Nouvelles approches pour la quantification et la réduction de l’adsorption de biomolécules en électrophorèse capillaire : capillaires superhydrophobes et multicouches de polyélectrolytes

The main objective of this thesis is to study different approaches for the modification of the electrophoresis capillary intern wall to enhance separation efficiency and reproducibility for biomolecules (model peptides and/or proteins) in acidic conditions. The first chapter (outside of bibliographic study) is dedicated to superhydrophobic coatings study. The goal is to prevent analytes adsorption by suppressing any interaction between the superhydrophobic wall and the analytes (anti-wettability). An original coating process has been developed to obtain superhydrophobic capillaries by studying the influence of layers number, coating nature, and filling and flushing pressure during layers deposition. Superhydrophobic coatings have been obtained, for the first time, with diameters from 50 µm to 180 µm. Hydrodynamic and electrokinetic characteristics have been studied, giving slipping length of 23 µm and efficiency separation increased twofold compared to fused silica capillary in the same electrophoretic conditions. The second chapter studies an air microbubbles generation process using superhydrophobic capillaries. The experimental parameters (voltage, UV ray, marker, superhydrophobic coating) needed to obtain those bubbles have been identified. Those bubbles have been characterized (diameter ~35-39 µm; length ~10 mm; zeta potential ~ -62.6 mV). The third chapter offer an experimental methodology, based on the electrochromatography theory, allowing to evaluate the residual adsorption of proteins on the capillary wall. This approach have two interesting points: (i) allowing to compare separative performances of different coatings via residual adsorption, and (ii) optimizing the experimental parameters (length, internal diameter, applied voltage) to minimize the impact of adsorption on the separation efficiencies.L’objectif de cette thèse est d’étudier différentes approches pour la modification de la paroi interne des capillaires d’électrophorèse capillaire pour améliorer les efficacités de séparation de biomolécules (peptides et/ou protéines modèles) en milieu acide. Le premier chapitre (hors étude bibliographique) est consacré à l’étude des revêtements superhydrophobes, dans le but d’empêcher l’adsorption des analytes en supprimant toute interaction entre la paroi superhydrophobe et les analytes (absence de mouillage). Un protocole de greffage original a été développé pour obtenir des capillaires superhydrophobes en étudiant l’influence du nombre de couches déposées, la nature du revêtement, et les pressions de remplissage et de rinçage du capillaire lors du dépôt des couches. Des capillaires superhydrophobes ont pu être obtenus, pour la première fois, avec des diamètres internes allant de 50 µm à 180 µm. Les caractéristiques hydrodynamiques et électrocinétiques de ces capillaires ont été étudiées, donnant une longueur de glissement de 23 µm et des efficacités de séparation électrophorétique 2 fois supérieures à celles obtenues sur un capillaire de silice vierge dans les mêmes conditions électrophorétiques. Le second chapitre étudie la génération de microbulles d’air dans des capillaires superhydrophobes. ). Les paramètres expérimentaux (tension, rayonnement UV, marqueur, revêtement superhydrophobe) nécessaires à l’obtention de ces microbulles ont été identifiés). Ces bulles ont été caractérisées (diamètre ~35-39 µm ; longueur ~10 mm ; potentiel zeta ~ -62.6 mV). Le troisième chapitre propose une méthodologie expérimentale, basée sur la théorie de l’électrochromatographie, permettant d’évaluer l’adsorption résiduelle de protéines sur la paroi des capillaires. Cette nouvelle approche présente deux intérêts : (i) pouvoir comparer les performances séparatives sur différents greffages via l’adsorption résiduelle, et (ii) optimiser les paramètres expérimentaux (longueur, diamètre interne, tension appliquée) afin de minimiser l’impact de l’adsorption sur les efficacités de séparation

New approaches for the quantification and reduction of biomolecules adsorption in capillary electrophoresis : superhydrophobic capillaries and polyelectrolyte multilayer coatings

L’objectif de cette thèse est d’étudier différentes approches pour la modification de la paroi interne des capillaires d’électrophorèse capillaire pour améliorer les efficacités de séparation de biomolécules (peptides et/ou protéines modèles) en milieu acide. Le premier chapitre (hors étude bibliographique) est consacré à l’étude des revêtements superhydrophobes, dans le but d’empêcher l’adsorption des analytes en supprimant toute interaction entre la paroi superhydrophobe et les analytes (absence de mouillage). Un protocole de greffage original a été développé pour obtenir des capillaires superhydrophobes en étudiant l’influence du nombre de couches déposées, la nature du revêtement, et les pressions de remplissage et de rinçage du capillaire lors du dépôt des couches. Des capillaires superhydrophobes ont pu être obtenus, pour la première fois, avec des diamètres internes allant de 50 µm à 180 µm. Les caractéristiques hydrodynamiques et électrocinétiques de ces capillaires ont été étudiées, donnant une longueur de glissement de 23 µm et des efficacités de séparation électrophorétique 2 fois supérieures à celles obtenues sur un capillaire de silice vierge dans les mêmes conditions électrophorétiques. Le second chapitre étudie la génération de microbulles d’air dans des capillaires superhydrophobes. ). Les paramètres expérimentaux (tension, rayonnement UV, marqueur, revêtement superhydrophobe) nécessaires à l’obtention de ces microbulles ont été identifiés). Ces bulles ont été caractérisées (diamètre ~35-39 µm ; longueur ~10 mm ; potentiel zeta ~ -62.6 mV). Le troisième chapitre propose une méthodologie expérimentale, basée sur la théorie de l’électrochromatographie, permettant d’évaluer l’adsorption résiduelle de protéines sur la paroi des capillaires. Cette nouvelle approche présente deux intérêts : (i) pouvoir comparer les performances séparatives sur différents greffages via l’adsorption résiduelle, et (ii) optimiser les paramètres expérimentaux (longueur, diamètre interne, tension appliquée) afin de minimiser l’impact de l’adsorption sur les efficacités de séparation.The main objective of this thesis is to study different approaches for the modification of the electrophoresis capillary intern wall to enhance separation efficiency and reproducibility for biomolecules (model peptides and/or proteins) in acidic conditions. The first chapter (outside of bibliographic study) is dedicated to superhydrophobic coatings study. The goal is to prevent analytes adsorption by suppressing any interaction between the superhydrophobic wall and the analytes (anti-wettability). An original coating process has been developed to obtain superhydrophobic capillaries by studying the influence of layers number, coating nature, and filling and flushing pressure during layers deposition. Superhydrophobic coatings have been obtained, for the first time, with diameters from 50 µm to 180 µm. Hydrodynamic and electrokinetic characteristics have been studied, giving slipping length of 23 µm and efficiency separation increased twofold compared to fused silica capillary in the same electrophoretic conditions. The second chapter studies an air microbubbles generation process using superhydrophobic capillaries. The experimental parameters (voltage, UV ray, marker, superhydrophobic coating) needed to obtain those bubbles have been identified. Those bubbles have been characterized (diameter ~35-39 µm; length ~10 mm; zeta potential ~ -62.6 mV). The third chapter offer an experimental methodology, based on the electrochromatography theory, allowing to evaluate the residual adsorption of proteins on the capillary wall. This approach have two interesting points: (i) allowing to compare separative performances of different coatings via residual adsorption, and (ii) optimizing the experimental parameters (length, internal diameter, applied voltage) to minimize the impact of adsorption on the separation efficiencies

Generation and Characterization of Air Micro-bubbles in Highly Hydrophobic Capillaries

International audienceThe generation of air microbubbles in microfluidic systems or in capillaries could be of great interest for transportation (single cell analysis, organite transportation) or for liquid compartmentation. The physicochemical characterization of air bubbles and a better understanding of the process leading to bubble generation during electrophoresis is also interesting in a theoretical point of view. In this work, the generation of microbubbles on hydrophobic Glaco TM coated capillaries has been studied in water-based electrolyte. Air bubbles were generated at the detection window and the required experimental parameters for microbubbles generation have been identified. Generated bubbles migrated against the electroosmotic flow, as would do strongly negatively charged solutes, under constant electric field. They have been characterized in terms of dimensions, electrophoretic mobility, and apparent charge

Superhydrophobic capillary coatings: Elaboration, characterization and application to electrophoretic separations

International audienc

Characterization of cetuximab Fc/2 dimers by off-line CZE-MS

Monoclonal antibody (mAb) therapeutics attract the largest concern due to their strong therapeutic potency and specificity. The Fc region of mAbs is common to many new biotherapeutics as biosimilar, antibody drug conjugate or fusion protein. Fc region has consequences for Fc-mediated effector functions that might be desirable for therapeutic applications. As a consequence, there is a continuous need for improvement of analytical methods to enable fast and accurate characterization of biotherapeutics. Capillary zone electrophoresis-Mass spectrometry couplings (CZE-MS) appear really attractive methods for the characterization of biological samples. In this report, we used CZE-MS systems developed in house and native MS infusion to allow precise middle-up characterization of Fc/2 variant of cetuximab. Molecular weights were measured for three Fc/2 charge variants detected in the CZE separation of cetuximab subunits. Two Fc/2 C-terminal lysine variants were identified and separated. As the aim is to understand the presence of three peaks in the CZE separation for two Fc/2 subunits, we developed a strategy using CZE-UV/MALDI-MS and CZE-UV/ESI-MS to evaluate the role of N-glycosylation and C-terminal lysine truncation on the CZE separation. The chemical structure of N-glycosylation expressed on the Fc region of cetuximab does not influence CZE separation while C-terminal lysine is significantly influencing separation. In addition, native MS infusion demonstrated the characterization of Fc/2 dimers at pH 5.7 and 6.8 and the first separation of these aggregates using CZE-MS