L’étude des stratégies de séparations préparatrices de protéines par électrophorèse capillaire

La protéomique est un sujet d'intérêt puisque l'étude des fonctions et des structures de protéines est essentiel à la compréhension du fonctionnement d'un organisme donné. Ce projet se situe dans la catégorie des études structurales, ou plus précisément, la séquence primaire en acides aminés pour l’identification d’une protéine. La détermination des protéines commence par l'extraction d'un mélange protéique issu d'un tissu ou d'un fluide biologique pouvant contenir plus de 1000 protéines différentes. Ensuite, des techniques analytiques comme l’électrophorèse en gel polyacrylamide en deux dimensions (2D-SDS-PAGE), qui visent à séparer ce mélange en fonction du point isoélectrique et de la masse molaire des protéines, sont utilisées pour isoler les protéines et pour permettre leur identification par chromatographie liquide and spectrométrie de masse (MS), typiquement. Ce projet s'inspire de ce processus et propose que l'étape de fractionnement de l'extrait protéique avec la 2D-SDS-PAGE soit remplacé ou supporté par de multiples fractionnements en parallèle par électrophorèse capillaire (CE) quasi-multidimensionnelle. Les fractions obtenues, contenant une protéine seule ou un mélange de protéines moins complexe que l’extrait du départ, pourraient ensuite être soumises à des identifications de protéines par cartographie peptidique et cartographie protéique à l’aide des techniques de séparations analytiques et de la MS. Pour obtenir la carte peptidique d'un échantillon, il est nécessaire de procéder à la protéolyse enzymatique ou chimique des protéines purifiées et de séparer les fragments peptidiques issus de cette digestion. Les cartes peptidiques ainsi générées peuvent ensuite être comparées à des échantillons témoins ou les masses exactes des peptides enzymatiques sont soumises à des moteurs de recherche comme MASCOT™, ce qui permet l’identification des protéines en interrogeant les bases de données génomiques. Les avantages exploitables de la CE, par rapport à la 2D-SDS-PAGE, sont sa haute efficacité de séparation, sa rapidité d'analyse et sa facilité d'automatisation. L’un des défis à surmonter est la faible quantité de masse de protéines disponible après analyses en CE, due partiellement à l'adsorption des protéines sur la paroi du capillaire, mais due majoritairement au faible volume d'échantillon en CE. Pour augmenter ce volume, un capillaire de 75 µm était utilisé. Aussi, le volume de la fraction collectée était diminué de 1000 à 100 µL et les fractions étaient accumulées 10 fois; c’est-à-dire que 10 produits de séparations étaient contenu dans chaque fraction. D'un autre côté, l'adsorption de protéines se traduit par la variation de l'aire d'un pic et du temps de migration d'une protéine donnée ce qui influence la reproductibilité de la séparation, un aspect très important puisque 10 séparations cumulatives sont nécessaires pour la collecte de fractions. De nombreuses approches existent pour diminuer ce problème (e.g. les extrêmes de pH de l’électrolyte de fond, les revêtements dynamique ou permanent du capillaire, etc.), mais dans ce mémoire, les études de revêtement portaient sur le bromure de N,N-didodecyl-N,N-dimethylammonium (DDAB), un surfactant qui forme un revêtement semi-permanent sur la paroi du capillaire. La grande majorité du mémoire visait à obtenir une séparation reproductible d'un mélange protéique standard préparé en laboratoire (contenant l’albumine de sérum de bovin, l'anhydrase carbonique, l’α-lactalbumine et la β-lactoglobulin) par CE avec le revêtement DDAB. Les études portées sur le revêtement montraient qu'il était nécessaire de régénérer le revêtement entre chaque injection du mélange de protéines dans les conditions étudiées : la collecte de 5 fractions de 6 min chacune à travers une séparation de 30 min, suivant le processus de régénération du DDAB, et tout ça répété 10 fois. Cependant, l’analyse en CE-UV et en HPLC-MS des fractions collectées ne montraient pas les protéines attendues puisqu'elles semblaient être en-dessous de la limite de détection. De plus, une analyse en MS montrait que le DDAB s’accumule dans les fractions collectées dû à sa désorption de la paroi du capillaire. Pour confirmer que les efforts pour recueillir une quantité de masse de protéine étaient suffisants, la méthode de CE avec détection par fluorescence induite par laser (CE-LIF) était utilisée pour séparer et collecter la protéine, albumine marquée de fluorescéine isothiocyanate (FITC), sans l'utilisation du revêtement DDAB. Ces analyses montraient que l'albumine-FITC était, en fait, présente dans la fraction collecté. La cartographie peptidique a été ensuite réalisée avec succès en employant l’enzyme chymotrypsine pour la digestion et CE-LIF pour obtenir la carte peptidique.

Characterization of glutaraldehyde-immobilized chymotrypsin and an in-situ immobilized enzyme reactor using capillary electrophoresis-based peptide mapping

La digestion enzymatique des protéines est une méthode de base pour les études protéomiques ainsi que pour le séquençage en mode « bottom-up ». Les enzymes sont ajoutées soit en solution (phase homogène), soit directement sur le gel polyacrylamide selon la méthode déjà utilisée pour l’isolation de la protéine. Les enzymes protéolytiques immobilisées, c’est-à-dire insolubles, offrent plusieurs avantages tels que la réutilisation de l’enzyme, un rapport élevé d’enzyme-sur-substrat, et une intégration facile avec les systèmes fluidiques. Dans cette étude, la chymotrypsine (CT) a été immobilisée par réticulation avec le glutaraldehyde (GA), ce qui crée des particules insolubles. L’efficacité d’immobilisation, déterminée par spectrophotométrie d’absorbance, était de 96% de la masse totale de la CT ajouté. Plusieurs différentes conditions d’immobilisation (i.e., réticulation) tels que la composition/pH du tampon et la masse de CT durant la réticulation ainsi que les différentes conditions d’entreposage tels que la température, durée et humidité pour les particules GA-CT ont été évaluées par comparaison des cartes peptidiques en électrophorèse capillaire (CE) des protéines standards digérées par les particules. Les particules de GA-CT ont été utilisés pour digérer la BSA comme exemple d’une protéine repliée large qui requit une dénaturation préalable à la digestion, et pour digérer la caséine marquée avec de l’isothiocyanate de fluorescéine (FITC) comme exemple d’un substrat dérivé afin de vérifier l’activité enzymatique du GA-CT dans la présence des groupements fluorescents liés au substrat. La cartographie peptidique des digestions par les particules GA-CT a été réalisée par CE avec la détection par absorbance ultraviolet (UV) ou fluorescence induite par laser. La caséine-FITC a été, en effet, digérée par GA-CT au même degré que par la CT libre (i.e., soluble). Un microréacteur enzymatique (IMER) a été fabriqué par immobilisation de la CT dans un capillaire de silice fondu du diamètre interne de 250 µm prétraité avec du 3-aminopropyltriéthoxysilane afin de fonctionnaliser la paroi interne avec les groupements amines. Le GA a été réagit avec les groupements amine puis la CT a été immobilisée par réticulation avec le GA. Les IMERs à base de GA-CT étaient préparé à l’aide d’un système CE automatisé puis utilisé pour digérer la BSA, la myoglobine, un peptide ayant 9 résidus et un dipeptide comme exemples des substrats ayant taille large, moyenne et petite, respectivement. La comparaison des cartes peptidiques des digestats obtenues par CE-UV ou CE-spectrométrie de masse nous permettent d’étudier les conditions d’immobilisation en fonction de la composition et le pH du tampon et le temps de réaction de la réticulation. Une étude par microscopie de fluorescence, un outil utilisé pour examiner l’étendue et les endroits d’immobilisation GA-CT dans l’IMER, ont montré que l’immobilisation a eu lieu majoritairement sur la paroi et que la réticulation ne s’est étendue pas si loin au centre du capillaire qu’anticipée.

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons.

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons

Use of photoacoustic effect for the detection of phase transitions in liquid crystal mixtures

We report on a laser induced photoacoustic study of the nematic-to-isotropic transition in certain commercial nematic liquid crystal mixtures, namely BL001, BL002, BL032 and BL035. A simple analysis of the experimental data using the Rosencwaig–Gersho theory shows that the heat capacities of all these compounds exhibit a sharp peak as the temperature of the sample is varied across the transition region. Also, substantial differences in the photoacoustic signal amplitudes in nematic and isotropic phases have been noticed for all the mixtures. The increased light scattering property of the nematic phase may be the reason for the enhanced photoacoustic signal amplitude in this phase.

Use of photoacoustic effect for the detection of phase transitions in liquid crystal mixtures

We report on a laser induced photoacoustic study of the nematic-to-isotropic transition in certain commercial nematic liquid crystal mixtures, namely BL001, BL002, BL032 and BL035. A simple analysis of the experimental data using the Rosencwaig–Gersho theory shows that the heat capacities of all these compounds exhibit a sharp peak as the temperature of the sample is varied across the transition region. Also, substantial differences in the photoacoustic signal amplitudes in nematic and isotropic phases have been noticed for all the mixtures. The increased light scattering property of the nematic phase may be the reason for the enhanced photoacoustic signal amplitude in this phase

Use of photoacoustic effect for the detection of phase transitions in liquid crystal mixtures

We report on a laser induced photoacoustic study of the nematic-to-isotropic transition in certain commercial nematic liquid crystal mixtures, namely BL001, BL002, BL032 and BL035. A simple analysis of the experimental data using the Rosencwaig–Gersho theory shows that the heat capacities of all these compounds exhibit a sharp peak as the temperature of the sample is varied across the transition region. Also, substantial differences in the photoacoustic signal amplitudes in nematic and isotropic phases have been noticed for all the mixtures. The increased light scattering property of the nematic phase may be the reason for the enhanced photoacoustic signal amplitude in this phase.

Young’s modulus of silicon nitride used in scanning force microscope cantilevers

The Young’s modulus and Poisson’s ratio of high-quality silicon nitride films with 800 nm thickness, grown on silicon substrates by low-pressure chemical vapor deposition, were determined by measuring the dispersion of laser-induced surface acoustic waves. The Young’s modulus was also measured by mechanical tuning of commercially available silicon nitride cantilevers, manufactured from the same material, using the tapping mode of a scanning force microscope. For this experiment, an expression for the oscillation frequencies of two-media beam systems is derived. Both methods yield a Young’s modulus of 280–290 GPa for amorphous silicon nitride, which is substantially higher than previously reported (E5146 GPa). For Poisson’s ratio, a value of n 50.20 was obtained. These values are relevant for the determination of the spring constant of the cantilever and the effective tip–sample stiffness

Thermal diffusivity of some polymer supported halogeno benzimidazole complexes of cobalt(II) and copper(II) - a photoacoustic study

The thermal diffusivities of some polystyrene supported Schiff complexes of Co(II) and Cu(II) were determined by the laser induced photoacoustic technique. The effect of metal as well as the halogen part on thermal diffusivity of polymer supported complexes was studied. The thermal diffusivity of Co complexes increases while it decreases in Cu complexes with Cl, Br and I substitutions, respectively.

Photothermal deflection studies on heat transport in intrinsic and extrinsic InP

Laser induced transverse photothermal deflection technique has been employed to determine the thermal parameters of InP doped with Sn, S and Fe as well as intrinsic InP. The thermal diffusivity values of these various samples are evaluated from the slope of the curve plotted between the phase of photothermal deflection signal and pump-probe offset. Analysis of the data shows that heat transport and hence the thermal diffusivity value, is greatly affected by the introduction of dopant. It is also seen that the direction of heat flow with respect to the plane of cleavage of semiconductor wafers influences the thermal diffusivity value. The results are explained in terms of dominating phonon assisted heat transfer mechanism in semiconductors.

Photoacoustic Thermal Characterization of Porous Rare-Earth Phosphate Ceramics

The laser induced non-destructive photoacoustic technique has been employed to measure the thermal diffusivity of lanthanum phosphate ceramics prepared by the sol–gel route. The thermal diffusivity value was evaluated by knowing the transition frequency between the thermally thin to thermally thick region from the log–log plot of photoacoustic amplitude versus chopping frequency. Analysis of the data was carried out on the basis of the one-dimensional model of Rosencwaig and Gersho. The present investigation reveals that the sintering temperature has great influence on the propagation of heat carriers and hence on the thermal diffusivity value. The results were interpreted in terms of variations in porosity with sintering temperature as well as with changes in grain size.

Thermal characterization of nanocrystalline porous CePO4 ceramics

A laser-induced photoacoustic technique was employed to investigate thermal transport through nanocrystalline CePO4 samples prepared via the sol–gel route. Evaluation of thermal diffusivity was carried out using the one-dimensional model of Rosencwaig and Gersho for the reflection configuration of the photoacoustic method. Structural analyses of samples revealed that they are nanoporous in nature, possessing micron-sized grains. Analysis of results shows that thermal diffusivity value varies with sintering temperature. Results are explained in terms of the variation in porosity with sintering temperature and the effects of various scattering mechanisms on the propagation of phonons through the nanoporous ceramic matrix. Further analyses confirm that apart from porosity, grain boundary resistance and interface thermal resistance influence the effective value of thermal diffusivity of the samples under investigation.

Photoacoustic thermal characterization of Al2O3–Ag ceramic nanocomposites

Laser-induced nondestructive photoacoustic (PA) technique has been employed to determine the thermal diffusivity of nanometal (Ag) dispersed ceramic alumina matrix sintered at different temperatures. The thermal diffusivity values are evaluated by knowing the transition frequency from the amplitude spectrum of PA signal using the one-dimensional heat flow model of Rosencwaig and Gersho. Analysis of the data shows that heat transport and hence the thermal diffusivity value is greatly affected by the influence of incorporation of foreign atom. It is also seen that sintering temperature affects the thermal diffusivity value in a substantial manner. The results are interpreted in terms of variation in porosity and carrier-assisted heat transport mechanism in nanometal dispersed ceramics.

The photoemission optogalvanic effect in a Ne-Nd hollow cathode

Laser-induced photoelectric and photoemission optogalvanic effects in a Ne-Nd hollow cathode discharge have been studied using a continuous wave laser source. The potential barrier for photoinduced electron emission from the cathode decreases as the applied voltage is increased. Owing to secondary electron emission in the plasma, the photocurrent is greater than that without discharge. The multiplication of secondary electrons and the quantum efficiency are also investigated.