Capteurs chimiques à base de matrices nanoporeuses pour la détection de métabolites volatils de la tuberculose

par William Bamogo

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Thu-Hoa Tran-Thi.

Soutenue le 20-01-2015

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015) , en partenariat avec LABORATOIRE FRANCIS PERRIN (laboratoire) .

Le président du jury était Isabelle Lampre.

Le jury était composé de Thu-Hoa Tran-Thi, Isabelle Lampre, Isabelle Leray, Michel Wong Chi Man, Armelle Novelli-Rousseau, Yves Bigay.

Les rapporteurs étaient Isabelle Leray, Michel Wong Chi Man.


  • Résumé

    La tuberculose tue environ 2 millions de personnes chaque année, principalement à cause d’un diagnostic tardif ou inefficace ou de soins trop tardifs. Les techniques de diagnostic les plus efficaces sont souvent coûteuses et complexes à mettre en oeuvre dans les pays en voie de développement, régions de plus forte incidence de la maladie. L’objectif de ce projet est l’élaboration de capteurs luminescents à base de matériaux nanoporeux élaborés par procédé Sol-Gel pour détecter un métabolite très spécifique de Mycobacterium tuberculosis, l’acide nicotinique (AN), présent dans l’haleine des malades à des concentrations de quelques dizaines à quelques centaines de ppq, et de le discriminer vis-à-vis d’autres métabolites.Un complexe de nitrate de terbium (III) a été choisi comme molécule-sonde car la luminescence du terbium (III) peut être exaltée en présence de certains ligands organiques, notamment l’acide nicotinique. Une première étape a consisté à déterminer en solution les conditions de pH les plus favorables à la formation de complexes luminescent Tb(III)/AN. Ainsi l’établissement d’un pH de 6,4 dans un milieu tampon à base d’hexamine permet d’optimiser la formation du complexe Tb(III)/AN et le transfert d’énergie du ligand vers le cation. Le dosage de l’acide nicotinique est possible dans ces conditions dans une gamme de concentration de 400 nmol.L-1 à 100 μmol.L-1, soit de 7,2 ppb à 1,8 ppm.La seconde étape a consisté à produire des matrices nanoporeuses à base d’alcoxydes de silicium en vue d’obtenir des matrices à pH intrapore similaire ou proche de 6,4. Les variations de pH intrapore des matrices lors du piégeage de vapeur d’eau et/ou de dioxyde de carbone, deux interférents présents à des concentrations élevées dans l’haleine, ont été étudiées au moyen d’un colorant sensible au pH, le bleu de bromothymol. Les matrices ont été élaborées à partir de deux précurseurs de silice, dont un possédant une chaîne aminopropyle lui conférant un caractère basique. L’exposition des matrices à de la vapeur d’eau jusqu’à saturation a montré que le pH intrapore des matrices contenant 3% du précurseur aminé varie entre 6,5 et 6, gamme de pH optimisée pour la formation du complexe Tb(III)/AN.Dans la dernière étape, des matrices à 3% de précurseur aminé, dopés de terbium et tamponnées à pH 6,4 avec de l’hexamine ont été élaborées. Des mesures de luminescence de matrices exposées de manière statique à des vapeurs d’acide nicotinique pur ou provenant d’une solution aqueuse saturée ont montré une augmentation de la luminescence des matrices, preuve d’un piégeage effectif de l’acide nicotinique et de la formation in situ de complexes luminescents Tb(III)/AN. Malgré la présence d’eau qui désactive partiellement l’état excité de Tb3+, le piégeage de l’acide nicotinique et la formation de complexes Tb(III)/NA dans ces matrices demeure efficace. .Les études d’interférence ont permis de montrer que la présence de marqueurs secondaires, comme le nicotinate de méthyle, affecte la luminescence des complexes Tb(III)/AN uniquement par absorption compétitive du rayonnement d’excitation. Des solutions permettant de s’affranchir des interférences des métabolites secondaires sont à l’étude.

  • Titre traduit

    Luminescent sensors from nanoporous matrixes for the detection of volatile metabolites of tuberculosis


  • Résumé

    Tuberculosis kills nearly 2 million people each year, mainly because of late or inefficient diagnostic or late cures. The most efficient methods are often too expensive and too complex to implement in developing countries, areas of greater incidence of the disease. The aim of this project is the design of luminescent sensors for the detection of a very specific tuberculosis metabolite, nicotinic acid, detected in concentration ranging from around ten to hundred ppq, present in sick people’s breath, and to discriminate it from other metabolites.A terbium nitrate complex is used as its luminescence can be sensitized by organic ligands, as nicotinic acid. A first step was the optimization of the pH of aqueous solution to enhance the complexation between Tb3+ ion and nicotinic acid. A solution buffered at pH 6,4 using hexamine allows optimization of the complex formation and energy transfer from nicotinic acid to terbium. Sampling of nicotinic acid can be done in the range 400 nM-100 μM, or from 7,2 to 1,8 ppm.The second step was to design nanoporous matrices from silicon alcoxydes to obtain matrix with an intraporous pH of 6,4. We studied the changes of the matrix intraporous pH while trapping water vapor or carbon dioxide, present in high concentration in breath, using bromothymol blue as pH indicator. The matrices were produced from 2 silicon precursors, one of them containing an aminopropyle carbon chain, conferring an alkaline nature. Changes of the matrix pH between 6,5 and 6 were observed following the exposure of a silica matrix containing 3 % of the aminated precursor to water vapor to saturation. This range of pH value is optimized to favor Tb3+-nicotinic acid complex formation.In the last step, silica matrix containing 3% of the aminated precursor, doped with terbium and buffered at pH 6,4 with hexamine were designed. Luminescence measurements made on matrix exposed to vapors from pure nicotinic acid or saturated aqueous solution, showed an increase of the matrix luminescence, proof of the trapping of nicotinic acid in the nanoporous matrix and of the complexation between nicotinic acid and Tb3+. Trapping of nicotinic acid and subsequent complexation with Tb3+ are lowered by the presence of water vapor, which can partially deactivate the luminescent excited state of Tb3+. Interference studies showed that secondary metabolites as methyl nicotinate can only affect the luminescence of Tb3+/AN complex by competitive absorption of the excitation radiation. Detection methods free of interferences from the secondary metabolites are studied.


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