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Posté par Michel le Lundi 12/11/2012 à 00:00
Un nouveau capteur de molécules d'intérêt médical et agroalimentaire
L'agroalimentaire et la médecine sont toujours à la recherche de méthodes plus efficaces pour détecter des biomolécules. Pour répondre à ces besoins, un nouveau concept de capteurs miniaturisés vient d'être mis au point par des chercheurs du LAAS-CNRS et de l'Université Toulouse III - Paul Sabatier, en collaboration avec la société HEMODIA spécialisée dans le développement de dispositifs médicaux. Ces capteurs peuvent mesurer dans une solution la concentration d'une gamme de molécules telles que le glucose (Le glucose est un aldohexose, principal représentant des oses (sucres). Par convention, il est symbolisé par Glc. Il est directement...), le lactate ou le glutamate pouvant servir à établir des diagnostics médicaux ou présentant un intérêt pour l'industrie agroalimentaire. Ce dispositif, appelé ElecFET, associe, pour la première fois, un microcapteur d'acidité et une microélectrode métallique présentant sur sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) une enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant d'abaisser l'énergie d'activation d'une réaction et d'accélérer jusqu'à des millions de fois les réactions chimiques du...) spécifique à la molécule recherchée. L'avancée technologique est liée à l'imbrication de ces deux composants à l'échelle micrométrique sur une puce électronique en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). Ces travaux ont été publiés le 08 novembre 2012 dans la revue Biosensors & Bioelectronics.


Puce ElecFET montée sur circuit imprimé en vue de l'analyse en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.).
© Pierre Temple-Boyer - Visuel disponible sur demande: phototheque chez cnrs-bellevue.fr

L'ElecFET (transistor électrochimique à effet de champ) repose sur une réaction chimique entre la biomolécule recherchée et une enzyme de la famille des oxydases capable de la dégrader. La surface de la microélectrode du dispositif présente une couche enzymatique spécifique de la molécule recherchée. Lorsque la molécule s'approche de l'électrode, l'enzyme la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de...) et la dégrade. Cette réaction produit du peroxyde (Un peroxyde est un composé chimique de formule générale R-O-O-R', le groupe -O-O- étant appelé peroxyle (abrégé "peroxo" quand il...) d'hydrogène, mieux connu sous le nom d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) oxygénée (H2O2). Le peroxyde est alors oxydé sur l'électrode grâce à une polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; ...) électrique adaptée, ce qui libère des ions hydroniums H3O+ et entraine une augmentation de l'acidité au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui...) de l'électrode. C'est ce pic d'acidité que le microcapteur de pH associé au dispositif détecte. Ainsi, en fonction de la chute de pH mesurée, l'ElecFET détermine la concentration de la molécule étudiée.

Au-delà du concept innovateur, l'ElecFET constitue une avancée technologique car elle permet, dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) extrêmement restreint (inférieur au microlitre), de dégrader la molécule recherchée, de contrôler l'oxydation du peroxyde ainsi produit et de mesurer la variation locale de pH associée. En cela, il est nécessaire que l'imbrication de l'électrode et du capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la...) pH se fasse à l'échelle micrométrique. Ces deux composants sont finalement intégrés sur une puce silicium, ce qui rend le dispositif compatible avec les technologies de la microélectronique.

L'ElecFET permet de détecter des molécules dans différentes gammes de concentration qui vont de la micromole à la mole par litre (Le litre (du grec λίτρα lítra, ancienne mesure de capacité – une livre de douze onces – égale au...) (1). L'avantage de ce système par rapport aux technologies actuelles est lié au contrôle potentiel de la réaction: en modifiant la polarisation de la microélectrode, il est possible de changer la gamme de détection du dispositif, et de pallier ainsi à une possible trop faible activité de l'enzyme utilisé. Testé par les chercheurs pour la détection du glucose, du lactate et du glutamate, le dispositif ElecFET a démontré une précision de mesure comparable à celle des technologies actuelles.

De nombreuses applications en médecine et dans l'agroalimentaire sont envisageables avec l'ElecFET. Par exemple, connaître la concentration en glucose dans le sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le plasma est la substance fondamentale et est présent chez la plupart des animaux. Un humain adulte est doté...), ce qui est vital pour les patients diabétiques. Le lactate, que l'on retrouve dans la sueur (La sueur est un liquide secrété par les glandes sudoripares lors du phénomène de transpiration qui joue un rôle important pour le contrôle de la température du...), est un marqueur du stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes environnementales. Dans le langage courant, on parle...) physiologique qui décrit, par exemple, l'état de fatigue d'un sportif. Le glutamate est un neurotransmetteur (Les neurotransmetteurs, ou neuromédiateurs, sont des composés chimiques libérées par les neurones (et parfois par les cellules gliales) agissant sur...) excitateur du système nerveux central dont l'analyse en continu est nécessaire pour le diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers,...) de différents désordres neurologiques tels que la maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal ou végétal.) d'Alzheimer. Sur le plan de l'agroalimentaire, le lactate est un marqueur de tous les procédés basés sur la fermentation (La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l'énergie chimique contenue dans une source de carbone (souvent du glucose) en une autre forme d'énergie...) lactique, tandis que le glutamate est un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet...) du goût umami (2). L'éventail de molécules détectées par l'ElecFET pourrait finalement être élargi à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des enzymes de la famille des oxydases, ouvrant de nombreuses potentialités d'application.

Notes:

(1) La mole est une unité de base du système international pour la mesure de quantité de matière. Une mole de molécules correspond à environ 6,02 x 10^23 molécules.

(2) L'umami est l'une des cinq saveurs de base avec le sucré, l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.), l'amer et le salé.


Référence:

A.K. Diallo, L. Djeghlaf, L. Mazenq, J. Launay, W. Sant, P. Temple-Boyer: "Development (Development est une revue scientifique bimensuelle à comité de lecture couvrant tous les champs de la génétique évolutive du développement allant de la biologie...) of pH-based ElecFET biosensors for lactate ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν...) detection", Biosensors and Bioelectronics, 40 (2013), p.291-296 / DOI: 10.1016/j.bios.2012.07.063


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Source: CNRS