Détection directe et sélective de bactéries par imagerie Raman exaltée de surface

Selective and direct detection of bacteria by surface enhanced Raman spectroscopy

• Auteur / Autrice : Cassiana Andrei
• Direction : Anne Chantal Gouget-Laemmel, Sabine Szunerits
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 25/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Hafsa Korri-Youssoufi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Chantal Gouget-Laemmel, Sabine Szunerits, Yann Chevolot, Christoph Haisch, Nordin Felidj
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Chevolot, Christoph Haisch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Raman, Effet augmenté en surface

Bactéries

Anticorps

Science des matériaux

Mots clés libres

Biopuce

Anticorps

Nanobâtonnets d’or

Bactérie

SERS

Biosensor

Antibodies

Gold nanorods

Bacteria

SERS

Résumé

La détection rapide de bactéries est un enjeu majeur dans différentes domaines que ce soit l’agroalimentaire, la santé ou le secteur militaire dans sa lutte contre le bioterrorisme. Les biopuces sont des outils d’analyse prometteurs pour remplacer les méthodes classiques de détection qui sont longues et coûteuses. Dans cette thèse, nous avons développé des biopuces à base de silicium amorphe hydrogéné pour le greffage covalent de sondes (anticorps ou sucres) qui interagissent spécifiquement avec les bactéries, et l’identification spectroscopique des bactéries détectées par spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS). Dans une première approche, la production de substrats SERS stables à base de couches minces métalliques est décrite. L’étude de la réponse SERS de bactéries déposées sur ces substrats a démontré la discrimination aisée de trois différentes souches de la même bactérie, résultat confirmé par l’analyse de composante principale (PCA). Dans une seconde approche, l’effet SERS a été obtenu en utilisant des nanoparticules métalliques en solution et la meilleure réponse a été obtenue en utilisant des nanobâtonnets d’or chargés positivement. En parallèle, l’optimisation du greffage des sondes sur la surface de silicium amorphe hydrogéné et du blocage pour limiter l’adhésion non-spécifique de bactéries a été réalisée. En utilisant une cellule fluidique, la détection de bactéries a été suivie in situ et leur identification SERS a été effectuée après contact avec nanobâtonnets d’or. Une limite de détection de 10 cfu/mL a été obtenue en moins de 3 h.

Rapid detection of bacterial pathogens is an important challenge nowadays in multiple fields like in food industry, health and military biodefense. Biosensors are promising candidates for replacing time consuming and expensive classical tools. In this work, we developed biosensors based on hydrogenated amorphous silicon layer for the covalent grafting of probes (antibodies or sugars) interacting specifically with bacteria, and noble metal nanoparticles for spectroscopic identification of trapped bacteria by surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). In a first approach, the production of stable and cost-effective SERS-active substrates based on metallic thin films was proposed for the study of various bacteria. Different SERS fingerprints of three different strains of the same bacteria were obtained allowing their discrimination, result confirmed by principal component analysis (PCA). In a second approach, SERS study of bacteria was performed using nanoparticles colloids, positively charged gold nanorods showing the best reproducibility. In parallel, the optimization of probes grafting on the amorphous silicon surface and of the blocking step for minimization of non-specific adhesion of bacteria were performed. Finally, tests with the entire architecture of the biosensor were performed and by using a fluidic cell the attachment of bacteria was monitored in situ. After contact with gold nanorods the specific identification of bacteria by SERS was possible. Using this strategy limits of detection up to 10 cfu/mL were achieved in a total time of detection of 3 h.