Amplification exponentielle du signal par des réactions autocatalytiques : vers une amplification électrochimiquement induite - Laboratoire d'Electrochimie Moléculaire Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Exponential signal amplification through autocatalytic reactions : towards electrochemically-driven amplification

Amplification exponentielle du signal par des réactions autocatalytiques : vers une amplification électrochimiquement induite

Corentin Calvet
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1388450
  • IdRef : 278543863

Résumé

Molecular signal amplification is crucial in bioanalysis for the sensitive and rapid detection of target molecules. Autocatalytic reactions, such as PCR, are particularly interesting for achieving exponential amplification. In this manuscript, we present a novel strategy for molecular exponential amplification through autocatalysis, enabling the detection of nanomolar levels of hydrogen peroxide (H2O2), a key analyte in numerous analytical applications. This autocatalytic reaction is based on the cross-catalysis between the catalytic deprotection of a masked naphthoquinone by H2O2 and the catalytic production of H2O2 through the redox cycling of the same naphthoquinone in the presence of O2 and a reducing agent. In the first chapter, this autocatalysis mechanism through cross-reaction between two catalytic loops will be analytically described via a formal theoretical analysis to better understand the key parameters influencing the analytical performance of the exponential amplification. Then, in the second chapter, the detailed mechanistic analysis of the proposed experimental system will be described and discussed based on experimental kinetic data determined by UV-visible spectroscopy and their numerical simulations using reasonable assumptions of reaction schemes. While the proposed autocatalytic reaction can be easily monitored by UV-visible spectroscopy, its monitoring through electrochemical means is also an interesting alternative as it can lead to a simple, cost-effective, and easily integratable H2O2 detection device in a miniaturized system. This original approach of electrochemical monitoring of the autocatalytic reaction will be presented in a third chapter, using multiple approaches, and the impact of this new readout mode will be discussed. Finally, in the last chapter, a principle of electrochemical activation of autocatalysis (where the electrode itself contributes to the reduction of the quinone) with electrochemical monitoring will be demonstrated. An optimization approach of this strategy through the analysis of the coupling between homogeneous reactions and heterogeneous reduction will be presented. The influence of the electrode material on the catalyzed or non-catalyzed reduction of the quinone, as well as on the analytical performance of the autocatalytic process, will be discussed. Lastly, the redox reactivity of the naphthoquinone will be quantitatively analyzed through the study of its nine-membered square scheme, as well as its coupling with the redox reactivity of oxygen.
L'amplification moléculaire du signal est essentielle en bioanalyse pour détecter sensiblement et rapidement des molécules d'intérêt. Les réactions autocatalytiques, comme la PCR, sont particulièrement intéressantes pour obtenir une amplification exponentielle. Dans ce manuscrit, nous présentons une nouvelle stratégie d'amplification exponentielle moléculaire par autocatalyse, qui permet la détection de quelques nanomolaires de peroxyde d'hydrogène (H2O2), analyte clé dans de nombreuses applications analytiques. Cette réaction autocatalytique repose sur la catalyse croisée entre la déprotection catalytique par H2O2 d'une naphtoquinone masquée et la production catalytique d'H2O2 via le cyclage redox de cette même naphtoquinone en présence d'O2 et d'un agent réducteur. Dans un premier chapitre, ce mécanisme d'autocatalyse par réaction croisée entre deux boucles catalytiques sera décrit analytiquement via une analyse formelle théorique afin de mieux comprendre les paramètres clés pouvant intervenir dans les performances analytiques de l'amplification exponentielle. Ensuite, dans un deuxième chapitre, l'analyse mécanistique détaillée du système expérimental proposé sera décrite et discutée sur la base des données cinétiques expérimentales déterminées par spectrophotométrie UV-visible et de leurs simulations numériques à partir d'hypothèses raisonnables de schémas réactionnels. Si la réaction d'autocatalyse proposée peut être facilement suivie par spectrophotométrie UV-visible, son suivi par voie électrochimique est également une alternative intéressante car elle peut conduire à un dispositif de détection d'H2O2 simple, peu coûteux, et facile à intégrer dans un système miniaturisé. Cette approche originale de suivi électrochimique de la réaction auto-catalytique sera présenté dans un troisième chapitre, sous plusieurs approches, et l'impact de ce nouveau mode de lecture sera discuté. Enfin, dans un dernier chapitre, un principe d'activation électrochimique de l'autocatalyse (dans lequel c'est l'électrode elle-même qui contribue à la réduction de la quinone) avec suivi électrochimique sera démontré. Une première approche d'optimisation de cette stratégie via l'analyse du couplage entre réactions homogènes et réduction hétérogène sera d'abord présentée. L'influence de la nature du matériau de l'électrode sur la réduction catalysée ou non de la quinone ainsi que sur les performances analytiques du processus auto-catalytique sera discutée. Enfin, la réactivité redox de la naphthoquinone sera analysée quantitativement via l'étude de son schéma carré à neuf membres, ainsi que de son couplage avec la réactivité redox de l'oxygène.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04598266 , version 1 (03-06-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04598266 , version 1

Citer

Corentin Calvet. Amplification exponentielle du signal par des réactions autocatalytiques : vers une amplification électrochimiquement induite. Chimie. Université Paris Cité, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UNIP7145⟩. ⟨tel-04598266⟩
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