BIOCAPTEURSUn outil révolutionnaire ?

BIOCAPTEUR

Définition: Un biocapteur est un outil analytique qui transforme une information chimique en un signal electromagnétqiue utilisable

Un biocapteur est formé de deux parties : un biorécepteur (élément de reconnaissance) et un transducteur

Biocapteur : Définition (IUPAC)

D.R. Thévenot, K. Toth, R.A. Durst & G.S. Wilson(1999) Electrochemical biosensors: recommendeddefinitions and classification. Pure and AppliedChemistry, 71 (12), 2333-2348

Self-contained, integrated device Nomenclature - Biological recognition element = receptor - Physico-chemical transducer = transducer Ability to be repeatibly calibrated - Either continuous operation - Or rapidly and reproducibly regenerated

2 Récepteur biologique

4 Transduction

1 composé à analyser

3 Méthode d’immobilisation Type de surface

5 Processeur

BIOCAPTEUR : éléments

Ne sont PAS des biocapteurs :

•Capteurs chimiques ou physique utilisés pour le contrôle des processus biologiques (par ex. pH in vivo ou mesure de la pression artérielle)

•Systèmes analytiques qui utilisent d’autres appareils comme la chromatographie liquide haute pression (HPLC) ou l’analyse en injection de flux (FIA)

- - Concept - Lyons and Clark (1956)Concept - Lyons and Clark (1956) - Urea Sensor - Guibault & Montalvo (1969)- Urea Sensor - Guibault & Montalvo (1969) - - Glucose Analyser -- Yellow Springs Instr. Co. (1973)Glucose Analyser -- Yellow Springs Instr. Co. (1973) - Enzyme Thermistor – Mosbach (1974)- Enzyme Thermistor – Mosbach (1974) - Microbial Electrodes – Divis (1975)- Microbial Electrodes – Divis (1975) - Fibre-Optic Oxygen Sensor – Lubbers & Opitz (1975)- Fibre-Optic Oxygen Sensor – Lubbers & Opitz (1975) - Biostator – Clemens et al. (1976)- Biostator – Clemens et al. (1976) - Immnosensor – Liedberg et al. (1982)- Immnosensor – Liedberg et al. (1982) - - Enzyme Electrode – MediSense Inc. (1987)Enzyme Electrode – MediSense Inc. (1987) - BIAcore – Pharmacia, Sweden (1990)- BIAcore – Pharmacia, Sweden (1990) - NanoSensor – Vo-Dinh (2000)- NanoSensor – Vo-Dinh (2000)

HISTOIRE DES BIOCAPTEURS

Mining bird (Carbon monoxide)

Glucose

Pregnancy test Anthrax

BIOCAPTEUR

Souhaits du marché

-portable-microinstrumentation

Biologie-bioreconnaissance-protéine modifiée-recepteur-DNA

Physique-optique-semiconducteur

Instrumentation

-portable-instrumentation

Electronique

-optoelectronique-silicium-analyse données-contrôle

Chimie-immobilisation-membranes-polymers-matériaux d’électrode-biorécepteurs synthétiques

BIORECEPTORRécepteur biocatalytique

- enzyme (mono or multi enzyme)- cellules entières (bacterie, champignon,

levure,cellule eukaryote)- organites (mitochondrie, membrane

cellulaire)- tissu (plant or animal tissue slice)

Récepteur d’affinité - reaction anticorps-antigène- fragment d’ADN- tissu animal ou végétal

Membranes Membranes biomimétiquesbiomimétiques

LES RECEPTEURS BIOLOGIQUES

Enzymes REDOX s (reductases, oxidases, oxydo-réductases). Electrons produits/consommés.

Transducteur ampéromètrique.

Enzymes hydrolytiques (proteases, lipases, esterases). Protons produits/consommés.Transducteurs potentiomètrique ou conductimètrique.

Réactions enzymatiques couplées : avec la peroxidase, la luciferase donne une réaction colorée ou emet des photons photons.

Transducteurs optiques.

1. Enzymes

Catalysent les réactions : Amplification du signal

Les récepteurs protéiques sont localisés à la surface des cellules ou inclus dans les membranes. Ils sont souvent utilisés dans les membranes intactes.

Interfaçage biologie cellulaire avec la micro-electronique: cellule nerveuse sur “chip”

2. Récepteur Protéique

Nerve cell receptor: acetyl choline receptor protein

• When acetylcholine is released at the junction of nerve cells….

• It binds to the receptor protein in the cell membrane

• nerve cell responds by changing its membrane potential: the nerve cell signals

sites de fixation de l’antigène

Chaîne légère

Chaînelourde

3. Anticorps et antigènes

Très sélectifs et interactions très fortes Désavantage: pas d’effet catalytique , nécessité de marquage (souvent fluorescent) de l’anticorps ou de l’antigène pour des transducteurs optiques

Transducteur piezo electric : modification de la fréquence de vibration du quartz lors de la réaction antigène -anticorps

4. ADN : acide déoxyribonucléique

Biocapteurs pour le diagnostic basés sur l’ADN et L’ARN dans le format chip utilisé pour la détection des modifications génétiques ou expression des protéines L’ADN et l’ ARN peuvent être synthesisés au laboratoire.

L’hybridation peut être controlée facilement à l’aide de la température

L’hybridation peut être analysée optiquement.

LIAISONS HYDROGENES

5. Les membranes à empreinte moléculaire

MonomèresFonctionalis

és

Agent réticulant

+

Polymérisation ExtractionComplexation

MatriceAnalyse

+

LES TRANSDUCTEURS

• Electrochimique potentiométrique, FET, ampérométrique,

conductimètrique, impédimètrique

• Optique UV/visible absorption, fluorescence, Bioluminescence,

SPR

• Thermique

• Cristal piézoélectrique

• Systèmes micromécaniquesTransducteurs : Cantilever

1. Tranducteurs électrochimiques

Potentiométrique:Mesure du potentiel à courant nul. La valeur du potential est reliée à la concentration en ion (échelle logarihmique)

Utilisé principalement pour quantifier des inorganiques incluant H+.

Dans les biocapteurs concernent les réactions enzymatiques qui induisent un changement de pH : penicillinase, urease, esterase.

Nécessite une électrode de référence(H, AgCl)

Electrode de référence

V

Pont salin

Enzyme souvent immobilisée à la surface de l’électrode

EchantillonElectrode de travail

Ampérométrique:

Un potentiel est appliqué entre une électrode de référence et une électrode de travail

Un potentiel est mesuré en continu dans la cellule

Quand le potentiel d’oxydation d’un composé est atteint, il est oxydé et produit des électrons qui servent à mesurer un courant

Le courant est proportionnel à la concentration du composé oxydé

Les principales réactions concernent le enzymes REDOX

. Glucose oxidase, cholesterol oxidase, etc.

1. Tranducteurs électrochimiques

Contact Conductive Carbon Track

Reference electrode (Ag/AgCl2)

Working electrodewith immobilised enzyme(or mediator)

Medisense glucose biosensor

Glucose Gluconic acid

Oxygen Hydrogen Peroxide

Glucose Oxidase

ELECTRODE

2H+, 2e-

5.4 mM

ELECTRODE

2H+, 2e-

5.4 mM

Conductimétrique:

Mesure de la résistance/conductance d’une solutionUtile quand des molécules chargées sont produites au cours d’une réaction enzymatique (amidase, estérase, kinase).

Exemple: détection de l’urée avec une uréase :

Urée + 2H2O 2NH4+ + HCO3

-uréase

1. Tranducteurs électrochimiques

(Dés)Avantages des transducteurs électrochimiques

Avantages:

Faciles à utiliser

Interface directe avec le potentiostat

Possibilité de miniaturiser (temps de réponse plus court)

Désavantages:

Sélectivité faible, souvent il est nécessaire d’employer des médiateurs

Ne peut fonctionner qu’avec des réctions biologiques avec transfert d’électronique

2. Transducteurs optiques

• UV/visible absorption• Emission de Fluorescence (et phosphorescence) • Bio-luminescence• Chimi-luminescence• Internal Reflection Spectroscopy• Light scattering methods• Résonance des Plasmons de Surface (SPR)

Devices: photomultipliers (convert photons to current), spectrophotomers, optic fibres, waveguides

Surface Plasmon Resonance (SPR)

(Dés)Avantages des transducteurs optiques

Avantages:

Facile à utiliserPeut répondre simultanément à plusieurs réactantsTrès précis, spécialement quand plusieurs longueurs d’ondes peuvent être utiliséesPossibillité d’utiliser des fibres optiques pour un transport efficace des photonsTrès grande sensibilité (bio-luminiscence, SPR))

Désavantages:

Dépend de la possibilité des réctifs Domaine dynamique restreint (loi de Beer/Lambert) Difficile à miniaturiserRéponse peut être lente

3. Tranducteurs thermiques

L’hydrolyse ou la synthèse de liaisons chimiques induisent des changements d’enthalpie mesurables.

Typiquement des modifications de température de l’ordre de 10-3 K peuvent être détectées

La réaction à étudier peut être couplée à une réaction qui produit plus de chaleur (par ex. glucose oxidase couplée à la catalase)

(Dés)Avantages des tranducteurs thermiques

AvantagesPeut être utilisée pour de nombreuses réactions

DésavantagesNon-selectiveDifficile à miniaturiser

4. Tranducteurs piezo-electrique

anticorps

antigène

crystal piézo electrique

La fréquence d’oscillation (f) du cristal dépend de la masse (m) du cristal et de tout matériau adsorbé sur sa surface (A).

La fréqence d’oscillation décroît en fonction de la masse déposée selon l’équation de Sauerbrey:

Δf = -2.3 x 106 f2Δm/AMatériaux piézo electrique :

Quartz (SiO2 crystals), céramiques, polyméres organiques.

(Dés)Avantages des transducteurs piézo-électriquesAvantages:

Très sensibles : peuvent détecter environ un picogram .

Détection des antigènes en phase gaz aussi bien qu’en phase liquide.

Portable, Les tests immunologiques peuvent être réalisés partout.

Temps de réponse rapide.

Pas besoin de marquer les composés (Tags).

Désavantages:

Adsorption non spécifique sur la surface peut fausser les résultats

5. Détection par cantilever

L’AFM ou Atomic Force Microscope est à l’origine des cantilevers. Déflection des cantilevers dépends de la force appliquée.

Force

Chaque cantilever est fonctionalisé sur une face avec un oligonucléotide différent

(a) Le signal de déflection différentielle est ajusté à la valeur zéro.

(b)Après injection du premier oligonucléotide complémentaire (vert), l’hybridation a lieu (rouge), provoquant l’augmentation du signal différentiel

Biocapteur à cantilever : ADN