présentent une charge de surface négative qui est due aux groupements carboxylates (pKa 3,5). Ainsi les courbes I-V enregistrées à pH 8 présentent une rectification de courant, quantifiée par le facteur de rectification (Rf < 1).

Table 5: Diamètres des nanopores coniques

pore Tip (nm) Base (nm)

NP

10 525

NP

12,3 323

NP

13,5 570

NP

10,2 650

La fonctionnalisation du nanopore s’effectue en ajoutant 16 μL d’une solution de PLL (1 mg mL-1 et Mw 30–70 kD) du coté tip du nanopore dans 1,6 mL d’une solution NaCl 150 mM, TRIS 5 mM et EDTA 1 mM à pH 8. Un voltage de - 1 V est appliqué dans le but de favoriser l’entrée des PLL dans le pore, permettant le passage de la barrière d’énergie d’entrée et l’enregistrement du courant pendant le processus de fonctionnalisation.

Chapitre 3. Nanopore fonctionnalisé stimuli-répondant

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Figure 51: Trace de courant caractéristique enregistrée pendant l’insertion de PLL à pH 8, NaCl 150 mM,

TRIS 5 mM, EDTA 1 mM, sous -1 V, ici pour NP1

Pour tous les pores, une diminution du courant est observée, (Figure 51) entre 40 et 60 s après l’ajout des PLL en solution. Ce temps semble indépendant du diamètre du pore. Cette diminution permet de suivre en temps réel la fonctionnalisation. Après la stabilisation (environ 2 min), le pore est soigneusement rincé avec la solution tampon pour enlever l’excès de PLL. Ensuite des courbes I-V sont enregistrées.

Figure 52: Courbe I-V avant (noir) et après (rouge), l’insertion de PLL

Ces courbes présentent une rectification du courant inversée pour tous les nanopores. Le facteur de rectification est supérieur à 1 (Rf1 = 8). Cette rectification du courant indique une inversion de charge à

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0

-20

-15

-10

-5

0

5

Cour

ant (

nA

)

Voltage (V)

Chapitre 3. Nanopore fonctionnalisé stimuli-répondant

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l’entrée du pore induite par l’adsorption des PLL. Elle découle d’un excès de charges positives apporté par les PLL qui bloquent le transport de cations lorsqu’un voltage négatif est appliqué. Le courant pour un voltage positif est moins affecté par l’adsorption des PLL, contrairement au voltage négatif. Ceci est probablement dû à la fonctionnalisation qui a lieu seulement à l’entrée du pore. 175

Figure 53: Schéma du protocole expérimental d’adsorption/désorption de PLL dans un nanopore conique, négativement chargé

La PLL est un poly-électrolyte faible, nous avons ainsi tenté de la retirer en cassant ses interactions électrostatiques avec le pore. Pour ce faire, la solution tampon à pH 8 a été remplacée par une solution tampon à pH 12 (KCl 100 mM, CAPS 10 mM), au-dessus du pKa de la PLL (pKa amino lysine : 8,95). Après 5 min, la cellule est rincée à nouveau avec la solution à pH 8. Les courbes de courant-voltage enregistrées après la désorption des PLL, sont semblables à celle d’avant l’adsorption de PLL. Dans le but d’évaluer la réversibilité de la fonctionnalisation avec les PLL, des cycles d’adsorption/désorption sont répétés 9 fois sur un même pore. Les courbes I-V sont enregistrées après chaque cycle, avec et sans PLL. (Figure 54)

Figure 54: Réversibilité de la fonctionnalisation avec les PLL. Courbes I-V après a. Adsorption, b. Désorption des PLL

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Figure 55: Evolution du facteur de rectification avec la PLL (cercles rouges) et sans (carrés noirs) pour chaque cycle d’adsorption/désorption des PLL

Les résultats montrent que le nombre de cycles a peu d’influence sur les propriétés de transport ionique. En effet, les facteurs de rectifications sont d’environ 7 après l’adsorption et 0,2 après la désorption de PLL. (Figure 55) La conductance du nanopore est également constante après la désorption des PLL. (Figure 56) Ceci indique que les PLL sont complètement désorbés après le rinçage à pH 12. Le nanopore ne se bouche pas pendant les processus d’adsorption/désorption des PLL. A ce stade, nous avons montré que l’adsorption des PLL est appropriée en tant que méthode de fonctionnalisation réversible.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0,1

1

10

F

acteur

de r

ectification

Cycle

Chapitre 3. Nanopore fonctionnalisé stimuli-répondant

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Figure 56 : Conductance du nanopore mesurée après la désorption des PLL

Une deuxième fonctionnalisation, couche par couche de PLL et de PSS a été étudiée. (Figure 57) Après insertion des PLL, et rinçage pour enlever l’excédent, une solution de PSS (1 mg mL-1 Mw 70 kD) est directement insérée du petit côté du pore (tip) en appliquant 1 V. Un potentiel est appliqué pour faciliter

Chapitre 3. Nanopore fonctionnalisé stimuli-répondant

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l’entrée des polymères dans le nanopore. Les traces de courant montrent une diminution du courant après plusieurs secondes. (Figure 58)

Figure 57: Schéma du protocole expérimental d’adsorption/désorption de PSS

Figure 58: Trace de courant caractéristique enregistrée pendant l’insertion de PSS à pH 8, NaCl 500 mM, TRIS 5 mM, EDTA 1 mM, sous 1 V

Cette diminution suggère l’adsorption des PSS, négativement chargées, sur les PLL, positivement chargées. Après 2 minutes, quand le courant est stable, la cellule est rincée avec la solution tampon à pH 8, pour enlever l’excédent de PSS. Les courbes I-V enregistrées après l’adsorption de PSS présentent une inversion de la rectification du courant. Ces résultats confirment l’adsorption réussie des PSS sur la couche de PLL. (Figure 59) Le facteur de rectification après l’insertion de PSS est inférieur à celui du pore natif. (Figure 59d) La différence entre les facteurs de rectification peut être assignée aux différences de nombre de charges entre la couche de PSS et le PET.

0 10 20 30 40 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Cour

ant (

nA

)

Temps (s)

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Figure 59: Adsorption des bicouches de PSS/PLL, natif (noir), PLL (rouge), PSS (bleu). Réversibilité de la fonctionnalisation PLL/PSS : courbe I-V après, a. PLL/PSS désorption après rinçage à pH 12, b. l’adsorption de PLL à pH 8, c. PSS adsorption à pH 8, d. Evolution du facteur de rectification, natif (carré noir), PLL (cercles rouges), PSS (triangles bleus). e. Conductance après rinçage à pH 12, mesurée sur la zone linéaire de la courbe I-V (entre - 75 mV et 75 mV)

Pour évaluer la réversibilité de la fonctionnalisation par bicouche de PSS/PLL, la cellule est soigneusement lavée avec une solution à pH 12, puis remplacée par la solution à pH 8. Dans l’exemple (Figure 59), 3 cycles de PLL/PSS sont reportés. Tout d’abord, l’on peut observer qu’après traitement à pH 12, (Figure 59a) la réponse I-V est semblable à celle avant l’adsorption de la bicouche de PLL/PSS. Ceci indique la réversibilité de l’adsorption.

De plus, la conductance après chaque cycle d’adsorption/désorption des bicouches de PLL/PSS est constante. (Figure 59e) Ceci montre que la taille du diamètre à l’entrée du nanopore n’est pas modifiée par les cycles successifs d’adsorption/désorption des PLL/PSS. De plus, les résultats montrent une valeur quasi constante du facteur de rectification à chaque étape. (Figure 59d) Ceci semble suggérer que les processus d’adsorption et de désorption de la PLL/PSS ne sont pas affectés par l’étape précédente, et confirmerait donc une réversibilité complète de la fonctionnalisation.

a b

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L’adsorption de PLL à l’intérieur du pore vient d’être montrée. L’objectif suivant est de tenter une fonctionnalisation multicouche de PLL/PSS. Les poly-anions et poly-cations sont introduits successivement du coté tip du nanopore. Après chaque insertion la cellule est rincée avec la solution tampon à pH 8, pour enlever tout excédant de polyélectrolyte, puis les courbes I-V sont enregistrées. (Figure 60).

Figure 60:Dépôt couche par couche de PLL/PSS. Les courbes rouges ont été enregistrées après l’insertion

de PLL, les bleues après celle de PSS. a. 1ère couche de PLL/PSS, b. 8ème insertion de PLL/PSS, c. Evolution

du facteur de rectification (après l’ajout de PLL, cercles rouges, et de PSS, triangles bleus) en fonction du nombre de couche, d. La conductance est mesurée après l’ajout de PSS, sur la zone linéaire de la courbe I-V (entre -75 mI-V et 75 mI-V).

Comme attendu, la rectification de courant est inversée avec chaque couche adsorbée de PLL et de PSS. La diminution de la conductance, mesurée sur la partie linéaire de la courbe, indique une réduction du petit diamètre (tip), induite par l’adsorption successive des bicouches de PLL/PSS. (Figure 60d) Il est à noter également, l’évolution du facteur de rectification avec le nombre de couche. En effet, celui-ci diminue après les adsorptions successives de PLL et PSS.(Figure 60c) Ceci signifie que la densité de la charge de surface négative, diminue, contrairement à celle de la surface positivement chargée après l’adsorption des PLL. Donc en utilisant cette méthode, il est possible de concevoir des nanopores coniques avec un diamètre et une densité de charges de surface modifiables. Plus généralement, la

a b

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croissance de chaque couche ainsi que la charge de surface dépendent de l’organisation des polyélectrolytes (linéaires ou repliés). Ce paramètre est lié à : la force du polyélectrolyte, la concentration en sel, le pH, et la température utilisés durant l’adsorption des polyélectrolyte.232

Cependant, la taille du diamètre après l’adsorption des couches ne peut être déduite de la conductance puisque cela requiert la connaissance des charges de surfaces ainsi que des propriétés de transport dans le nanopore. De plus, nous ne connaissons pas la longueur sur laquelle ces dernières s’insèrent ni dans quelles configurations se trouvent les polymères (linéaire, pelote,…).