Développement d’un dispositif médical portable: biosenseur électrochimique à base d’ADN : optimisation de l’architecture et de la stabilité

Abstract

Les biosenseurs sont des dispositifs médicaux portables conçus pour détecter des marqueurs de maladies dans des matrices complexes telles que le sang. Les senseurs électrochimiques à base d’ADN, une catégorie spécifique de biosenseurs exploite la spécificité de l’ADN pour induire des changements conformationnels lors de la détection moléculaire, en utilisant le transfert d'électrons comme méthode de signalisation. Un biosenseur efficace doit être rapide, portable, facile à utiliser, avoir un faible prix de fabrication, capable de fonctionner avec de petits volumes d'échantillons et produire des résultats quantifiables. L'un des principaux défis qui entravent la mise à l'échelle mondiale de ces dispositifs est de parvenir à une stabilité d’entreposage élevée. La question de la stabilité a été étudiée dans un essai développé par le laboratoire du professeur Vallée-Bélisle, visant une détection en 5 minutes. Pour évaluer la stabilité des biosenseurs, la performance (l’intensité du courant électrique, la densité, et le potentiel) et les caractéristiques de diverses électrodes en or (variabilité des cristaux d'or, surface électrochimique) ont été analysées afin de construire un système commercialement viable. Un test de vieillissement thermique de 10 jours a été développé pour évaluer la stabilité à long terme. De plus, un outil logiciel a été créé pour automatiser l'analyse des données en quelques secondes, fournissant des évaluations de stabilité en temps réel du biosenseur. Des modifications physico-chimiques ont été explorées pour améliorer la stabilité des biosenseurs. Des paramètres tels que l'exposition aux UV, la présence d'oxygène, le nombre d'ancrages thiol-Au, la composition de la chaîne d'ADN, la densité de compactage et les propriétés des surfaces d'or ont été étudiés en profondeur. Le biosenseur final optimisé a été construit sur une surface d'or lisse avec un groupement dithiols pour l'ancrage ADN-Au, contenant des chaînes d'ADN avec 50 % de bases G/C et une haute densité de compactage. L'environnement d’entreposage incluait une exposition aux UV, mais excluait l'oxygène. À basse température, le biosenseur optimisé a démontré une stabilité inchangée. À haute température, le biosenseur optimisé a démontré une stabilité améliorée. Après un stockage à 50°C pendant 10 jours, le biosenseur a conservé 50 % de son courant électrochimique lors d'une interrogation de 5 minutes. Biosensors are portable medical devices designed to detect disease markers in complex matrices such as blood. DNA-based electrochemical sensors, a specific category of biosensors, leverage the specificity of DNA to induce conformational changes during molecular detection, using electron transfer as a signaling method. An effective biosensor must be fast, portable, easy to use, low-cost to manufacture, capable of functioning with small sample volumes, and able to produce quantifiable results. One of the main challenges hindering the global scalability of these devices is achieving high storage stability. The issue of stability was studied in an assay developed by Professor Vallée-Bélisle's laboratory, aimed at 5-minute detection. To evaluate biosensor stability, performance metrics (electrical current intensity, density, and potential) and the characteristics of various gold electrodes (variability in gold crystals, electrochemical surface area) were analyzed to develop a commercially viable system. A 10-day thermal ageing test was designed to assess long-term stability. Additionally, a software tool was created to automate data analysis within seconds, providing real-time stability assessments of the biosensor. Physicochemical modifications were explored to improve biosensor stability. Parameters such as UV exposure, oxygen presence, the number of thiol-Au anchors, DNA strand composition, packing density, and gold surface properties were studied in depth. The optimized final biosensor was built on a smooth gold surface with dithiol groups for DNA-Au anchoring, containing DNA strands with 50% G/C bases and a high packing density. The storage environment included UV exposure but excluded oxygen. At low temperatures, the optimized biosensor demonstrated unchanged stability. At high temperatures, the optimized biosensor showed improved stability. After storage at 50°C for 10 days, the biosensor retained 50% of its electrochemical current during a 5-minute interrogation.