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1. Ministère de lenseignement supérieur et de la recherche scientifique Université Constantine I Faculté des sciences de lingénieur Département délectronique.

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2 Ministère de lenseignement supérieur et de la recherche scientifique Université Constantine I Faculté des sciences de lingénieur Département délectronique Master II électronique médicale Préparé par: S.e. MESKALDJI 2013/2014 2

3 BIOCAPTEUR ISFET 3

4 Biocapteur Définition: Un biocapteur est un outil analytique composé dun élément biologique appelé bio récepteur lié à un transducteur. Le bio récepteur reconnaît spécifiquement une molécule du milieu et linformation biochimique qui en résulte est convertie par le transducteur en un signal analytiquement utile. La construction dun biocapteur est essentiellement basée sur limmobilisation du bio récepteur sur le transducteur correspondant 4

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6 Classification des biocapteurs 6 Selon le Type de transducteur associé: électrochimique: Ampérométrique, potentiométrique, conductimétrique,… optique: Optrode, résonnance de plasmon de surface… enthalpimétrique: microcalorimétrie… massique: Quartz piézo-électriques

7 classification des biocapteur 7

8 Principe des biocapteurs électrochimiques 8 Principe fondamental des biocapteurs électrochimiques : beaucoup de réactions chimiques produisent ou consomment des ions ou des électrons qui causent à leur tour un certain changement des propriétés électriques de la solution qui peut être employé en tant que paramètre de mesure.

9 Transistor MOSFET 9 Le transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) consiste en un substrat semi- conducteur sur lequel repose une fine couche doxyde isolant (SiO2), dépaisseur tox. Une couche conductrice (métal ou polysilicium fortement dopé) appelée électrode de grille est aussi déposée sur loxyde. Enfin, deux régions fortement dopées de profondeurs Xj, appelées source et drain, sont formées dans le substrat de part et dautre de la grille

10 Structure MOSFET 10

11 11 La tension appliquée sur lélectrode de grille fait varier la conductance entre les deux régions source-drain ce qui fait varier le courant dans le canal situé en dessous. La source et le substrat dans le circuit électronique sont portés au même potentiel, en générale la masse. Selon la valeur de la tension de grille VG on peut définir plusieurs zones de fonctionnement : 1) VG=0 le canal est saturé en porteurs majoritaires, les trous. Aucun courant ne peut circuler entre la source et le drain 2) 0 < VGVT -les trous du substrat dans le canal seront repoussés pour laisser la place aux porteurs minoritaires, les électrons. Si maintenant le drain est porté à un potentiel VD supérieur à la source, alors les électrons sécoulent de la source vers le drain en créant un courant de drain ID.

12 ISFET En 1970, Piet Bergveld développa un nouveau procédé électronique permettant de mesurer lactivité des ions dans un milieu chimique et biochimique. Il utilisa le principe dune électrode de verre et dun transistor à effet de champ. Il mit en évidence la sensibilité aux ions H+ dun transistor MOS (Métal-Oxyde- Semiconducteur) sans grille métallique. Il introduisit ainsi le premier capteur chimique (ChemFET) à effet de champ, lISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) -diffusion de la chaleur. 12

13 Définition de LISFET 13 lISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) est, en fait, un transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) dont lélectrode de grille est remplacée par une combinaison dune membrane ou une couche sélective dions (pouvant être simplement la surface de l'oxyde de grille) (ISE) dans une solution analytique et dune électrode de référence.LISE peut être SiO2, Al2O3, Si3N4 ou Ta2O5 dans le cas de détection des variations de pH.

14 14 Dans la plupart des applications, la couche sensible chimiquement est déposée directement sur le silicium à l'emplacement de la grille et permet la détection de charges. Nous citerons parmi les différents ions qui font l'objet d'études les ions potassium K+, sodium Na+, chlore Cl-, calcium Ca2+, fluor F-… mais surtout l'ion hydrogène H+

15 Vue schématique dun capteur ISFET 15

16 Principe de lISFET: Le principe de fonctionnement du capteur chimique ISFET est basé sur le piégeage dions au niveau de la couche sensible. Les charges piégées induisent une variation du potentiel chimique ψ et donc de la tension de seuil du transistor VT.. la grille métallique est remplacée par une électrode de référence, lélectrolyte à analyser et une grille isolante sensible à la concentration en ion recherché (par exemple H+). 16

17 Principe physico-chimique de la technique: 17 le principe physico-chimique de détection de lISFET est basé sur le cas où aucune charge ne pourrait traverser linterface électrode-électrolyte, il apparaît à cette interface une région très dense en ions, épaisse de quelques angströms, qui est le siège de réactions électriques et chimiques. Laccumulation de ces charges modifie le comportement de cette interface qui devient alors analogue à un condensateur. Plusieurs modèles ont été développés pour rendre compte et expliquer les phénomènes électrostatiques qui ont lieu à linterface Electrolyte/Isolant/ Solide. Pour expliquer le fonctionnement de cette structure, la théorie du « Site Binding » semble être à lheure actuelle la seule théorie utilisée.

18 Le potentiel chimique 18 Nous venons de parler de la structure de lISFET mais il reste toujours une question à résoudre comment mesurer la concentration de protons ou pH dans une solution en utilisant un ISFET? Il y a, en fait, plusieurs théories permettant dexpliquer ce phénomène: celle de Nicolski et Eiseman et celle de Siu et Cobbold.

19 Sites binding theory Sui et Cobbold ont expliqué le mécanisme de réponse de lISFET en utilisant le modèle de liaison par sites (sites binding theory). Selon eux, la réponse de lISFET aux variation de pH nest pas causée par la diffusion des ions hydrogène dans la couche isolante car cette diffusion nécessiterait beaucoup trop de temps (ordre de grandeur par secondes comme ce que étaient observées dans les électrodes conventionnelles) par rapport aux temps de réponse observés (millisecondes). A partir de cette observation, ils ont supposé que les réactions des protons et de la membrane inonosensible nont lieu quà linterface oxyde – électrolyte. 19

20 20 Léquation qui régit la tension de seuil dun MOSFET est: Dans le cas de lISFET, le même procédé de fabrication est utilisé. Cependant des contributions supplémentaires se manifestent ; en effet lélectrode métallique de grille du MOSFET étant remplacée par une électrode de référence, lélectrolyte et la couche chimiquement sensible, léquation précédente devient

21 21 Eref : représente le potentiel de lélectrode de référence. ψ est le potentiel chimique fonction du pH et χsol est un paramètre constant représentant le potentiel de surface du solvant.

22 Détection des ions sodium et potassium 22 Le potentiel d'action, encore parfois appelé influx nerveux, correspond à une dépolarisation transitoire, locale, brève et stéréotypée de la membrane plasmique des neurones, selon une loi du tout ou rien.influx nerveuxneurones La membrane plasmique présente une perméabilité sélective, modulable par différents facteurs comme son degré de polarisation ou par des neurotransmetteurs, à l'égard de différents ions (en particulier, sodium, potassium, chlore et calcium).ionssodiumpotassiumchlorecalcium

23 Les canaux ioniques 23 Pour comprendre comment créer ce potentiel daction, il faut comprendre le principe des canaux ioniques. Ceux-ci sont des protéines membranaires qui permettent le passage d'un ou plusieurs ions à travers la membrane cellulaire. Il existe de nombreux types de canaux ioniques. Ils peuvent être sélectivement perméables à un ion tel que le sodium, le calcium, le potassium (figure )ou le chlorure, ou bien à plusieurs ions à la fois. Les canaux sont impliqués dans de nombreux phénomènes cellulaires. Ils sont responsables d'une propriété universelle aux membranes cellulaires : l'existence d'un potentiel transmembranaire. Ils participent aussi au phénomène d'excitabilité cellulaire. Les dépolarisations et mouvements ioniques qu'ils provoquent assurent des phénomènes tels que l'initiation et la propagation du potentiel d'action.

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25 Détection des ions sodium et potassium le potentiel daction, que nous cherchons à mesurer de façon électrique, est lié à une variation transmembranaire des concentrations en ions sodium (Na+) et potassium (K+). En évaluant les performances des ISFET Une simple modification de la composition de la grille des capteurs pourrait entrainer une sensibilité des ISFETs aux ions Na+ et K+. Des publications [BACC 95 ; SHIN 02] ont montré que laluminosilicate est sensible à ces ions. 25

26 La detection de lurée 26 La détection de l'urée est d'un intérêt majeur pour la dialyse rénale et pour le suivi de la réanimation des patients. La réaction enzymatique qui permettra la détection de l'urée est la suivante : L'uréase (découverte en 1876 par Musculus):Musculus est une enzyme qui catalyse la réaction de transformation de l'urée en dioxyde de carbone et ammoniac :enzymecatalyseuréedioxyde de carboneammoniac (NH 2 ) 2 CO (NH 2 ) 2 CO + H 2 O CO NH 3.H 2 OCO 2NH 3

27 27 Le principe de détection est basé sur la réalisation dune couche enzymatique générant une réaction chimique au niveau de grille de lISFET. Cette réaction chimique induit une variation de pH que lISFET peut mesurer. Le polymère que nous utilisons pour piéger les enzymes (uréase et créatinine deiminase) est le Polyvinyl alcool (PVA), ce polymère est photosensible, hydrophile est surtout très bon marché.

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29 Mesure de PH par le capteur ISFET 29 Capteur ISFET(PH) et principe de mesure.

30 30 Le capteur pH-ChemFET avec la grille SiO2 possède une sensibilité faible et sub- Nernstienne de 30 mV/pH. Lamélioration des propriétés des micro- capteurs pH-ChemFETs passe par linvestigation et loptimisation des matériaux de détection et de leur dépôt sur la grille SiO2. De nombreuses membranes sensibles aux ions hydrogène (généralement ce sont des matériaux non-organiques) ont été élaborées afin daméliorer la sensibilité, la sélectivité, la stabilité et la durée de vie.

31 Conclusion: 31 Les propriétés des capteurs pH-ISFETs ont été étudiées, mettant en évidence une sensibilité quasi- nerstienne aux ions hydrogènes (autour de 55mV/pH) et des sensibilités moindres aux principaux ions interférents sodium (17mV/pNa) et potassium (11mV/pK). Cette technologie de capteurs ont ensuite été utilisés pour la détection dune bactérie (Lactobacillus Acidophilus) via les variations du pH de la solution support grâce au relargage ou non dacide lactique suivant leur degré daffinité le sucre présent en solution.

32 32 Par ailleurs, des capteurs pK-ISFETs ont été réalisés avec des couches ionosensibles en PSX*. La sensibilité des capteurs pK-ISFETs suit une loi non linéaire en fonction du pK et est autour de 43mV/pK pour des concentrations de pK = [1 à 3] et la sensibilité aux ions interférents hydrogène est inférieure à 4mV/pH pour des pH compris entre pH = 4 à 10.

33 Réference 33 [32] A.P.Soldatkin, A.V.ElSkaya, A.Ashulga, L.I.Netchiporouk, A.M.Nyamsi Hendji, N.Jaffrezic-Renault, C.Martelet : Glucose sensitive field effect transistor with additional Nafion membrane : reduction of influence of buffer capacity on the sensor response and extension of its dynamic range, Anal.Chem.Acta 283 (1993), [33] J.Eijkel : Potentiometric detection and caracterization of absorbed protein using stimulus response measurement techniques, PhD Thesis, University of twente, Enschelde (1995) [34] L.K.Meixner, S.Koch : Simulation of the ISFET operation based on the site binding model, Sensors & Actuators, B6 (1992), [35] R.B.M.Schasfoort : A new approach to immunofet operation, PhD Thesis, University of twente, Enschelde (1995) [36] A.S.Poghossian : Method of fabrication of ISFET-based biosensor on an Si-SiO2-Si stucture, Sensors & Actuators, B44 (1997), [37] Y.Tsujimara, M.Yokohama, K.Kimura : Comparison between silicone-rubber membranes and plasticized poly(vinyl chloride) membranes containing calixarene ionophores for sodium ionsensitive field-effect transistors in applicability to sodium assay in human body fluids, Sensors & Actuators, B22 (1994), [38] S.D.Moss, J.Janata, C.C.Johnson : An ISFET glucose sensor with a silicone rubber membrane for undiluted serum monitoring, Anal.Chem.47 (1975),

34 Merci Pour Votre Attention 34


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