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Fiche détaillée Thèses
Université Joseph-Fourier - Grenoble I (11/06/2010), christine Mousty (Dir.)
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Contribution des argiles ferrifères à l'élaboration de biocapteurs ampérométriques : Etude de l'interaction de l'Hémoglobine avec des Argiles et des Hydroxydes Doubles Lamellaires.
Khaled Charradi1, Chantal Gondran1, Jean-Claude Moutet1, Claude Forano2, Claude Forano2, Prévot Vanessa2, Mousty Christine2

Ce travail de thèse est consacré au développement de biocapteurs électrochimiques en utilisant des argiles ou des hydroxydes doubles lamellaires (HDL), riches en fer, comme matrices d'immobilisation de l'hémoglobine (Hb). Le but était de mettre en évidence la contribution des propriétés redox de ces matériaux dans l'amélioration des performances des biocapteurs par un phénomène de catalyse redox. L'hémoglobine est une métalloprotéine qui contient des porphyrines au fer (hème) comme sous-unité prosthétique. Une orientation privilégiée de cette biomolécule à la surface d'une électrode permet le transfert direct d'électrons entre le site actif de la protéine et l'électrode. Les propriétés électro-catalytiques de l'Hb immobilisée ont été étudiées pour la réduction du peroxyde d'hydrogène et ont permis la réalisation de différents biocapteurs ampérométriques. Nous avons immobilisé l'Hb dans plusieurs argiles cationiques contenant du fer : la nontronite de Garfield, des montmorillonites ferrifères synthétiques ou naturelles, ainsi qu'une montmorillonite synthétique servant de référence. Les propriétés électrochimiques de ces argiles ont été évaluées en voltammétrie cyclique et en impédancemétrie, en relation avec leurs propriétés structurales. Les isothermes d'adsorption de l'Hb dans ces argiles ont été établis montrant une forte affinité de l'Hb pour la nontronite. Nous avons montré que les argiles riches en fer octaédrique, notamment la nontronite, améliorent le transfert direct d'électrons entre l'Hb et l'électrode. L'immobilisation de l'Hb dans des HDL, de compositions différentes (MgAl et ZnAl) a été réalisée par adsorption et coprécipitation. Il faut noter que le fer situé en site octaédrique dans les HDL (MgFe) n'est pas électroactif et ne peut donc pas intervenir dans le processus électro-enzymatique. Les caractérisations physico-chimiques et morphologiques des biohybrides Hb-HDL ont été faites par plusieurs techniques, comme la DRX, IR, UV, MEB et MET, montrant une dénaturation partielle de la structure tertiaire de la protéine par la formation de liaisons hydrogènes entre la biomolécule et les feuillets hydroxylés des HDL; ce qui limite l'accessibilité de l'hème au transfert électronique direct. Outre l'immobilisation de l'Hb dans les HDL, nous avons également intercalé une métalloporphyrine chargée négativement, la FeTSPP, dans trois HDL de compositions différentes : Zn2Al, Mg2Al et Zn2Cr et nous avons réalisé la première étude électrochimique avec ces matériaux.
1 :  DCM - Département de Chimie Moléculaire
2 :  LMI - Laboratoire des Matériaux Inorganiques
Argiles – HDL – Hémoglobine – Biocapteurs ampérométriques – H2O2

Contribution of iron clays in the preparation of amperometric biosensors : Study of the interaction of hemoglobin with Clays and Layered Doubles Hydroxides.
In this thesis work, we were interested in the development of electrochemical biosensors by using iron rich clays and Layered Doubles Hydroxides (LDH), as matrices for immobilizing hemoglobin (Hb). The aim of this work was to study the contribution of iron structural materials in improving the performance of biosensors by a phenomenon of redox catalysis. Hemoglobin is a metalloprotein containing iron porphyrin (heme) as prosthetic group. A preferred orientation of the biomolecule on an electrode surface may improve the direct electron transfer between the active site of the protein and the electrode. The electro-catalytic properties of immobilized Hb were studied for the reduction of hydrogen peroxide (H2O2) and, allowed the development of different amperometric biosensors. We have immobilized Hb in iron rich cationic clays (nontronite from Garfield, montmorillonites) and in a montmorillonite containing non iron as a reference. The electrochemical properties of these clays were studied by cyclic voltammetry and impedancemetry. The adsorption isotherms of Hb on these clays showed a strong affinity of Hb for nontronite. We have also shown that octahedral structural iron clays, especially nontronite, improve the direct electron transfer between Hb and electrode. Immobilization of Hb in LDH of different compositions (MgAl and ZnAl) was performed by adsorption and coprecipitation methods. We noted that iron situated in octahedral site in LDH (MgFe) is not electroactive and therefore can not improve the electro-enzymatic process. The chemical and morphological characterizations of the Hb-LDH biohybrids were carried out by several techniques, such as XRD, IR, UV, SEM and TEM. We noted a partial denaturation of the tertiary structure of the protein, due to the formation hydrogen bonds between the biomolecule and hydroxyl layers of LDH, which limits the accessibility of heme to direct electronic transfer. Besides the interactions of Hb with LDH, we was also interested in the immobilization of a negatively charged metalloporphyrin, (FeTSPP) in three different LDH: Zn2Al Mg2Al and Zn2Cr and we have starting the first electrochemical study of these materials.
Clay – LDH – Hemoglobin – amperometric biosensor – H2O2