Design and developement of new chemical sensors and biosensors with electrochemical transduction

Au cours des dernières années, les (bio) capteurs électrochimiques ont connu un développement considérable en raison de leur simplicité, fiabilité, rapidité et sélectivité. Ils ont constitué les alternatives les plus séduisantes pour les méthodes analytiques classiques dans des domaines aussi variés que la médecine, l’agro-alimentaire et la biologie clinique, ou le contrôle de la qualité de l’environnement. La détermination instantanée des niveaux de glucose est nécessaire pour surveiller le traitement du diabète. La prochaine génération de capteurs électrochimiques vise à éliminer l'utilisation des enzymes en raison de leur manque de stabilité et de la procédure complexe pour les immobiliser sur l'électrode. Dans ce travail de recherche, nous nous sommes intéressés, dans un premier volet, nous nous sommes intéressés à un polysaccharide neutre, extrait des graines de caroube, le « galactomannane » pour la fabrication d'un biocapteur à base de laccase par l'encapsulation de la laccase dans un composite chitosan+galactomannane. Le biocapteur fabriqué est caractérisé par IRTF, microscopie électronique à balayage et voltampérométrie cyclique. La détection du pyrocatéchol est obtenue par des mesures de voltampérométrie cyclique, par la détection de l'o-quinone à -0,447 V. L'activité de la laccase est bien préservée dans le composite chitosan+galactomannane et la sensibilité de détection du pyrocatéchol dans la gamme 10-16M-10-4 M était très élevée. La réponse voltampérométrique du biocapteur est stable pendant plus de deux semaines. Pour estimer la capacité antioxydante des échantillons d'huile d'olive, il est démontré que le biocapteur à base de laccase obtenu est une alternative valable à la méthode colorimétrique Folin-Ciocalteu. Dans un second volet, nous nous sommes intéressés au développement d’un capteur électrochimique à base d’une nouvelle pérovskite Pr1.92Ba0.08Ni0.95Zn0.05O4+δ, pour la détection non enzymatique du glucose. La pérovskite est synthétisée par une méthode sol-gel. La poudre cristallisée obtenue est caractérisée structurellement par XRD, morphologiquement par MEB et EDX et électrochimiquement. Un système cristallographique monoclinique est formé. La présence de Pr2O3 pendant la synthèse et la calcination est en accord avec la formation de défauts dans le réseau cristallin et la dismutation des sites NiIII en NiII et NiIV, due à la substitution de Pr par Ba. L'oxydo-réduction des sites NiII est observée par voltampérométrie cyclique. L'oxydation électrocatalytique du glucose par le site NiIII est observée sur une électrode en or, à 481 mV. Les performances analytiques de ce capteur de glucose sont bonnes par rapport aux électrodes ABO3 modifiées à la pérovskite, publiées précédemment, en termes de gamme dynamique et de limite de détection. Son application au sérum humain montre qu'il n'y a pas d'interférence pour la détection du glucose.In recent years, electrochemical (bio) sensors have undergone considerable development due to their simplicity, reliability, fast response and selectivity. They have become the most attractive alternatives for classical analytical methods in fields as varied as medicine, food and agriculture, clinical biology and environmental quality control. Instantaneous determination of glucose levels is necessary to monitor the treatment of diabete. The next generation of electrochemical sensors aims to eliminate the use of enzymes due to their lack of stability and the complex procedure to immobilize them on the electrode. In this research work, we were interested, in a first part, we were interested in a neutral polysaccharide "galactomannan", extracted from carob seeds for the manufacture of a laccase-based biosensor by encapsulating the laccase in a chitosan+galactomannan composite. The manufactured biosensor is characterized by FTIR, scanning electron microscopy and cyclic voltammetry. The detection of pyrocatechol is obtained by cyclic voltammetry measurements, by the detection of o-quinone at -0.447 V. Laccase activity is well preserved in the chitosan+galactomannan composite and the detection sensitivity of pyrocatechol in the 10-16 M-10-4 M range was very high. The voltammetric response of the biosensor was stable for more than two weeks. To estimate the antioxidant capacity of olive oil samples, it is demonstrated that the laccase-based biosensor obtained is a valid alternative to the Folin-Ciocalteu colorimetric method. In a second part, we were interested in the development of an electrochemical sensor based on a new perovskite Pr1.92Ba0.08Ni0.95Zn0.05O4+δ, for the non-enzymatic detection of glucose. Perovskite is synthesized by a sol-gel method. The resulting crystalline powder is characterized structurally by XRD, morphologically by SEM and EDX and electrochemically. A monoclinic crystallographic system is formed. The presence of Pr2O3 during synthesis and calcination is consistent with the formation of defects in the crystal lattice and the disproportion of NiIII to NiII and NiIV sites due to the substitution of Pr by Ba. Oxidation-reduction of NiII sites is observed by cyclic voltammetry. Electrocatalytic oxidation of glucose by the NiIII site is observed on a gold electrode at 481 mV. The analytical performance of this glucose sensor is good compared to previously published perovskite-modified ABO3 electrodes in terms of dynamic range and detection limit. Its application to human serum shows that there is no interference for glucose detection