Synthesis of new nanomaterials based on porphyrins and graphene for elaboration of sensitive and selective DNA biosensors

par Yaqiong Wang

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Hafsa Korri-Youssoufi.

  • Titre traduit

    Synthèse de nouveaux nanomatériaux basés sur des porphyrines et du graphène pour l'élaboration de biocapteurs d'ADN sensibles et sélectifs


  • Résumé

    La conception et le développement de biocapteurs pour la détection directe de biomarqueurs dans un échantillon de fluide biologique constituent un véritable défi dans la recherche pour leur application dans le système de point de soins en diagnostic. Mon projet est axé sur l'élaboration d'une nouvelle plateforme de décomposition biologique composée de graphène qui présente une surface électroactive et spécifique élevée permettant de greffer de nombreux biomolécules avec des métalloporphyrines en tant que nouveau marqueur redox pour suivre le processus de reconnaissance biologique obtenu dans le cas d'un capteur d'ADN. Le concept sera de démontrer que les métalloporphyrines où le potentiel d'oxydo-réduction pourrait être contrôlé par la nature des ions métalliques pourraient être appliquées dans une plate-forme de biocapteurs électrochimique multidétection. L'association de la métalloporphyrine avec le graphène offrira de nombreux avantages, comme la promotion de la réaction de transfert d'électrons et ayant une grande surface pour l'immobilisation des protéines. La détection de la cible présente sera réalisée suite à l'activité redox des métalloporphyrines greffées à la surface. Nous avons déjà synthétisé différentes métalloporphyrines modifiées et caractérisées par des techniques habituelles de spectrométrie telles que la RMN, les UV et la MS. Le biocapteur d'ADN a été construit par le composite de graphène et métalloporphyrine et sonde d'ADN comme biorécepteur suivant l'approche d'attachement covalent et l'optimisation de la construction de biocapteur pour améliorer la stabilité et la reproductibilité. Et nous avons déjà fait une détection de l'ADN cible par diverses méthodes électrochimiques, y compris la voltamétrie cyclique, la voltampérométrie à onde carrée et la spectroscopie d'impédance. Cette stratégie a été réalisée d'abord avec la porphyrine Mn insérée puis généralisée à divers complexes métalliques pour une approche multidétection. Parallèlement, les nanomatériaux hybrides combinant les caractéristiques du graphène (haute conductivité et grande surface spécifique) et des porphyrines (propriétés physiques et chimiques et capacité de transfert d'électrons), tels que la tétraphénylporphyrine portant un et quatre groupes carboxyliques nommés H₂TPP-nCP (n = 1, 4) et la tétraphénylporphyrine incorporant du manganèse (III) (MnTPP-1CP) ont été synthétisés avec succès. L'interaction entre H₂TPP-nCP (n = 1, 4) et l'oxyde de graphène chimiquement réduit (CRGO) a été étudiée dans mon travail de thèse. Pour étudier les propriétés caractéristiques des nanomatériaux préparés, la microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie à force atomique (AFM), les spectres UV-visible, les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FT-IR) et les spectres de photoélectrons X. Afin d'éliminer l'absorption non spécifique, la modification de l'électrode par le PEA a également été appliquée et obtenir une excellente application pour la détection de la cible d'ADN.


  • Résumé

    The design and development of biosensors for direct detection of biomarkers in biological fluid sample is real challenge in research for their application in point of care system in diagnostic. My project is focus on the elaboration of a new platform for biological detaction composed of graphene which exhibits a high electroactive and specific surface suitable for grafting numerous biomoleculer with metalloporphyrins as a novel redox marker for following biological recognition process obtained in the case of DNA sensor. The concept will be to demonstrate that the metaloporphyrines where there redox potential could be controlled by the nature of metal ions could be applied in multidetection electrochemical biosensor platform. The association of metalloporphyrin with graphene will offer numerous advantages, as promoting electron transfer reaction and having a large surface for protein immobilization. The detection of target present will be performed following redox activity of the metalloporphyrins grafted on the surface. We have already synthesized various modified metalloporphyrins and characterizatized by usual spectrometry techniques such as NMR, UV and MS. The DNA biosensor has been constructed by the composite of graphene and metalloporphyrin and DNA probe as bioreceptor following covalent attachment approach and optimization of the biosensor construction for improving stability and reproducibility. And we have already done some detection of DNA Target by various electrochemical methods including cyclic voltammetry, square wave voltammetry and impedance spectroscopy. This strategy was performed firstly with on Mn inserted porphyrin and then generalized to various metal complex for multidetection approach. Meanwhile, the hybrid nanomaterials which combined the features of both graphene (high conductivity and large specific surface area) and porphyrins (physical and chemical properties and electron transfer ability), such as tetraphenylporphyrin bearing one and four carboxylic group named H₂TPP-nCP(n=1, 4) and tetraphenylporphyrin incorporating manganese (III) (MnTPP-1CP) were successfully synthesized. The interaction modes between H₂TPP-nCP(n=1, 4) and chemically reduced graphene oxide (CRGO) was studied in my thesis work. To investigate the characteristic properties of as-prepared nanomaterials, scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), UV-visible spectra, Fourier Transform infrared spectra (FT-IR), X-ray photoelectron spectra (XPS). In order to eliminate the non-specific absorption, the modification of the electrode by monolayer PEA was also applied and obtain excellent application for the detection of DNA target.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 31-12-2018


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