Modification de surface électrochimique de nanotubes de carbone à paroi simple et des électrodes à base de graphène pour les applications de bio-capteurs

Electrochemical surface modification of signle walled carbon nanotubes and graphene-based electrodes for (bio) sensing applications

• Auteur / Autrice : Sandra Enriquez Sansaloni
• Direction : Alain Pénicaud, Francesco Paolucci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 11/07/2014
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Università degli studi (Bologne, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Université Bordeaux-I (1971-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Maurizio Prato
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Neso Sojic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Campidelli, Patrizia Romana Mussini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Nanotubes

Biocapteurs

Graphène

Mots clés libres

Capteurs

Nanotubes de carbone

Graphène

Électrochimie

Sensors

Carbon nanotubes

Graphene

Electrochemistry

Résumé

Les capteurs sont des dispositifs ayant montré une utilisation répandue, allant de la détection des molécules en phase gazeuse au suivi de signaux chimiques dans les cellules biologiques. En général, un capteur est réalisé à partir d’un élément actif de détection et d’un signal transducteur produisant un signal de sortie qui peut être électrique, optique, thermique ou magnétique. Les électrodes à base de nanotubes de carbone à simple paroi et les électrodes à base de graphène se sont révélées être un matériau excellent pour le développement des biocapteurs électrochimiques, puisqu’ils montrent des propriétés électroniques remarquables et la capacité de se comporter en tant que nano-électrodes individuelles, un excellent transport de porteur de charge à faible dimension, et permettent de l’électrocatalyse de surface. Le travail présenté vise à la préparation et à l’étude d’électrodes de nanotubes de carbone à simple paroi et d’électrodes de graphène modifiées par voie électrochimique pour des applications dans le domaine des biocapteurs. Nous avons d’abord étudié les films de nanotubes de carbone à simple paroi et nous nous sommes intéressés à leur topographie, à leur composition de surface, et leurs propriétés électriques et optiques. Nous montrons que ces films sont homogènes avec une conductivité d’environ 200-300 Ω/□, et une transparence d’environ 40%. En parallèle aux nanotubes de carbone à simple paroi, des films de graphène ont été étudiés. Des valeurs de résistance plus élevées en comparaison avec les films de nanotubes ont été obtenues. La modification de surface par voie électrochimique des deux types d'électrodes a été étudiée en suivant deux voies, (i) l’électro-greffage de sels d’aryl diazonium, et (ii) l’addition électrophile de 1, 3- benzodithiolilyumtetrafluoroborate (BDYT). Les caractéristiques qualitatives et quantitatives de la surface modifiée des électrodes ont été étudiées, comme le degré de fonctionnalisation et la composition de surface. La combinaison de spectroscopie Raman, et de photoelectrons X- (XPS) de microscopie à force atomique (AFM),d'électrochimie et d’autres techniques, a montré que des précurseurs particuliers peuvent être ancrés de façon covalente à la surface des électrodes de nanotubes etde graphène, grâce à la formation de nouvelles liaisons carbone-carbone. Dans le premier cas (i), leur post-modification par des réactions de « clickchemistry» mène finalement à l’immobilisation sur la surface de l’électrode des groupes fonctionnels souhaités, comme des sondes/shuttles redox (e.g., un groupeferrocenyl) ou des groupements catalytiques (e.g., une enzyme). L'enzyme HRP(horse-radish peroxidase) a été, par exemple, immobilisée sur des surfaces de nanotubes de carbones à simple paroi modifiées par un groupe aryl, et l'étude voltammétrique a montré une réponse catalytique avec l’augmentation de la concentration de peroxyde d’hydrogène en solution, en suivant le « shuttle » redoxhydroquinone/benzoquinone à la surface de l’électrode. Dans le second cas (ii), l’addition électrophile de radicaux BDYT électro-générés a été étudiée pour la première fois sur des électrodes de nanotubes de carbone à simple paroi ou sur les électrodes de graphène. La combinaison de différentes techniques complémentaires a montré l’attachement covalent de BDYT aux électrodes de nanotubes de carbone à paroi simple. Une telle modification mène à la formation de rubans torsadés qui ont pu être observés et analysés par AFM et parmicroscopie électronique à balayage. Aucune preuve de la formation de rubans torsadés n’a pu être mise en évidence pour les électrodes modifiées à base de graphène.

Sensors are devices that have shown wide spread use, from the detection of gas molecules to the tracking of chemical signals in biological cells. In general, a sensor is made of an active sensing element and a signal transducer producing an electrical,optical, thermal or magnetic output signal. Single walled carbon nanotube (SWCNT) and graphene based electrodes have demonstrated to be an excellent material for the development of electrochemical biosensors as they display remarkable electronic properties and the ability to act as individual nanoelectrodes, display an excellent low-dimensional charge carrier transport, and promote surface electrocatalysis. The present work aims at the preparation and investigation of electrochemically modified SWCNT and graphene-based electrodes for applications in the field of biosensors. We initially studied SWCNT films and focused on their topography and surface composition, electrical and optical properties. We show that these films are homogeneous with thickness around 6̴ 0-70 nm, resistance values around 2̴ 00-300Ω/□, and transparency around 4̴ 0%. Parallel to SWCNTs, graphene films were investigated. Higher resistance values were obtained in comparison with nanotubes films.The electrochemical surface modification of both electrodes was investigated following two routes (i) the electrografting of aryl diazonium salts, and (ii) the electrophylic addition of 1, 3-benzodithiolylium tetrafluoroborate (BDYT). Both the qualitative and quantitative characteristics of the modified electrode surfaces were studied such as the degree of functionalization and their surface composition. The combination of Raman, X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy, electrochemistry and other techniques, has demonstrated that selected precursors could be covalently anchored to the nanotubes and graphene-based electrode surfaces through novel carbon-carbon formation. In route (i), their post-modification by click-chemistry reactions finally leads to the immobilization at the electrode surface of desired functional groups, such as redoxprobes/shuttles (e.g., a ferrocenyl group) or catalytic moieties (e.g., an enzyme).HRP has been for instance immobilized on SWCNT-aryl-modified surfaces, and its voltammetric study showed catalytic response with the increasing concentration of hydrogen peroxide in solution upon monitoring the redox shuttlehydroquinone/benzoquinone at the electrode surface. In route (ii), the electrophylic addition of electrogenerated BDYT radicals was investigated for the first time at either SWCNT- or graphene-based electrodes. The combination of different techniques has demonstrated the covalent attachment of BDYT to SWCNT-based electrodes. Such modification leads to the formation of twisted ropes observed and analyzed by AFM and scanning electron microscopy. No evidence of twisted ropes formation was instead observed for modified graphene based electrodes.