CAPTEURS utilisant des Polymères à «empreintes moléculaires»

CAPTEURS utilisant des Polymères à «empreintes moléculaires» DRT/LITEN/DSEN/GENEC Laboratoire Cellules et Composants (L2C) Centre de Saclay - 919191 Gif-Sur Sur-Yvette F. Fusalba Chef de laboratoire Tel. 1 69 8 56 11 Fax 1 69 8 91 75 Email : florence.fusalba@cea.fr cea.fr V. SIMIC Ingénieur-chercheur Tel. 1 69 8 16 7 Fax 1 69 8 91 75 Email : vesna.simic@cea.fr cea.fr T-T.. TRUONG Post-doctorant C. COCOYER Intérimaire

Programmes contractuels en cours SIXTH FRAMEWORK PROGRAMME Development of a Tandem chemosensor system based on both highly selective and highly sensitive innovative materials: Application to Ultra-trace detection of Explosives STREP Starting date: January 1st 24 Duration: 36 mois

DETEX - Concept Needs for real-time TNT chemosensory devices that not only complement existing methods (neutron activation analysis, electron capture detection, ion mobility spectrometry, biosensors ), but also provide the advantages of low cost and instrumental simplicity. Artificial Receptor Molecularly Imprinted Polymers Optical Transduction Fluorescent Polymers Air Moisture Trap Flowmeter Diaphragm Pump COP Substrate 3-way MIP Cartridge Couche Valve sensible + heat wrapping 4-way Valve COP Superstrate Excitation Filter Dichroic Mirror PMT Detector 3mm i.d. tubing N 2 45 nm LED Emission Filter

Polymères à empreintes moléculaires Les polymères à empreintes moléculaires = pièges à molécule «sur mesure» adaptés à la reconnaissance spécifique d agents chimiques Matériaux hautement réticulés organique ou hybride orga-inorganique poreux (S( spec = 1-4 m 2.g -1 ) + cavités spécifiques Avantages récepteurs synthétiques / récepteurs biologiques : - résistance en milieu acide, basique, organique et températures élevées - coût très bas par rapport aux sondes de reconnaissance biologique (anticorps, ADN ) - synthèse des polymères peut se faire par une approche de synthèse se combinatoire qui permet de faire rapidement un «screening» pour le choix du polymère empreinte pour une classe d agents

Concept Template Pre-arrangement Polymerisation Extraction Rebinding K. J. Shea et coll., Current Opinion, 7,434-442, 23 = (a) Complexe de pre-polymérisation entre la molécule à «imprimer» (T) et les monomères fonctionnels (M) (b) Copolymérisation en présence d un excès d agent de réticulation (c) Extraction de la molécule (T) des sites de complexation (d) Rebinding of template molecule to imprinted binding sites

Conception du filtre 2,4 DNT = molécule utilisée lors de la synthèse des MIPs Impureté présente dans le TNT militaire à une concentation de quelques pourcents en masse. CEA CH 3 NO 2 Présente une tension de vapeur saturante supérieure à celle du TNT (environ 4 1 fois sup.[1]) [1] V. George, T.F. Jenkins, D.C. Leggett, J. H. Cragin, J. Phelan, J. Oxley, J. Pennington, Progress on determining the vapour signature on a buried land mine, Proc. SPIE 371 (1999) 258-269 NO 2 1. Trouver un mécanisme de polymérisation compatible avec la présence de la molécule «modèle» utilisée POLYMERES ORGANIQUES POLYMERES HYBRIDES Polymérisation en chaîne Amorcéee par R Polycondensation Procédé sol-gel

Conception du filtre 2. Trouver des fonctions capables d interagir avec les fonctions chimiques portées par la molécule modèle 2,4 DNT NO 2 =faible accepteur de liaisons H Monomères fortement accepteurs de liaisons H deficient en electron π Interactions complementaires par formation de complexe EDA 3. Trouver des conditions de synthèse favorables à l établissement du complexe de pré-polymérisation polymérisation Température Concentrations des réactifs Utilisation de la microcalorimétrie pour contrôler ces étapes

ITC Experiments µcal/sec -5-1 -15 Time (min) volume v de L injecté Ligand L Adiabatic box Receptor R 3 6 9 12 15 18 21 ITC measures directly the energy associated with a chemical reaction triggered by the mixing of two components: Binding Isotherm Ka R + NL [RL N ] qi = v H [L liée,i ] Q = V H Σ [L liée ] = V H[L liée ] kcal/mole of injectant -2-4 -6-8 -1-12 -14-16 -18,,5 1, 1,5 2, 2,5 Molar Ratio L/R The shape of the binding isotherm contain all information to characterise the binding reaction H b, S, K, N (number of binding sites)

Intérêt de l ITC Contrôler l etat d un système AVANT polymérisation : Contrôler la force des intractions entre une molécule donné et un agent complexant, de meme que la stoechiometrie de cette interaction. => Choisir les complexants les plus efficaces Vérifier l absence d interaction entre le momonère hôte et l agent réticulant Evaluer l auto association eventuelle de la molécule qui sera imprimée =>Se placer dans les conditions ou l on minimise son aggregation Contrôler l etat d un système APRES polymérisation : Déterminer l affinité et la sélectivité du matériau synthétisé pour la molécule cible et les molécules interférentes

Selection of Monomers giving the highest binding energy by Isothermal Titration Calorimetry (ITC) Solvent : CHCl 3, at RT Cal/mol of Injectant -2-4 -6-8 -1-12 -14-16 -18 4-Vinyl pyridine, [HQ] = 4.969.1-3 M 2-Vinyl pyridine, [HQ] = 4.969.1-3 M Methacrylic Acid, [HQ] =.483.1-3 M,,5 1, 1,5 2, 2,5 (Ligand/Template) Molar Ratio Highest Ligand/Template binding energy = Metacrylic Acid Binding stoechiometry HQ:MMA (1:1)

Template self-association in Chloroforme K HQ + HQ a [HQ] Dimer K a = 16 L. mol -1 H = 5.6 kcal.mol -1 Fraction of HQ associated = f ([HQ] ) Fraction HQ bounded 1,8,6,4,2,2,4,6,8,1 [HQ]o Control experimental conditions to reduce template aggregation in solution

Interaction between the Monomer and the Crosslinker Crosslinking agent : TRIM,4 [TRIM] o = 5,55. 1-3 M TRIM/MMA H 2 C CH 3 C O O CH 3 C CH 2,2 O O O O, H 3 C Monomer : MMA kcal/mole of injectant -,2 -,4 -,6 -,8-1,,,5 1, 1,5 Molar Ratio

Organic synthesis Chain polymerisation initiated by photoinduced free radicals Precipitation during polymerisation : MIP particules Φ = 2µm Solvent : µ =, no H-bond competitor, bad solvent for the polymer UV Direct synthesis of particles => No needs for crushing Porous and globular structure

Inorganic synthesis Synthesis of mesoporous silica films exhibiting nanoscale periodicity Use of surfactants during hydrolysis and cross-linking of inorganic precursors Auto-assemblage Condensation Traitement Solution isotrope Mésophase hybride Réseau hybride Mésoporeux EVAPORATION DE EtOH / H 2 O / HCl

Inorganic synthesis Vapour phase uptake experiment under static conditions 1 2.5 2 Off @RT Off @8 C Absorbance NIP(245 nm) Absorbance MIP (245 nm) Absorbance,8,6,4,2 Absorbance @ 245nm 1.5 1.5. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 2 25 3 35 4 45 Wavelength (nm) -.5 Durée d'exposition(jours) Crosslinker Surfactant Template MIP TEOS CTAB 2,4-DNT NIP TEOS CTAB -

Fluorescent Polymer Capteur chimique traditionnel Amplification du signal perte de fluorescence sur 1 chaîne entière (entre 1 et 1 sites ) limite de détection M 1-15 g (d après MIT) = Emissive polymer = Quenched polymer = Analyte molecule hν = Light at excitation wavelength hν = Light at emission wavelength

Quenching of polymers fluorescence in presence of 2,4 DNT Polymer 1 Polymer 2 4 1 6 s 1.2 1 8 1 1 8 s (a.u.) 3 1 6 2 1 6 Time-dependent fluorescence Intensity of polymer 1 (a.u.) 8 1 7 6 1 7 4 1 7 Time-dependent fluorescence intensity of polymer 2 1 1 6 2 1 7 12 s 45 5 55 6 65 λ (nm) 6 s 45 5 55 6 65 7 λ (nm) 1 1 (49 nm) norm.8.6.4 fluorescence time evolution norm (49 nm).5 fluorescence time evolution.2 1 2 3 4 5 6 t (s) 1 2 3 4 5 6 t (s)

Fuorescence time evolution of polymer films of various thicknesses in presence of 2,4 DNT vapour. 1 Photostability 1 Photostability (49 nm) norm.8.6.4.2 1 2 3 4 5 6 t (s) Thicknesses 225 Å 154 Å 151 Å 144 Å 117 Å 98 Å 83 Å 67 Å 4 Å (49 nm) norm.8.6.4.2 55 Å 51 Å 42 Å 1 2 3 4 5 6 t (s) Thicknesses 22 Å 159 Å 136 Å 129 Å 84 Å Photodegradation upon irradiation at 49 nm (power : 5.5 mw/mm 2 ). 5 1 6 4 1 6 4 1 6 3 1 6 (a.u.) 3 1 6 2 1 6 1 1 6 (a.u.) 2 1 6 1 1 6 45 5 55 6 65 7 λ ( ) 45 5 55 6 λ ( nm ) 65 7

Normalized fluorescence time evolution of polymers upon irradiation (power : 5.8 mw/mm 2 ). Inset : Fluorescence time evolution during 1 minutes 1.1 Polymer 3D-PPE 1 1 Polymer 2 NI-PST (norm.).9.8 (norm) 1.75.7 3 6 t (s).6 6 12 18 24 3 36 t (s) Photophysical Characterisations of fluorescent polymers were performed by I. Leray from ENS CACHAN