Micro- et Nanoélectrodes pour la Détection de Nano-émissions d’Espèces Electroactives Résolues Spatialement et Cinétiquement

Application à l’Exocytose Vésiculaire de Neurotransmetteurs

Christian AMATORE

CNRS UMR 8640 PASTEUR, Ecole Normale Supérieure-PSL Research University, Département de Chimie, Sorbonne Universités - UPMC Paris 6, 24, rue Lhomond, 75005 Paris, France

christian.amatore@ens.fr ; http://www.chimie.ens.fr/?q=umr-8640/electrochimie

Les micro- et nanoélectrodes ont été introduites dans les années quatre-vingts principalement afin de diminuer les problèmes liés à la chute ohmique et aux constantes de temps, et afin d’augmenter le rapport signal-sur-bruit (S/N) au cours des mesures électrochimiques. En effet, la différence de potentiel imposée, E_appl, entre une électrode et la solution où elle baigne n’est pas exactement celle qui se retrouve appliquée à l’interface électrochimique, E_élect, laquelle commande in fine les phénomènes électrochimiques. E_élect est altéré d’une part par la chute ohmique, Ri, liée au courant i traversant l’électrolyte lors de toute mesure, R étant la résistance de la solution vue par l’électrode, et d’autre part par le temps de charge de la capacité interfaciale de l’électrode, RC_d. Cela peut conduire à de sérieux problèmes expérimentaux dès que la résistance de la solution étudiée est grande ou que les courants électrochimiques le sont. Néanmoins, pour une électrode disque de rayon r₀ placée dans une solution de volume infini, R varie comme 1/r₀ tandis que C_d varie comme r₀² et que, selon le régime diffusionel (i.e., le temps de mesure), i varie entre r₀² (temps courts) et r₀ (temps longs). Partant, on minimise très fortement les problèmes précédents simplement en réduisant le rayon de l’électrode. Il suffit ainsi de passer d’une électrode classique de 1 mm de rayon à une électrode de quelques microns de rayon pour accéder à la gamme des femtomoles ou des nanosecondes, ou à des mesures en milieux très résistifs. Cela et les facilités de microfabrication expliquent pourquoi l’utilisation de microélectrodes, puis celle des nanoélectrodes sont devenues quasiment incontournables en électrochimie en s’appliquant à une large diversité de problèmes.

Cet intérêt expérimental a eu une conséquence inattendue au départ. En effet, la partie utile des gradients de concentrations engendrés par l’activité d’une microélectrode ne se déploie qu’au sein de sa couche de diffusion dont l’épaisseur n’est que de quelques fois r₀. En d’autres termes, une microélectrode agit comme un microscope électrochimique sensible uniquement aux flux de matières électroactives créés à l’intérieur d’un micro-volume défini par sa taille et situé à sa pointe (voir schéma ci-contre). Cela, joint aux autres propriétés décrites plus haut, permet l’étude de nano-émissions d’espèces électroactives émises par un objet réactif ou un organisme vivant avec une précision de l’ordre de 1 000 molécules par milliseconde.

Au cours de cet exposé, nous nous proposons donc de commencer par rappeler rapidement les propriétés des micro- et nanoélectrodes, en détailler les limites, puis d’en illustrer une application « non-électrochimique » en neurobiologie par l’étude sur cellules vivantes uniques de processus fondamentaux de l’exocytose vésiculaire de neurotransmetteurs (voir le communiqué de presse CNRS : http://www.cnrs.fr/inc/communication/direct_labos/amatore.htm).

Sélection de quelques articles représentatifs :

• Propriétés des micro- et nanoélectrodes :

Electrochemistry at Ultramicroelectrodes. C. Amatore, in "Physical Electrochemistry: Principles, Methods and Applications" (I. Rubinstein, Ed.), M. Dekker, New York. 1995. Chap.4. pp.131-208.

Equivalence Between Electrodes of Different Shapes: Between Myth and Reality? C. Amatore, B. Fosset. Anal. Chem., 68, 1996, 4377-4388.

Electrochemical Kinetics at Microelectrodes. Part V. Migrational Effects on Steady or Quasi-Steady State Voltammograms. C. Amatore, B. Fosset, J.E. Bartelt, M.R. Deakin, R.M. Wightman. J. Electroanal. Chem., 256, 1988, 255-268.

Ohmic Drop Compensation in Cyclic Voltammetry at Scan Rates in the Megavolt per Second Range : Access to Nanometric Diffusion Layers via Transient Electrochemistry. C. Amatore, E. Maisonhaute, G. Simonneau. J. Electroanal. Chem., 486, 2000, 141-155.

Ultrafast Voltammetry of Adsorbed Redox Active Dendrimers with Nanometric Resolution: An Electrochemical Microtome. C. Amatore, Y. Bouret, E. Maisonhaute, J.I. Goldsmith, and H.D. Abruña. ChemPhysChem, 2, 2001, 130-134.

• Applications analytiques et en nanosciences :

Zeptomole Voltammetric Detection and Electron-Transfer Rate Measurements Using Platinum Electrodes of Nanometer Dimensions. J.J. Watkins, J. Chen, H.S. White, H.D. Abruña, E. Maisonhaute, C. Amatore. Anal. Chem., 75, 2003, 3962-3971.

Fabrication and Characterization of Adjustable Nanogaps between Gold Electrodes on Chip for Electrical Measurement of Single Molecules. J-H. Tian, Y. Yang, B. Liu, B. Schöllhorn, D-Y. Wu, E. Maisonhaute, A. Serra Muns, Y. Chen, C. Amatore, N-J. Tao, Z-Q. Tian. Nanotechnology, 21, 2010, 274012 (6pp).

Molecular Motion inside an Adsorbed [5:1] Fullerene Hexa-adduct Bearing Ten Peripheral Redox Subunits Evidenced by Ultrafast Cyclic Voltammetry. P. Fortgang, E. Maisonhaute, C. Amatore, B. Delavaux-Nicot, J. Iehl, J-F. Nierengarten. Angew. Chem., 50, 2011, 2364-2367.

Do Molecular Conductances Correlate with Electrochemical Rate Constants? Experimental Insights. XS. Zhou, L Liu, P. Fortgang, A-S. Lefevre, A. Serra-Muns, N. Raouafi, C. Amatore, B-W. Mao, E. Maisonhaute, B. Schöllhorn. J. Am. Chem. Soc., 133, 2011, 7509-7516.

Transient Electrochemistry: Beyond Simply Temporal Resolution. X-S. Zhou, B-W. Mao, C. Amatore, R. G. Compton, J-L. Marignier, M. Mostafavi, J-F. Nierengarten, E. Maisonhaute. Chem. Commun., 52, 2016, 251-263.

Theory of microwell arrays performing as generators-collectors based on a single bipolar plane electrode. A. Oleinick, J. W. Yan, B. W. Mao, I. Svir, C. Amatore. ChemElectroChem, 3, 2016, 487-494.

Theory and Simulations for the Electron Transfer/Ion Transfer Mode of SECM in the Presence or Absence of Homogenous Kinetics. A. Oleinick, Y. Yu, I. Svir, M.V. Mirkin, C. Amatore. ChemElectroChem, 4, 2017, 287-295. (DOI: 10.1002/celc.201600583).

Theory and Simulation for Optimizing Electrogenerated Chemiluminescence from Ruthenium(II)-Doped Silica Nanoparticles and Tripropylamine. E. Daviddi, A. Oleinick, I. Svir, G. Valenti, F. Paolucci, C. Amatore. ChemElectroChem., in press. (DOI: 10.1002/celc.201600892).

• Applications en biologie cellulaire :

Electrochemical Monitoring of Single Cell Secretion: Vesicular Exocytosis and Oxidative Stress. C Amatore, S. Arbault, M. Guille, F. Lemaître. Chem. Rev., 108, 2008, 2585–2621.

Real-time Monitoring of Discrete Synaptic Release Events and Excitatory Potentials within Self-reconstructed Neuro-muscular Junctions. Y.T. Li, S.H. Zhang, X.Y. Wang, X.W. Zhang, A.I. Oleinick, I. Svir, C. Amatore, W.H. Huang. Angew. Chem., 54, 2015, 9313–9318.

On the Mechanism of Electrochemical Vesicle Cytometry: Chromaffin Cell Vesicles and Liposomes. J. Lovrić, N. Najafinobar, J. Dunevall, S. Majdi, I. Svir, A. Oleinick, C. Amatore, A.G. Ewing. Faraday Discuss., 193, 2016, 65-79. (DOI: 10.1039/C6FD00102E).