Conception d'électrodes enzymatiques pour l'élaboration de biopiles glucose/oxygène

par Géraldine Merle

Thèse de doctorat en Chimie et physicochimie des matériaux

Sous la direction de Christophe Innocent et de Sophie Tingry.

Soutenue en 2008

à Montpellier 2 .

mots clés

• Biopile
• Membrane
• Pyrrole
• Laccase
• Glucose oxydase
• Médiateur
• Bioélectrodes
• Immobilisation d'enzymes
• Réduction de l'oxygène
• Polypyrrole fonctionnalisé
• Biocapteurs
• Électrodes à enzymes

Résumé

Les biopiles enzymatiques (BFC) capable de convertir le glucose en électricité ont une importance significative comme source d'énergie implantable dans l'organisme. Une BFC consiste en deux bioélectrodes modifiées par l'immobilisation d'enzymes. Le glucose est oxydé à l'anode par la glucose oxydase et l'oxygène est réduit à la cathode grâce à la laccase ou bilirubine oxydase en présence de médiateurs spécifiques. Le procédé d'oxydation et de réduction concomitant aux électrodes produit un courant électrique. Toutefois, deux problèmes doivent être réglés, avant que ces dispositifs puissent être commercialisés : la stabilité enzymatique qui dans la plupart des cas détermine la stabilité opérationnelle de la BFC et la densité de puissance délivrée. L'objectif de ce travail a été de développer des électrodes enzymatiques stables. Différents techniques d'immobilisation de l'enzyme (adsoption, encapsulation, greffage covalent) via le polypyrrole ont été testées. A partir des analyses spectrophotométriques et électrochimiques, les bioélectrodes obtenues à partir du greffage covalent des enzymes ont montré les meilleures performances. L'activité enzymatique nécessite une conformation flexible de l'enzyme, différents espaceurs ont été utilisé pour l'améliorer. Les médiateurs ont été adsorbés puis réticulés entre les enzymes et un hydrogel. Le maximum de puissance délivrée de la BFC est de 20 µW cm-2, à 0. 20 V dans du tampon phosphate pH 7. 4 et reste constant après une période de 45 jours. La remarquable stabilité opérationnelle a été attribué au bras espaceur qui protège les enzymes de déformations conformationnelles

Titre traduit

Conception of bioelectrode for glucose/dioxygen biofuel cell application

Résumé

Enzymatic BioFuel Cells (BFC) capable of converting glucose into electricity are of significant importance for the powering of medically implantable or potable devices. A glucose/oxygen BFC consists of two bioelectrodes modified by specific immobilized enzymes. Glucose is electrooxidized by the glucose oxidase at the anode and oxygen is electroreduced by the lacase or bilirubin oxidase at the cathode, in presence of specific mediators. The concomitant oxidation and reduction processes at the electrodes yield electrical power. However, the problem of enzyme stability needs to be tackled before these cells are of commercial value as in most case it determines the operational stability of the BFC and the delivered power density. The objective of this work is the development of stable enzymatic electrodes. Different techniques of enzyme immobilization (entrapment, adsorption, covalent grafting) via a polypyrrole backbone have been evaluated. From spectrophotometric and electrochemical analysis, the bioelectrodes with covalent grafted enzymes offered the best performances. As active enzymes necessarily have very flexible conformation, different spacer length between the enzymes and the electrode has been tested to improve the enzyme activity. The mediators have been further immobilized by adsorption at the electrode surface followed by cross-linking of the enzymes. The maximum power output of the assembled biofuel cell was 20 µW cm-2 at 0. 20 V in phosphate buffer pH 7. 4, and remained constant after 45-days period. The remarkable operational stability was attributed to the introduction of spacer arms that protected the enzymes from conformational deformations