JCJC SIMI 8 - JCJC - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie

Spectroelectrochimie résolue en temps sur électrodes 3D mésoporeuses – 3D-BIOELEC

Spectroélectrochimie en temps réel : une nouvelle méthodologie électroanalytique

Développement d’une nouvelle méthodologie spectro-électroanalytique pour la caractérisation de biomolécules (protéines, enzymes) redox immobilisées sur électrodes transparentes mésoporeuses d’oxyde métallique

Développement d’une technique originale de spectroélectrochimie pour analyser les processus physico-chimiques à l’interface électrode–biomolécules

L’objectif principal concerne le développement d’une technique originale de spectroélectrochimie en temps réel capable d’analyser des processus physico-chimiques à l’échelle sub-milliseconde sur des biomolécules immobilisées sur des surfaces conductrices. <br />Les enjeux portent sur la détection spectroscopique d’une faible quantité de biomolécules avec des temps d’intégration courts pour permettre de corréler des données spectroscopiques et des données électrochimiques afin d’avoir une meilleure compréhension des processus localisés à l’interface de l’électrode comme les processus d’adsorption, de transfert d’électron à grande distance, et de réactivité chimique des biomolécules immobilisées. <br />Une compréhension fine de ces processus fondamentaux est nécessaire pour le développement de biotechnologies efficientes.

La méthodologie adoptée consiste à préparer des électrodes transparentes mésoporeuses d’oxyde métallique présentant une conductivité et une transparence optimisées. Ces électrodes de grande surface spécifique permettent l’immobilisation de grandes quantités de biomolécules, facilitant leur détection spectroscopique.
Ces électrodes sont ensuite fonctionnalisées par des sondes redox présentant des caractéristiques spectroscopiques adéquates et une activité redox éventuellement liée à une activité catalytique.
Les électrodes modifiées obtenues sont ensuite étudiées par diverses techniques spectroscopiques couplées à l’électrochimie, dont la spectroscopie d’absorption UV-visible. La résolution temporelle de l’ensemble est ainsi caractérisée permettant le cas échéant de suivre l’activité catalytique de la sonde redox adsorbée.

La nouvelle méthodologie électroanalytique développée au cours de ce travail présente une résolution temporelle de l’ordre de la milliseconde. Nous avons démontré son intérêt pour étudier quantitativement la réactivité d’un catalyseur moléculaire immobilisé. Nous avons aussi étudié en détail les interactions entre la surface d’oxyde métallique et diverses (bio)molécules pour développer des processus de fonctionnalisation efficaces dans des conditions douces. Par ailleurs, et de façon inattendue, la méthodologie développée s’est révélée particulièrement bien adaptée pour analyser les processus de transfert de charge et transport d’électron au sein de matériaux mésoporeux fonctionnalisés.

Nos projets de recherche actuels s’inscrivent dans la continuité du projet 3D-BIOELEC. Nous envisageons notamment de tirer parti des propriétés semi-conductrices de certains oxydes métalliques pour développer des cellules photoélectrocatalytiques pour des applications dans le domaine de l’énergie ou de la chimie fine.

Les résultats obtenus ont fait l’objet de 6 articles publiés dans des revues internationales à comité de lecture, et deux articles supplémentaires sont en cours de rédaction.

1- Renault C., Andrieux C.P., Tucker R.T., Brett M.J., Balland V.*,

L'objectif du projet 3D-BIOELEC est de développer une technique originale de spectroélectrochimie résolue en temps à l'échelle submilliseconde. Cette technique devrait être un outil puissant pour analyser les aspects cinétiques, thermodynamiques et mécanistiques de protéines ou enzymes redox immobilisées par corrélations croisées de données spectroscopiques et électrochimiques.
Le point clé du projet repose sur l'utilisation de nouvelles électrodes tridimensionnelles récemment développées et caractérisées par une bonne transparence optique et une excellente conductivité. Ces électrodes 3D consistent en un film mince d'oxyde métallique présentant une porosité parfaitement organisée et une très grande surface spécifique, permettant l'immobilisation d'une grande quantité de protéine redox et sa rapide conversion redox. De plus, la bonne transparence optique de ces électrodes permet de coupler l'électrochimie à diverses techniques spectroscopiques comme l'absorption UV-visible ou encore la résonance Raman. La technique de spectroélectrochimie résolue en temps ainsi développée sera parfaitement adaptée à l'étude d'une large gamme de protéines et enzymes redox immobilisées, permettant d'étudier leur intégrité structurale et fonctionnelle, de déterminer leur concentration surfacique, d'attribuer sans ambiguité les potentiels redox observés, et d'obtenir des informations détaillées sur les aspects cinétiques et mécanistiques des processus de transfert d'électron.
Ces études fondamentales devrait impacter de façon importante le domaine des biotechnologies en permettant de rationaliser, prédire et optimiser le fonctionnement des biosenseurs et bioreacteurs électrochimiques ainsi que des biopiles. Nous mettrons à profit l'expertise acquise sur les électrodes transparentes mésoporeuses et leur fonctionnalisation par des édifices biologiques afin de déveloper des dispositifs bioélectrochimiques originaux pour la production et/ou la conversion d'énergie.

Coordinateur du projet

Madame Veronique BALLAND (UNIVERSITE DE PARIS 7) – veronique.balland@univ-paris-diderot.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LEM UNIVERSITE DE PARIS 7

Aide de l'ANR 184 839 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2011 - 36 Mois

Liens utiles