Stratégies d'analyse de molécules d'intérêt thérapeutique par diffusion Raman exaltée de surface - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Analytical strategies of molecules of therapeutic interest by surface enhanced Raman scattering

Stratégies d'analyse de molécules d'intérêt thérapeutique par diffusion Raman exaltée de surface

Antoine Dowek

Résumé

Raman spectroscopy is a rapid, specific and non-destructive analysis technique that enables the analysis of a large number of molecules by measuring their vibrational energies. However, the low proportion of scattered photons in Raman scattering (1 out of 108) limits its use to the analysis of molecules with concentrations in a range of mg.mL-1. In order to overcome this limitation, this work focuses on the phenomenon of surface exalted Raman scattering (SERS) which allows a major amplification of the intensity of the Raman signal of a molecule placed in the vicinity of metallic nanoparticles (NPs). This enhancement has been demonstrated for many years and allows its use for the detection of trace molecules. The bottleneck to the development of the use of SERS is the lack of reproducibility of the signal amplification thus limiting quantitative applications.The objective of this thesis is the development of SERS as a specific and ultra-sensitive analytical technique for the analysis of molecules of therapeutic interest, with the aim of determining the analyzed molecule (discriminant analysis) as well as its concentration (quantitative analysis). To meet this goal, a rational analysis strategy has been developed around three axes: the reproducible synthesis of spherical metallic NPs in colloidal suspension, the experimental optimization of the NPs/analyte interaction parameters and the mathematical optimization of the spectral data in the construction of discriminating and quantitative prediction models adapted to the data.The first study aimed at building a quantitative model for the determination of 5-fluorouracil from silver nanoparticles coming from different syntheses. These different syntheses led to NPs presenting a significant variability in size and shape despite the prior optimization of the synthesis parameters, hence the difficulties to produce silver NPs in a reproducible way. The spectral measurements resulting from these experiments could however be exploited and confirmed the variability of the signal amplification from one synthesis to another impacting the quality of the quantitative prediction. A mathematical tool, based on the nearest neighbor approach and the construction of a quantification model per NP batch, was developed and greatly improved the quality of the prediction model by reducing the total relative error from 16.8% to 6.3%.Faced with the lack of reproducibility in Ag NPs synthesis, work on norepinephrine and epinephrine was performed using gold NPs in suspension that allowed more reproducible syntheses compared to silver NPs. The experimental optimization by design of experiments combined with the monitoring of the evolution of the measured signal over time highlighted the importance of the factors: size of the NPs, NPs/analyte ratio and analyte concentration on the amplification of the signal intensity and on the NPs/analyte interaction. Finally, in a last work, the research of an innovative aggregation mode mediated by a natural chitosan biopolymer allowed to stabilize in time the exalted Raman signal and to consider measurements of epinephrine up to a concentration of 0.1 µg.mL-1 in various aqueous matrices.Through these works, the discriminative capacities of SERS have been confirmed, with 100% of observations correctly classified between two molecules of very close structures: epinephrine and norepinephrine. Moreover, quantitative models have been developed with low limits of quantification of the order of ten µg.mL-1 determined by the construction of accuracy profiles, thus demonstrating the potential of SERS for the quantitative analysis of molecules of therapeutic interest opening the way to numerous applications.
La spectroscopie Raman est une technique d'analyse rapide, spécifique et non destructive qui permet d'analyser un grand nombre de molécules par la mesure de leurs énergies de vibration. Cependant, la faible proportion de photons diffusés en diffusion Raman (1 sur 108) limite son usage à l'analyse de molécules dont les concentrations sont de l'ordre du mg.mL-1. Afin de s'affranchir de cette limite, ce travail s'intéresse au phénomène de diffusion Raman exaltée de surface (SERS) qui permet une amplification majeure de l'intensité du signal Raman d'une molécule placée à proximité de nanoparticules métalliques (NPs). Cette exaltation a été démontrée depuis de nombreuses années et permet son utilisation pour la détection de molécules à l'état de trace. Le frein actuel au développement de l'utilisation de la SERS est le manque de reproductibilité de l'amplification du signal limitant ainsi les applications quantitatives.L'objectif de ce travail de thèse est le développement de la SERS en tant que technique analytique spécifique et ultra-sensible pour l'analyse de molécules d'intérêt thérapeutique, dans le but de déterminer la molécule analysée (analyse discriminante) ainsi que sa concentration (analyse quantitative). Pour répondre à cet objectif, une stratégie d'analyse rationnelle a été développée autour de trois axes : la synthèse reproductible de NPs métalliques sphériques en suspension colloïdale, l'optimisation expérimentale des paramètres d'interaction NPs/analyte et l'optimisation mathématique des données spectrales dans la construction de modèles de prédiction discriminants et quantitatifs adaptées aux données.La première étude avait pour objectif la construction d'un modèle quantitatif pour le dosage du 5-fluorouracile à partir de NPs d'argent issues de synthèse différentes. Ces différentes synthèses ont conduit à des NPs présentant une variabilité de taille et de forme importante malgré l'optimisation préalable des paramètres de synthèse, soulignant les difficultés à produire des NPs d'argent de façon reproductible. Les mesures spectrales issues de ces expériences ont toutefois pu être exploitées et ont confirmé la variabilité d'amplification du signal d'une synthèse à l'autre impactant la qualité de la prédiction quantitative. Un outil mathématique, basé sur l'approche des plus proches voisins et la construction d'un modèle de quantification par lot de NPs, a été développé et a grandement amélioré la qualité du modèle de prédiction en réduisant l'erreur relative totale de 16,8 % à 6,3 %.Face au manque de reproductibilité de la synthèse des NPs d'Ag, les travaux portant sur la noradrénaline et l'adrénaline ont été réalisés à l'aide de NPs d'or en suspension qui ont permis des synthèses plus reproductibles par rapport aux NPs d'argent. L'optimisation expérimentale par plans d'expériences combinée au suivi de l'évolution du signal mesuré au cours du temps a mis en avant l'importance des facteurs : taille des NPs, proportion NPs / analyte et concentration en analyte sur l'amplification de l'intensité du signal et sur l'interaction NPs / analyte. Enfin, dans un dernier travail, la recherche d'un mode d'agrégation innovant médiée par un biopolymère naturel de chitosan a permis de stabiliser dans le temps le signal Raman exalté et d'envisager des mesures de l'adrénaline jusqu'à une concentration de 0,1 µg.mL-1 dans diverses matrices aqueuses.Au travers de ces différents travaux, les capacités discriminantes de la SERS ont été réaffirmées avec un pourcentage de bien classé de 100 % entre l'adrénaline et la noradrénaline, deux molécules de structure très proche. De plus, des modèles quantitatifs ont pu être développés avec des limites basses de quantification de l'ordre de la dizaine de µg.mL-1 déterminées par la construction de profils d'exactitude, démontrant de ce fait le potentiel de la SERS pour l'analyse quantitative de molécules d'intérêt thérapeutique, ouvrant la voie à de nombreuses applications.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04116115 , version 1 (03-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04116115 , version 1

Citer

Antoine Dowek. Stratégies d'analyse de molécules d'intérêt thérapeutique par diffusion Raman exaltée de surface. Chimie analytique. Université Paris-Saclay, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPASF014⟩. ⟨tel-04116115⟩
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