ZnO et biodétection

Le ZnO est régulièrement utilisé en tant que matériau de support pour la détection de biomolécules, telles que l’ADN, le glucose, diverses protéines ou des antigènes spécifiques. Comme illustré dans le Tableau I-1, le ZnO se retrouve dans une large variété de biocapteurs, basés sur la détection avec marqueur, souvent fluorescent, ou sans marqueur, tels que la détection électrique par effet de champ, où les variations induites par les interactions électrostatiques entre la biomolécule et le matériau sont détectées, électrochimique, où des transferts de charge sont détectés, optique ou encore mécanique. Le ZnO est utilisé sous diverses formes, couche mince, NF unique ou réseaux de NFs verticaux [Arya 2012; Wei 2011]. Cependant, il n’a encore jamais été utilisé sous forme de nanonets 2D.

Chapitre 1 : Les nanonets de ZnO, matériau de choix pour les biocapteurs électriques à ADN

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Tableau I-1 : Exemples de biocapteurs à base de ZnO répertoriés par méthode de détection : Détection avec marqueur fluorescent ; détection électrique par effet de champ ; détection électrochimique ; détection optique

par SPR (Surface Plasmon Resonance) ; détection mécanique à l’aide de microbalances à quartz (QCM)

recouvertes de ZnO. Les significations des sigles sont les suivantes : CEA désigne le « carcinoembryonic antigen » et EGFR l’« epidermal growth factor receptor ».

Méthode de détection ^Biomolécule

détectée ^{Morphologie du ZnO Références}

Av e c m a rq u a g e Détection avec marqueur fluorescent ADN

Couche mince ^{[Iyer 2014]} [Wang 2015] NF unique [Kumar 2006] [Niepelt 2011] [Leiterer 2013] Réseaux de NFs verticaux [Dorfman 2006] [Kumar 2006] [Zhao 2008] [Taratula 2009] Antigène CEA Réseaux de NFs verticaux [Hu 2011]

S a n s m a rq u a g e

Détection électrique par effet de champ

ADN NF unique [Cao 2016] Streptavidine

Couche mince [Liu 2008] NF unique

[Kim 2006] [Liu 2008] [Choi 2010] Protéine EGFR Couche mince ^{[Reyes 2011]}

[Shen 2014b] Riboflavine Couche mince [Hagen 2011] Détection

électrochimique

ADN ^{Couche mince}

[Ansari 2009] [Das 2010] [Jung 2014] Réseaux de NFs verticaux [Congur 2015] Dopamine Réseaux de NFs verticaux [Yue 2014] Détection par SPR ADN ^{Couche mince [Kaur 2016]}

Réseaux de NFs verticaux [Byun 2011] Détection mécanique ADN Réseaux de NFs verticaux ^{[Lee 2009]}

[Reyes 2009] Ainsi, le ZnO apparait comme un matériau relativement populaire pour la biodétection. Cette popularité découle de ses propriétés physico-chimiques uniques évoquées précédemment mais aussi du fait qu’il soit « biofonctionnalisable ». En effet, le greffage de biomolécules sondes à la surface du matériau sensible (ou « biofonctionnalisation ») qui permet de capturer les biomolécules cibles à détecter est une étape essentielle pour la réalisation de biocapteurs.

Une grande variété de stratégies existe pour greffer des biomolécules sondes sur des surfaces d’oxyde métallique comme le ZnO. Celles-ci sont généralement divisées en deux catégories : l’adsorption et le greffage covalent (Figure I-18).

L’adsorption électrostatique de biomolécules chargées peut être aisément réalisée sur le ZnO. En effet, le ZnO possède un point isoélectrique élevé d’environ 9,5 [Xu 2011], ce qui signifie qu’il est respectivement chargé positivement ou négativement à un pH inférieur ou supérieur à cette valeur.

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De ce fait, à pH neutre, des biomolécules sondes chargées négativement, comme l’ADN, peuvent être immobilisées par interaction électrostatique sur la surface du ZnO chargée positivement [Das 2010; Ansari 2009]. Toutefois, un des principaux inconvénients de cette méthode est la liaison faible entre les biomolécules et la surface. Les biomolécules peuvent de ce fait se désorber lors d’étapes de rinçages [Dugas 2010].

A l’opposé,le greffage covalent permet de lier les biomolécules à la surface par des liaisons fortes et solides. Il est donc généralement préféré car plus fiable et plus contrôlé. Le principe de cette méthode consiste à d’abord greffer une « molécule de liaison » à la surface de l’oxyde, terminée par un groupement fonctionnel spécifique, tel qu’un groupement thiol, amine, ester, époxyde ou encore aldéhyde. Les plus couramment utilisées sont les organosilanes de formule RSiX3 (où X=Cl ou OR’), les phosphonates de formule RPO3R’2 ou les carboxylates de formule RCOOH (Figure I-19) [Pujari 2014; Neouze 2008; Dugas 2010; Hermanson 2008]. Ensuite, la biomolécule sonde, également terminée par un groupement fonctionnel approprié, est déposée à la surface et la réaction entre les groupes fonctionnels des deux molécules conduit à la formation d’une liaison covalente. Une seconde molécule de liaison est parfois utilisée pour faire le lien entre la première molécule de liaison et la biomolécule sonde (Figure I-18).

Figure I-18 : Représentation schématique des deux stratégies les plus courantes d’immobilisation de biomolécules à la surface d’un substrat.

Figure I-19 : Exemples de molécules de liaison greffées à la surface d’un oxyde métallique. Les phosphonates et les carboxylates peuvent se lier à la surface selon différentes configurations dont deux exemples sont illustrés

sur la figure (adapté de [Pujari 2014]).

Le Tableau I-2 présente quelques exemples de méthodes d’immobilisation de biomolécules sur le ZnO.

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Tableau I-2 : Exemples de méthodes de greffage de biomolécules sur le ZnO. Les significations des sigles sont les suivantes : APTES désigne le 3-aminopropyltriéthoxysilane, GOPS le 3- glycidyloxypropyltriméthoxysilane,

C4-ald le 3-triméthoxysilylpropylaldehyde, MPTS le 3- mercaptopropyltriméthoxysilane, PDA le phosphonodecanoic acid, 3-PPA le 3-phosphonopropionic acid, PDHA le 16-(2-pyridyldithiol)hexadecanoic acid, NHSHA le N-(15- carboxypentadecanoyloxy)succinimide, GMBS le N-maleimidobutyryloxysuccinimide ester, EDC le 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide, NHS le N-hydroxysuccinimide, BSA-IL6 le complexe bovine serum albumin-interleukin-6, PLL la poly-L-lysine, CEA le « carcinoembryonic antigen », IgG

l’immunoglobuline G et EGFR l’« epidermal growth factor receptor ».

Molécule de liaison ² ème molécule de liaison Biomolécule greffée Morphologie du ZnO ^Références Ad so rp ti o n Adsorption

électrostatique ^{- ADN Couche mince}

[Ansari 2009] [Das 2010] [Iyer 2014] O rg a n o sila n e APTES

Glutaraldéhyde ^{BSA-IL6 Couche mince}

[Krishnamoorthy 2006]

Streptavidine Couche mince [Singh 2015] Uricase NF unique [Liu 2013]

GOPS

-

NH₂-ADN NF unique ^{[Niepelt 2011]} [Leiterer 2013] SH-ADN Couche mince [Hagen 2011] NH2-PLL ^{Réseaux de}

NFs verticaux ^{[Kumar 2006]} NH2-Anti-CEA ^{Réseaux de}

NFs verticaux ^{[Hu 2011]} NH₂-IgG Couche mince [Corso 2008] Glucose oxydase ^{Réseaux de}

NFs verticaux ^{[Lee 2011]} C4-ald

-

NH₂-Biotine NF unique ^{[Liu 2008]} [Choi 2010] NH2-AntiEGFR Couche mince [Reyes 2011]

MPTS ^GMBS

NH₂-IgG Couche mince [Corso 2008] - ICH2CONR-Biotine Couche mince [SelegÅrd 2010]

Ph o sp h o n a te 10-PDA EDC+NHS NH2-IgG Réseaux de NFs verticaux ou substrat [Zhang 2010a] 3-PPA EDC+NHS NH₂-IgG Réseaux de NFs verticaux ou substrat [Zhang 2010a]

Chapitre 1 : Les nanonets de ZnO, matériau de choix pour les biocapteurs électriques à ADN 30 Car b o xy la te HOOC-PDHA - SH-ADN ^{Réseaux de} NFs verticaux ^{[Taratula 2009]} HOOC-NHSHA - NH2-ADN ^{Réseaux de} NFs verticaux ^{[Taratula 2009]}

Parmi les différentes méthodes présentées, celles utilisant les organosilanes APTES et GOPS sont parmi les plus couramment employées dans la littérature. Ce sont ces dernières que nous avons choisi de développer dans ce travail.

En conclusion, le ZnO apparait comme un matériau de choix pour constituer les nanonets et pour l’application de biocapteur électrique à ADN visée car c’est un semi-conducteur stable à l’air, non-toxique, biocompatible, fonctionnalisable et qui peut être aisément synthétisé sous forme de NF.