Spectroelectrochimie résolue en temps sur électrodes 3D mésoporeuses – 3D-BIOELEC

La méthodologie adoptée consiste à préparer des électrodes transparentes mésoporeuses d’oxyde métallique présentant une conductivité et une transparence optimisées. Ces électrodes de grande surface spécifique permettent l’immobilisation de grandes quantités de biomolécules, facilitant leur détection spectroscopique.
Ces électrodes sont ensuite fonctionnalisées par des sondes redox présentant des caractéristiques spectroscopiques adéquates et une activité redox éventuellement liée à une activité catalytique.
Les électrodes modifiées obtenues sont ensuite étudiées par diverses techniques spectroscopiques couplées à l’électrochimie, dont la spectroscopie d’absorption UV-visible. La résolution temporelle de l’ensemble est ainsi caractérisée permettant le cas échéant de suivre l’activité catalytique de la sonde redox adsorbée.

La nouvelle méthodologie électroanalytique développée au cours de ce travail présente une résolution temporelle de l’ordre de la milliseconde. Nous avons démontré son intérêt pour étudier quantitativement la réactivité d’un catalyseur moléculaire immobilisé. Nous avons aussi étudié en détail les interactions entre la surface d’oxyde métallique et diverses (bio)molécules pour développer des processus de fonctionnalisation efficaces dans des conditions douces. Par ailleurs, et de façon inattendue, la méthodologie développée s’est révélée particulièrement bien adaptée pour analyser les processus de transfert de charge et transport d’électron au sein de matériaux mésoporeux fonctionnalisés.

Nos projets de recherche actuels s’inscrivent dans la continuité du projet 3D-BIOELEC. Nous envisageons notamment de tirer parti des propriétés semi-conductrices de certains oxydes métalliques pour développer des cellules photoélectrocatalytiques pour des applications dans le domaine de l’énergie ou de la chimie fine.

Les résultats obtenus ont fait l’objet de 6 articles publiés dans des revues internationales à comité de lecture, et deux articles supplémentaires sont en cours de rédaction.

1- Renault C., Andrieux C.P., Tucker R.T., Brett M.J., Balland V.*, Limoges B.* (2012) J. Am. Chem. Soc. 134, 6834-6845
2- Schaming D., Renault C., Tucker R.T., Lau-Truong S., Aubard J., Brett M.J., Balland V.*, Limoges B.* (2012) Langmuir 28, 14065-14072
3- A. Forget, B. Limoges*, V. Balland* (2015), Langmuir 31,1931-1940
4- C. Renault, L. Nicole, C. Sanchez, C. Costentin*, V. Balland*, B. Limoges* (2015), Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 10592-10607
5- A. Forget, R.T. Tucker, M.J. Brett, B. Limoges*, V. Balland* (2015), Chem. Commun. 51, 6944-6947
6- C. Renault, V. Balland, B. Limoges, C. Costentin* (2015), J. Phys. Chem. C., 10592-607

L'objectif du projet 3D-BIOELEC est de développer une technique originale de spectroélectrochimie résolue en temps à l'échelle submilliseconde. Cette technique devrait être un outil puissant pour analyser les aspects cinétiques, thermodynamiques et mécanistiques de protéines ou enzymes redox immobilisées par corrélations croisées de données spectroscopiques et électrochimiques.
Le point clé du projet repose sur l'utilisation de nouvelles électrodes tridimensionnelles récemment développées et caractérisées par une bonne transparence optique et une excellente conductivité. Ces électrodes 3D consistent en un film mince d'oxyde métallique présentant une porosité parfaitement organisée et une très grande surface spécifique, permettant l'immobilisation d'une grande quantité de protéine redox et sa rapide conversion redox. De plus, la bonne transparence optique de ces électrodes permet de coupler l'électrochimie à diverses techniques spectroscopiques comme l'absorption UV-visible ou encore la résonance Raman. La technique de spectroélectrochimie résolue en temps ainsi développée sera parfaitement adaptée à l'étude d'une large gamme de protéines et enzymes redox immobilisées, permettant d'étudier leur intégrité structurale et fonctionnelle, de déterminer leur concentration surfacique, d'attribuer sans ambiguité les potentiels redox observés, et d'obtenir des informations détaillées sur les aspects cinétiques et mécanistiques des processus de transfert d'électron.
Ces études fondamentales devrait impacter de façon importante le domaine des biotechnologies en permettant de rationaliser, prédire et optimiser le fonctionnement des biosenseurs et bioreacteurs électrochimiques ainsi que des biopiles. Nous mettrons à profit l'expertise acquise sur les électrodes transparentes mésoporeuses et leur fonctionnalisation par des édifices biologiques afin de déveloper des dispositifs bioélectrochimiques originaux pour la production et/ou la conversion d'énergie.