Transport électronique dans l’ADN

Cette thèse a été préparée au sein de l’équipe M.C.M.O. Matériaux et composants moléculaires organiques) par I.E.M.N. Département d'Electronique, Microélectronique et Nanotechnologie) sous la direction de Dominique Vuillaume. Annexe C : Structure chimique des molécules utilisées lors de la thèse 225 Annexe D : Démonstration d'une nouvelle forme d'ADN 227 Annexe E : Supplément sur les méthodes de dépôt d'ADN en microscopie électronique 231.

Introduction générale

Mesures avec "beaucoup" de courant en AFM conducteur sur des brins d'ADN déposés sur du pentacène comme seconde électrode. Nous terminons ce chapitre avec quelques mesures obtenues en EFM (qui permettent d'étudier les propriétés électrostatiques d'objets placés en surface), ainsi que quelques mesures obtenues sur des fibres d'ADN.

Introduction

Introduction

Peu de temps après avoir élucidé la structure de l'ADN en 1953 [Watson 1953], Eley et Spivey [Eley 1962] ont proposé que l'ADN puisse conduire l'électricité. Ce dernier point est important puisque la conductivité dans l’ADN dépendra a priori de la structure de la molécule.

Description de la molécule d’ADN

• Structure chimique
• Structure spatiale
• Forme A
• Forme B
• Forme Z
• Triplex et quadruplex
• Dénaturation de l’ADN
• Etirement de l’ADN

La structure spatiale de l’ADN est une double hélice droite (dans la plupart des cas). La forme en S a été observée lors d'expériences d'étirement de l'ADN à la limite de la rupture mécanique [Strick 1996] [Clausen-Schaumann 2000].

ADN en solution

• Condensation des contre-ions
• Neutralisation de la charge
• Paramètres pertinents du système
• Solution à une composante
• Solution à deux composantes
• Interaction spécifique des cations
• Condensation de l’ADN 1. Présentation
• Origine des structures ordonnées
• Interaction entre molécules d’ADN
• Conséquences

La concentration de cations à proximité de l’ADN est indépendante de la concentration du cation par volume. Ils ont découvert que la condensation se produisait lorsque 90 % de la charge d’ADN était neutralisée.

3.4.1.1 Structure avec beaucoup de brins Dans le cas où la concentration d’ADN de la solution est importante, on peut arriver

• Pour la conduction

Gani [Gani 1999] a mesuré la quantité d'ADN déposée sur différentes surfaces en fonction de la concentration de la solution. Lorsque l’on augmente encore la quantité d’ADN (supérieure à 50 mg/L) dans la solution, on finit par redéposer de l’ADN.

Méthodes de dépôt

• Introduction
• Traitement des surfaces
• Différentes techniques 1. Greffage
• Peignage moléculaire
• Etirement par un flot
• Piège électrostatique
• Mesure des hauteurs à l’AFM

Le point important est que les extrémités de l’ADN adhèrent préférentiellement à la surface [Kang 2001]. L’une des propriétés les plus importantes que nous mesurons en microscopie électronique est le diamètre de l’ADN.

Mesures électriques

• Introduction
• Modèles de conduction
• Transfert intramoléculaire
• Transport à travers une molécule entre deux électrodes
• Mesures électriques
• ADN conducteur
• ADN semi-conducteur
• ADN isolant
• Effet de la température
• Effet de l’environnement
• Conclusion des mesures électriques

Yoo [Yoo 2001] a également étudié la dépendance de la conductivité à l'égard de l'ADN sur une large plage de températures. Porath a tenté d'expliquer ses résultats par transmission électronique à travers les états de la molécule d'ADN.

Conclusion Générale

Etude en fonction de la température : Yoo, Tran, Ha, Porath (la tension seuil dépend de T mais pas du niveau de courant) Considérez la supraconductivité induite dans l'ADN pour les mesures de Kasumov.

Techniques expérimentales

Microscopie champ proche

• Introduction
• Microscope à effet tunnel
• Microscopie à force atomique
• Le mode contact
• Le mode non contact
• Le mode intermittent ou tapping
• Microscopie optique champ proche
• AFM et STM ?
• Le renouveau du mode non contact
• Description de l’appareil
• Les pointes
• Description des différents modes
• Mode contact
• Modes oscillants

L'intensité du courant circulant à travers cette jonction tunnel dépend de façon exponentielle de la distance entre la pointe et la surface. La force est plus grande lorsque la pointe est proche de la surface. Ces courbes sont obtenues expérimentalement en rapprochant puis en éloignant la pointe de la surface.

Cette force est liée aux énergies de surface de la pointe et de la surface.

Mode oscillation latérale

Contrairement au cas de l’oscillation verticale de la pointe, l’oscillation horizontale donne un comportement linéaire. Les courbes de résonance de l'oscillateur sont décalées et amorties sans distorsion supplémentaire, comme le montre la figure II.09. Nous verrons dans la section suivante (II.4.2.) comment obtenir des images en utilisant les propriétés de ces systèmes oscillants à proximité d'une surface.

• Mode contact
• Tapping mode
• Tapping mode deflection
• Mode non-contact
• Mode oscillation latérale
• Interprétation des images AFM
• Conclusion : AFM en pratique

Bien que l'on parle de mode tap, rien n'empêche de travailler sur une branche de la courbe de résonance où la pointe ne touche pas la surface. Nous remarquerons que les forces visqueuses et élastiques commencent à agir même loin de la surface lorsque nous sommes dans le vide. Malheureusement, ce n'est pas si simple, car le principal problème est que nous ne connaissons pas l'interaction entre la pointe et la surface.

La hauteur de l'ADN sur ces images est supérieure à 3 nm, alors qu'on s'attendrait plutôt à 1 nm (voir chapitre III).

Mesures électriques

• Lift mode
• On fait la mesure I(V)

Cette valeur donne un ordre de grandeur de ce que nous attendons comme décalage de fréquence (voir chapitre IV pour nos résultats expérimentaux). L’avantage du scanning, qui donne une image réelle de la surface, est que l’on peut clairement distinguer le contraste entre un objet conducteur et un objet isolant. Enfin, nous avons constaté que davantage de courant est mesuré s'il y a un matériau mou (comme l'ADN) sous le métal.

Le problème est que lors de la mesure on ne sait pas si le point a bougé.

Mesures électriques sur des électrodes fixes

Pour limiter ce problème, il est nécessaire d'augmenter le gain de la boucle de rétroaction du mode contact AFM. En effet, si les gains sont trop faibles, l'AFM n'a pas le temps de réagir pour « éviter » de heurter le brin d'ADN ou la corde.

Préparation des surfaces

• Dépôt de molécules
• Principe du greffage
• Nettoyage du substrat
• Greffage de la molécule
• Silane amine
• Dépôt de polymères
• SiH[111]
• Pentacène

Selon le type de molécules que l’on greffe, on peut avoir une couche de molécules dense et ordonnée. Les triangles que nous voyons sur la figure II.33 proviennent de la structure cristallographique de la surface. Ceci explique notamment la formation des triangles que l'on voit sur la figure II.33.

Nous avons remarqué qu'il était possible d'obtenir des terrasses d'assez grande taille, surtout avec une faible épaisseur (voir figure II.34).

Caractérisation des surfaces

• Caractérisation avec les énergies de surface
• Equation de Young – Dupré
• Equation d’Owens-Wendt

On peut caractériser ce réarrangement d'un point de vue macroscopique par une énergie de surface notée γA. Par exemple, dans le cas d'une surface de méthyle "défectueuse", on pourra trouver un angle de contact avec l'eau de 109°, alors qu'on mesurera presque 0° avec de l'hexadécane alors que la valeur attendue est de 42°. Ce désaccord peut être interprété par le fait que nous avons dans ce cas une couche désordonnée.

A noter également que l'on peut très rapidement vérifier si l'on a greffé une couche dense et ordonnée.

Méthode d’Owens - Wendt

Méthode de Zisman

• Caractérisation à l’AFM
• Manipulation et observation de l’ADN
• Solutions d’ADN
• ADN fluorescent
• Observation au microscope
• Réalisation d’électrodes
• Lithographie électronique
• Lithographie optique
• Conclusion

Nous avons également vérifié l'épaisseur des films moléculaires greffés par AFM (voir Tableau II.03 et Figure II.37). Il est possible, surtout s'il s'agit d'EDTA (qui a une acidité de 4), que le pH de la solution préparée soit loin d'être attendu. Les résines utilisées sont le PMMA (polyméthacrylate de méthyle) et le COPO (copolymère de PMMA et de MMA (méthacrylate de méthyle)).

Cela permet de réaliser une entaille dans le film métallique déposé sur l'échantillon (voir Figure II.40).

Dépôt d’ADN

Surface à contraste chimique

• Problématique
• Objectif
• Test de greffage pleine plaque
• Surface à contraste chimique 1. Protocole

Nous nous attendons à un greffage covalent de la sonde fluorescente uniquement sur le silane à terminaison amino. Les lames d'amine silanisée préparées sur IEMN donnent un signal relativement homogène au milieu de l'échelle de fluorescence (vert pomme). En fait, la solution contenant de la rhodamine COCHO d'IBL a cessé de fonctionner lorsqu'on y a plongé des lames contenant de la résine optique.

Le fait que cette combinaison fonctionne le mieux vient certainement du fait que nous avons utilisé un primaire en polystyrène qui protège la surface de la contamination due à la résine optique.

Dépôt d’ADN

• Présentation
• Méthode de la goutte
• Variante du peignage moléculaire
• Caractérisation de l’ADN déposé
• Conclusion
• Conclusion
• Discussion
• Point de fixation de l’ADN sur la surface
• Structure de l’ADN sur la surface
• Mesure de la hauteur de l’ADN 1. Protocole
• résultats
• Interprétation

Dans ce cas, il est probable que nous n’ayons que des fragments de la molécule d’ADN. L'un des points d'attache de l'ADN est généralement l'extrémité de la molécule [Kang 2001]. Sur la figure III.23, le brin d'ADN est fixé à trois endroits de la surface SiH.

Dans le cas de la surface à terminaison méthyle, nous avons rencontré des problèmes pour mesurer la hauteur de l'ADN.

Conclusion

Il est surprenant que sur nos surfaces à terminaison amine nous mesurions une hauteur de 0,5 nm pour une molécule d'ADN, alors que la composition chimique de nos surfaces à terminaison amine est similaire à celle de Kasumov. Enfin, on constate que c'est sur nos surfaces hydrophobes que l'on mesure la plus grande hauteur pour une molécule d'ADN (en dehors du SiH et du pentacène). La nature hydrophobe de la surface joue certainement un rôle dans l’obtention d’un dépôt d’ADN de la bonne hauteur (~2 nm).

Dans ce cas, on peut s’attendre à retrouver une hauteur plus importante que sur nos surfaces hydrophobes, où les molécules d’ADN sont entièrement étirées.

Mesures électriques

Mesures sur des électrodes

Nous avons observé une augmentation du courant au fil du temps, quelle que soit la présence d'ADN déposé sur les électrodes. L'observation au microscope électronique montre la formation de doigts d'or qui finissent par relier les électrodes (voir figure IV.01). De plus, lors du contact entre les électrodes, le courant augmente brusquement et peut s'accompagner d'une destruction locale de l'électrode (voir figure IV.01).

Différents traitements de surface ont été essayés entre les électrodes : OTS, APTMS et alkylsilane fluoré.

AFM – Conducteur

• Introduction
• Problème de la métallisation
• Configuration de la jonction électrode/ADN
• ADN posé sur l’électrode
• Mesure en imagerie de courant
• Deux mesures directes avec du pentacène
• Caractéristique courant – tension 1. Introduction
• Caractéristiques principales des mesures de courant 1. Asymétrie
• Interprétation des résultats
• Mesure en fonction de la distance et de la taille du système
• Modèle tunnel
• Modèle ohmique
• Hopping
• Conclusion sur les différents modèles

Vous pouvez voir l'électrode et le paquet d'ADN comme une résistance de contact (voir figure IV.09). La figure IV.15 montre deux mesures effectuées sur un câble d'ADN déposé sur une surface à terminaison amine. Certaines de ces charges sont transférées entre la corde à ADN et la pointe de l'AFM.

La capture du pic par le paquet d'ADN correspond à l'augmentation du courant (voir figure IV.11).

Fibres d’ADN

On devrait avoir moins de 10 molécules d'ADN dans chacun des brins sachant que sur une surface méthylée la hauteur de l'ADN est de 1nm (voir chapitre III). Par conséquent, l’explication de la perte de signal dans l’EFM de l’ADN est une déshydratation de la molécule. Puisque l’espace entre les électrodes est plus grand que la taille des molécules, la conduction à travers l’ADN est altérée.

Cette valeur de conductivité est 30 fois supérieure aux mesures présentées précédemment sur les puces conductrices AFM DNA (voir paragraphe III.5.2.).

Conclusion

La conductivité chute brutalement lorsque la mesure est effectuée sous vide ou sous atmosphère d'azote sec, indiquant une conduction ionique dans la fibre. On retrouve une conductivité environ 30 fois supérieure à celle obtenue sur des brins d'ADN déposés sur une surface. En effet, il est surprenant que les fibres en suspension donnent des résultats différents des fibres déposées sur une surface, notamment dans l'hypothèse de conduction ionique.

Cependant, la structure chimique de cette molécule est assez similaire à celle du silane que nous avons utilisé.

Conclusion générale