<< Élaboration contrôlée d'une plate-forme TiO2/Nanoparticules d'Ag en vue de la détection de molécules organiques- R6G et ADN par Surface enhanced Raman Spectroscopy (SERS) >>

par Lijie He

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Valérie Stambouli-sene et de Michel Langlet.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec LMGP - Matériaux et génie physique (laboratoire) depuis le 01-10-2011 .


  • Résumé

    Dans le domaine stratégique des biocapteurs sans marquage, la détection de l'élément biologique est directement liée à la variation d'un paramètre physique donné du composé sensible (transducteur). Dans le cas de la détection de l'hybridation de l'ADN par spectroscopie d'impédance électrochimique non faradique (sans label redox), la détection se base sur le changement de conductivité de l'élément sensible. Celui-ci est généralement un matériau semi-conducteur. La présence sur sa surface, de charges électriques amenées par des biomolécules chargées, comme les brins d'ADN, induit, par un phénomène connu d' »effet de champ électrique », la création d'une zone de charge d'espace subsurfacique. Celle-ci se caractérise par la courbure vers la surface des niveaux énergétiques. En conséquence de quoi, l'impédance de l'interface électrolyte/ADN/semi-conducteur varie. Antérieurement, nous avions démontré la faisabilité de l'utilisation de films d'oxydes semi conducteurs, tels CdIn204, SnO2 pur ou dopé, présentant des surfaces denses 2D en tant qu'éléments sensibles dans des capteurs à ADN basés sur la détection par spectroscopie d'impédance électrochimique non faradique. Les résultats avaient montré que, si CdIn204 présentait une sensibilité supérieure à celle de SnO2, cet oxyde était en revanche très fragilisé durant les étapes de fonctionnalisation, ce qui n'est pas le cas de SnO2 qui est un oxyde stable et robuste chimiquement. L'objectif du présent travail a été (i) d'améliorer les performances des capteurs à base de SnO2 en utilisant cette fois des films nanostructurés (1 ou 3D) afin de développer la surface spécifique, et (ii) d'étudier comment la topologie de surface influe sur le signal de détection de l'hybridation de l'ADN. Dans un premier temps, différentes nanostructures de SnO2 ont été élaborées par la technique d'électrodéposition que nous avons montée et mise au point de façon à obtenir des films reproductibles. La morphologie désirée des films –nanofils 1D ou matrice nanoporeuse 3D- a été obtenue en modifiant la procédure et les paramètres de dépôt. Leurs caractéristiques microstructurales, morphologiques, chimiques et électriques ont été déterminées par DRX, MEB, XPS et spectroscopie d'impédance. Puis, en vue du greffage covalent d'ADN, un procédé de fonctionnalisation multi-étape a été réalisé. Enfin, dans un troisième temps, la détection de l'hybridation d'ADN sans marquage, réalisée par spectroscopie d'impédance électrochimique sur les deux types de films nanostructurés, a été réalisée. En parallèle, afin de valider l'hybridation de l'ADN, la détection par microscopie à fluorescence, soit en mode épifluorescence, soit en mode confocal, a été menée. En comparaison des surfaces denses 2D de SnO2 (étude antérieure), les résultats ont montré une sensibilité supérieure, avec une limite de détection observée d'ADN de 2 nM, montrant l'importance d'avoir une surface développée. La structuration en nanofils est plus favorable que la matrice nanoporeuse en terme de sensibilité. Par ailleurs, en utilisant des ADN cibles, soit non complémentaires, soit possédant une ou deux mutations, nous avons pu montrer le caractère hautement sélectif de notre capteur dans le cas des deux types de nanostructures. Ce travail fortement expérimental a aussi permis de montrer l'importance de l'organisation structurale et morphologique du matériau sensible sur la réponse du signal à l'hybridation d'ADN. En effet, dans le cas des nanofils, comme dans celui des films denses avec surface 2D, le signal de réponse donne systématiquement une augmentation d'impédance. Cela s'explique par le phénomène d'effet de champ explicité plus haut. En revanche, dans le cas de la matrice naporeuse de SnO2, l'hybridation d'ADN entraine une diminution de l'impédance. Dans ce cas, l'effet de champ ne joue pas de rôle prépondérant. La pénétration des brins d'ADN au sein du volume de la matrice nanoporeuse favoriserait le passage des espèces ioniques au sein de l'électrode, diminuant ainsi l'impédance de l'interface.

  • Titre traduit

    << Controled elaboration of a TiO2/Ag nanoparticle platform for DNA detection by Surface enhanced Raman Spectroscopy (SERS) >>


  • Résumé

    In the challenging field of label-free biosensors, the detection of the biological element is directly linked to a variation of a specific physical parameter of the sensitive element (transducer). In the case of the non faradic electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of DNA hybridization, the detection is based on the conductivity change of the sensitive element. The latter is generally a semi conductive material. The presence on its surface of charged molecules such as DNA strands, induces the creation of a subsurface space charge layer, via the Field effect phenomenon (FET). The space charge layer is characterized by a flat band potential curvature. As a result, the impedance of the interface electrolyte/ DNA/ semiconductor is modified. In previous studies, we have demonstrated the feasibility of the use of semi conductive oxide -CdIn204, SnO2 pure or doped- exhibiting 2D dense surfaces as sensitive elements for DNA sensors based on the non faradic electrochemical impedance spectroscopy. The results have shown that if CdIn204 is more sensitive than SnO2, this oxide is strongly affected and weakened by the functionalization steps, which is not the case of SnO2, which is more stable and more robust. The aim of the present study is (i) to improve the performances of SnO2 based sensors by using nanostructured surfaces (1 or 3D) in order to develop the specific surface, and (ii) to study the influence of the morphology and topology on the DNA detection signal. In a first part, different SnO2 nanostructures were elaborated by the electrodeposition technique that we have set up and optimized to obtain reproducible films. The desired morphology –1D nanowires or 3D nanoporous matrix – was obtained by modifying the procedure and the deposition parameters. Their characteristics – microstructure, morphology, chemistry and electrical - were investigated using XRD, SEM, XPS and impedance spectroscopy. Then, a multistep functionnalisation process has been used to covalently graft DNA strands. In a third part, the label free DNA detection was performed using EIS on both kinds of nanostructures. Simultaneously, the DNA detection was also performed using the fluorescence microscopy, in either epifluorecence mode or confocal mode, to validate the DNA hybridization. Compared to the 2D dense SnO2 surfaces (previous study), the results have shown a higher sensitivity with an observed limit of detection of 2nM, showing the importance of developed surface. The 1D nanostructuration (nanowires) is more favorable in term of sensitivity. Besides, by using either non complementary DNA targets, or 1base or 2 base mismatch DNA targets, we have shown the selective character of our sensor in both kinds of nanostructured films. This strongly experimental work enabled us to show the importance of the structural and morphological organization of the sensitive matrix on the DNA hybridization detection signal. Indeed, in the case of NWs as in the case of 2D dense films, the response signal systematically gives an impedance increase. It can be explained by the FET as explained above. By opposition, in the case of the nanoporous matrix, the DNA hybridization led to a systematic decrease of the impedance signal. In this case, the FET phenomenon is not involved. The DNA strands penetration within the nanoporous matrix volume would favor the access to the ionic species within the electrode, decreasing the interface impedance.