Les résultats présentés dans cette thèse précisent certains aspects de la fonction du cotransporteur Na+/glucose (SGLT1), une protéine transmembranaire qui utilise le gradient électrochimique favorable des ions Na+ afin d’accumuler le glucose à l’intérieur des cellules épithéliales de l’intestin grêle et du rein. Nous avons tout d’abord utilisé l’électrophysiologie à deux microélectrodes sur des ovocytes de xénope afin d’identifier les ions qui constituaient le courant de fuite de SGLT1, un courant mesuré en absence de glucose qui est découplé de la stoechiométrie stricte de 2 Na+/1 glucose caractérisant le cotransport. Nos résultats ont démontré que des cations comme le Li+, le K+ et le Cs+, qui n’interagissent que faiblement avec les sites de liaison de SGLT1 et ne permettent pas les conformations engendrées par la liaison du Na+, pouvaient néanmoins générer un courant de fuite d’amplitude comparable à celui mesuré en présence de Na+. Ceci suggère que le courant de fuite traverse SGLT1 en utilisant une voie de perméation différente de celle définie par les changements de conformation propres au cotransport Na+/glucose, possiblement similaire à celle empruntée par la perméabilité à l’eau passive. Dans un deuxième temps, nous avons cherché à estimer la vitesse des cycles de cotransport de SGLT1 à l’aide de la technique de la trappe ionique, selon laquelle le large bout d’une électrode sélective (~100 μm) est pressé contre la membrane plasmique d’un ovocyte et circonscrit ainsi un petit volume de solution extracellulaire que l’on nomme la trappe. Les variations de concentration ionique se produisant dans la trappe en conséquence de l’activité de SGLT1 nous ont permis de déduire que le cotransport Na+/glucose s’effectuait à un rythme d’environ 13 s-1 lorsque le potentiel membranaire était fixé à -155 mV. Suite à cela, nous nous sommes intéressés au développement d’un modèle cinétique de SGLT1. En se servant de l’algorithme du recuit simulé, nous avons construit un schéma cinétique à 7 états reproduisant de façon précise les courants du cotransporteur en fonction du Na+ et du glucose extracellulaire. Notre modèle prédit qu’en présence d’une concentration saturante de glucose, la réorientation dans la membrane de SGLT1 suivant le relâchement intracellulaire de ses substrats est l’étape qui limite la vitesse de cotransport. / The results presented in this thesis clarify certain functional aspects of the Na+/glucose cotransporter (SGLT1), a membrane protein which uses the downhill electrochemical gradient of Na+ ions to drive the accumulation of glucose in epithelial cells of the small intestine and the kidney. We first used two microelectrodes electrophysiology on Xenopus oocytes to indentify the ionic species mediating the leak current of SGLT1, a current measured in the absence of glucose that is uncoupled from the strict 2 Na+/1 glucose stoichiometry characterising cotransport. Our results showed that cations such as Li+, K+ and Cs+, which interact weakly with SGLT1 binding sites and are unable to generate the conformational changes that are triggered by Na+ binding, were however able to generate leak currents similar in amplitude to the one measured in the presence of Na+. This suggests that the leak current permeating through SGLT1 does so using a pathway that differs from the conformational changes associated with Na+/glucose cotransport. Moreover, it was found that the cationic leak and the passive water permeability could share a common pathway. We then sought to estimate the turnover rate of SGLT1 using the ion-trap technique, where a large tip ion-selective electrode (~100 μm) is pushed against the oocyte plasma membrane, thus enclosing a small volume of extracellular solution referred to as the trap. The variations in ionic concentration occurring in the trap as a consequence of SGLT1 activity made it possible to assess that the turnover rate of Na+/glucose cotransport was 13 s-1 when the membrane potential was clamped to -155 mV. As a last project, we focused our interest on the development of a kinetic model for SGLT1. Taking advantage of the simulated annealing algorithm, we constructed a 7-state kinetic scheme whose predictions accurately reproduced the currents of the cotransporter as a function of extracellular Na+ and glucose. According to our model, the rate limiting step of cotransport under a saturating glucose concentration is the reorientation of the empty carrier that follows the intracellular release of substrates.

Abstract ACCURATE METHODOLOGY FOR MONITORING BIOMEMBRANE EVENTS By Christine A. Winschel, Ph.D. A Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctorate of Philosophy in Chemistry at Virginia Commonwealth University. Virginia Commonwealth University, 2012 Major Director: Dr. Vladimir A. Sidorov ASSOCIATE PROFESSOR, DEPARTMENT OF CHEMISTRY This study describes the synthesis and characterization of a new receptor (cyclen 1) capable of strong selective binding of pyrene-based anionic dyes under near-physiological conditions. This receptor comprises four naphthylthiourea groups tethered to a cyclen core via an ester linkage. The most important finding was the ability of cyclen 1 to bind efficiently to a pH-sensitive pyranine dye, a dye that is commonly used in various biomembrane assays. The high affinity of cyclen 1 to pyranine, its impermeability to the lipid bilayer membrane, fast kinetics of binding, and ability to quench pyranine’s fluorescence were used as a basis for a new membrane leakage assay. This membrane leakage assay is fully compatible with the commonly applied pH-stat transport assay, and therefore it allows for differentiation of ion transport and nonselective leakage mechanisms within a single set of experiments. In the second part of this study a new methodology for the detection of lipid flip was developed. This methodology relies on the quenching of the fluorescence of a newly synthesized cascade-blue-labeled lipid through complex formation with cyclen 1. This receptor-dye complexation also has high affinity for binding at micromolar concentrations and can be reversed by either competitive displacement of the lipid probe or by enzymatic degradation of the receptor leading to the label release and fluorescence dequenching. This new methodology is suitable for the study of lipid flip in both model spherical bilayer membranes and in-vitro experiments, and is less invasive to the model and cell membranes than the commonly utilized 7-nitro-1,2,3-benzoxadiazol-4-yl (NBD)-dithionite methodology. Lastly, new pH-sensitive lipids were synthesized and utilized in the formulation of liposomes suitable for controlled drug release. These liposomes contain various amounts of internal NaCl and undergo internal acidification upon the exogenous addition of an HCl co-transporter in a physiologically relevant NaCl solution. Therefore, acidification ultimately leads to the hydrolysis of the pH-sensitive lipids and subsequent contents release. These liposomes were found to be insensitive to physiological concentrations of human serum albumin and to be non-toxic to cells at concentrations exceeding pharmacological relevance. These results render this new drug release model potentially suitable for in vivo applications.

RESUME Le travail de thèse porte sur le développement d’électrodes sélectives originales et performantes pour l’analyse de composés d’intérêt pharmaceutique. La partie introductive traite des notions relatives à l’électrochimie mais également de notions sur les molécules médicamenteuses étudiées, en l’occurrence les principes antipaludéens et l’iode. La partie expérimentale se subdivise en deux parties distinctes selon le type d’électrodes sélectives auxquelles font appel les techniques électrochimiques. La première partie concerne l’élaboration, la caractérisation et l’application des électrodes potentiométriques à membrane polymérique incluant une paire d’ions et sélectives à diverses molécules organiques pharmacologiquement actives (antipaludéens). Leur application aussi bien en analyse pharmaceutique qu’en cinétique de dissolution est décrite. La deuxième partie est consacrée à l’élaboration d’un type de senseur ampérométrique original à pâte de carbone à base d’argent micronisé ou colloïdal et à la comparaison de ses performances avec l’électrode d’argent métallique. L’intérêt analytique est mis en évidence par la détermination quantitative des iodures. Les différents aspects susceptibles d’influencer leur comportement, dont la nature des agents précipitants (tétraphénylborate de sodium et le tétrakis (4-chlorophényl) borate de potassium) et de plastifiants ont été investigués. Les bonnes performances des ces électrodes en analyse quantitative ont permis d’explorer les possibilités de leur utilisation à l’étude de la cinétique de dissolution. L’ampérométrie à électrode à pâte de carbone modifiée à base d’argent à l’échelle micronisée (35% m/m) couplée à la chromatographie liquide ionique s’est avérée très sensible vis-à-vis des iodures en particulier et des halogénures en général. Les facteurs susceptibles d’influencer les grandeurs de séparation et la réponse de l’électrode ont été investigués et l’exploitation du signal ampérométrique permet le dosage sélectif et rapide de faibles concentrations en iodures. Les informations fournies par les mesures réalisées en voltampérométrie cyclique à l’aide des mêmes électrodes permettent une bonne compréhension mécanistique quant au mode de détection ampérométrique évitant ainsi toute confusion à ce sujet et permettant l’optimisation du processus de détection. ------------------------------------------------ ABSTRACT This thesis describes the development of original and high performance selective electrodes for the analysis of several pharmaceutical compounds. The introduction describes the pharmaceutical compounds of interest (antimalarial drugs and iodine) and provides an overall understanding of the electrochemical groundwork pertaining to their analysis. The experimental aspect of the thesis is divided into two parts, each according to the type of electrode and electrochemical technique used for the analysis. The first part describes the design, characterization, and application of polymer membrane based ion selective potentiometric electrodes. Selectivity was provided by including ion pairs of several antimalarial drugs into the membrane. The feasibility of use of these electrodes in pharmaceutical analysis as well as in dissolution trials is also described in this part. The second part describes the design of an original silver-modified carbon paste amperometric sensor and compares its performances to those of a plain metallic silver electrode. The electrode has been modified by silver microparticles or by silver nanoparticles. Quantitative iodine determination serves to prove the usefulness of this new sensor in analytical chemistry. Different aspects, such as the nature of the counter ions (sodium tetraphenylborate and potassium tetrakis (4-chlorophenyl) borate) and the plastifying agents that are likely to influence electrode behaviour have been investigated. Since the electrodes have been shown to perform well in quantitative analysis, the possibility of use in dissolution trials was explored. Micronized silver-modified carbon paste electrode (35% Ag m/m) coupled to anionic-exchange liquid chromatography with amperometric detection was shown to be very sensitive with regards to the assay of halogenides in general and iodide in particular. After having investigated the various factors likely to influence chromatographic separation and electrode response, it was shown that the sensor could be used to rapidly and selectively determine low iodide concentrations in complex samples. Cyclic voltammetric analysis provided information concerning the mechanisms allowing amperometric detection, thus allowing an optimisation of the detection procedures.

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Ionenbindung an Polymeren und Lipidmembranen in wässrigen Lösungen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener anorganischer Salze und Polyelektrolyte auf die Struktur des Wassers mit Hilfe Isothermer Mikrotitrationskalorimetrie (ITC) erforscht. Die Verdünnungswärme der Salze wurde als Maß für die Fähigkeit der Ionen, die geordnete Struktur des Wassers zu stabilisieren oder zu zerstören, verwendet. Die Verdünnungswärmen konnten auf Hofmeister Effekte zurückgeführt werden. Im Anschluss daran wurde die Bindung von Ca2+ an Natrium- Poly(acrylsäure) (NaPAA) untersucht. Mit Hilfe von ITC und einer Ca2+- selektiven Elektrode wurde die Reaktionsenthalpie und Bindungsisotherme gemessen. Es wurde gezeigt, dass die Binding von Ca2+ - Ionen an NaPAA stark endotherm und daher entropiegetrieben ist. Anschließend wurde die Bindung von Ca2+ an die eindimensionale Polymerkette mit der an ein Lipidvesikel mit denselben funktioniellen Gruppen verglichen. Es wurde beobachtet, dass die Ionenbindung –wie auch im Fall des Polymers- endotherm ist. Ein Vergleich der Ca2+- Bindung an die Lipidmembran mit der an das Polymer konnte zeigen, dass das Ion schwächer an die Membran bindet. Im Zusammenhang mit diesen Experimenten wurde auch beobachtet, dass Ca2+ nicht nur an geladene, sondern auch an zwitterionische Lipidvesikel bindet. Schließlich wurde die Wechselwirkung zweier Salze, KCl and NaCl, mit einem neutralen Polymergel, PNIPAAM, und dem geladenen Polymer PAA untersucht. Mit Hilfe von Kalorimetrie und einer kaliumselektiven Elektrode wurde beobachtet, dass die Ionen mit beiden Polymeren wechselwirken, unabhängig davon, ob diese Ladungen tragen, oder nicht. / The goal of this work was to study the binding of ions to polymers and lipid bilayer membranes in aqueous solutions. In the first part of this work, the influence of various inorganic salts and polyelectrolytes on the structure of water was studied using Isothermal Titration Calorimetry (ITC). The heat of dilution of the salts was used as a scale of water structure making and breaking of the ions. The heats of dilution could be attributed to the Hofmeister Series. Following this, the binding of Ca2+ to poly(sodium acrylate) (NaPAA) was studied. ITC and a Ca2+ Ion Selective Electrode were used to measure the reaction enthalpy and binding isotherm. Binding of Ca2+ ions to PAA, was found to be highly endothermic and therefore solely driven by entropy. We then compared the binding of ions to the one-dimensional PAA polymer chain to the binding to lipid vesicles with the same functional groups. As for the polymer, Ca2+ binding was found to be endothermic. Binding of calcium to the lipid bilayer was found to be weaker than to the polymer. In the context of these experiments, it was shown that Ca2+ not only binds to charged but also to zwitterionic lipid vesicles. Finally, we studied the interaction of two salts, KCl and NaCl, to a neutral polymer gel, PNIPAAM, and to the ionic polymer PAA. Combining calorimetry and a potassium selective electrode we observed that the ions interact with both polymers, whether containing charges or not.

Les résultats présentés dans cette thèse précisent certains aspects de la fonction du cotransporteur Na+/glucose (SGLT1), une protéine transmembranaire qui utilise le gradient électrochimique favorable des ions Na+ afin d’accumuler le glucose à l’intérieur des cellules épithéliales de l’intestin grêle et du rein. Nous avons tout d’abord utilisé l’électrophysiologie à deux microélectrodes sur des ovocytes de xénope afin d’identifier les ions qui constituaient le courant de fuite de SGLT1, un courant mesuré en absence de glucose qui est découplé de la stoechiométrie stricte de 2 Na+/1 glucose caractérisant le cotransport. Nos résultats ont démontré que des cations comme le Li+, le K+ et le Cs+, qui n’interagissent que faiblement avec les sites de liaison de SGLT1 et ne permettent pas les conformations engendrées par la liaison du Na+, pouvaient néanmoins générer un courant de fuite d’amplitude comparable à celui mesuré en présence de Na+. Ceci suggère que le courant de fuite traverse SGLT1 en utilisant une voie de perméation différente de celle définie par les changements de conformation propres au cotransport Na+/glucose, possiblement similaire à celle empruntée par la perméabilité à l’eau passive. Dans un deuxième temps, nous avons cherché à estimer la vitesse des cycles de cotransport de SGLT1 à l’aide de la technique de la trappe ionique, selon laquelle le large bout d’une électrode sélective (~100 μm) est pressé contre la membrane plasmique d’un ovocyte et circonscrit ainsi un petit volume de solution extracellulaire que l’on nomme la trappe. Les variations de concentration ionique se produisant dans la trappe en conséquence de l’activité de SGLT1 nous ont permis de déduire que le cotransport Na+/glucose s’effectuait à un rythme d’environ 13 s-1 lorsque le potentiel membranaire était fixé à -155 mV. Suite à cela, nous nous sommes intéressés au développement d’un modèle cinétique de SGLT1. En se servant de l’algorithme du recuit simulé, nous avons construit un schéma cinétique à 7 états reproduisant de façon précise les courants du cotransporteur en fonction du Na+ et du glucose extracellulaire. Notre modèle prédit qu’en présence d’une concentration saturante de glucose, la réorientation dans la membrane de SGLT1 suivant le relâchement intracellulaire de ses substrats est l’étape qui limite la vitesse de cotransport. / The results presented in this thesis clarify certain functional aspects of the Na+/glucose cotransporter (SGLT1), a membrane protein which uses the downhill electrochemical gradient of Na+ ions to drive the accumulation of glucose in epithelial cells of the small intestine and the kidney. We first used two microelectrodes electrophysiology on Xenopus oocytes to indentify the ionic species mediating the leak current of SGLT1, a current measured in the absence of glucose that is uncoupled from the strict 2 Na+/1 glucose stoichiometry characterising cotransport. Our results showed that cations such as Li+, K+ and Cs+, which interact weakly with SGLT1 binding sites and are unable to generate the conformational changes that are triggered by Na+ binding, were however able to generate leak currents similar in amplitude to the one measured in the presence of Na+. This suggests that the leak current permeating through SGLT1 does so using a pathway that differs from the conformational changes associated with Na+/glucose cotransport. Moreover, it was found that the cationic leak and the passive water permeability could share a common pathway. We then sought to estimate the turnover rate of SGLT1 using the ion-trap technique, where a large tip ion-selective electrode (~100 μm) is pushed against the oocyte plasma membrane, thus enclosing a small volume of extracellular solution referred to as the trap. The variations in ionic concentration occurring in the trap as a consequence of SGLT1 activity made it possible to assess that the turnover rate of Na+/glucose cotransport was 13 s-1 when the membrane potential was clamped to -155 mV. As a last project, we focused our interest on the development of a kinetic model for SGLT1. Taking advantage of the simulated annealing algorithm, we constructed a 7-state kinetic scheme whose predictions accurately reproduced the currents of the cotransporter as a function of extracellular Na+ and glucose. According to our model, the rate limiting step of cotransport under a saturating glucose concentration is the reorientation of the empty carrier that follows the intracellular release of substrates.

Antimicrobial resistance is considered by many prominent researcher and scientist as a profound global health crisis that us humans must face in the next decade. It is threatening the effectiveness of these once-reliable weapons against bacterial infections and leaving us susceptible to pathogenic agents. The indiscriminate overprescription of antibiotic in healthcare and animal husbandry, has led to an increased emergence of “super bugs”— a resistant strain of bacteria that were once susceptible to antibiotic—. The escalating creation of those resistant bacteria has been coupled with a proliferation of research papers that seek to explain the working mechanism of antibiotics and their efficacy on the bacterial pathogens, however these efforts often fall short of explaining the impact that antibiotics has on the bacterial metabolism. This project utilizes an established technology, specifically silicone nano-wire ion-selective field-effect transistor in an innovative approach to discern alteration in the metabolic pathways induced by various antibiotics. The methodology involves measuring extracellular acidity of the tested culture and converting it to an electrical signal to extract valuable information about the metabolic process of the bacteria, and how is altered in the presence of antibiotics. Empirical observations pertaining bacteriostatic antibiotics suggests comprehensive suppression of metabolic pathways, encompassing the efflux transition from acetyl-CoA to acetate, resulting an elevated pH level in cultures treated with bacteriostatic agents relative to their wild-type counterparts. Our experimental data also indicates a shift in bacterial metabolic and physiological responses to bactericidal antibiotic-induced stress which include an increased respiration rate, and a heightened activity of the TCA cycle in the test group with bactericidal antibiotics, causing acetate uptake from the medium and decelerating the acidification of the treated culture compared to the wild-type. The results clearly demonstrate a successful utilization of the chip to further study the effects that antibiotics have on bacteria and the interplay between bacterial metabolism and antibiotic efficacy.

The research discussed is divided into two parts. The first part discusses the background work involved in preparation of the Li-ion cell testing stage. This includes the preparation of anodes using the doctor blade and a calendar mill, electrolyte preparation, test cell assembly, the Li-ion test cell design, and experiments performed to troubleshoot the cell. The second part deals with the cell testing experiments. Li-ion batteries are amongst the most promising rechargeable battery technology because of their high capacity and low weight. Current research aims at improving the anode quality to increase the capacity. The experiments discussed evaluate the traditional anode materials like SFG44 graphite and conducting grade graphite against the novel ones– and tin oxide (SnO2) based and carbon encapsulated tin based anodes. The solid electrolyte interphase formed on each anode was analyzed to understand the initial capacity fade leading to conditioning of the cell thus stabilizing its performance.

Die bisher gängigen PVC-Membranen ionenselektiver Elektroden weisen eine Reihe von Schwachstellen auf: Sie haften nur durch Adhäsion am Substrat, sodass sich bei miniaturisierten Elektroden die Membran ablösen kann; Membranbestandteile wie der Weichmacher, das Ionophor oder der Ionenaustauscher können bei der Verwendung ausgewaschen werden, sodass sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Membran verschlechtern; auf der Membranoberfläche kann sich auf Grund ihrer Hydrophobie ein Biofilm ausbilden, der die Membran abschirmt. Diese Schwachstellen bewirken eine Dysfunktionalität der ionenselektiven Elektrode, weshalb im Rahmen dieser Arbeit ein Glycopolymerfilm entwickelt worden ist, der diese Schwachstellen nicht aufweist. Die in dieser Arbeit entwickelte Membran, die auf einem multifunktionalen Glycopolymer beruht, zielt auf die Egalisierung der Schwachstellen konventioneller ionenselektiver PVC-Membranen. Die entwickelte Membran kommt dabei ohne Weichmacher aus, reduziert die Ausbildung von Biofilmen, bindet kovalent an das darunterliegende organische Substrat und durch die kovalente Anbindung des Ionophors wird dessen Auswaschen verhindert. Um eine kovalente Bindung der Membran an organische Vermittlerschichten zu erreichen, wie sie bei All-solid-state-Elektroden zum Einsatz kommen, werden zunächst die photovernetzbaren Glycopolymere 12a–c entwickelt, bei denen etwa neun Photovernetzereinheiten über PEG-Spacer an den PEI25-Kern gebunden sind. Drei PEG-Spacer mit unterschiedlicher Länge werden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Filmbildung untersucht: Sie besitzen vier (12a), acht (12b) und zwölf Ethylenglycoleinheiten (12c). Dabei zeigt sich, dass eine Spacerlänge von zwölf Ethylenglycoleinheiten für eine effektive Photovernetzung notwendig ist, weshalb für die folgenden Strukturen nur PEG12-Spacer eingesetzt werden. Um eine kovalente Anbindung des Ionophors an das Glycopolymer zu erreichen, werden verschiedene Syntheserouten genutzt und auf ihre Wirkung hin analysiert. Die frühe direkte Anbindung des Calix[4]arenderivats 3 an den PEI25-Kern der Glycopolymere 17a–c erweist sich als nachteilig, da hierdurch darauffolgende Syntheseschritte beeinträchtigt werden. Anderseits zeigen diese Glycopolymere, dass sich die Calix[4]areneinheiten nicht negativ auf die Glycopolymerfilmbildung auswirken. Zur Überwindung der erwähnten Probleme werden in den multifunktionalen Glycopolymeren 22a und 22b die Calix[4]arene wie der Photovernetzer am Ende der Syntheseroute über PEG12-Spacer angebunden. Dies erfolgt dabei über den upper rim des Calix[4]arens, da somit der lower rim, an dem sich ionenkomplexierenden Gruppen befinden, nicht beeinflusst wird. Neben der Struktur des Glycopolymers wird auch eine Methode zur Glycopolymerfilmbildung auf Modellsubstraten entwickelt. Hierfür werden Siliziumwafer mit einer hydrophilen organischen Vermittlerschicht aus (3-Glycidyloxypropyl)-trimethoxysilan (GOPS) eingesetzt. Bei der Filmbildung zeigt sich, dass die alleinige Bestrahlung mit UV-Licht nicht ausreichend ist, um eine stabile Vernetzung zu generieren. Erst nach vorausgehendem Tempern (1 h bei 120 °C) werden Filme mit einer Dicke von (42±8) nm für das Glycopolymer 12c erhalten. Die Glycopolymere 12a und 12b, die kürzere PEG-Spacer enthalten, bilden deutlich dünnere Filme aus. Für die vollständige Vernetzung ist eine Bestrahlungszeit von einer Stunde notwendig, was einer Energiedosis von etwa 290 J/cm² entspricht. Trotz möglicher freier Aminogruppen in der Struktur bilden die Glycopolymere 17a–c, bei denen unterschiedlich viele Calix[4]arene direkt an den PEI25-Kern gebunden sind, stabile Filme aus. Die sich ergebenden Schichtdicken zeigen dabei weder im Vergleich zum Glycopolymer 12c noch untereinander signifikante Unterschiede. Die Filmbildung auf dem hydrophilen GOPS wird demzufolge durch die direkt angebundenen Calix[4]arene nicht beeinträchtigt. Auf Grund des erwarteten amphiphilen Charakters der Glycopolymere 17a–c wird ihre Filmbildung nicht nur auf hydrophilen, sondern auch auf hydrophoben Modellsubstraten untersucht. Hierzu werden Siliziumwafer mit hydrophoben Vermittlerschichten aus Benzophenonsilan (BPS) und Poly-α-methylstyrol (PαMS) eingesetzt. Auf den hydrophoben Vermittlerschichten bilden die Glycopolymere 17a–c deutlich dünnere Filme aus als auf dem hydrophilen GOPS. Die Calix[4]areneinheiten sind demnach durch die Maltosehülle abgeschirmt und es treten kaum Wechselwirkungen mit den hydrophoben Substratoberflächen auf. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Anbindung der Calix[4]arene über PEG12-Spacer den Glycopolymeren 22a und 22b auf hydrophilen wie hydrophoben Vermittlerschichten in etwa gleich dicke Filme auszubilden. Offensichtlich liegt bei diesen Glycopolymeren eine amphiphile Peripherie vor, sodass sich die Glycopolymere besonders zur Beschichtung von All-solid-state-Elektroden mit verschiedenen Mediatorschichten eignen. Die photovernetzten Glycopolymerfilme quellen auf Grund ihrer hydrophilen Eigenschaften. Der Quellungsgrad q liegt dabei niedriger, wenn hydrophobe Calix[4]arene in die Struktur eingebunden sind: q(17c) = 2,3 im Vergleich zu q(12c) = 3,6. Erfolgt die Anbindung der Calix[4]arene direkt an den PEI25-Kern, ist die Glycopolymerstruktur unflexibel, sodass der Quellungsprozess bis zu sieben Stunden benötigt. Durch die Anbindung der Calix[4]arene über PEG12-Spacer wird die Flexibilität der Glycopolymere hingegen nicht beeinträchtigt, sodass der Quellungsprozess weniger als zwei Stunden benötigt. PVC-Membranen verlieren schon nach kurzer Zeit ihre ionenselektiven Eigenschaften, weil etwa der Weichmacher aus den Membranen diffundiert und diese dadurch spröde werden. Die Glycopolymerfilme sind hingegen über einen Zeitraum von mindestens 100 Tagen gegenüber sauren (pH = 4), neutralen und basischen (pH = 10) Lösungen stabil. Die entwickelten Glycopolymere werden im Rahmen einer Kooperation mit dem Kurt-Schwabe-Institut (KSI) in Meinsberg auf All-solid-state-Elektroden als ionenselektive Membranen eingesetzt. Die Graphitelektroden werden dafür mit einer Mediatorschicht aus leitfähigem Polypyrrol (PPy) und dem Glycopolymer 17c beschichtet. Die All-solid-state-Elektroden werden hinsichtlich ihres Ansprechverhaltens gegenüber verschiedenen Ionen untersucht. Die Anbindung und Vernetzung erfolgt nach der für die Modellsubstrate optimierten Methode. Jedoch werden die Bedingungen für das Tempern angepasst, um eine Beschädigung der All-solid-state-Elektrode auszuschließen: 12 h bei 45 °C statt 1 h bei 120 °C. Dabei bildet sich ein inhomogener Belag aus, bei dem Teile der PPy-Schicht frei bleiben. Im Vergleich zur reinen und zur mit Polypyrrol (PPy) beschichteten Graphitelektrode zeigt die Elektrode, die mit einem Glycopolymerfilm versehen ist, trotz der Inhomogenität stabile und reproduzierbare Potentiale. Diese sind jedoch nicht von der Konzentration der Kationen, sondern von der der Anionen abhängig. Durch die Auftragung einer Ionentauscherschicht auf die ionenselektive Membran soll das Vordringen der Anionen in die Membran der All-solid-state-Elektrode unterbunden werden. Dadurch soll das Ansprechverhalten der All-solid-state-Elektrode auf die Kationen gelenkt werden. Entsprechende Arbeiten werden am KSI durchgeführt.

RESUME<p><p>Le travail de thèse porte sur le développement d’électrodes sélectives originales et performantes pour l’analyse de composés d’intérêt pharmaceutique. <p><p> La partie introductive traite des notions relatives à l’électrochimie mais également de notions sur les molécules médicamenteuses étudiées, en l’occurrence les principes antipaludéens et l’iode.<p><p> La partie expérimentale se subdivise en deux parties distinctes selon le type d’électrodes sélectives auxquelles font appel les techniques électrochimiques.<p><p> La première partie concerne l’élaboration, la caractérisation et l’application des électrodes potentiométriques à membrane polymérique incluant une paire d’ions et sélectives à diverses molécules organiques pharmacologiquement actives (antipaludéens). Leur application aussi bien en analyse pharmaceutique qu’en cinétique de dissolution est décrite.<p><p> La deuxième partie est consacrée à l’élaboration d’un type de senseur ampérométrique original à pâte de carbone à base d’argent micronisé ou colloïdal et à la comparaison de ses performances avec l’électrode d’argent métallique. L’intérêt analytique est mis en évidence par la détermination quantitative des iodures.<p><p> Les différents aspects susceptibles d’influencer leur comportement, dont la nature des agents précipitants (tétraphénylborate de sodium et le tétrakis (4-chlorophényl) borate de potassium) et de plastifiants ont été investigués.<p>Les bonnes performances des ces électrodes en analyse quantitative ont permis d’explorer les possibilités de leur utilisation à l’étude de la cinétique de dissolution.<p><p> L’ampérométrie à électrode à pâte de carbone modifiée à base d’argent à l’échelle micronisée (35% m/m) couplée à la chromatographie liquide ionique s’est avérée très sensible vis-à-vis des iodures en particulier et des halogénures en général. Les facteurs susceptibles d’influencer les grandeurs de séparation et la réponse de l’électrode ont été investigués et l’exploitation du signal ampérométrique permet le dosage sélectif et rapide de faibles concentrations en iodures. Les informations fournies par les mesures réalisées en voltampérométrie cyclique à l’aide des mêmes électrodes permettent une bonne compréhension mécanistique quant au mode de détection ampérométrique évitant ainsi toute confusion à ce sujet et permettant l’optimisation du processus de détection.<p>------------------------------------------------<p>ABSTRACT<p><p>This thesis describes the development of original and high performance selective electrodes for the analysis of several pharmaceutical compounds. <p><p>The introduction describes the pharmaceutical compounds of interest (antimalarial drugs and iodine) and provides an overall understanding of the electrochemical groundwork pertaining to their analysis.<p><p>The experimental aspect of the thesis is divided into two parts, each according to the type of electrode and electrochemical technique used for the analysis.<p>The first part describes the design, characterization, and application of polymer membrane based ion selective potentiometric electrodes. Selectivity was provided by including ion pairs of several antimalarial drugs into the membrane. The feasibility of use of these electrodes in pharmaceutical analysis as well as in dissolution trials is also described in this part.<p><p>The second part describes the design of an original silver-modified carbon paste amperometric sensor and compares its performances to those of a plain metallic silver electrode. The electrode has been modified by silver microparticles or by silver nanoparticles. Quantitative iodine determination serves to prove the usefulness of this new sensor in analytical chemistry.<p><p>Different aspects, such as the nature of the counter ions (sodium tetraphenylborate and potassium tetrakis (4-chlorophenyl) borate) and the plastifying agents that are likely to influence electrode behaviour have been investigated. <p><p>Since the electrodes have been shown to perform well in quantitative analysis, the possibility of use in dissolution trials was explored.<p><p>Micronized silver-modified carbon paste electrode (35% Ag m/m) coupled to anionic-exchange liquid chromatography with amperometric detection was shown to be very sensitive with regards to the assay of halogenides in general and iodide in particular. After having investigated the various factors likely to influence chromatographic separation and electrode response, it was shown that the sensor could be used to rapidly and selectively determine low iodide concentrations in complex samples. Cyclic voltammetric analysis provided information concerning the mechanisms allowing amperometric detection, thus allowing an optimisation of the detection procedures.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Since 1990s, rechargeable Li-ion batteries have been widely used in consumer electronics such as cell phones, global positioning systems (GPS), personnel digital assistants (PDA), digital cameras, and laptop computers. Recently Li-ion batteries received considerable attention as a major power source for electric vehicles. However, significant technical challenges still exist for widely deploying Li-ion batteries in electric vehicles. For instance, the energy density of Li-ion batteries is not high enough to support a long-distance commute. The Li-ion batteries used for the Nissan Leaf and Chevy Volt only can support 50 – 100 miles per charge. The cost of Li-ion battery packs in electric vehicles is still high. The battery pack for the Chevy Volt costs about $8,000, and the larger one in the Nissan Leaf costs about $12,000. To address these problems, new Li-ion battery electrode materials with high energy density and low cost should be developed. Among Li-ion battery cathode materials, vanadium pentoxide, V2O5, is one of the earliest oxides studied as a cathode for Li-ion batteries because of its low cost, abundance, easy synthesis, and high energy density. However, its practical reversible capacity has been limited due to its irreversible structural change when Li insertion is more than x = 1. Tremendous efforts have been made over the last twenty years to improve the phase reversibility of LixV2O5 (e.g., 0 ≤ x ≤ 2) because of vanadium pentoxides’ potential use as high capacity cathodes in Li-ion batteries. In this thesis, a new strategy was studied to develop vanadium pentoxide cathode materials with improved phase reversibility. The first study is to synthesize vanadium oxide cathodes via a new chemical route – creating a phase transformation from the vanadium sulfide to oxide. The β-Na0.33V2O5 was prepared via a new method of chemical synthesis, involving the chemical transformation of NaVS2 via heat-treatment at 600 °C in atmospheric air. The β-Na0.33V2O5 particles were well crystalized and rod-shaped, measuring 7–15 μm long and 1–3 μm wide with the formation of the crystal defects on the surface of the particles. In contrast to previous reports contained in the literature, Na ions were extracted, without any structural collapse, from the β -Na0.33V2O5 structure and replaced with Li ions during cycling of the cell in the voltage range, 1.5 V to 4.5 V. This eventually resulted in a fully reversible Li intercalation into the LixV2O5 structure when 0.0 ≤ x ≤ 2.0. The second study is to apply the synthesis method to LiVS2 for the synthesis of β׳-LixV2O5 for use as a high performance cathode. The synthesis method is based on the heat treatment of the pure LiVS2 in atmospheric air. By employing this method of synthesis, well-crystalized, rod-shaped β׳-LixV2O5 particles 20 – 30 μm in length and 3 – 6 μm in width were obtained. Moreover, the surface of β׳-LixV2O5 particles was found to be coated by an amorphous vanadium oxysulfide film (~20 nm in thickness). In contrast to a low temperature vanadium pentoxide phase (LixV2O5), the electrochemical intercalation of lithium into the β׳-LixV2O5 was fully reversible where 0.0 < x < 2.0, and it delivered a capacity of 310 mAh/g at a current rate of 0.07 C between 1.5 V and 4 V. Good capacity retention of more than 88% was also observed after 50 cycles even at a higher current rate of 2 C. The third study is the investigation of NaVS2 as a cathode intercalation material for sodium ion batteries. We have shown that reversible electrochemical deintercalation of x ~ 1.0 Na per formula unit of NaxVS2, corresponding to a capacity of ~200 mAh/g, is possible. And a stable capacity of ~120 mAh/g after 30 cycles was observed. These studies show that the new chemical synthesis route for creating a phase transformation from the vanadium sulfide to oxide by heat treatment in air is a promising method for preparing vanadium oxide cathode material with high reversibility. Although this sample shows a relatively low voltage range compared with other cathodes such as LiCoO2 (3.8 V) and LiFePO4 (3.4 V), the large capacity of this sample is quite attractive in terms of increasing energy density in Li-ion batteries. Also, NaVS2 could be a promising cathode material for sodium ion batteries.