Préconcentration sélective immunologique en nanofluidique : vers l’identification rapide d’agents du risque biologique

Immunological selective preconcentration in nanofluidics : towards a fast identification of pathogenic agents

• Auteur / Autrice : Anne claire Louer
• Direction : Anne-Marie Haghiri-Gosnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/09/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne ; 1984-2016)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Marie Haghiri-Gosnet, Claire Smadja, Pascal Kleimann, Christophe Vieu, Claude Deslouis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claire Smadja, Pascal Kleimann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Potentiel zêta

Protéines -- Électrophorèse

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique

Nanofluidique

Transport électrocinétique

Préconcentration

Séparation

Preconcentration

Separation

Electrophoresis

Résumé

La nanofluidique est l’étude du transport de molécules au travers de nanostructures filtrantes dont la taille avoisine l'épaisseur de la double-couche diffuse à la surface du verre. A cette échelle de la centaine de nanomètres, la charge de surface qui induit une exclusion des ions négatifs à l'extérieur du ''nanofiltre'' produit un effet de rétention des biomolécules. Des études menées sur le transport électrocinétique au sein d’un nanocanal unique ont permis de montrer qu’il était théoriquement possible de concentrer des solutions, même fortement diluées, avec des taux élevés (jusqu’à 103) grâce à un effet de concentration de polarisation. Ce phénomène pourrait être exploité dans de nombreuses applications de diagnostic médical (analyses rapides et précoces d’échantillons bruts), de contrôle qualité (agroalimentaire) ou encore de défense (suivi continu de zones à risques pour la menace terroriste biologique).La modélisation de la dynamique des phénomènes d’électropréconcentration (sous champ électrique) et de rétention (sous gradient de pression) d’un nanocanal unique s’avère extrêmement ardue. Une multitude d’observations, souvent contradictoires quant au profil de préconcentration obtenu, ont été par ailleurs rapportées dans la littérature, avec des points focaux de préconcentration observés parfois du côté anodique ou du coté cathodique pour une même protéine. Certaines expériences observent ces points focaux soit très loin en amont dans le microcanal réservoir soit directement à proximité de l’entrée du nanocanal. C’est dans ce contexte qu’a été développé précédemment un modèle unidimensionnel permettant de prédire le profil de concentration de l’analyte en tout point de la structure MNM(Micro/Nano/Microcanal) proposée. Ce travail de modélisation a démontré l’existence de quatre régimes distincts: deux régimes coté anodique et deux régimes coté cathodique, plus ou moins éloignés du nanocanal. Ce modèle a mis en avant la sélectivité de ce processus vis-à-vis de la mobilité électrophorétique et de la valence des analytes préconcentrés, et il a permis d’appréhender un peu mieux la diversité des expériences rapportées. Cependant, le régime de préconcentration obtenu dépend du bioanalyte étudié. Il serait pourtant intéressant de ne plus être tributaire des caractéristiques intrinsèques de la solution analysée et de ne plus subir le régime obtenu mais, au contraire, d’effectuer ce que l’on pourrait appeler une électropréconcentration sélective du dit analyte. Ceci pourrait permettre d’effectuer deux étapes primordiales de tout diagnostic que sont la séparation et la préconcentration d’un mélange. Pour se faire, nous avons introduit un paramètre expérimental, une composante hydrodynamique (ou surpression), en sus du champ électrique, pour moduler la localisation de la préconcentration.A l’aide d’une technologie ''tout verre'' récemment brevetée, nous élaborons aujourd’hui des puces intégrant une nanofente dans un long microcanal. Ces puces sont parfaitement isolantes, biocompatibles et présentent une tenue exceptionnelle au cours du temps. Elles sont combinées à un banc expérimental ''fait maison'' complètement automatisé (interfacé avec Matlab), qui permet de contrôler les différents paramètres imposés. Les données recueillies sont ensuite prétraitées par d’autres codes Matlab que nous avons développés. Grâce à ces divers outils, de nombreuses expériences d’électropréconcentration ''classique'' (champ électrique seul) et assistée en pression ont été réalisées pour deux bioanalytes modèles : la fluorescéine et la BSA (Bovin Serum Albumin). Elles ont permis de déterminer les différents paramètres influant sur la préconcentration de ces deux analytes et de prouver la sélectivité et l’efficacité de la méthode proposée ici. Des régimes de préconcentration inattendus, stables et présentant des taux élevés ont en effet été obtenus au cours de cette thèse.

Nanofluidics is the study of the transport of molecules through filtering nanostructures whose size approximates the thickness of the diffuse double layer at the surface of the glass. At this scale of hundreds of nanometers, the surface charge induces an exclusion of negative species outside the ''nanofilter'' and a retention effect of biomolecule. Studies on the electrokinetic transport in a single nanochannel have shown that it was theoretically possible to concentrate solutions, even highly diluted, with high rates (up to 103) thanks to a concentration polarization effect. This phenomenon can be exploited in many medical diagnostic applications (early and fast sample analysis), quality control (food, water) or defense (continuous monitoring of risky areas for biological terrorist threat). Modeling the dynamics of electropreconcentration phenomena (under an electric field) and retention phenomena (under a pressure gradient) of a single nanochannel is extremely difficult. A multitude of observations, often contradictory regarding the obtained preconcentration profile, were also reported with focal points observed sometimes in the anodic side and other times in the cathodic side for the same protein . Some experiments observe these focal points either upstream in the microchannel reservoir or directly at the entrance of the nanochannel. In this context, a one-dimensional model was previously developed to predict the concentration profile of the analyte at any point of the proposed MNM (Micro/Nano/Microchannel) structure. This modeling work has demonstrated the existence of four distinct regimes: two regimes in the anodic side and two regimes in the cathodic side, more or less distant from the nanochannel. This model highlighted the selectivity of the process regarding the electrophoretic mobility and the valence of the preconcentrated analytes and allowed to understand a little better the diversity of reported experiments. However, the obtained regime depends on the bioanalyte. Though it would be interesting not to be dependent of the characteristics of the analyzed solution and, on the contrary, to realize a selective electropreconcentration of the analyte. This could allow to perform two important steps in any diagnosis: the separation and the preconcentration of a mixture. To do so, we introduced an experimental setting, a hydrodynamic component (or pressure) in addition to the electric field to modulate the localization of the preconcentration .Using an ''all glass'' technology patented in LPN, chips perfectly insulating, biocompatible and with an exceptional resistance over time are now manufactured. These chips presenting a nanoslit in a straight microchannel are combined with a ''homemade'' experimental set-up fully automated (interfaced with Matlab®) which allow a perfect control of the various experimental parameters. The data obtained during experiments are then preprocessed by other Matlab codes that we have developed. Thanks to these various tools, many electropreconcentration experiments were performed for two bioanalytes: fluorescein and BSA (Bovin Serum Albumin). They have identified different parameters affecting the preconcentration of these analytes and they have demonstrated the selectivity and the efficiency of the method proposed in this thesis. Unexpected and stable preconcentration regime have been obtained with high rates of preconcentration.