Biocapteur hybride combinant la plasmonique et l'électrochimie pour l'observation biologique

Les biocapteurs occupent une place grandissante dans de nombreux domaines allant des diagnostics médicaux aux analyses environnementales, en passant par la recherche pharmaceutique. La résonance plasmonique de surface ainsi que l'électrochimie sont des technologies prometteuses pour le développement de méthodes de détection sensibles, abordables, rapides, portables et simples, ce qui en fait des candidats de choix pour de nombreuses applications. Un biocapteur hybride combinant la résonance plasmonique de surface (SPR) et l'électrochimie a été développé. Le principe de fonctionnement repose sur la mesure du signal SPR découlant de l'application d'un potentiel alternatif par un potentiostat sur une surface d'or servant aussi d'électrode de travail. La composante du signal SPR ayant la même fréquence que le potentiel appliqué est mesurée à l'aide d'un amplificateur à détection synchrone (lock-in amplifier). Ce potentiel alternatif module la densité de charges sur la surface d'or, qui influence à son tour les conditions de résonance des plasmons de surface. Un tel système mesure l'admittance électrique du système électrode/solution, pouvant être approximé par différents circuits électriques équivalents permettant d'en décrire les caractéristiques. Ce biocapteur hybride a un bon potentiel pour des applications biomédicales, notamment lors de l'observation de comportements cellulaires ou de réactions chimiques. Il a en outre été utilisé pour suivre la variation de l'admittance électrique de l'électrode de travail lors de l'ajout de monocouches de molécules sur cette dernière, causant une diminution du signal pouvant atteindre plus de 90%. De plus, le détachement d'une monocouche de cellules RGC-5 cultivées sur l'électrode de travail a été observé et s'est traduit par une augmentation d'environ 40% du signal mesuré. Il a aussi été démontré que des réactions d'oxydoréduction peuvent générer un signal très fort en électrochimie-SPR. Des mesures de spectroscopie d'impédance, de SPR spectral ainsi que des images prises à l'aide d'un microscope permettent de valider les résultats fournis par le biocapteur développé. De nombreux paramètres expérimentaux ont été optimisés tout au long de ce projet. En général, la fréquence de travail donnant le meilleur rapport sur bruit est 100Hz. De plus, l'application d'un potentiel fixe de -200mV sur l'électrode de travail lors de l'observation de cellules permet de maximiser l'augmentation de signal lors de leur détachement.

Abstract

The use of biosensors is currently growing in numerous research fields such as environmental analysis, clinical diagnosis or pharmaceutical research. Surface plasmon resonance and electrochemistry are among promising technologies for the development of sensitive, affordable, fast, portable and easy to use detection techniques, which makes them great solutions for future clinical applications. An hybrid biosensor combining electrochemistry and surface plasmon resonance was developed (EC-SPR). The working principle is based on the measurement of the SPR signal resulting from the application of an alternative electrical potential with a potentiostat on a gold thin layer that is also used as the working electrode. The component of the SPR signal that has the same frequency as the applied potential is measured by a lock-in amplifier. The applied potential modulates the charge density in the surface plasmon supporting layer, which in turn influence the coupling conditions between the surface plasmons and the incident light beam. The data acquired this way reflect the electrical admittance of the studied system (electrode and solution), which can be approximated with equivalent electrical circuits to describe its characteristics. The developed biosensor has a good potential for biomedical applications, notably for the observation of cellular behaviour or chemical reactions. It was used to follow the electrical admittance of the working electrode while self-assembled monolayers were added on it, which caused a decrease of the signal that can reach more than 90%. The detachment of an RGC-5 cell layer cultivated on the working electrode was observed to induce a 40% rise of the EC-SPR signal. It was also shown that redox reactions on the electrode can produce strong electrochemical-SPR signals. Impedance spectroscopy and spectral SPR measurements along with microscope images are used to validate the results generated by the EC-SPR biosensor. Many experimental parameters had to be optimized during this project. Usually, a frequency of 100Hz leads to the best signal to noise ratio. A fixed negative potential of -200mV, applied to the working electrode during the observation of cells maximize the signal increase following their detachment.