1: Biodétection électrochimique

Les biocapteurs électrochimiques exploitent les propriétés redox naturelles de nombreux processus biologiques, tels que la catalyse enzymatique et d’autres événements de liaison. Les capteurs électrochimiques utilisent des électrodes qui sont souvent fonctionnalisées avec des enzymes actives redox. Lorsque la molécule cible est impliquée dans une réaction avec l’enzyme, le gain ou la perte d’électrons est mesuré et lié à la concentration. Dans cette vidéo, nous allons passer en revue les principes de la détection électrochimique, puis décrire les bases d’un exemple de capteur électrochimique, le biocapteur de glycémie.

Tout d’abord, plongeons dans les concepts généraux d’un biocapteur électrochimique. Comme les cellules électrochimiques classiques, ces capteurs sont normalement composés de trois électrodes : l’électrode de travail, la contre-électrode et l’électrode de référence. La réaction se produit au niveau de l’électrode de travail, tandis que la contre-électrode complète le circuit. L’électrode de référence fournit un point de référence stable pour le potentiel redox. Les matériaux des électrodes sont choisis en fonction du type de capteur, de l’analyte à détecter et de la technique de mesure utilisée. Afin d’augmenter la spécificité de la molécule cible, l’élément de bioreconnaissance, tel que les enzymes complémentaires, les anticorps ou l’ADN simple brin, est immobilisé à la surface des électrodes et utilisé pour capturer la molécule cible correspondante. Ensuite, un signal électrique est appliqué, ce qui entraîne la réduction ou l’oxydation de la cible. Cela crée un surplus ou un déficit d’électrons, qui est détecté. Maintenant, en utilisant la pile classique à trois électrodes comme exemple, voyons comment les capteurs électrochimiques mesurent cet événement redox.

Les systèmes électrochimiques sont divisés en différentes catégories : ampérométrique, potentiométrique et impedimétrique en fonction du type de signal de sortie mesuré. Les appareils ampérométriques mesurent la variation des courants entre les électrodes de travail et les contre-électrodes lorsque la tension est connue. La tension d’entrée est soit maintenue à une valeur constante, soit sous la forme d’une rampe linéaire, soit est cyclée en continu entre deux valeurs. La variation de courant d’oxydation ou de réduction mesurée est directement proportionnelle à la concentration de l’analyte. Pour plus d’informations sur cette technique, veuillez vous référer à notre vidéo de voltampérométrie cyclique.

Les dispositifs potentiométriques mesurent la variation de tension entre l’électrode de travail et l’électrode de référence à un courant constant. La concentration de la solution peut alors être calculée à l’aide de la variation de potentiel.

Enfin, les dispositifs impedimétriques mesurent la variation de la conductivité électrique de la solution d’analyte. En mesurant la variation de courant entre l’électrode de travail et l’électrode de mesure au fil du temps à une fréquence de tension A/C d’entrée connue. À partir de ce courant en tension, l’impédance de la solution de l’analyte est calculée. Cette impédance diminue lorsque la conductivité électrique de la solution d’analyte augmente et augmente lorsque la conductivité électrique de la solution d’analyte diminue.

Après avoir passé en revue les principes et les différents types de détection électrochimique, examinons maintenant le fonctionnement d’un biocapteur électrochimique, le capteur de glycémie portable à titre d’exemple. De nos jours, les tests à domicile sur la glycémie sont effectués à l’aide d’électrodes sérigraphiées sur des bandelettes jetables. Ces bandes d’électrodes, ou circuits, sont ensuite recouvertes d’une couche d’enzyme et de médiateur, d’une couche d’évacuation des liquides et d’un film protecteur de circuit, le tout maintenu ensemble par de fines feuilles adhésives et des entretoises. La couche d’évacuation du liquide de la bandelette facilite la séparation des cellules sanguines, de sorte que seul le sérum sanguin atteint les électrodes recouvertes d’enzymes et de médiateurs. Enfin, une tension est appliquée entre les électrodes, ce qui déclenche la réaction redox du médiateur de l’enzyme glucose sur la couche médiatrice-enzyme immobilisée. Le glucose dans le sérum sanguin est converti en acide gluconique tout en réduisant l’enzyme glucose oxydase. L’enzyme réduite revient à son état oxydé en perdant les électrons au profit de la molécule médiatrice, réduisant ainsi le médiateur. Maintenant, ce médiateur réduit agit comme une navette pour les électrons entre la couche d’enzyme-médiateur et la couche d’électrode en dessous. Il perd les électrons à la surface des électrodes et s’oxyde, générant du courant à l’électrode. Cette augmentation de courant, mesurée à un potentiel donné, est directement proportionnelle à la concentration de glucose dans l’échantillon.

Après avoir examiné l’électrochimie de la glucose oxydase, jetons un coup d’œil rapide au capteur de glucose utilisé sur un patient. Le sang pour ce test est prélevé à l’aide d’une lancette de sécurité. Ensuite, le sang collecté est soigneusement repéré sur la zone de collecte de sang de la bandelette jetable pour un test précis. Le glucomètre compte les électrons déposés par le médiateur au niveau des électrodes sous forme de courant, puis calcule la quantité de glucose nécessaire pour générer cette quantité d’électricité. Le glucomètre affiche ensuite ce nombre sur son écran.

Maintenant que nous avons couvert les principes et la procédure derrière les capteurs de glycémie, voyons comment les recherches appliquent la biodétection électrochimique dans d’autres domaines. La détection électrochimique peut également être utilisée pour détecter le cancer. Dans un système de capteurs, des anticorps spécifiques aux protéines cancéreuses sont immobilisés à la surface de billes magnétiques, qui sont incubées dans la solution de l’échantillon, suivies d’une deuxième solution d’anticorps de détecteur redox active qui est également complémentaire à la cible. Les billes sont ensuite capturées à l’aide de champs magnétiques sur la surface d’une électrode, et des mesures ampérométriques sont effectuées pour détecter la concentration de protéines cancéreuses dans l’échantillon.

Enfin, l’électrochimie est également utilisée avec des micro-organismes pour générer de l’énergie, connus sous le nom de piles à combustible bioélectrochimiques. Les micro-organismes sont cultivés pour former un film sur la surface de l’anode ou de la cathode de la pile à combustible. Les protéines actives redox des microbes participent aux réactions redox des électrodes, qui génèrent des électrons et produisent de l’énergie exploitée pour d’autres applications.

Vous venez de regarder la vidéo de Jove sur la biodétection électrochimique. Cette vidéo contenait un aperçu de base des principes clés des biocapteurs électrochimiques et expliquait en détail le fonctionnement du capteur de glycémie. Enfin, nous avons illustré quelques applications réelles de la biodétection électrochimique. Merci d’avoir regardé.