Stratégies d'amplification moléculaire autocatalytique basées sur le démasquage de sondes moléculaires redox-actives

Autocatalytic molecular amplification strategies based on unmasking of redoxactive molecular probes

• Auteur / Autrice : Pan Hui
• Direction : Benoît Limoges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 30/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Électrochimie Moléculaire (Paris) (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Clotilde Policar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clotilde Policar, Sophie Griveau, Stéphane Arbault
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sophie Griveau, Stéphane Arbault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie analytique

Cinétique chimique

Naphtoquinone

Oxydoréduction

Oxydation catalytique

Mots clés libres

Amplification moléculaire

Autocatalyse

Détection d’H2O2

Sonde boronate

Auto-oxydation

Cyclage redox

Benzohydroquinone

Naphtoquinone

Analyse cinétique

Ascorbate

Molecular amplification

Autocatalysis

H2O2 detection

Boronate probe

Autoxidation

Redox cycling

Benzohydroquinone

Naphtoquinone

Kinetics analysis

Ascorbate

Résumé

En chimie analytique, le développement de nouveaux outils de détection de molécules ou biomolécules pouvant répondre aux exigences de sensibilité, spécificité, facilité d'utilisation, rapidité et faible coût est plus que jamais une nécessité pour faire face aux multiples problèmes de santé publique ou d'environnement auxquels les sociétés humaines sont de plus en plus confrontée. Parmi les différents critères clés auxquels ces nouveaux outils analytiques doivent répondre, la sensibilité est particulièrement importante puisqu'elle permet la détection de cibles analytiques à l'état de traces. Améliorer la sensibilité est aussi un moyen de rendre les méthodes de détection plus efficaces, par exemple en réduisant la durée d'une analyse. Pour améliorer la sensibilité des techniques analytiques, il existe une grande diversité d’approches dont beaucoup reposent sur une amplification moléculaire d’un signal. Parmi les nombreuses stratégies qui ont été jusqu’à présent proposées, celles consistant en une amplification moléculaire autocatalytique sont certainement les plus attractives en raison du gain exponentiel de sensibilité qu'elles offrent. Cependant, à ce jour, il existe très peu d’exemples de réactions autocatalytiques capables de générer une amplification exponentielle d’un signal et la plupart des systèmes proposés ne sont pas très performant en raison de l’amplification non-spécifique du signal en l’absence de la cible à détecter. L'objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle stratégie d'amplification moléculaire autocatalytique d’un signal en tirant parti de la réaction croisée entre deux boucles catalytiques qui s'activent mutuellement. Pour cela, une première boucle catalytique exploite H2O2 comme catalyseur de la déprotection d'un dérivé ester boronique aromatique (jouant ainsi un rôle de sonde moléculaire) pour produire une benzohydroquinone. Celle-ci est alors utilisée dans une seconde boucle catalytique (dite de cyclage redox) afin de jouer le rôle de catalyseur redox dans la réaction d’oxydation d’un réducteur chimique (ou enzymatique) par le dioxygène dissous et ainsi produire un excédent d’H2O2 qui peut alors alimenter la première boucle. Grâce à cette activation croisée, la cinétique globale de la réaction croît de façon exponentielle avec le temps

In analytical chemistry, the development of new detection tools of molecules or biomolecules that can meet the requirements of sensitivity, specificity, ease of use, speed and low cost is more than ever a necessity to face the multiple public health or environmental problems that human society is increasingly confronted with. Among the different key criteria that these new analytical tools must meet, sensitivity is particularly important since it allows the detection of analytes at trace levels. Improving sensitivity is also a way to make an analytical method more efficient, for example by reducing the duration of an analysis. As such, more and more signal amplification methodologies for a wide range of different analytes are constantly being developed. Among the vast number of signal amplification strategies so far proposed, those based on an autocatalytic molecular amplification are certainly the most attractive on account of the exponential gain in sensitivity they offer. However, to date, there are very few autocatalytic reactions capable of generating an exponential signal amplification. The objective of this thesis is to propose new autocatalytic signal amplification strategies based on the cross-reaction of two catalytic loops which activate each other, i.e. a first catalytic loop which allows the production of a hydroquinone-type redox compound via the H2O2-mediated deprotection of an aromatic boronic ester derivative (playing thus the role of a molecular probe), coupled to a second catalytic loop in which the produced hydroquinone serves as a catalyst to induce a redox cycling between a chemical (or enzymatic) reductant and dissolved dioxygen with concomitant regeneration of H2O2. Thanks to this cross-catalysis activation, H2O2 triggering the reaction grows exponentially with time.