Master II électronique médicale Préparé par: S.e. MESKALDJI 2013/2014 Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université Constantine I Faculté des sciences de l’ingénieur Département d’électronique Master II électronique médicale Préparé par: S.e. MESKALDJI 2013/2014

BIOCAPTEUR ISFET

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

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

classification des biocapteur

Principe des biocapteurs électrochimiques 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.

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

Structure MOSFET

La tension appliquée sur l’électrode 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 < VG<VT(VT = tension de seuil) – les trous sont repoussés vers le substrat. C’est le régime de déplétion. Aucun courant ne peut circuler dans le canal entre la source et le drain. 3) VG>VT -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 s’écoulent de la source vers le drain en créant un courant de drain ID.

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

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

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+

Vue schématique d’un capteur ISFET

Principe de l’ISFET: Le principe de fonctionnement du capteur chimique ISFET est basé sur le piégeage d’ions 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, l’électrolyte à analyser et une grille isolante sensible à la concentration en ion recherché (par exemple H+).

Principe physico-chimique de la technique: le principe physico-chimique de détection de l’ISFET est basé sur le cas où aucune charge ne pourrait traverser l’interface 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. L’accumulation 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 l’interface Electrolyte/Isolant/ Solide. Pour expliquer le fonctionnement de cette structure, la théorie du « Site Binding » semble être à l’heure actuelle la seule théorie utilisée.

Le potentiel chimique Nous venons de parler de la structure de l’ISFET 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 d’expliquer ce phénomène: celle de Nicolski et Eiseman et celle de Siu et Cobbold.

Sites binding theory       Sui et Cobbold ont expliqué le mécanisme de réponse de l’ISFET en utilisant le modèle de liaison par sites (‘sites binding theory’). Selon eux, la réponse de l’ISFET aux variation de pH n’est 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 n’ont lieu qu’à l’interface oxyde – électrolyte.

L’équation qui régit la tension de seuil d’un MOSFET est: Dans le cas de l’ISFET, le même procédé de fabrication est utilisé. Cependant des contributions supplémentaires se manifestent ; en effet l’électrode métallique de grille du MOSFET étant remplacée par une électrode de référence, l’électrolyte et la couche chimiquement sensible, l’équation précédente devient

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

Détection des ions sodium et potassium 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. 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).

Les canaux ioniques Pour comprendre comment créer ce potentiel d’action, 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.

Détection des ions sodium et potassium le potentiel d’action, 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 l’aluminosilicate est sensible à ces ions.  

La detection de l’urée 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): est une enzyme qui catalyse la réaction de transformation de l'urée en dioxyde de carbone et ammoniac : (NH2)2CO + H2O → CO2 + 2 NH3.

Le principe de détection est basé sur la réalisation d’une couche enzymatique générant une réaction chimique au niveau de grille de l’ISFET. Cette réaction chimique induit une variation de pH que l’ISFET 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.

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

Le capteur pH-ChemFET avec la grille SiO2 possède une sensibilité faible et sub- Nernstienne de 30 mV/pH. L’amélioration des propriétés des micro-capteurs pH-ChemFETs passe par l’investigation et l’optimisation 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 d’améliorer la sensibilité, la sélectivité, la stabilité et la durée de vie.

Conclusion: 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 d’une bactérie (Lactobacillus Acidophilus) via les variations du pH de la solution support grâce au relargage ou non d’acide lactique suivant leur degré d’affinité le sucre présent en solution.

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.

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