Billes et nanoparticules biocompatibles et intelligentes pour la conversion d'énergie

Smart biocompatible conductive beads and nanoparticles for energy conversion

• Auteur / Autrice : Monica Brachi
• Direction : Serge Cosnier, Alan Le Goff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique moléculaire et structurale
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de chimie moléculaire (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carole Baffert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carole Chaix, Christophe Innocent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydoréductases

Électrochimie

Biopiles enzymatiques

Biocapteurs

Électrocatalyse

Mots clés libres

Bioélectrocatalyse

Glyconanoparticules

Biocapteurs et biopiles enzymatiques

Nanotubes de carbone

Électrochimie

Oxidoréductases

Bioelectrocatalysis

Glyconanoparticles

Biosensors and enzymatic biofuel cells

Carbon nanotubes

Electrochemistry

Oxidoreductases

Résumé

Les nanomatériaux peuvent améliorer remarquablement les performances des bioélectrodes, à la fois dans les biopiles enzymatiques et les biocapteurs, en raison de leurs caractéristiques intéressantes telles qu'une grande surface, des propriétés électrocatalytiques et une morphologie contrôlée. Cette thèse vise à explorer la post-fonctionnalisation de deux types de nano-objets: les nanotubes de carbone multiparois (MWCNTs) et les glyconanoparticules dérivées de glucides (GNP) et leur application dans la construction de bioélectrodes pour la biodétection et la conversion d'énergie. Dans la première partie de la thèse, une réaction thiol-yne photoinduite a été étudiée par électrochimie sur des MWCNTs modifiés par un alcyne à l'aide de sondes thiol-redox. La réaction est une alternative convaincante aux autres réactions de “click-chemistry” puisqu'elle est exempte de catalyseur métallique et qu'elle peut être contrôlée de manière spatiale et temporelle. L'immobilisation de médiateurs redox, dérivés de ferrocène et de quinone, sur des électrodes à base de MWCNTs par cette réaction a conduit à une amélioration considérable de l'électrocatalyse médiée par des enzymes oxydant le glucose par rapport aux électrodes de contrôle montrant sa potentialité en tant que stratégie de couplage pour l'immobilisation des deux médiateurs et enzymes. La deuxième partie est centrée sur la fonctionnalisation de GNPs assemblés à partir d'un copolymère bloc polystyrène-β-cyclodextrine via la formation de complexes d'inclusion entre les β-cyclodextrines exposées à la surface des GNPS et les groupements adamantane d'un dérivé de l'heptazine fluorescent. Les nanoparticules résultantes ont été caractérisées par spectroscopie en solution et en surface après leur immobilisation sur des films de poly(pyrrole) électropolymérisés au niveau d'électrodes interdigitées de manière spatialement contrôlée. Dans la dernière partie, les GNPs ont été utilisés comme matériau d'électrode pour l'immobilisation d'une enzyme glucose oxydase modifiée avec des groupements adamantane pour la détection du glucose. Les performances analytiques des bioélectrodes avec ou sans GNPs ancrées sur différents films fonctionnels de poly-pyrrole sont comparées et discutées.

Nanomaterials can remarkably improve the performances of bioelectrodes, both in enzymatic biofuel cells and biosensors, due to their attractive characteristics such as large surface area, electrocatalytic properties and controlled morphology. This thesis aims at exploring the post-functionalization of two types of nano-objects: multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and carbohydrate-derived glyconanoparticles (GNPs) and their application in the costruction of bioelectrodes for biosensing and energy conversion. In the first part of the thesis, a photoinduced thiol-yne reaction has been investigated by electrochemistry on alkyne-modified MWCNTs using thiol-redox probes. The reaction is a compelling alternative to other “click-chemistry” reactions since is metal-catalyst free and it can be controlled in a spatial and temporal way. The immobilization of redox mediators, ferrocene and quinone derivatives, on MWCNT-based electrodes by this reaction led to a considerable improvement in the mediated electrocatalysis by glucose oxidizing enzymes compared to the control electrodes showing its potentiality as a coupling strategy for the immobilization of both mediators and enzymes. The second part is centered on the functionalization of GNPs assembled from a polystyrene-β-cyclodextrin block copolymer via formation of inclusion complexes between the β-cyclodextrins exposed at the surface of the GNPs and the adamantane groups of a fluorescent heptazine derivative. The resulting nanoparticles have been spectroscopically characterized in solution and on surface after their immobilization on electropolymerized poly(pyrrole) films at interdigitated electrodes in a spatially controlled way. In the last part, the GNPs have been used as electrode material for the immobilization of a glucose oxidase enzyme modified with adamantane groups for the detection of glucose. The analytical performances of the bioelectrodes with or without GNPs anchored on different functional poly-pyrrole films are compared and discussed.