Brevet FR2808288A1 — publié le 20011102

La présente invention concerne l'élaboration et l'application d'une électrode poreuse contenant des enzymes immobilisés. Cette électrode poreuse joue également le rôle d'une membrane de filtration pour l'élimination et la synthèse enzymatique ou électro enzymatique de composés spécifiques dans une solution. C'est la raison de la dénomination d'électrode poreuse à membrane pour le dispositif présenté. La fixation d'enzymes sur des matériaux poreux conducteurs d'électricité conduit à l'obtention d'électrodes poreuses à enzymes. L'invention décrite concerne une méthode d'élaboration et d'utilisation d'une électrode poreuse à enzyme utilisée comme membrane de filtration chimiquement réactive, constituée d'un textile poreux conducteur électrique modifié par électropolymérisation d'un monomère synthétique comportant un ou des groupements biotine (vitamine H) (partie B de la figure 1). Ces attaches moléculaires (biotine) permettent une réaction de complexation chimique non covalente très spécifique d'une protéine: l'avidine. Le principe de l'immobilisation d'enzyme utilisé pour la réalisation de notre membrane réactive met en jeu cette réaction spécifique entre la biotine et l'avidine. Une molécule d'avidine peut fixer jusqu'à 4 molécules de biotine. La fonctionnalisation du textile par un polymère biotinylé permet la fixation d'avidine à la surface de ce matériau, qui peut alors se complexer avec un enzyme sur lequel est également fixée la biotine (enzyme biotinylé). Ce matériau constitue alors une électrode poreuse à enzyme, qui intégrée dans le dispositif présenté sur la figure 2 devient une membrane réactive dotée de propriétés (électro)-catalytiques. La technique d'élaboration de l'électrode poreuse à enzyme fait intervenir une surface de textile conducteur électrique (toile métallique, feutre de carbone ou autre matériau conducteur) qui est plongée dans une solution de pyrrole-biotine dont un exemple est présenté sur la figure 1. La concentration de pyrrole- biotine dans l' acétonitrile est de 0,5 g 1-1 auquel 12 g 1-1 de perchlorate de sodium est ajouté. Le textile est ensuite relié à un dispositif électrochimique (potentiostat) par un contact métallique qui permet de le maintenir durant 20 minutes à un potentiel constant de +0,8 V par rapport à une électrode référence en chlorure d'argent plongée dans le milieu électrolytique décrit ci dessus. Le textile est ensuite rince avec de l'eau distillée et mis en contact avec une solution d'avidine commerciale de concentration 2 g 1-1 durant 1 heure. Apres un nouveau rinçage à l'eau distillée le textile est plongé dans une solution d'enzyme biotinylé de concentration 2 g 1-1 durant 1 heure. Cet enzyme biotinylé est soit commercial, soit synthétisé par action d'un dérivé succinimide-biotine l'enzyme choisi. Le textile est à nouveau rincé à l'eau puis placé dans une colonne de verre ou d'un matériau inerte munie dans sa partie inférieure d'un orifice permettant l'introduction d'une électrode métallique. La colonne est bouchée à extrémité inférieure par une membrane polymère poreuse non réactive. Une pompe assure la circulation de solution à traiter à travers cette colonne contenant l'électrode poreuse à enzyme qui maintenue à un potentiel électrique déterminé constant grâce au système électrochimique (potentiostat). La figure 2 illustre un exemple du dispositif. La colonne est bouchée aux extrémités par un élément de plastique ou autre matériau inerte (2) muni dans la partie supérieure de trois orifices permettant respectivement la connexion d'un tuyau souple 1), l'insertion d'une électrode de référence commerciale (chlorure d'argent) (7) et d'une électrode métallique en platine par exemple (8) assurant le rôle d'électrode auxiliaire dispositif électrochimique. L'électrode poreuse à enzyme (4) composée d'un textile modifié par la méthode décrite ci-dessus, est placée dans le tube sur une membrane poreuse en polytétrafluoroéthylène (5) et connectée à une électrode (9) placée dans l'orifice latéral situé au bas de la colonne simple insertion d'un fil métallique dans le textile . Le fonctionnement de ce dispositif est assuré par une pompe permet 'introduction de la solution par le haut de la colonne puis le passage de la solution à traiter à travers l'électrode poreuse à enzyme. Cette électrode est maintenue à un potentiel fixe par rapport à l'électrode de référence grâce au montage potentiostatique à trois électrodes. Un exemple d'application de l'invention l'oxydation enzymatique du glucose associée à l'électroréduction du peroxyde d'hydrogène qui résulte de la réactivité de 1 enzyme glucose oxydase immobilisé dans l'électrode poreuse à membrane. Pour cette application l'enzyme immobilisé est la glucose oxydase biotinylée qui en milieu aérobie permet l'oxydation du glucose avec génération de peroxyde d'hydrogène. Ce composé est alors oxydé électrochimiquement par l'électrode qui est maintenue à un potentiel de 0, V par rapport à l'électrode référence en chlorure d'argent. Le dispositif permet alors par simple passage à travers l'électrode poreuse à enzyme d'effectuer simultanément l'oxydation enzymatique du glucose et la dismutation du composé électroactif généré. Un autre exemple pour illustrer l'application de 'invention est la destruction peroxyde d'hydrogène en présence de catéchol. L'enzyme immobilisé est la peroxydase biotinylee. I1 permet, associé au catéchol d'oxyder le peroxyde d'hydrogène en générant un composé quinonique qui peut être transforme à nouveau en catéchol par réduction électrochimique sur l'électrode poreuse maintenue à -0 V par rapport à l'électrode référence. Ce système assure alors la régénération d'un des substrats de l'enzyme, d'ou possibilité d'utiliser ce dispositif avec de faibles quantités de catéchol et d'éviter la production de substances parfois plus toxiques que le produit à traiter comme des quinones exemple. L'application du dispositif selon l'invention présentée concerne l'élimination de composés toxiques ou non par transformation de composés chimiques et / ou la synthèse de substances spécifiques par association d'une réaction enzymatique et d'une réaction électrochimique au sein de la phase membrane réactive d'une électrode poreuse à membrane. Le dispositif s'applique à tous systèmes enzymatiques susceptibles d'être immobilisés suivant la procédure énoncée et qui génèrent des composés électroactifs pouvant être soit oxydés soit réduits sur l'électrode poreuse élaborée suivant le procole décrit ou bien à des systèmes dont l'enzyme peut être directement connecté électriquement à l'électrode pour assurer son fonctionnement catalytique. REVENDICATIONS dispositif de filtration avec transformation chimique d'un composé caractérisé en ce qu'il comporte une électrode poreuse à membrane (4) contenant un ou plusieurs enzymes immobilisés. dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que 'électrode poreuse à membrane à enzyme (4) constitue une membrane de filtration à travers laquelle circule la solution à transformer chimiquement et dans laquelle on peut régénérer ou synthétiser électrochimiquement des substances ou connecter electriquement l'enzyme (échange d'électrons) en raison la forte conductivité électrique de l'électrode poreuse à membrane. 3) dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que l'électrode poreuse à enzyme (4) un textile sur lequel est déposé électrochimiquement un polymère possédant une fonction chimique spécifique: la biotine. 4) dispositif selon la revendication 1 ou la revendication ou la revendication 3 caractérisé en ce que l'enzyme est fixé sur le textile par réaction d'un enzyme biotinylé avec le polymère biotinylé, les deux systèmes étant couplés par association mutuelle à une protéine spécifique: l'avidine.