• Aucun résultat trouvé

Development of a new type of biosensors based on ATR‐FTIR Spectroscopy

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Partager "Development of a new type of biosensors based on ATR‐FTIR Spectroscopy"

Copied!
184
0
0

Texte intégral

(1)

                 Université Libre de Bruxelles       Service de Structure et Fonction des             Faculté des Sciences       Membranes Biologiques                 

             

Development of a new type of  biosensors based on ATR‐FTIR 

Spectroscopy   

     

Thesis submitted as part of the requirements   for the degree of Doctor in Science 

        September 2012 

                       Andréa Goldsztein 

   

        

 

      Thesis supervisor : Erik Goormaghtigh 

(2)

                                                                                 

(3)

                                                                                 

The  multidisciplinary  research  described in this Thesis, combines  technology, innovation, chemistry,  biology  and  medicine,  reflecting  quite  well  my  rather  unusual  academic curriculum, and in some  way  probably  my  personality  as  well.  

       

(4)

                                                                               

(5)

Acknowledgements 

 

My deepest thanks go to: 

 

- Erik Goormaghtigh and Jean‐Marie Ruysschaert for welcoming me in the laboratory  and giving me the opportunity to work with the SFMB team. Thank you both for  having taken turns in guiding my research and for trusting my abilities despite my  rather unusual academic curriculum. Special thanks also to Fabrice Homblé, for  always being there to help me with many practical problems I have too often  encountered.  

 

- I am deeply indebted to Erik Goormaghtigh for his wise and supportive mentorship  all through my Thesis work. I am particularly grateful for your patience and the  understanding you showed along the moments during which I was sidetracked,  focusing on my future family. You always showed confidence in my work, without  ever  pressuring  me,  giving  me  the  freedom  I  needed  and  bolstering  my  self  confidence. I am infinitely grateful to you for this.  

 

- Everyone  in  the  BIA‐ATR  and  MED‐ATR  consortium,  for  these  interesting  and  superbly organized meetings, which provided me with the opportunity to transcend  the everyday research routine and see the bigger picture. I immensely appreciated  the team work, learning more about organic chemistry, medical applications and  needs, industrial issues, patents law, but above all, it gave me the opportunity to  learn about how to manage a large project. 

 

- Everybody in the SFMB laboratory who directly or indirectly helped me during these  years of laboratory work 

 

- My family, my parents Marcel and Shoshana and my sister Sasha, who never put any  pressure on my shoulders and who supported me throughout this work. More  specifically, thanks to my mother who helped me more « concretely », giving me this  last little push I needed to finalize my Thesis.  

 

- Tom, who rightly put a little pressure, when it was necessary, to motivate me and  help me focus on the goal. Thank you for being here with me, thank you for being  who you are. 

 

- My big little girls, for all this happiness, love and joy that I can never get enough of. 

 

(6)

 

 

(7)

Summary 

 

Biosensors are analytical devices used for molecular recognition. They convert a biochemical  signal into an quantifiable electrical signal. The principle is based on the recognition of one  or more molecules of interest in solution (the ligand) by a biological component (the  receptor) closely linked to a transductor substrate. The sensor responds to receptor‐ligand  interactions and produces a measurable signal generally proportional to the concentration  of bound ligands. Biosensors are already used in many different fields, especially in the  medical domain (diagnostic and therapeutic), for environmental control and analysis, and in  monitoring biotechnological processes.  

 

The research described in this Thesis concerns the development of a new type of versatile  biosensors. These sensors use an optical transduction element whose surface has been  functionalized to allow the selective detection of receptor‐ligand interactions as well as the  dosage  of  molecules  bound  to  the  receptor.  The  technique  used  for  detection  and  quantification  is  ATR‐FTIR  spectroscopy  (Fourier  Transform  Infrared  Spectroscopy  in  Attenuated Total Reflection mode). The system allows the direct online detection and  without labeling of the target molecules. ATR‐FTIR spectroscopy enables the analysis of  ligand molecules on the basis of their infrared (IR) spectral fingerprint feature, which offers  a wealth of information. The technology is sensitive to the conformation of biological  macromolecules and may, for example, be used to determine the secondary structure and  orientation of proteins. Attenuated total reflection (ATR) is based on the presence of an  evanescent wave that interacts with the sample placed in contact with the surface of the  sensor. Its characteristics  allow ligands  to be detected only when they are bound to  receptors closely linked to the sensor surface. This new biosensor system, called BIA‐ATR  (for Biospecific Interaction Analysis  ‐ Attenuated Total Reflection) is original and presents  major advantages over most of commercially available biosensors. It offers the user the  entire IR spectrum of the studied molecule, allowing not only to quantify the latter, but also  offering the possibility of identifying its intrinsic nature. Another advantage is that it can be  used to detect small peptides binding and in some cases associated chemical reactions with  high sensitivity. The potential of this new sensor technology is evaluated in this work by its  application  to several systems of biological and medical interest.  Those  comprise  the  detection of the blood coagulation factor VIII involved in hemophilia type A, monitoring the  phosphorylation  of  the  gastric  ATPase,  a  large  receptor  protein  responsible  for  acid  secretion in the stomach, and the quantification of an antibiotic, vancomycin, used in  intensive care hospital settings in cases of severe bacterial infections with Staphylococcus  aureus. 

   

(8)

                                                                                 

(9)

Table of contents 

 

General Introduction      1 

  1. Introduction to Biosensors       3 

1.1. Optical Biosensors       4 

2. BIA‐ATR sensors      6 

2.1. Pinciple of the BIA‐ATR technology      6 

2.1.1. General principle of the ATR‐FTIR spectroscopy      8 

2.1.2. Spectral specificity       10 

2.2. BIA‐ATR  versus SPR technology       11 

2.3. Construction of the BIA‐ATR sensor       12 

2.3.1. Crystal activation       12 

2.3.2. The generic hydrophobic sensor (GHS)       13 

2.3.3. The covalent sensor (CS)      13 

2.3.4. Specific design of the ATR crystal       15 

  Purpose of this work      17 

  General Materials and Methods      19 

  1. ATR spectrometre      21 

1.1. Spectrometre settings      22 

2. ATR elements      22 

2.1. Standard trapezoidal crystals      23 

2.2. Toblerone crystals       24 

3. The flow system      24 

4. Functionalization of the ATR crystals      26 

4.1. Activation of the crystal surface       26 

4.2. Building the generic hydrophobic sensor (GHS)       26 

4.3. Building the covalent sensor (CS)       27 

4.4. Crystal control quality for the CS sensor construction       29 

4.4.1. Recording the reference spectrum       29 

4.4.2. Recording spectra of functionalized channels      29 

4.4.3. Conversion from transmittance to absorbance       30 

4.4.4. Subtraction of the non irradiate (NI) sepctrum       30 

4.4.5. CO2 and baseline subtraction      31 

4.4.6. Integration of the C=O band between 1756 and 1647 cm‐1      31   

 

(10)

5. Biosensor data processing      32 

5.1. Subtraction of the water vapor contribution       32 

5.2. Subtraction of the buffer spectrum      33 

5.3. Baseline subtraction and CO2 contribution removal       34 

5.4. Binding analysis      34 

5.4.1. Integration      34 

5.4.2. Sutent’s t‐test       34 

  Experimental Results      35 

  1. Detection of the coagulation factor VIII binding on the BIA­ATR sensor      37 

  1.1. Introduction      37 

1.2. Materials and Methods      39 

1.2.1.   Solutions      39 

1.2.2. Preparation of the phospholipid vesicles      39 

1.2.2.1. Gel electrophoresis      40 

1.2.2.2. Dialysis experiments      40 

1.3. Results       41 

1.3.1. Building the BIA‐ATR sensor for FVIII detection       41 

1.3.1.1.       Lipids adsorption on the biosensor surface       41 

1.3.2. Factor VIII binding on the BIA‐ATR sensor      42 

1.3.2.1. Binding specificity : FVIII binding versus HAS binding      42 

1.3.2.2. Spectral identification of the FVIII       45 

1.3.3. Comparision of FVIII binding to PS and PC lipids: influence of the crystal geometry  45  1.3.3.1. FVIII binding to PS and PC lipids using the standard crystal       46 

1.3.3.2. FVIII binding to PS and PC lipids using the Toblerone shaped crystal       48 

1.3.3.3. Comparison of the standard and Toblerone crystals       49 

1.3.4. Influence of lipid composition on the FVIII binding       49 

1.4. Conclusion       51 

   2. Monitoring the phosphorylation and dephosphorylation of the gastric ATPase       52 

  2.1. Introduction      52 

2.2. Materials and Methods      54 

2.2.1. Solutions      54 

2.2.2. H+, K+‐ATPase preparation      54 

2.2.2.1.       Extraction of the tubulovesicles      54 

2.2.2.2.       Gel electrophoresis      54 

2.2.2.3.       Determination of the protein concentration       54 

2.2.2.4.       Determination of the ATPase activity       54 

(11)

 

2.3.    Results      56 

2.3.1. Extraction and dosage of the gatsric ATPase protein      56 

2.3.2. Determination of the ATPase activity      56 

2.3.3. Building the BIA‐ATR sensor for the detection of ATPase phosphorylation      57 

2.3.3.1.       Stability of ATPase binding to the sensor       57 

2.3.4. Detection of H+,  K+‐ATPase phosphorylation and dephosphorylation      59 

2.3.5. Detection of ATP binding in different buffers       62 

2.4.    Conlusion       64 

  3. Development of the BIA­ATR sensor for vancomycin detection       65 

  3.1.    Introduction      65 

3.1.1. General context      65 

3.1.2. Vancomycin and its mode of action       66 

3.1.3. Building the BIA‐ATR sensor for vancomycin detection      69 

3.2.    Materials and Methods       71 

3.2.1. Solutions      71 

3.2.2. Experimental protocols       71 

3.2.2.1.      Recording reference spectra       71 

3.2.2.2.      Receptor grafting       71 

3.2.2.3.      Vancomycin binding      72 

3.2.2.4.      Regeneration of the sensor       73 

3.2.2.5.      Ethanolamine passivation      73 

3.2.2.6.      Exculsion column preparation for salts and phosphates extraction      74 

3.2.2.7.      Nanodrop UV measurements      74 

3.3.    Results      75 

3.3.1. Reference spectra of Ac‐Lys‐D‐Ala‐D‐Ala and vancomycin      75 

3.3.2. Detection of the Ac‐Lys‐D‐Ala‐D‐Ala receptor binding      77 

3.3.3. Detection of vancomycin binding       79 

3.3.3.1.      Vancomycin binding in MilliQ water      79 

3.3.3.2.      Contribution of free vancomycin molecules in solution       81 

3.3.3.3.      Quantifying the occupancy area of vancomycin on the sensor surface      82 

3.3.4. Vancomycin binding in different buffers       84 

3.3.4.1.      Pharmacological validation of the 5% glucose buffer as dosage medium for           vancomycin       85 

3.3.5. Sensor quality control       87 

3.3.6. Vancomycin binding in serum dialysate      89 

3.3.6.1.      Analysis of the background noise generates by the serum dialysate      92 

3.3.6.2.      Vancomycin binding to different D‐Ala‐D‐Ala derivates       93 

3.3.6.3.      Extraction of salts and phosphates contained in the serum dialysate       96 

(12)

3.3.6.4.      Effect of the nonspecific adsorption of molecules contained in the  

      serum dialysate       98       3.3.6.5.      Vancomycin detection in serum dialysate after ethaniolamine  

      passivation       101  3.3.7. Vancomycin binding tests with a different detector component       102  3.3.7.1.      Vancomycin binding detection using the DTGS and MCTdetectors       102  3.3.7.2.      Comparison of the background noise in vancomycin detection with the 

      DTGS and MCT detectors      103  3.3.7.3.      Vancomycin sensor recycling tests      104  3.4.     Conclusion      106   

Conclusion and Perpectives       109   

References list      115   

Publications      123 

(13)

Abbreviations 

 

Å: Angstrom (Å = 10‐10 m)  Ac: acetyl 

ADP: adenosine diphosphate  Ala: alanine 

ATP : adenosine triphosphate  ATR: attenuated total relfection  a.u.: absorbance unit 

BIA: biospecific interaction analysis  C: Celsius 

CS: covalent sensor 

DNA: desoxyribo nucleic acid  D‐Ala: D‐Alanine 

DTGS: deuterated tryglycine sulfate  Eq: equation 

FVIII: coagulation factor VIII  FTIR: Fourier transform infrared  Ge: germanium 

GSH: generic hydophobic sensor  H+: hydropgen ion 

HEPES : 4‐(2‐hydroxyethyl)‐1‐piperazineethanesulfonic acid  HSA: human serum albumine 

IR: infrared 

IRE: internal reflection element  IU: interntional unit 

K: potassium 

KCl: potassium chloride  kDa: kilo Dalton 

Kd: dissociation constant  Lys: lysine 

MCT: mercury cadmium telluride 

MED‐ATR: medicine atenuated total reflection 

MIC: minimal inhibitory concentration: the lowest concentration of an antimicrobial that will inhibit the visible growth of a microorganism after overnight incubation 

Mg: magnesium 

MilliQ: deionisated water  min: minute 

mM: millimolar (10‐3 Molar) 

(14)

mw: molecular weight  NHS: N‐hydroxysuccinimide  nm: nano meter (10‐9 meter)  OTS: octadecyltricholrosilane  PBS: Phosphate‐buffered saline  PC: phosphatidylcholine  PDB: protein data bank 

PE: phosphatidylethanolamine  PEG: polyethylenglycol 

pH: ‐log [H+]: measure the hydrogen ion concentration  PS: phosphatidylserine 

RI: refractive index  SA: straptavidin 

SAM: self assembled monolayer  SD: standard deviation 

SDS: sodium dodecyl sulfate 

SDS‐PAGE : Sodium Dodecyl Sulfate – Polyacrylamide Electrophoresis  Si: silicon 

SPR: surface plasmon resonance  µg: microgramme (10‐6g) 

µl: microlitre (10‐6l)  µM:  micromolar (10‐6M)  UV: ultra violet 

W: Watt   

     

(15)

1

GENERAL  INTRODUCTION 

(16)

2

(17)

3 1) Introduction to Biosensors 

 

Biosensors are analytical composite devices used for molecular recognition detection. They  consist in an immobilized biological material in intimate contact with a suitable transducer  that converts a biochemical signal into a quantifiable electrical signal (1). Their principle is  based on the recognition of a biological analyte of interest free in solution (the ligand), by  another biocomponent (the receptor) closely linked to the transducer sensor substrate (2,  3). The sensor reacts to the receptor‐ligand interactions and produces a measurable signal  usually proportional to the concentration of the bound ligand.  

 

Different transduction mechanisms can be applied to detect these molecular interactions  based on the nature of the sensor support. Among those are electrochemical, which include  potentiometric (4), amperometric (5)), calorimetric (6) and piezoelectric devices (7‐10), and  surface acoustic wave technology (11). The most commonly reported class of biosensors  uses optical systems (12‐l4, see below). The biological component in the sensors may be  enzymes (15, 16), receptors (17, 18), whole cells (19‐21), organelles (22, 23), tissues (24),  antibodies (25, 26), nucleic acids (27, 28) etc. In addition, various immobilization process can  be  used,  such  as  entrapment  or  encapsulation,  covalent  binding,  cross‐linking  and  adsorption (29‐30). The choice of a particular process generally depends on the nature of  the biological element, the type of transducer used, the physicochemical properties of the  component and the operating conditions in which the biosensor has to function.  

 

The concept of biosensors was pioneered by Clark Jr and Lyons who proposed that enzymes  could be immobilized at electrical detectors to form enzyme electrodes (31). However  general interest in biosensors grew considerably since the work of Updike and Kicks (32)  who described the first functional enzyme electrode based on glucose oxidase deposited on  an  oxygen  sensor.  This  work  marked  the  beginning  of  a  major  research  effort  into  biotechnological  and  environmental  applications,  and  offered  the  first  commercial  opportunities in biomedical science and healthcare with the introduction on the market, at  the end of the 70s, of the glucose detector (glucometer).  

 

In the early 80s, the growing interest in interactions between key macromolecules, such as  proteins or DNA, and other molecules generated a new wave of inventions with a wide  range of applications. Monitoring such interactions became essential for pharmaceutical,  biomedical, agriculture and food industries (33, 34, 35). Biosensors were subsequently  developed to detect the presence of pesticides, toxins, antibiotics, vitamins, or for ligands of  various receptors for drug discovery (36‐40). Presently, biosensors are mostly used for  measuring affinities between biomolecules, kinetics properties, as well as for molecular  diagnostic, and quality control (41‐46).  

 

(18)

4 1.1. Optical Biosensors 

 

Optical biosensor devices consist of a biological sensing element integrated or connected to  an optical transducer system. Their basic objective is to produce an electronic signal which is  proportional in magnitude or frequency to the concentration of a specific analyte or group  of analytes to which the biosensing element binds (47). Most of the optical biosensors  exploit the evanescent wave phenomenon to characterize interactions between receptors  that are attached to the biosensor surface and the ligands that are in solution above the  surface (48‐51). The reflection of light at the interface of two media with different wave  motion properties, forms an evanescent wave, whose intensity exponentially decays with  the distance from the interface (52). Molecules interacting within the evanescent field  contribute to the detected signal and can hence be sensed. As the maximum penetration  depth of the evanescent field into the surrounding medium is of the order of 100 nm, it  allows detection of molecules that are bound to immobilized recognition elements (53). 

 

Optical biosensors are powerful alternatives to conventional analytical techniques given  their particularly high specificity, sensitivity, small size and cost effectiveness (54, 55). Their  accuracy and fast response time make them also very attractive compare to the traditional  in‐vitro sensing techniques like ELISA, High Performance Liquid Chromatography (HPLC) or  Fast  Performance  Liquid  Chromatography  (FPLC)  (54,  56).  Research  and  technological  developments have focused on optical biosensors during the last decade because these  sensors  have  a  great  potential for direct,  real‐time and label‐free detection of  many  chemical and biological substances (8). Label‐free detection has the advantage of leaving  the target molecule unaltered allowing it to be detected in its natural form.  

 

There exist different optical detection methods including optical absorption detection and  Raman spectroscopic detection (33, 57, 58). However, many of the best‐known optical  biosensors are based on RI (refractive index) detection, and use SPR (Surface Plasmon  Resonance)  technology  (59).  In  SPR  the  binding  of  molecules  in  solution  to  surface‐

immobilized receptors alters the refractive index of the medium near the sensor surface. 

The SPR biosensor from Biacore is the most widely available biosensors of this type. A  typical experimental set‐up for this sensor is shown in Fig. 1. In this set‐up the change in the  refractive index is proportional to the mass loading on the sensor surface and can be  monitored in real time to measure accurately the amount of bound analyte, its affinity for  the receptor and the association and dissociation kinetics of the interaction (49, 60‐64). 

           

(19)

5  

     

Fig. 1: Typical set‐up for an SPR biosensor. Surface plasmon resonance (SPR) detects changes in the refractive  index in the immediate vicinity of the surface layer of a sensor chip. SPR is observed as a sharp shadow in the  reflected light from the surface at an angle that is dependent on the mass of material at the surface. The SPR  angle shifts (from I to II in the lower left‐hand diagram) when biomolecules bind to the surface and change the  mass of the surface layer. This change in resonant angle can be monitored non‐invasively in real time as a plot  of  resonance  signal  (proportional  to  mass  change)  versus  time.  Shematic  drawing  borrowed  from  http://www.path.ox.ac.uk/Facilities/sprfolder/Principles 

   

In  optical  biosensors,  the  interface between  the  sensor  surface  and  the  chemical  or  biological systems to be studied is a key component. Receptors must be attached to some  form of solid support, while retaining their native conformation and binding activity. This  attachment must be stable over the course of a binding assay, and in addition, sufficient  binding sites should be presented to the solution phase to interact with the ligand. Most  crucially, the support should be resistant to non‐specific binding of the sample, which can  mask the specific binding signal. To achieve these ends, many coupling strategies use a  chemical linker layer between the sensor base and the biological component. Biacore uses,  for example, a thin gold film evaporated on a glass sensor substrate and the biological  receptors are immobilized through interactions with an amorphous dextran matrix (61) or  via an alkanethiol‐based self assembled monolayer (SAM) (65‐67). However, SPR detection  techniques yield only a mass‐response but do not provide chemical information about the  ligand. Alternative techniques are therefore needed to establish the nature of the molecules  that specifically bind to the receptor.  

 

The present thesis addresses this gap. It describes the development of a new type of optical  biosensors based on Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared (ATR‐FTIR)  spectroscopy. ATR‐FTIR spectroscopy allows the detection of molecules on the basis of their 

(20)

6

characteristic IR spectral fingerprints, which offers a wealth of information for identifying  them. The technology is sensitive to the conformation of biological macromolecules (68‐70)  and is particularly well adapted to the characterization of organic molecules and biological  systems (71, 72). It may, for example, be used to determine the protein secondary structure  and orientation of proteins (70, 73).  

2) BIA‐ATR  sensors   

The BIA (Biospecific Interaction Analysis) – ATR (Attenuated Total Reflection) sensors are the  new designed biosensor devices developed in this work. They are based on ATR‐FTIR  spectroscopy and are specifically geared to the investigation of ligand‐receptor interactions  since the ATR‐FTIR technique allows gathering direct physico‐chemical information on the  molecular interactions involved from the IR spectrum (74, 75). 

 

The  implementation  of  a  new  biosensor  requires  a  multidisciplinary  approach.  Such  approach involves ensuring the presence of biomaterial (immobilization of molecules on the  sensor substrate),  stabilizing the receptors, developing the actual sensor device (sensitivity,  reproducibility issues) and integrating the fluidic and electronic components of the system. 

The development of the ATR‐FTIR‐based biosensors described in this Thesis, was therefore  carried out as a collaboration of four research groups with complementary expertise: the  WOW engineering company (Namur, Belgium), providing engineering guidance and devices,  the  Catholic University  of Louvain (UCL),  responsible  for the synthesis  of the organic  molecules (hydrophilic, hydrophobic) and for sensor surface grafting, the University of  Mons‐Hainaut  (UMH),  focusing  on  the  analyses  of  the  molecular  interfaces,  and  our  laboratory  at  the  Free  University  of  Brussels  (ULB)  specializing  in  applying  ATR‐FTIR  spectroscopy to the investigation of biomolecules.  

 

2.1. Principle of the BIA­ATR technology   

BIA‐ATR sensors consist of an ATR element, usually a germanium or silicon crystal, which is  transparent in the infrared spectral domain, and whose surface has been functionalized by  covalently linking it to receptor molecules.   Unlike in SPR, these molecules are grafted by  wet chemistry directly on the sensor substrate at a distance determined by a spacer  molecule and without an intermediary metal layer. A solution containing the potential  ligand is flown over the crystal and detection of the binding event is achieved by recording  ATR‐FTIR spectra.  

 

The free ligand remains essentially undetected up to mM concentrations, but upon binding  to  the  receptor,  its  concentration close  to  the  sensor  surface  increases dramatically,  rendering it readily detectable in the IR spectrum. The BIA‐ATR technology thus enables to 

(21)

7

covalently link proteins to the sensor surface and investigate their response to modifications  in their environment (76). A schematic representation of the experimental device is shown  on Fig. 2. 

                             

Fig. 2: Schematic representation of the experimental device used for BIA‐ATR biosensors (A1: internal total  reflection element transparent in the infrared spectral domain, A2: incident infrared beam, A3: ligand‐receptor  interactions  at  the  crystal  surface).  Inset  1:  molecular  recognition  (B1:  ATR  element  surface,    B2: 

functionalization layer, B3: free ligands and ligands bound to receptors). Inset 2: Schematic representation of  the molecular construction (C1: anchoring molecule, C2: spacer molecule, C3: receptor). Shematic drawing  borrowed from ref 76. 

   

Thus, BIA‐ATR sensors use ATR‐FTIR spectroscopy as mechanism of signal transduction. 

Fourier transform infrared spectroscopy involves sending electromagnetic radiation of mid‐

IR spectral region (4000 to 400 cm‐1), whose wavelengths excite specific vibrational modes  in organic molecules (proteins, lipids, etc…) bound or absorbed on the surface of an internal  reflection element (IRE). In the present case, the IRE consists of a germanium or silicon  crystal. Biological molecules have characteristic vibration modes, hence the radiation is  absorbed at different frequencies depending on the molecule. Attenuated total reflection  mode (ATR) is based on the presence of the evanescent wave produced at the reflection  interface, which interacts with the sample placed in contact with the surface of the sensor  chip (71, 77). As the amplitude of the evanescent wave decreases exponentially with the  distance from the interface in the surrounding medium, only molecules close to the chip  surface can significantly contribute to the infrared spectrum. Analytes present in water  containing media can then be detected only when they are in close contact with the sensor  surface. 

     

A 1

B 1

A 2 A 3

L iq u id m o bile ph a s e : s o lv e n t a n d lig a n d s in s o lu tio n

I n se t 1

I n s e t 2 B 2

B 3

C 1 C 2 C 3

(22)

8

2.1.1. General principle of the ATR‐FTIR spectroscopy    

It is essential to understand the basic principles that govern the absorption of the IR light at  the reflecting interface of an internal reflection element (IRE). These principles have a  profound impact on: (1) the spectrum intensity, (2) the band shape, (3) the intensity ratio  between bands located at different wavelengths, (4) the ratio between the contributions of  the  bulk  of  the  solvent  and  the  sample,  (5)  the  quantitative  evaluation  of  surface  concentrations, and (6) the impact of the polymer (or metallic layers) on the signal‐to‐noise  ratio. The most common design for a attenuated total reflection set‐up is the trapezoidal  plate (see section 2.3.4.). A schematic representation of an ATR set‐up is shown in Fig. 3.  

 

The infrared beam is directed towards a high refractive index medium (germanium or  silicon) transparent for the IR radiation of interest. Above a critical angle θc, which depends  on the refractive index of the IRE, n1, and that of the external medium, n2

 

θ= sin−1n21      (1)   

with n21 = n2/n1. The light beam is completely reflected when it impinges on the surface of  the IRE. Several internal total reflections occur within the IRE until the beam reaches the  end. 

                             

Fig. 3: Schematic representation of the internal reflection element (IRE) and the light path. The Cartesian  components of the electric field are shown along the X, Y and Z axes. Two possible planes of polarization of the  incident  light  are  indicated  by  E//  (polarization  parallel  to  the  incidence  plane)  and  E (polarization  perpendicular to the incidence plane). The incident beam makes an angle with respect to a normal to the IRE  surface. The edges of the IRE are beveled so that the incident beam penetrates the IRE through a surface that is  perpendicular to its propagation. Shematic drawing borrowed from ref 72. 

   

(23)

9

It can be shown from Maxwell’s equations that superimposition of the incoming and  reflected waves yields a standing wave within the IRE, established normal to the totally  reflecting surface. Importantly, an electromagnetic disturbance also exists in the rarer  medium beyond the reflecting interface. This so‐called evanescent wave is characterized by  its amplitude, E(z), representing the time averaged field intensity at a distance z from the  interface of the rarer medium, which decays exponentially with this distance:

 

E(z) = Ee−z/dp      (2)   

where E0 is the time averaged electric field intensity at the interface (z = 0) and dp is the  penetration depth of the evanescent field, given by: 

               

      /       (3)   

where λ is the wavelength, λ1 = λ/n1, n21 = n2/n1 (78) and θ is the beam incidence angle of  the IRE. Larger λ or smaller θ values correspond to a larger penetration depth. Fig. 4  illustrates a typical decay of the evanescent field intensity for total reflection in two  different IREs. It is the presence of the evanescent field that makes possible the interaction  between  infrared  light  and  the  sample  present  on  the  surface  of  the  IRE,  within  approximately the penetration depth of the field. An obvious conclusion that can be drawn  is that the sample has to be in close contact with the IRE. Furthermore, the molecules from  the bulk of the solvent are usually not sensed at all because they are too diluted and too far  away from the reflecting interface. It is also apparent from Eq(3) that band intensity will  depend on the wavelength since the penetration depth, and thereby the interaction with  the sample, increases with λ. The principles described above yield spectral features, which  are specific to ATR spectroscopy. 

 

   

Fig. 4: Schematic representation of the evanescent wave on a 50 mm × 20 mm (A) KRS‐5 (Thalium Bromoiodide)  and (B) germanium IRE, at 45° incidence, for a beam width of 3 mm. The grey density decreases as the function  of the evanescent field intensity. For clarity, the evanescent field is represented only on the upper side of the  IRE. Shematic drawing borrowed from ref 72. 

 

(24)

10 2.1.2. Spectral specificity  

 

Each biological molecule has its characteristic IR absorbance spectrum, which depends on its  vibration modes. Indeed, chemical bonds vibrate at different energy levels and thus absorb  at different wave numbers. For example in proteins, bands around 1650 cm−1 (amide I) and  1544 cm−1 (amide II) arise mainly from the absorption of the peptide groups. Amide I is the  most intense absorption band of polypeptides. It is positioned between 1700 and 1600  cm−1, but its exact frequency is determined by the geometry of the polypeptide chain and  the hydrogen bonding patterns. ν(C=O) has a predominant role in amide I, accounting for  70–85% of the potential energy (79). Amide II occurs in the 1580–1510 cm−1 region and  derives mainly from the in‐plane N–H bending. Between 1800 and 1700 cm‐1 one can find  absorption  corrsponding  to  C=O  lipids  vibration,  allowing  therefore  to  analyse  the  lipid/protein  ratio  in the 1800–1500  cm−1  spectral  region.  Proteins  adopting  different  structures and different secondary structure contents can be readily distinguished, as  α  helical regions absorb at a different wavenumber as β sheet regions (Fig. 5). This is of major  importance when investigating conformational changes of peptides implicated in protein  aggregation phenomena associated with diseases, such as Alzheimer, where the amyloid‐

beta peptide, responsible of pathogenesis, has been described as having different toxicities  depending on the conformations it adopts (80). 

   

   

Fig. 5: IR spectrum of set of typical proteins with different secondary structure contents. The percentage of  the two major secondary structure types (α‐helix and  β‐sheet structure) is indicated in parentheses for each  protein. Figure borrowed from ref 143. 

         

Human albumin (α: 70 + β: 0)  

Apolipoprotein E (α: 65 + β: 0)  Dihydropteridine reductase  (α: 37 + β 24) 

Lysozyme (α: 31 + β: 6)  Subtilisin (α: 31 + β: 18)  Ovalbumin (α: 30 + β: 31)   

Metallothionein (α: 0 + β: 0)  Streptavidin (α: 0 + β: 48) 

(25)

11 2.2. BIA­ATR versus SPR technology   

Both ATR‐FTIR and SPR  technologies use an optical element whose surface has been  functionalized with a bound receptor. While SPR measures the variation in the resonance  angle at the sensor‐substrate interface due to mass changes induced by ligand binding (81),  ATR‐FTIR detects the difference in the IR reflected beam due to ligand attachment at the  sensor surface. The SPR signal is recorded on a sensorgramme expressed in resonance unit  (RU), which depends on the mass loaded on the sensor surface. The ATR‐FTIR data are  represented as IR spectra characteristic of each type of biomolecule, whose intensity is  related  to  the  concentration  of  the  bound  ligand.  A  schematic  comparison  of  both  technologies is presented on Fig. 6. 

                       

 

         

Fig. 6: schematic comparison of the SPR and ATR‐FTIR technologies. 

   

The  SPR  detection technique yields  only  a  quantitative response  from  the  sensor. In  contrast, ATR‐FTIR, which can monitor the binding of a ligand to a receptor as other  detection methods, gives in addition qualitative information about the chemical nature and  structure of the ligand. Two or more different types of compounds that bind to the sensor  can be detected simultaneously. Chemical reactions or conformational changes induced by  the interaction can also be detected, thereby providing valuable information, e.g. on the  mechanism of action of a drug or the activity of a protein (82, 83). Another interesting  feature of the IR detection is that it allows the concentrations to be determined from the  integrated molar extinction coefficient (84). 

ATR-FTIR SPR

Functionalized  surface

Metal  layer  Optical element 

Glass (SPR)   Si/Ge crystal (ATR‐FTIR) 

light 

detection Mobile phase  solvents + ligands 

(26)

12 2.3. Construction of the BIA­ATR sensors   

One of the challenges encountered in the design of ATR‐FTIR‐ based sensors is the binding  of receptor molecules of interest to the sensor substrate. This binding must maintain the  integrity of the protein structure and activity, and the modified surface must prevent  nonspecific binding. Several ways of surface modification have been investigated in previous  work (72, 76)In  the present Thesis, two types of BIA‐ATR sensors are developed:  a  hydrophobic sensor (GHS) for grafting lipids or membranes and a sensor called “covalent  sensor” (CS) for attaching proteins and other receptor molecules. In both cases, the sensor  substrate is a germanium or silicon crystal whose surface is first activated by oxidation to  allow the attachment of hydrophobic compounds. 

 

2.3.1. Crystal surface activation   

The  specificity  of  the  sensor  is  related  to  the  formation  of  specific  ligand‐receptor  associations. But this specificity can only be fully exploited by the sensor if the receptor  (lipids, membranes, peptides, proteins…) can be covalently linked to the sensor substrate. 

This covalent linkage crucially depends on the chemical nature of the ATR element. The  most commonly used ATR elements are silicon (Si)  and germanium (Ge) crystals. The  chemical binding of molecules on Si substrates was studied in the past via the activation of a  SiOlayer (85‐87). This binding is generally improved by using an oxidation process to  increase the density of Si‐OH groups on the surface. The modification of surface properties  using such reactions is more complicated when considering Ge crystals because, unlike the  SiO2, GeOis water soluble and the surface of germanium is less resistant to oxidation than  silicon. However, Ge has a lager spectral window in the mid‐IR wavelengths suitable for  studying  biological  molecules.  Vogel and co‐workers eliminated the  drawbacks for  Ge  surface activation (88, 89) by using self‐assembled monolayers (SAMs) of thiol‐terminated  molecules on gold‐coated Ge elements to study ion complexes and proteins conformation  with FTIR. However, they report adverse effects of the metal layer thickness (between 5 and  10  nm)  deposited  at  the  surface  of  an  ATR  element,  on  the  infrared  detection  of  biomolecules. The presence of both an anchoring oxide layer and a gold film significantly  reduces the efficiency of the ATR‐FTIR method due to the attenuation of the evanescent  wave in the thin metallic layer.  

 

To avoid these problems, the BIA‐ATR technology developed another system for Ge crystal  activation by successive immersions in HNOand H2O2/ethanedioic acid solutions (90). The  activated Ge crystals can then be grafted with octadecyltrichlorosilane (OTS) molecules for  lipids and membranes immobilization (hydrophobic sensor) or with PEG (polyethylenglycol)  chains and specific spacer molecules to allow the covalent binding of receptors (covalent  sensor).   

 

(27)

13 2.3.2. The generic hydrophobic sensor (GHS)   

In a sensor designed to work with lipids or membranes, the sensor surface is rendered  hydrophobic by grafting a self‐assembled monolayer of octadecyltrichlorosilane (OTS) onto  the Si or Ge surface (91, 92). The process involves the immersion of the activated ATR  crystals in a solution containing OTS and hexadecane (see general Materials and Methods). 

The corresponding chemical reactions are schematically represented on Fig. 7. 

   

 

   

Fig. 7: Schematic representation of the chemical reactions used for OTS (octadecyltrichlorosilane) grafting  onto the germanium surface. 

   

The presence of the OTS layer is controlled by recording an ATR‐FTIR spectrum and its  hydrophobicity is checked by the water droplet contact angle method (see general Materials  and Methods). OTS‐grafted surfaces have a contact angle typically around 105° ± 5°. The  amount of OTS bound on the crystal can be evaluated by comparison of the recorded FTIR  spectra with the signal of DPPC (dipalmitoylphosphatidylcholine) monitored on Langmuir  Blodgett monomolecular films (93, 94).  

 

Once lipids or biological membranes with specific receptors are attached to the prepared  OTS surface, the generic hydrophobic sensor is ready for use. Solutions containing the  potential  ligand can then be flown  over the  sensor and the  ligand binding detection  achieved by recording ATR‐FTIR. 

 

2.3.3. The covalent sensor (CS)   

Covalent grafting of the receptor is required in view of detecting ligand‐protein or ligand‐

biomolecule  interactions.  The  BIA‐ATR  technology  uses  an  original  organic  coverage,  without  a metallic layer that allows the binding of a receptor and avoids nonspecific  adsorptions.  The  preparation  of  the  ATR  crystal  for  the  covalent  anchoring  of  the  biomolecule of interest requires several steps (90).  

 

After activating the crystal surface, a homemade PEG (polyethyleneglycol) molecule (Fig. 8)  is grafted by silanisation with a trietoxysilane ((EtO)3Si‐) foot anchor that reacts with the 

()

15

 

OH 

OH 

Ge  Ge

O O

O

Ge

Activation  OTS grafting 

CH3  Si 

Cl3‐Si ‐C18H37

(28)

14

oxidized surface, in order to reduce non specific absorption (95, 96, 97). The PEG used is a  composite mixture containing an (EG)7 chains, and a small alkyl chain with a carbamate  group. The alkyl chain and the carbamate are used to facilitate self packaging and protect  the Si‐O bonds with the crystal from water. 

   

O Si

O O

HN O

O

O

O

O

O

O

O O

   

 

Fig. 8: Silanisation reagent: home made compound: (EtO)3Si‐, C3H8, NH2COOH, (EG)7   

 

The following step is the grafting of a spacer molecule (4  ‐ (p‐azidophenyl) butyrate, N‐

succinimidyl) by photoactivation (254 nm), which binds the specific PEG molecule on one  extremity and any receptor ending with a primary amine on the other. The insertion of the  molecule occurs randomly in the CH bonds of the PEG coverage. This relay molecule  contains an ester/azide group  capable  of binding receptor molecules  following photo  activation. Biochemical reactions for the construction of the CS on a germanium crystal are  schematically presented in Fig. 9. 

   

 

Fig. 9:  Schematic representation of the chemical reaction for the CS construction 

 O

)

7

(

O

OH OH OH

Ge  Ge  Ge

Activation           PEG grafting  2‐(methoxy (polylenoxy)  propyl‐triethoxysilane) 

PEG

(EtO)3Si  OMe

3

  ) 

3 O O

O

Ge  PEG Ge

   O 

HN

( )

3 O

Spacer arms grafting Photoactivable ester/azide   4‐(p‐azidophenyl)butyrate de N‐

succinimidyl

O O

O

O O

O

O

O

O

O

Si

Si  Si

N

alkyl chain

carbamate PEG chain

triethoxysilane

(29)

15

Control of PEG and spacer molecule grafting is also achieved using the contact angle water  drop technique (see general Materials and Methods): the acceptable contact angle for Ge‐

PEG surfaces is between 40° and 50°, and the required value for the Ge‐PEG‐NHS surface  rises 60°‐70°. Structural analysis is performed by recording ATR‐FTIR spectra  

 

After receptor grafting and stabilization, the covalent sensor is functional. Specific ligand can  then be brought over the sensor and ligand‐receptor interactions detected by recording  ATR‐FTIR. 

 

2.3.4. Specific design of the ATR crystal   

Two  types  of  ATR  elements  are  used  for  OTS  grafting  and  binding  of  membrane  phospholipid fragments: the trapezoidal standard ATR crystal, commercially available (50 x  20 mm2) and an original triangular prism (45 x 6.8 mm2) specifically designed as part of this  work, and named “Toblerone crystal” in reference to the famous Toblerone chocolate bar. 

While the first one is crossed by an IR beam with an angle of 45 ° which undergoes 25  internal reflections, the second has only one single internal reflection with an incidence  angle of 45° (Fig. 10). Thus, the standard crystal has on its surface an evanescent field due to  multiple reflections that allow the interaction of the IR beam with the sample along the  entire length, whereas the triangular crystal has one reflection. However, the loss in the  number of reflections is compensated by the improvement of the optics quality in the FTIR  cell: the Toblerone is accommodated on a Golden Gate Micro‐ATR beam condenser (see  general Materials and Methods). The latter is a more elaborate optical system (mirrors and  lenses), which offers increased sensitivity. 

 

 

Fig.10: Comparison of the standard and the newly designed Toblerone crystal 

50 mm 

20 mm 

mm

45 mm

6.8mm

1 internal reflection 25 internal reflections 

 Standard crystal      Toblerone crystal

(30)

16

Reduction of the sensor area provides a better control on the OTS surface functionalization  and the use of smaller reagent volumes as well as smaller liquid flows in the experimental  cell. The new geometry also allows to conduct several experiments on the same crystal with  at least 11 lanes available.  

                 

 

Fig. 11: the 11 sensors channels of the Toblerone crystal. 

   

The Toblerone crystals are built of germanium (Ge). The problem of Si, not encountered by  Ge, is its opacity below 1400 cm‐1. Yet the fingerprint region of organic molecules below  1400 cm‐1 is essential for molecule identification: between 1230 and 1000 cm‐1 one will find  the absorption bands due to phosphate and sugar vibrations. To quantitatively detect these  chemical compounds, the use of Ge crystal is highly suitable. Its grafting properties and  hardness (wear resistance) make it also the material of choice.  

                                   

2mm

(31)

17

Purpose of this work 

 

This work describes the development of the BIA‐ATR technology and more particularly the  control  of  the  chemistry  for  grafting  the  surface  of  the  optical  element,  as  well  as  establishing the protocol for the quantitative detection of the molecules of interest. An  important goal of the study is to demonstrate the applicability of the BIA‐ATR methodology  to online detection of ligands binding to their specific receptors. Different applications of  biological and medical interest are considered:  

 

- In the first part, the potential of this new sensors technology is evaluated for  detecting proteins in complex media, using as example the binding of the blood  coagulation Factor VIII to phosphatidylserine membranes grafted onto the sensor  crystal surface. The coagulation FVIII is involved in hemophilia A and the solutions  used are prepared from commercial injectable samples containing excipients in  which FVIII represents a very small fraction of the solutes.  

 

- Next we demonstrate that the small size of a ligand relative to that of the receptor is  not an obstacle for quantitative detection provided the ligand has a characteristic  spectral fingerprint. This is illustrated by the work on the detection of a single  phosphate group (phosphorylation) binding to the H+, K+ gastric ATPase, a large  protein responsible for acid secretion in the stomach.  

 

- Finally,  the  ability  of  BIA‐ATR  sensors  to  detect  and  quantify  an  antibiotic  is  investigated using vancomycin‐peptide system. Detection of this antibiotic, used in  hospital intensive cares in case of sever bacterial infections, is considered as a proof  of concept for developing a sensor technology allowing ex‐vivo online monitoring of  drug concentration in the serum of hospitalized patients. 

 

These three investigations illustrate the versatility and advantages of the BIA‐ATR sensor  technology, while also uncovering several aspects that require improvements and areas  where further developments will be beneficial for establishing the BIA‐ATR technology as an  attractive alternative to existing sensors.  

 

(32)

18

(33)

19

GENERAL MATERIALS AND METHODS 

(34)

20

(35)

21 1) ATR Spectrometer  

 

Attenuated total reflection Fourier transformed infrared (ATR‐FTIR) spectra were obtained  on a Bruker IFS55 FTIR spectrophotometer (Ettlingen, Germany) equipped with a MCT  (Mercury Cadmium Telluride) detector (broad band 4000–800 cm‐1) cooled with liquid N2 24  h hold time. The spectrometer was continuously purged with dry air (Whatman 75‐62,  Haverhill, MA, USA). Measurements were recorded at room temperature. 

 

The spectrophotometer was also equipped with a DTGS (Deuterated Triglycine Sulfate)  detector, not cooled with liquid N2, which was used for some experiments in the context of  the biosensor development for vancomycin detection. 

 

ATR elements were installed on a beam condenser: a standard vertical ATR cell, customized  with a lift system (WOW Company, Belgium) was used for trapezoïdal crystals (Fig. M1). The  Toblerone crystals were accommodated on a Golden Gate Micro‐ATR beam condenser from  Specac with a specific top plate containing a groove fitting the crystal (WOW Company) in  replacement of the diamond‐bearing plate (Fig. M2) 

     

Fig. M1: Standard vertical ATR cell, customized with a lift system (WOW Company, Belgium) 

(36)

22

   

Fig. M2: Triangular‐shaped germanium crystal accommodated on a Golden Gate Micro‐ATR beam condenser  from Specac with a specific top plate containing a groove fitting the crystal. 

 

1.1. Spectrometer settings   

When using the MCT detector, a stabilization time of 15 minutes after N2 cooling was  required before use. Light transmission of the whole system was measured as the energy of  the IR light reaching the detector. For optimal quality this energy should reach at least 4000  (arbitrary units); i.e. 15% of the energy measured in the absence of any accessory in the  beam. In the case of the DTGS detector, the maximal energy obtained was of 2500 when  using a Toblerone crystal. 

 

The resulting absorbance spectrum comprises 1030 scans when recorded with the MCT  detector compare to 175 scans when using the DTGS detector.  

 

Resolution was of 8 cm‐1 and data were saved for wavelengths between 4000‐800 cm‐1.   

2) ATR elements   

The internal reflection element (IRE) used for ATR‐FTIR infrared spectroscopy is a material  transparent to infrared radiation and of high refractive index on which the receptor is  grafted. Usually germanium is used, with a refractive index n = 4.0, alternatives are also zinc  sulfide (n = 2.2), diamond (n = 2.35) and silicon (n = 3.4). The refractive index dictates the  critical angle of incidence θc. The critical angle of the various materials in water (n = 1.5) is  respectively of 22 °, 43 °, 40 ° and 26 °. The angle of incidence used on all devices is 45°.  

 

(37)

23

In this work, germanium (Ge) was mainly used because of its higher refractive index and  thus its lower critical angle of incidence. But other parameters have also been taken into  account: 

 

- The range of wavelength transparent in the mid‐IR: the useful window for Ge is  broad enough to include the spectral region where receptor and ligand absorb  (approximately 1800 to 1000 cm‐1). It is from 4000 cm‐1 to respectively 830, 950, 400  and 1400 cm‐1 for Ge, ZnS, diamond and Si. 

 

- Hardness: Ge hardness (about 780 kg/mm2) is the hardest material used for ATR. It is  therefore particularly resistant to manipulation. 

 

- The  chemical  reactivity:  chemical  reactivity  of  the  Ge  surfaces  allows  grafting  receptor molecules. 

 

Silicon was also suitable for chemical grafting, but its range of wavelengths was too limited. 

It was however used in some experiments in the case of the standard trapezoidal crystal.  

   

2.1. Standard trapezoidal crystals    

The original commercially available ATR crystals were trapezoidal silicon (Si) or germanium  (Ge) crystals (50 x 20 x 2 mm3). They were purchased from ACM, 78640 Villiers Saint  Frédéric, France.  They had an aperture angle of 45° yielding to 25 internal reflections (Fig. 

M3). 

                         

 

Fig M3: Standard ATR germanium crystal   

 

25 internal reflections 50mm

20mm

2mm

Références

Documents relatifs

This effect and its range are difficult to model because the transport across the magnetic lines has two components very different in nature and value: the Hall

orientalis (Narayanan et al., 1960) has seta S5 absent, it was decided: (1) to measure the transverse and the vertical distances between the large setae in the latter two

The uncertainties denote the statistical (stat), the systematic (syst), and the luminosity (lumi) uncertainties... The uncertainties of the data-driven determinations of muon

Khi so sánh với kết quả mô phỏng theo phương pháp FEM với phương pháp FVM và thực nghiệm với 3 mức điện trường đặt khác nhau cho thấy mô hình có

Depending on the material in an aqueous environment, a folded peptide structure can be expected to exhibit different affinities to the material surface in different regions of its

Peptide binding to ochratoxin A mycotoxin: a new approach in conception of biosensors.. Ingrid Bazin, Nicolas Andreotti, Aziza Ibn Hadj Hassine, Michel de Waard, Jean-Marc

In contrast 2 mg/L azithromycin did not affect biofilm production by mutant PT502 (27% of wild-type in the absence versus 25% in the presence of 2 mg/L azithromycin), suggesting

Low recurrence of angina pectoris after coronary artery bypass graft surgery with bilateral internal thoracic and right gastroepiploic arteries. Additional evidence for