Biocapteur plasmonique à sélectivité accrue basé sur des interrupteurs bio-électrochimiques

Les biocapteurs basés sur la résonance du plasmon de surface (SPR) connaissent beaucoup de succès dans la recherche pharmaceutique et en sciences biologiques comme des outils bio-analytiques sensibles et puissants. Cependant, malgré plus de trente ans de développement, ils ont trouvé peu d'applications à l'extérieur des laboratoires de recherche et peinent à atteindre leur plein potentiel en tant que biocapteurs pour utilisation délocalisée. Bien que les avancements technologiques dans les domaines de l'optique et de la micro-fabrication aient rendu possible l'intégration de capteurs SPR sensibles dans un format portable et à faibles coûts, leur performance est toujours limitée par leur faible sélectivité. En effet, les capteurs SPR discriminent difficilement le signal spécifique provenant des ligands d'intérêt du signal non-spécifique provenant des contaminants dans l'échantillon, ce qui résulte en de faux positifs qui compliquent leur utilisation pour la détection dans des échantillons non purifiés. Ce projet de maîtrise étudie une nouvelle solution pour améliorer la sélectivité des biocapteurs SPR dans des milieux complexes. L'approche est basée sur un mode de transduction qui intègre l'électrochimie et la SPR (eSPR) de façon à discriminer la réponse du biomarqueur des contributions non-spécifiques de l'échantillon. La performance du biocapteur repose sur la combinaison originale d'un élément de reconnaissance de type interrupteurs bio-électrochimiques (E-ADN) qui produit la signalisation et d'un marqueur optique bleu de méthylène dont les propriétés sont contrôlées par un processus électrochimique. Une plateforme de détection multiparamétrique incluant une cellule de mesure électrochimique, un dispositif SPR en configuration Kretschmann et un détecteur optique couplé à un amplificateur lock-in (eSPR) a été développée pour étudier les propriétés électrochimiques, plasmoniques et électro-plasmoniques des E-ADN. Cette plateforme facilite l'analyse et la confirmation des données obtenues avec la transduction eSPR en permettant de les comparer directement avec les méthodes bien établies de la SPR et de l'électrochimie. La sensibilité du système eSPR en fonction de l'angle d'incidence et de l'indice de réfraction du milieu de test a été caractérisée.

Abstract

Biosensors based on surface plasmon resonance (SPR) have proven extremely useful in pharmaceutics and life sciences research as sensitive and powerful bio-analytical devices. However, after over 30 years of development, they have found limited applications outside research laboratories and have yet to achieve their full potential as biosensors for point-of-care use. While technological advancements in the fields of optics and microfabrication have made possible the integration of SPR sensors in a portable and low-cost format, their effectiveness is still limited by their lack of selectivity. Indeed, most SPR sensors fail to discriminate between the specific signal produced by the targeted ligand and the non-specific signal of contaminants in the sample matrix, resulting in false positives that complicate their application for biosensing in crude samples. This Master's thesis investigates a new solution to increase the selectivity of SPR sensors in complex media. The approach is based on a transducer that integrates electrochemistry and SPR in order to differentiate between the ligand binding response and the non-specific contributions of the sample. The efficiency of this method relies on the original combination of a bio-electrochemical reconnaissance element (E-ADN) that produces the signalisation and an optical marker which properties are controlled with an electrochemical reaction. A multi-parametric platform combining an electrochemical measuring cell, a SPR system in a Krestchmann configuration and an optical detector coupled to a lock-in amplifier (eSPR) was developed to study the electrochemical, plasmonic and electro-plasmonic properties of the E-ADN. This platform facilitates the analysis and confirmation of the data obtained with eSPR by comparing them with the well-established methods SPR and electrochemistry. The sensitivity of the eSPR system as a function of incident angle and refractive index of the media have been characterized. This approach was validated for the detection of two oligonucleotide sequences associated with rifampicin resistant Mycobacterium tuberculosis and E-coli bacteria. Calibration curves for the two sequences were measured in a purified buffer solution and a limit of detection of 5 nM was obtained with eSPR. The test chips are reusable and have shown reversible signal for at least 5 cycles of regeneration with a urea wash.