Hierarchically structured molecularly imprinted nanomaterials as recognition elements in biochips

par Ana-Valvanuz Linares

Thèse de doctorat en Biotechnologie

Sous la direction de Aude Falcimaigne-Cordin et de Karsten Haupt.

Soutenue en 2010

à Compiègne .

  • Titre traduit

    Nanomatériaux à empreintes moléculaires à structure hiérarchique comme éléments de reconnaissance dans un biocapteur


  • Résumé

    Les polymères à empreintes moléculaires (MIPs, de l'anglais molecularly imprinted polymers) sont des polymères synthétisés sur mesure, capables de reconnaître spécifiquement une molécule cible. Ils sont obtenus en assemblant, autour de la molécule cible ou d'un dérivé de celle-ci, des monomères fonctionnels et des monomères réticulants qui sont ensuite co-polymérisé pour former une cavité. Après polymérisation la molécule empreinte est retirée libérant des sites de reconnaissance tridimensionnelles, complémentaires à la cible par leur taille, leur forme et par le positionnement des groupements chimiques. La conformation de ces sites est préservée par la nature réticulée du matériau. Une mémoire moléculaire est ainsi générée dans le polymère qui est maintenant capable de reconnaître sa cible de façon sélective. Les MIP peuvent mimer les interactions biologiques entre, par exemple, un anticorps et son antigène, une enzyme et son substrat, ou un récepteur et une hormone. Ils pourront donc être utilisé à la place de ces biomacromolécules comme éléments de reconnaissance dans des biocapteurs et biopuces. Pour construire des systèmes intégrés contenant et l'élément de reconnaissance, et le transducteur du signal, des techniques de dépôt de motifs appropriés sont nécessaire. Le travail de cette thèse porte sur le dépôt des MIP sur des surfaces planes pour leur future intégration dans des biocapteurs. Pour cela, nous avons développé trois techniques principales, le nanomoulage, la photolithographie par projection par microscope (MPP), et la photolithographie en champs proche par onde évanescente (PEW). Le nanomoulage dans des supports d'alumine poreux nous a permis d'obtenir des films composés de nanofilaments parallèles attachés à une surface, portant dans leur surface des empreintes soit d'une petite molécule, la fluorescéine, ou d'une protéine, la myoglobine. Ces MIP sont capables de reconnaître préférentiellement leur cible par rapport à d'autres molécules de structures similaires. Quand les mêmes MIP nanostructurés ont été synthétisés par MPP avec projection d'un motif sur l'oxide nanoporeux pour la polymérisation, des rangées de spot consistant quant à eux de nanofilaments ont été obtenus. Grâce à cette structuration, la capacité d'adsorption des spots et donc l'intensité du signal de détection ont été fortement améliorées, alors que l'adsorption non spécifique était diminuée comparé aux mêmes spots obtenus par projection et polymérisation sur une surface plane. Finalement, en utilisant la PEW, des spots ultrafins de MIP avec des épaisseurs de quelques dizaines de nm ont été obtenu de façon contrôlée. Ceux-ci ont montré des bonnes propriétés de reconnaissance de leur cible, le dérivé d'aminoacide dansyl-phénylalanine, déterminé par microscopie de fluorescence. Nous pensons que ces matériaux préparent le chemin vers une meilleure utilisation des MIP dans le domaine des biocapteurs.


  • Résumé

    Molecularly imprinted polymers (MIPs) are tailor-made synthetic receptors that are able to specifically recognize a given target molecule. They are synthesized using the target molecule or a derivative thereof as a molecular template around which functional and crosslinking monomers are arranged and co-polymerized to form a cast-like shell. After polymerization and removal of the template, three-dimensional binding sites complementary to the target molecule in size, shape, and position of functional groups are exposed and their conformation is preserved by the crosslinked structure. Thus, a molecular memory is imprinted on the polymer, which is now capable of selectively rebinding the target. MIPs are able to mimic thebiological interactions that take place between antigens and antibodies, an enzyme and its substrate or between a hormone and its receptor. Hence, they are proposed as recognition elements in sensors and biochips as possible substitutes for biomolecules. In order to construct integrated systems containing the recognition element and the transducer part, suitable interfacing and patterning methods are required. The work of this thesis focuses on the deposition and patterning of MIPs onto flat surfaces for their further integration in a sensing device. Three-main techniques have been studied for this purpose: nanomolding, microscope projection photolithography (MPP) and near-field photolithography by evanescent waves (PEW). Nanomolding on sacrificial nanoporous alumina generated films composed of parallel, surfacebound nanofilaments with high aspect ratio, containing surface molecular imprints for either a small molecule, fluorescein, or for the protein myoglobin. These MIPs were able to specifically recognize their targets over other molecules with similar structures. When MPP was used to synthesize these nanostructured MIP films and a pattern was projected onto the surface for polymerization, regular arrays of MIP dots composed of nanofilaments were obtained. These showed an increase in capacity and thus in signal intensity, together with less non-specific binding compared to plain dots generated by the same technique where the MIP precursors were polymerized on a flat surface. Finally, using PEW, molecularly imprinted ultrathin microdots with thicknesses in the range of tens of nanometers were obtained in a controlled manner, exhibiting good recognition properties towards their target, the fluorescent amino acid derivative dansyl-L phenylalanine, as revealed by fluorescence microscopy. We believe that this work paves the road to a better integration of molecularly imprinted polymers into sensing technology. !

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Informations

  • Détails : 1 vol. (216 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 418 réf.

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  • Bibliothèque : Université de Technologie de Compiègne. Service Commun de la Documentation.
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  • Cote : 2010 LIN 1862

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