Développement de capteurs électrochimiques pour la détection du Cr(VI), interleukine-10 et des allergènes

Development of electrochemical sensors for the detection of Cr(VI), interleukin-10 and allergens

• Auteur / Autrice : Nazha Hilali
• Direction : Abdelhamid Errachid El Salhi, Aziz Amine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique et biotechnologie
• Date : Soutenance le 24/09/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Université Hassan II (Casablanca, Maroc)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Analytiques
• Jury : Président / Présidente : Souad Aboudkhil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelhamid Errachid El Salhi, Aziz Amine, Hafsa Korri-Youssoufi, Chantal Fournier-Wirth, Joan Bausells, Nezha El Bari, Didier Léonard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Souad Aboudkhil, Hafsa Korri-Youssoufi, Chantal Fournier-Wirth

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chrome

Électrodes

Biocapteurs

Innovation

Détecteurs électrochimiques

Mots clés libres

Chimie clic en absence du cuivre

Interleukine-10

Allergènes

Salive

Sérum

Capteur électrochimique

Biocapteur électrochimique

Chrome hexavalent Cr(VI)

Copper-free click chemistry

Interleukin-10

Allergens

Saliva

Serum

Electrochemical sensor

Electrochemical biosensor

Hexavalent chromium Cr(VI)

Résumé

Les capteurs et les biocapteurs électrochimiques sont largement utilisés en raison de leur faible coût, portabilité, miniaturisation, rapidité, facilité d'utilisation ainsi que leur sensibilité. Ils constituent l'alternative la plus attractive aux méthodes conventionnelles (spectroscopie, ELISA, ...) dans de nombreux domaines tels que les applications cliniques ou environnementales. Ici, nous nous sommes concentrés dans la première partie sur le développement d'une méthode électrochimique simple pour la spéciation du chrome hexavalent Cr (VI). Pour cette raison, des électrodes à pâte de carbone (EPC) non modifiées et modifiées ont été testées pour la détermination du Cr (VI) en présence d'un excès de Cr (III) en utilisant la voltamétrie différentielle à impulsions. Plusieurs paramètres affectant la performance analytique des électrodes conçues ont été étudiés, notamment : la technique de dépôt de nanoparticules d'or (AuNPs) sur la EPC, la quantité des AuNPs, l'électrolyte support, la présence d'ions chlorure et la concentration de diphénylcarbazide. Enfin, la méthode proposée a été appliquée avec succès pour la détermination du Cr (VI) dans des échantillons d'eau de robinet avec des résultats satisfaisants. Cependant, la deuxième partie de ce travail s'est concentrée sur le développement de nouveaux immunocapteurs basés sur la chimie click en absence de cuivre destinés à des applications cliniques. Tout d'abord, l'approche de la chimie click a été mise en œuvre avec succès pour développer un nouvel immunocapteur électrochimique pour la détection de la cytokine interleukine-10 (IL-10) dans la salive pour le suivi de l'insuffisance cardiaque (IC). La stratégie impliquait la liaison de la dibenzocyclooctyne-amine (DBCO-NH2) sur des microélectrodes en or modifiées par un thiol-azide. L'utilisation de dibenzocyclooctynes a diminué l'énergie d'activation de la réaction click de cycloaddition, permettant sa réalisation sans avoir recours à la catalyse par le cuivre et avec une efficacité supérieure à celle de la ligation catalysée par le cuivre. Ensuite, la biofonctionnalisation a été réalisée en incubant le capteur préparé dans l'anticorps de capture de l'IL-10 (Anti-IL-10). Enfin, les performances du dispositif développé pour la détection de l'IL-10 ont été évaluées (reproductibilité, limite de détection et application à la salive réelle). En ce qui concerne le dernier chapitre de notre travail, la même stratégie de chimie click sans cuivre en association avec plusieurs peptides fonctionnalisés par l’azide a été employée pour élaborer un nouvel immunocapteur électrochimique pour la détection d'IgG/IgE spécifiques aux allergènes de cacahuètes et de noisettes dans les sérums de lapin et de l’être humain. Sept peptides fonctionnalisés ont été testés en termes de sensibilité et de spécificité pour la détection des allergènes. La stratégie a consisté à lier la dibenzocyclo-octyne amine (DBCO-NH2) à l'acide 4-aminophénylacétique ou à l'acide mercaptohexadécanoïque déjà immobilisés sur la surface de l'électrode en or. Ensuite, les peptides avec des azide-linkers ont été couplés au DBCO-NH2 via une approche de chimie click sans cuivre. En outre, la détection électrochimique d'anticorps (IgG) de lapin anti-cacahuète et anti-noisette et d'anticorps humains (IgE) anti-cacahuète a été réalisée avec succès.

Electrochemical sensors and biosensors are widely used owing to their low cost, portability, miniaturization, rapidity, ease to use and their sensitivity. They were the most attractive alternative for the conventional methods (spectroscopy, ELISA, …) in numerous fields such as clinical or environmental applications. Herein, we focused in the first part on the development of a simple electrochemical method for the speciation of hexavalent chromium Cr (VI). For this reason, unmodified and modified carbon paste electrodes (CPE) were tested for the determination of Cr (VI) in the presence of excess Cr (III) using differential pulse voltametry. Several parameters affecting the analytical performance of the designed electrodes were investigated, including: gold nanoparticles (AuNPs) deposition technique on the CPE, quantity of AuNPs, supporting electrolyte, presence of chloride ions and diphenylcarbazide concentration. Finally, the proposed method was successfully applied for the determination of Cr (VI) in tap water samples with satisfactory results. However, the second part of this work focused on developing new immunosensors based on copper-free click chemistry intended to clinical applications. First, the approach of click chemistry has been successfully implemented to develop a new electrochemical immunosensor for cytokine interleukin-10 (IL-10) detection in saliva for heart failure (HF) monitoring. The strategy involved the binding of dibenzocyclooctyne-amine (DBCO-NH2) onto the azide-thiol modified gold microelectrodes. The use of dibenzocyclooctynes decreased the activation energy for the cycloaddition click reaction, enabling its realization without the need for copper catalysis and with an efficiency greater than that of the copper catalysed ligation. Then, the biofunctionalization was performed through incubating the prepared sensor in the capture antibody of IL-10 (Anti-IL-10). Then, the performance of the developed device for detectiong IL-10 was evaluated (reproducibility, limit of detection and the application in real saliva). Regarding the last chapter of our work, the same strategy of copper-free click chemistry in association with several functionalized peptides were employed for elaborating a new electrochemical immunosensor for the detection of specific IgG/IgE towards peanuts and hazelnuts allergens in rabbit and human sera. Seven functionalized peptides were tested in terms of sensitivity and specificity for allergen detection. The strategy involved binding of dibenzocyclo-octyne amine (DBCO-NH2) to 4-aminophenylacetic acid or mercaptohexadecanoic acid already immobilized onto the gold electrode surface. Then, the peptides with azide-linkers were coupled to DBCO-NH2 via copper-free click chemistry approach. Moreover, the electrochemical detection of rabbit anti-peanut and anti-hazelnut antibodies (IgG) and human anti-peanut antibody (IgE) were successfully done.