Les nanostructures de carbone, un matériau polyvalent pour les biocapteurs et les (bio)piles à combustibles

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1 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Les nanostructures de carbone, un matériau polyvalent pour les biocapteurs et les (bio)piles à combustibles Michael olzinger, UMR CR 5250, ICMG FR CR 2607 Université Joseph Fourier, BP 53, Grenoble, Cedex 9, France : michael.holzinger@ujf-grenoble.fr

2 Biocapteurs CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Plan Immobilisation des bio-récepteurs Les anotubes de carbone (CTs) Fonctionnalisation des CTs Fonctionnalisation non-covalent Fonctionnalisation électrochimique Dip coating 3D nanostructures utilisant CTs et nanoparticules «Câblage» des enzymes rédox avec des CTs Principes Transfert d électrons direct Transfert d électrons avec médiateurs Biopiles à combustibles Principes Application : Biopiles implantables Exemples (Escargots, clams, cafard, homard, rats) Conclusion

3 Analyte Biosystèmes Électrochimiques Récepteurs Biocapteurs CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Interface (allotropes de carbone) Amplification +ignal 2 C Fibre ptique Biomolécules enzyme, anticorps, antigène, AD, AR, polypeptide, micro-organismes QCM Électrode (Transistor)

4 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Méthodes d immobilisation des bio-récepteurs Adsorption Réticulation Interactions affines Piégeage Liaisons covalentes

5 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Les nanotubes de Carbone (CTs) Multi-Walled Carbon anotubes MWCTs ingle-walled Carbon anotubes WCTs

6 Biosystèmes Électrochimiques CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Propriétés exceptionnelles des anotubes Conductivité unidimensionnelle Conducteur balistique D (a.u.) D (a.u.) di/dv di/dv (13, 7) aut Youngs modulus (10, 0) (12, 6) Energy (ev) Energy (ev) 2 aute résistance à l étirement

7 Biosystèmes Électrochimiques CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble aute surface spécifique ~1000m²/g

8 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Fonctionnalisation fonctionnalisation des défauts CT fonctionnalisation noncovalente Création des défauts et des groupes fonctionnels par oxydation fonctionnalisation covalente couches minces via électropolymérisation t-bu n WCT n-

9 Biosystèmes Électrochimiques CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Fonctionnalisation non-covalente des WCTs avec biotine et Construction d un capteur de glucose + 2 C Gx- biotinylée C 2 2 I (µacm -2 ) na 100 s Polypyrrole Pt electrode Pt electrode -e Pt electrode 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 c (Glucose) (mol/l) M. olzinger, et al., J. anosci. anotechnol. 2009, 9,

10 Biosystèmes Électrochimiques Biotine électropolymérisable CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Électropolymérisation de Pyrrole-Biotine sur une couche de WCTs 17, ,5 Pt electrode I (µa) 10 7,5 Électropolymérisation 2 C 5 2,5 0 Gx- biotinylée 2 C Pt electrode Polypyrrole Pt electrode 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 c (Glucose) (mol/l) 2 2 -e M. olzinger, R. addad, A. Maaref,. Cosnier, J. anosci. anotechnol. 2009, 9,

11 Purification, séchage + CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Fonctionnalisation de CTs par interaction des systèmes π CTs (solide) Dispersion Électrode modifiée avec WCTs Dip coating 30 (solide) 25 Re-dispersion I (µacm -2 ) [Glucose] (mmoll-1) Rinçage Électrodes modifiées avec pyrène biotine CTs R. addad, M. olzinger, A. Maaref,. Cosnier, Electrochim. Acta., 2010, 55,

12 Biosystèmes Électrochimiques CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Fonctionnalisation préalable vs dip coating Densité des particules varie selon méthode de fonctonnalisation R. addad, M. olzinger, R. Villalonga, A. eumann, J. Roots, A. Maaref and. Cosnier, Carbon 2011, 49,

13 Biosystèmes Électrochimiques CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble anostructures 3D utilisant des nanodiamants et CTs Assemblage couche par couche CTs C C C + pyrène-ta Gox biotinylée Cu2+ Électropolymérisation nanodiamants Dépôt d un mélange 5nA M. ingh, M. olzinger,. Biloivan,. Cosnier, Carbon, 2013, 61, s

14 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble anostructures 3D utilisant nanoparticules magnétiques et CTs Détection d anti choléra toxine Interactions magnétiques anoparticule magnétique M. ingh et al., soumis 140 Ps (500nm) Limite de détection : 10 ng ml -1 Fe-impuretés de ipc WCTs Enzyme (RP) transduction par ampérométrie J max (µa cm -2 ) Interactions non spécifiques CTs Double couche Mono couche Ps (100nm) Mono Double Mono Double µps (2.4µm) Double Mono Antigène Anticorps econdaire Cible Anticorps β-cd

15 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Autres nanostructures pour la bioanalyse et la conversion d énergie 100 nm Graphène G. P. Keeley, et al, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, G. P. Keeley, et al., Chem. Mater. 2014, in press (doi: /cm403501r). Forêts de nanotubes M. ingh et al., en préparation anostructures par l électrofilage Graphite pyrolytique nano-cristallin G. Keeley, et al., Anal. Methods, 2012, 4, anofils protéiques semi-conducteurs V. Forge et al., en préparation

16 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Challenge : Connexion électrique d enzymes Transfert d électrons entre le centre actif de l enzyme rédox et l électrode Problématique : chaque enzyme a des propriétés distinctes (structure et position du centre rédox) Exemples: Laccase Glucose oxydase

17 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Avantages des anotubes de Carbone pour la connexion électrique d enzymes La structure de CTs permet l approche au centre actif de l enzyme Exemple : glucose oxydase 2 C Glucose 2 C - 2e - Gluconolactone e -

18 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Adsorption de nitrite réductase sur les dépôts de nanotubes itrite réductase PDB ID: 1A Adsorption par l interaction hydrophobe I (µa) U (V) c ( 2- ) 1µM 10µM 50µM 100µM 150µM 200µM 300µM 400µM 600µM 800µM 1400µM 2200µM Transfert d électrons direct C. M. ilveira, J. Baur, M. olzinger, J. J. G. Moura,. Cosnier, M. G. Almeida, Electroanalysis 2010, 22,

19 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble BF 4 - Piégeage d une hydrogénase sur les nanotubes + I / µa.cm I / µa.cm I cat sous GC 2 sous Ar E / V vs EC WCTs sous I cat sous Ar 2 C 10 + BF 4 - Electropolymérisation E / V vs EC -200 I / µa.cm MWCTs sous I cat sous Ar J. Baur, A. Le Goff,. Dementin, M. olzinger, M. Rousset,. Cosnier, Int. J. ydrogen Energ., 2011, 36, E / V vs EC

20 Biosystèmes Électrochimiques CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Piégeage d une hydrogénase sur les nanotubes MWCTs vs WCTs J. Baur, A. Le Goff,. Dementin, M. olzinger, M. Rousset,. Cosnier, Int. J. ydrogen Energ., 2011, 36,

21 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Piégeage d une hydrogénase sur les nanotubes : ptimisation du transfert d électrons médiaté J. Baur, A. Le Goff,. Dementin, M. olzinger, M. Rousset,. Cosnier, Int. J. ydrogen Energ., 2011, 36,

22 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Biopiles à combustibles principes + e - e - - Anode [ife] 2 ase (- 0.5 V) MV 2+ /MV + ( V) GX ( V) s 2+ /s 3+ (- 0.3 V) Q/Q 2 (0.07 V) Fc/Fc + (0.35 V) Fuel 2, glucose Enzyme ( 2 ase; GX ) Product +, glucolactone 2 Enzyme (Laccase, BD ) 2 Cathode ABT 2- /ABT - (0.44 V) s 3+ /s 2+ (0.51 V) Laccase (0.55 V) E (V) vs CE

23 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Applications possibles pour les biopiles à glucose : Conversion d énergie des liquides corporels Conversion d énergie in vivo: ~50µM 2 and ~5mM glucose dans fluides extracellulaires Electrodes de neuromodulation : nw Appareils de mesure implantables : 100nW 10µW Délivrance de médicament - Micro-actionneurs : 1mW 10mW Fonctions vitales défaillantes (cœur, rein, artificiels: 10mW 1W

24 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Biopiles implantées 6.5 µw à 0.13 V Durée de vie : quelques jours P. Cinquin, et al. PLo E 2010, 5, e ± 6 μw/cm 2 à 0.2 V (Ø électrode 0.02cm²). durée de vie : quelques heures M. Rasmussen, et al. J. Am. Chem.oc. 2012, μw (30 μw cm 2 ) durée de vie : 3h sous décharge L. alámková, et al. J. Am. Chem. oc., 2012, 134, µw (ca. 40 µw cm 2 ) énergie fournie : 28.8 mj Durée de vie : 3 5 jours A. zczupaket al. Energy Environ. ci. 2012, 5, mw (ca mw cm -2 ) Durée de vie : quelques heures K. MacVittie, et al. Energy Environ. ci. 2013, 6, 81.

25 Biopiles à glucose CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble MWCTs, Enzyme Bio cathode (MWCTs, Laccase) e - Bio anode (MWTs, GX, Catalase) e - in vitro : (air saturé, 5 mm glucose) 1.3 mw à 0.6V (CV 0.95V) Construction de l électrode par compression : transfert d électrons direct Brevet : «Biopile à transfert direct» n de dépôt en France : 10/56672 ; Zebda, A. et al. at. Commun. 2011, 2, 370 In vivo : Puissance réelle : ~60 µw pendant 20 min d expérience Zebda et al, cientific reports 2013, 3, 1516 Partenaires industriels

26 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Packaging de la biopile pour l implantation Volume: 0.1mL tube de silicone bioélectrode Volume total de l implant : ~2mL A. Zebda,. Cosnier, J.-P. Alcaraz, M. olzinger, A. Le Goff, C. Gondran, F. Boucher, F. Giroud, K. Gorgy,. Lamraoui, P. Cinquin, ci. Rep., 2013, 3, 1516.

27 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Capacité électrique des CTs : ybride Biopile à glucose supercondensateur Production et stockage d énergie 1 pulse = 2mW glucose gluconolactone 2 electrolyte 2 Gx e - e - Lacc 110 mv pulses sur 5 jours temps ) Brevet : «upercondensateur électrochimique» n de dépôt en France : 13/52046 C. Agnès et al., Energy & Environmental cience 2014, in press (doi: /C3EE43986K). P (mw) ~1cm 30mA ~3cm 11mA E (V)

28 Glucose xydase Transfert d électrons direct CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Amélioration des performances À l anode à base de DET, seulement 0.1% des enzymes sont connectées! médiateurs rédox Utilisation d une Micro Electrode à Cavité = enzyme = médiateur redox Transfert d électrons médiaté Anode -0,45 3 ox réd 1,4-Q DQ VK 2-0,3-0,2-0,1 0,1 PQ E / V vs. EC 0 MBQ Transfert d électrons direct Laccase Fabien Giroud (Thèse) 2012 Les médiateurs ont été aussi évalués à la cathode 0 Cathode Do 0,1 2 4-MC Transfert d électrons médiaté TTF 0,2 Fe Fc 0,3 GZ ABT 0,4 E / V vs. EC 0,6

29 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble ouvelle génération de bioélectrodes Anode (MET) : Utilisation des médiateurs pour le transfert d électrons via naphthoquinone glucose gluconolactone Glucose oxidase e - Q e - e - - Augmentation du courant catalytique x 14 (+) - baisse du potentiel d abandon (-) B. Reuillard, A. Le Goff, C. Agnès, M. olzinger, A. Zebda, C. Gondran, K. Elouarzaki,. Cosnier, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15,

30 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble ouvelle génération de bioélectrodes Cathode (DET) : immobilisation et orientation de la laccase 2 2 Cette poche agit comme hôte pour : Anthraquinone M. osna et al, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, e - Anthracène M. T. Meredith, AC Catal. 2011, 1, T 1 aphthalène M. Karaśkiewicz, et al., Electrochem. Commun. 2012, 20, 124. T 2 / T 3 Poche hydrophobe Pyrène. Lalaoui, et al. Chem. Commun., 2013, 49,

31 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble ouvelle génération de bioélectrodes Cathode (immobilisation et orientation de la laccase) Anthraquinone Fonctionnalisation de CTs par : Greffage via diazonium Couplage peptidique 2 2 e - T 1 Problématique : Forte probabilité de «π-stacking» avec les CTs

32 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble ouvelle génération de bioélectrodes Cathode (immobilisation et orientation de la laccase avec Anthraquinone) Pyr-AQ(1) Pyr-AQ(2) MWCTs MWCTs MWCT/Pyr-AQ(1) M. Bourourou, et al. Chemistry - A European Journal, 2013, 19, MWCT/Pyr-AQ(2)

33 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble ouvelle génération de bioélectrodes Cathode (immobilisation et orientation de la laccase avec Anthraquinone) 2 0,0-0,2 CV/MWCT/Lacc CV/MWCT/Pyr-AQ(1)/Lacc CV/MWCT/Pyr-AQ(2)/Lacc i (ma.cm -2 ) -0,4-0,6-0,8-1, temps (s) M. Bourourou, K. Elouarzaki,. Lalaoui, C. Agnès, A. Le Goff, M. olzinger, A. Maaref,. Cosnier, Chemistry - A European Journal, 2013, 19,

34 Réticulant - médiateur CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Mise en forme des bioélectrodes : Buckypaper Bis-Pyr-ABT e - e - CTs 0,0 e - I (ma) -0,5-1,0-1,5 Laccase immobilisée Laccase en solution 200 nm 40 µm M. Bourourou, et al., Chemical cience 2014, in press (doi: /C3C53544D). -2, Time (s)

35 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Alternatif: Piles à glucose abiotiques MWCT/ catalyseur Co Co Load e - e - R glucose R Rh gluconate R R Rh Co e - 2 or Membrane 2 de afion Première pile à glucose purement à base de catalyseurs moléculaires K. Elouarzaki, A. Le Goff, M. olzinger, J. Thery,. Cosnier, J. Am. Chem. oc. 2012, 134, or e - R Rh R MWCT/ catalyseur Problématique : catalyseur anodique performant seulement à p > 13

36 CR-Université Joseph Fourier UMR Grenoble Merci Financial support : Industrials Partners : Academic cooperation: Biofuel cell design for implantation : TIMC-IMAG UJF /CR, Grenoble