Laboratoire d Electrochimie Moléculaire

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1 Axe principal: Nanochimie Axes secondaires : Nanobiosciences Nom de l équipe : Nanoélectrochimie des biosystèmes et électrochimie en milieux nanostructurés Laboratoire : Laboratoire d Electrochimie Moléculaire UMR CNRS 7591 Université Paris Diderot Bâtiment Lavoisier, Case rue Jean Antoine de Baïf, Paris Responsable d équipe : Benoit LIMOGES, DR CNRS limoges@univ-paris-diderot.fr Membres permanents de l équipe : Christophe D LE, DR CNRS d le@univ-paris-diderot.fr Agnès ANNE, DR CNRS anne@univ-paris-diderot.fr Arnaud CHOVIN, MCF P7 arnaud.chovin@univ-paris-diderot.fr Véronique BALLAND, MCF P7 veronique.balland@univ-paris-diderot.fr François MAVRE, MCF P7 francois.mavre@univ-paris-diderot.fr Bernd SCHOLLHORN, PR P7 bernd.schollhorn@univ-paris-diderot.fr Site internet du laboratoire : Contact C nano de l équipe LIMOGES Benoit

2 Activités scientifiques de l équipe : Les activités scientifiques de l équipe ont pour objectif de mieux comprendre les processus de transport/transfert d électrons au sein de nano-assemblages ou de nanostructures intégrant des centres redox moléculaires ou biomoléculaires, ainsi que leur dynamique et réactivité. Pour cela, l équipe s appuie sur le développement de modèles théoriques du transport et transfert d électrons, ainsi que sur la conception de techniques originales telles que de la microscopie à champ de force couplée à l électrochimie, une configuration permettant de contacter des macromolécules redox ancrées sur une surface avec une microélectrode-sonde, ou la spectroélectrochimie résolue en temps. Les systèmes de biomolécules redox étudiés sont par exemple des chaînes linéaires d ADN ou peptidiques immobilisées sur des surfaces et marquées à leur extrémité par un centre redox, des protéines ou enzymes redox piégées dans des électrodes nanostructurées 3D transparentes ou immobilisées sous forme de monocouches ou pluri-couches nanométriques à la surface d électrodes. Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d actions des nanosciences : Microscopie électrochimique à force atomique AFM-SECM pour sonder la dynamique de chaînes polymères linéaires assemblées en monocouche moléculaire sur une électrode. Principe de la microscopie AFM-SECM : la microélectrode sonde vient «toucher» les brins ADN courts à tête rédox ancrés sur une surface d électrode. La courbe d approche en courant traduit la dynamique du mouvement du brin, qui est plus rapide pour un ADN simple brin (ssdna) que pour le brin hybridé (ds-dna). Couplage des microscopies électrochimiques (SECM) et à force atomique (AFM) en une nouvelle technique à champ proche (AFM-SECM) permettant de sonder in situ la dynamique de chaînes linéaires nanométriques à marqueur rédox ancrées sur une surface d électrode (polyéthylène glycol, brin d ADN, ). L originalité de cette configuration provient du fait que la micro-électrode utilisée comme sonde locale vient au contact même des (macro)molécules dont la tête rédox joue le rôle de médiateur SECM. D après J.Am.Chem.Soc. 2004,126,10095 et J. Phys. Chem. B, 2007,111, Microscopie couplée AFM-SECM à médiateur redox lié à la sonde 500 nm D après ACS Nano 2009, 3, 2927 Prix de thèse C Nano 2010 : Cédric Goyer Développement d une microscopie électrochimique originale où le médiateur rédox, véhiculant les électrons, est attaché à l extrémité de la sonde locale par des chaînes flexibles de polyéthylène glycol. Cette technique permet de sonder localement la réactivité d un substrat en s affranchissant des contraintes liées à la perte du médiateur par diffusion. Cette configuration rend possible l étude du fonctionnement de molécules d enzymes individuelles par microscopie AFM-SECM.

3 Cartographier la distribution d anticorps à marqueur rédox à l échelle nanométrique par microscopie AFM-SECM. Topography e - e - Anticorps à marqueur rédox Tip current 1 µm Projet NANOBIOSECM2, AAP C Nano IdF Développement de la microscopie AFM-SECM en mode d imagerie «tapping». Ce mode permet d imager simultanément la topographie d un substrat et de localiser spécifiquement des molécules rédox à sa surface. On peut ainsi cartographier la distribution de macromolécules biologiques marquées par un groupement rédox : Ici un réseau d anticorps organisés en «plots» de quelques centaines de nanomètres de diamètre apparaît à la fois sur l image en topographie et en courant. D après poster Journées C Nano IdF 2011 Synthèse et caractérisation d électrodes tridimensionnelles mésoporeuses nanostructurées Projet ELEC3D, AAP C Nano IdF 2010 : D après poster Journées C Nano IdF 2011 Le projet a pour objectif de développer de véritables électrodes 3D nanostructurées transparentes à partir de l élaboration de films conducteurs mésostructurés formés d oxyde d étain nanocristallin dopé à l indium (ITO). Nous espérons ainsi pouvoir obtenir une électrode 3D transparent possédant une conductivité électronique similaire à celle d une électrode ITO massive, mais de surface spécifique bien plus grande. Nous pourrons dès lors envisager d incorporer au sein de la structure nanoporeuse de ces électrodes 3D des protéines ou enzymes redox en quantité suffisante pour pouvoir ensuite les caractériser par spectroélectrochimie résolue en temps (à l échelle temporelle de l ordre de la milliseconde). Programme de recherche : Développement d une microscopie électrochimique à l'échelle nanométrique, combinant mesure de force atomique et mesure de courant faradique (AFM-SECM). Cette association permet de caractériser la dynamique de flexibilité de chaînes de polymères linéaires (en particulier de brins d'adn marqués par une sonde rédox) assemblées sur des surfaces planes, et ce grâce à la mesure du transport d électron sur quelques dizaines de nanomètres. Différentes stratégies, faisant notamment appel à la nanostructuration du substrat, seront mises en oeuvre pour faire évoluer les performances de cette microscopie originale, aujourd hui capable de sonder la dynamique de quelques centaines de macromolécules simultanément, vers la

4 détection de macromolécules uniques. Le mode imagerie de la microscopie AFM- SECM sera parallèlement développé pour faire de cette technique un outil permettant la cartographie sélective de macromolécules protéiques uniques à la surface de cellules. La configuration visée alliera la résolution de l AFM avec la sélectivité de la réponse électrochimique. Elaboration d une nouvelle technique de spectro-électrochimie résolue en temps à l aide d électrodes 3D transparentes mésoporeuses nanostructurées. Applications à l étude cinétique de protéines redox ou de systèmes biomimétiques. Construction couche après couche d assemblages supramoléculaires de centres redox et caractérisation du transport/transfert d électron au sein de ces édifices nanostructurés. Références : Travaux en collaboration avec des partenaires C Nano : Touching Surface-Attached Molecules with a Microelectrode: Mapping the Distribution of Redox- Labeled Macromolecules by Electrochemical-Atomic Force Microscopy. A. Anne, E. Cambril, A. Chovin and C. D le, Anal. Chem., 82 (2010) 6353 (Accelerated Article). Electrochemical Atomic Force Microscopy Using a Tip-Attached Redox Mediator for Topographic and Functional Imaging of Nanosystems. A. Anne, E. Cambril, A. Chovin;, C. D le and C. Goyer, ACS Nano, 3 (2009) Localized Electrografting of Vinylic Monomers on a Conducting Substrate by Means of an Integrated Electrochemical AFM Probe. A. Ghorbal, F. Grisotto, J. Charlier, S. Palacin and C. D le, Chem. Phys. Chem., 10 (2009) Highly ordered transparent mesoporous TiO2 thin films: an attractive matrix for efficient immobilization and spectroelectrochemical characterization of cytochrome c C. Renault, V. Balland, E. Martinez-Ferrero, L. Nicole, C. Sanchez and B. Limoges, Chem. Commun. (2009), Autres travaux : Do molecular conductances correlate with electrohcemical rate constants? Experimental insights. X-S. Zhou, L. Liu, P. Fortgang, A-S. Lefevre, A. Serra-Muns, N. Raouafi, C. Amatore, B-W. Mao, E. Maisonhaute and B. Schollhorn, J. Am. Chem. Soc. (2011) ASAP. Time-Resolved UV-visible Spectroelectrochemistry Using Transparent 3D-Mesoporous Nanocrystalline ITO Electrodes C. Renault, K. D. Harris, M. J. Brett, V. Balland and B. Limoges, Chem. Commun., 47 (2011), Molecular Dynamics Simulations of Ferrocene-Terminated Self-Assembled Monolayers F. Goujon, C. Bonal, B. Limoges and P. Malfreyt, J. Phys. Chem. B, 114 (2010) Electrochemical Atomic-Force Microscopy Using a Tip-Attached Redox Mediator. Proof-of-Concept and Perspectives for Functional Probing of Nanosystems. A. Anne, C. D le and C. Goyer, ACS Nano, 3 (2009) 349. Characterization of the Electron Transfer of a Ferrocene Redox Probe and a Histidine-Tagged Hemoprotein Specifically Bound to a Nitrilotriacetic-Terminated Self-Assembled Monolayer. V. Balland, S. Lecomte and B. Limoges, Langmuir, 25 (2009), 6532.

5 Oriented immobilization of a fully active monolayer of histidine-tagged recombinant laccase on modified gold electrodes V. Balland, C. Hureau-Sabater, A. M. Cusano, Y. Liu, T. Tron and B. Limoges, Chem. Eur. J., 14 (2008) Molecular Dynamics Description of Grafted Monolayers: Effect of the Surface Coverage. F. Goujon, C. Bonal, B. Limoges and P. Malfreyt, J. Phys. Chem. B, 112 (2008) Electrochemically-Driven Release of Picomole Amounts of Calcium Ions with Temporal and Spatial Resolution. C. Amatore, D. Genovese, E. Maisonhaute, N. Raouafi, B. Schöllhorn, Angew. Chem. Int. Ed. 47 (2008) Exploring the motional dynamics of end-grafted DNA oligonucleotides by in situ electrochemical atomic force microscopy. K. Wang, C. Goyer, A. Anne and C. D le, J. Phys. Chem. B, 111 (2007) Electrochemical study of a reconstituted photosynthetic electron-transfer chain. V. Fourmond, B. Lagoutte, P. Sétif, W. Leibl and C. D le, J. Am. Chem. Soc., 129 (2007) Electrode surface confinement of self-assembled enzyme aggregates using magnetic nanoparticles and its application in bioelectrocatalysis. F. Mavré, M. Bontemps, S. Ammar-Merah, D. Marchal and B. Limoges, Anal. Chem., 79 (2007) 187. Dynamics of electron transport by elastic bending of short DNA duplexes. Experimental study and quantitative modeling of the cyclic voltammetric behavior of 3'-ferrocenyl DNA end-grafted on gold. A. Anne and C. D le, J. Am. Chem. Soc., 128 (2006) 542. Accessing the dynamics of end-grafted flexible polymer chains by atomic force-electrochemical microscopy. Theoretical modeling of the approach curves by the elastic bounded diffusion model and Monte-Carlo simulations. Evidence for compression-induced lateral chain escape. J. Abbou, A. Anne and C. D le, J. Phys. Chem. B, 110 (2006) Avidin-biotin assembling of horseradish peroxidase multi-monomolecular layers on electrodes. B. Limoges, J-M. Savéant and D. Yazidi, Aust. J. Chem., 59 (2006) 257. High amplification rates from the association of two enzymes confined within a nanometric layer immobilized on an electrode. Modeling and illustrating example. B. Limoges, F. Mavré, D. Marchal and J-M. Savéant, J. Am. Chem. Soc., 128 (2006) Subfemtomolar electrochemical detection of target DNA by catalytic enlargement of the hybridized gold nanoparticle labels. M. Rochelet-Dequaire, B. Limoges and P. Brossier, Analyst, 131 (2006) 923 Cyclic voltammetric responses of horseradish peroxidase multi-monomolecular layers on electrodes. C.P. Andrieux, B. Limoges, J-M. Savéant and D. Yazidi, Langmuir 22 (2006)