Développement d’outils plasmoniques pour l’analyse de molécules biologiques en milieu aqueux
Thèse ou mémoire / Thesis or Dissertation
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Doctorat / Doctoral
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Mots-clés
- Spectroscopie Raman exaltée par les surfaces
- substrat nanostructuré
- dynamic SERS
- photolithography
- biological assay
- matrix effects
- Résonance des plasmons de surface
- SERS dynamique
- photolithographie
- essai biologique
- effet de matrice
- Surface enhanced Raman spectroscopy
- nanostructured substrate
- surface plasmon resonance
Organisme subventionnaire
Résumé
Résumé
Malgré son importance dans la régulation du climat et comme habitat de nombreuses espèces, l’océan Arctique reste peu étudié et les technologies pouvant être utilisées afin d’accomplir des analyses sur place sont limitées. La spectroscopie Raman exaltée par les surfaces (SERS) en mode dynamique possède un grand potentiel afin d’étudier les changements moléculaires dans l’océan en temps réel, ce qui la rend un choix judicieux pour la conception d’un instrument autonome destiné à opérer sur le terrain. L’objectif de cette thèse est, par le développement d’outils plasmoniques, de bâtir une fondation sur laquelle le SERS dynamique pourra devenir utile pour des mesures autonomes en milieu environnemental. Dans un premier temps, différents substrats SERS ont été étudiés et optimisés afin de maximiser l’exaltation Raman tout en conservant une bande plasmonique pouvant être utilisée avec une gamme de sources d’excitation. Un substrat de nanodisques en maille hexagonale a été utilisé dans une étude préliminaire, permettant de démontrer que la composition métallique du substrat pouvait être changée afin d’obtenir une plus grande exaltation Raman, sans changer sa fréquence d’excitation, à condition que sa surface en contact avec le milieu d’analyse conserve la même composition. Un substrat de polymère stressé fut ensuite employé afin de froisser un film métallique, formant des ondulations pouvant exalter le signal Raman. Ce substrat, contrairement au précédent, peut être fabriqué avec des instruments beaucoup plus simples, beaucoup plus facilement, par un personnel sans qualification avancée et pour une fraction du prix. Les connaissances obtenues par l’étude des substrats de nanodisques furent appliquées à cette surface et combinées avec d’autres stratégies afin d’augmenter 1600 fois plus l’exaltation Raman. Une composition mixte d’or et d’argent fût appliquée au film métallique, qui fut ensuite couplé à des nanoparticules d’or et fripé par l’intermédiaire du polymère stressé, formant un puissant substrat SERS. Dans un second temps, l’effet d’une matrice biologique sur la dynamique des molécules biologiques fut étudié. Cette étude avait pour but de mieux comprendre les facteurs influençant un analyte en solution alors que ce dernier s’adsorbe et désorbe d’une surface plasmonique. Ces connaissances serviront à faire des choix plus éclairés dans les matrices et les constituants à utiliser pour former une matrice artificielle contrôlée dans les phases préliminaires du développement d’essais biologiques. Un couple modèle d’anticorps/antigène fut sélectionné et investigué avec une matrice artificielle faite avec de l’albumine humaine ou bovine comme substitut protéique. Les résultats de ces matrices furent ensuite comparés avec du sérum bovin ou humain. Les résultats montrent une différence drastique de sensibilité entre les tests en présence de l’une ou l’autre des protéines, qui se maintiennent dans les essais avec du sérum. La source de cette différence fut investiguée en échangeant la position des protéines du couple modèle et en les orientant sur la surface à l’aide de protéine G. Ces deux méthodes ne permirent pas d’identifier la cause définitive de la différence de sensibilité des essais. Ces essais soulignèrent l’importance du choix des constituants d’une matrice artificielle afin de conserver une bonne représentation de la matrice finale dans lequel l’essai biologique sera porté. Un second couple d’anticorps/antigène fut utilisé avec les différentes matrices. Ce dernier couple montra un comportement inverse du premier, ce qui permit de souligner que les interactions entre la matrice et l’analyte en solution sont fortement dépendantes de l’analyte à l’étude, nécessitant l’identification de l’effet de matrice tôt dans le développement.
Despite its importance in regulating climate and as a habitat for many unique species, the Arctic Ocean remains barely studied and the technologies available for on-site analysis are scarce. Dynamic surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) has great potential as a method to study molecular interactions directly in the ocean in real time, which makes it a great method of choice for the design of an autonomous instrument destined to operate in remote locations. The objective of the following work is, through the development of plasmonic tools, to build the foundation on which dynamic SERS will rely to transition towards autonomous environmental measurements. First, different SERS substrates were studied and optimized to maximize Raman enhancement whilst conserving their plasmonic properties, allowing their use with a wide range of excitation sources. A hexagonal nanodisk array was used in a preliminary study to demonstrate that its metal composition could be changed to increase the Raman enhancement without affecting its resonance frequency, as long as the composition of the metal at the interface remained the same. A substrate of shrinking polymer was then employed to wrinkle a metal film, forming a microstructure that can enhance Raman scattering. This substrate, as opposed to the previous one, is made using simpler instruments that does not require qualified personnel, for a fraction of the cost and much more easily. The knowledge gained through studying the nanodisk substrate was applied to this surface along with other strategies to enhance Raman scattering by up to 1600 times. A film composition of silver and gold was used and coupled with gold nanoparticles before being wrinkled to form a powerful SERS substrate. Secondly, the matrix effect on biological molecular interactions was investigated. This study is performed to better understand the complex relationship between a solute adsorbing and desorbing from a plasmonic surface and its environment. That knowledge is meant to help in making better choices related to the making and selection of artificial matrices for the preliminary development of bioassays. A model antibody/antigen couple was selected and used in a bioassay performed in artificial matrices made with bovine or human serum albumin as a protein substitute. Results were then compared with bovine or human serum. The results demonstrated a drastic loss of sensitivity when using human-based proteins and that observation was maintained with the serum-based assays. The source of this phenomenon was investigated by exchanging the position of the antibody and analyte as well as by orienting them on the surface using protein G. Neither of these permutations allowed to identify the cause of the sensitivity loss. These assays highlighted the importance of the constituents in an artificial matrix to maintain good reproducibility with the eventual targeted matrix. A second antibody/antigen couple was used with the various matrices and showed an inverse behavior to what was previously observed. This last result showed that the observations were highly dependent on the analyte and hence that it would be optimal to evaluate the matrix effects early in the development of a bioassay. Keywords: Surface enhanced Raman spectroscopy, nanostructured substrate, surface plasmon resonance, dynamic SERS, photolithography, biological assay, matrix effects.
Despite its importance in regulating climate and as a habitat for many unique species, the Arctic Ocean remains barely studied and the technologies available for on-site analysis are scarce. Dynamic surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) has great potential as a method to study molecular interactions directly in the ocean in real time, which makes it a great method of choice for the design of an autonomous instrument destined to operate in remote locations. The objective of the following work is, through the development of plasmonic tools, to build the foundation on which dynamic SERS will rely to transition towards autonomous environmental measurements. First, different SERS substrates were studied and optimized to maximize Raman enhancement whilst conserving their plasmonic properties, allowing their use with a wide range of excitation sources. A hexagonal nanodisk array was used in a preliminary study to demonstrate that its metal composition could be changed to increase the Raman enhancement without affecting its resonance frequency, as long as the composition of the metal at the interface remained the same. A substrate of shrinking polymer was then employed to wrinkle a metal film, forming a microstructure that can enhance Raman scattering. This substrate, as opposed to the previous one, is made using simpler instruments that does not require qualified personnel, for a fraction of the cost and much more easily. The knowledge gained through studying the nanodisk substrate was applied to this surface along with other strategies to enhance Raman scattering by up to 1600 times. A film composition of silver and gold was used and coupled with gold nanoparticles before being wrinkled to form a powerful SERS substrate. Secondly, the matrix effect on biological molecular interactions was investigated. This study is performed to better understand the complex relationship between a solute adsorbing and desorbing from a plasmonic surface and its environment. That knowledge is meant to help in making better choices related to the making and selection of artificial matrices for the preliminary development of bioassays. A model antibody/antigen couple was selected and used in a bioassay performed in artificial matrices made with bovine or human serum albumin as a protein substitute. Results were then compared with bovine or human serum. The results demonstrated a drastic loss of sensitivity when using human-based proteins and that observation was maintained with the serum-based assays. The source of this phenomenon was investigated by exchanging the position of the antibody and analyte as well as by orienting them on the surface using protein G. Neither of these permutations allowed to identify the cause of the sensitivity loss. These assays highlighted the importance of the constituents in an artificial matrix to maintain good reproducibility with the eventual targeted matrix. A second antibody/antigen couple was used with the various matrices and showed an inverse behavior to what was previously observed. This last result showed that the observations were highly dependent on the analyte and hence that it would be optimal to evaluate the matrix effects early in the development of a bioassay. Keywords: Surface enhanced Raman spectroscopy, nanostructured substrate, surface plasmon resonance, dynamic SERS, photolithography, biological assay, matrix effects.
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