Développement de microsystèmes pour la Bioanalyse Etude des Biofilms bactériens Développement de microsystèmes pour la Bioanalyse Journées Jeunes Chercheur(e)s, LISE, 25 Juin 2009

Pourquoi miniaturiser? Toujours miniaturiser! Encore miniaturiser.

Exemple de chemin parcouru en électronique…de 1947-1971

Avancées dues à la Miniaturisation en électronique….1971-2003 Loi de Moore Miniaturisation = Performance2 Tout les 2 ans performances x 2 Coûts diminuent En 2008, circuit intégré 600 mm2 (1,4 milliard de transistors en 65 nm)

Impacts de la Miniaturisation sur la bioanalyse « MEMS » Micro ElectroMechanical Systems « Microarrays » « Lab on a Chip » 1982 1992… …2009 Champs d’application en devenir: Connection de neuronnes… Apports Semiconducteurs + Avancées Chimie combinatoire  Stockage de données biologiques Apport microtechnologie + Microfluidique Concept beaucoup plus récent : 15 années Techniques de détection: Optique Radiochimique Electrochimique Champs d’application possibles: CE, HPLC, MS, ELISA, µSynthèse…

Inconvénients des microarrays  Temps de réaction trop long pour certaines application (ex : Hybridation)  Format microarrays sur Plaque peu flexible  Manque de sensibilité pour des gènes peu exprimés  Protocole expérimental long et qualité Standardisation des plaques pas toujours assurée

Exemple du Test Elisa en microplaque 96 puits Avantages du « Lab on Chip »  Temps d’analyse rapide et volume d’échantillons réduits  diminution des coûts Exemple du Test Elisa en microplaque 96 puits microplaque 96 (Volume d’un puits en mm3 :100µL) / puce microfluidique (Volume d’une cellule en µm3 :1fL) Protéine : M =10 000 g mol-1 ; D=10-11 m2 s-1 25 000 s pour Diffuser sur 1 mm / 0,25 s pour diffuser sur 1µm  Réalisations de Systèmes portatifs, modulables  Automatisation et intégration  Systèmes réutilisables, jetables et recyclables (cas polymères)

Structuration de matériaux polymériques PDMS (Polydimethylsiloxane) PET (Polyethylene Terephthalate) Photolithographie (UV) Photoablation (Laser Excimer)

Applications pour la Biodétection Exemples de réalisations (Collaboration EPFL-LISE) Photoablation du PET (salle Blanche EPFL, lausanne) Admittance en mode non-contact (Small, Wiley VCH 2008) - Microsystèmes électroacoustiques (Analytical Chemistry, ACS 2008) - Mise en évidence du SERS en microcanaux (Lab Chip, RSC 2009)

- Microsystèmes électroacoustiques (Analytical Chemistry, ACS 2008)

Réalisation de microélectrodes insérées dans le PET La surface du PET semicrystalin (60%) est modifié Physiquement par la photoablation induisant un microcanal par translation du laser (rugosité, charges de surfaces,…) microcanal Salle Blanche photoablation Aspect du semicristalin PET après photoablation à 250 mJ cm-2

Géométrie du microsystème Une feuille de PET (100 m) est photoablatée : Recto: Disque (profondeur 10 μm, diamètre 2 mm. Verso: 2 microcanaux parallèles(profondeur 50 μm, largeur 100 μm, longueur 1 cm). Distance de Separation entre les microcanaux (100 μm). Microcanaux transformés en microélectrodes (encre argent). Une autre feuille de PET/ PE ferme la structure par lamination. Dépôt d’une couche d’or 15 nm (plasma sputtering) pour réaliser le biocapteur.

Microsystèmes électroacoustique Le système diélectrique est composé d’un côté des deux microélectrodes parallèles et d’un autre côté une surface chimiquement modifiable sur laquelle l’adsorption de biomolécules sera suivie. Application d’un signal électroacoustique entre les deux microélectrodes. L’admittance électroacoustic du microsystème est enregistrée avec un analyseur de réseau HP 4194A.

Admittance electroacoustique Phénomènes de résonances attribués aux vibrations acoustiques dues au couplage électromécanique dans la microstructure sous une perturbation électrique. Hypothèse: Configuration pour une vibration acoustique longitudinale: Relation entre la fréquence de résonance f(Hz) et la propagation l (m) : PET film (melinex) E (module de Young) (densité) E = 5.3.109 N m-2 = 1.4.103 kg m-3. Localisation des vibrations correspondantes : fundamentales f1 = 11.2 MHz et f2 = 29.6 MHz.

Modèle de Circuit électrique équivalent Le modèle électrique (dit de Butterworth-Van Dyke) équivalent comprend: Branche RLC (analogie entre les composants électriques et les quantités mécaniques) Branche C0 électrique dont une capacité est formée des deux électrodes En première approximation: Les données expérimentales de l’admittance électroacoustiques vont être ajustées avec le modèle BVD. L’admittance complexe Y du microsystème est définie par: Y = G + jB, G => Conductance, B => Susceptance.

Ajustement des données expérimentales Caractéristiques du résonateur R, L, C and C0 Expression de l’admittance: Module de l’admittance : Angle de phase : R, L, C et C0 obtenues suivant une procédure d’ajustement entre Y() et Yexp(). Résultat de l’ajustement : R = 1.45 103  L = 7.9  10–5 H C = 3.7  10–13 F C0 = 2  10–11 F.

Protocole Biocapteur ADN dans le microsystème Matériels biologiques : Séquences ADN pour la détection d’algues toxiques en eau de mer: Alexandrium minutum. Protocole d’immobilisation d’une séquence ADN (sonde) sur la surface, suivie de l’hybridation avec la séquence complémentaire (cible) . Enregistrement de l’admittance électroacoustique pendant l’hybridation et déduire les variations des paramètres RLC.

Réponse du biocapteur Les spectres d’admittance sont enregistrés pour 201 frequencies autour 30 MHz pendant l’hybridation entre les séquences. Variation de RLC (avant et après l’hybridation) Variation observée aucours de l’immobilization de la sonde “p-DNA” Variation observée lors de l’hybridation de la cible “p-DNA”

Conclusion sur les microsystèmes électroacoustiques Avantages : Prototype microsystème (0.2 mm2) près de 100 fois plus petit que QCM (19.6 mm2). Systèmes flexibles et miniaturisables/ Quartz Optimisations : Effet piezoélectrique faible Facteur de qualité microsystème faible (10) / quartz QCM (1350). Alternatives : Optimisation de la géométrie pour augmenter le facteur de qualité et permettre la mesure gravimétrique. Matériaux ayant un caractérè piezo plus élévé.

- Mise en évidence du SERS en microcanaux (Lab Chip, RSC 2009) Résultats préliminaires

Electrocristallisation Microcanaux Polymère hybrides (PC/ or) Membrane polycarbonate (30 µm) densité = 108 pores.cm-2 diametre =200 nm) Electrocristallisation Nanofilaments Or par méthode chronoampérométrie PET 1 Lamination avec 2 feuilles de PET/PE (35 µm) PC avec NWs PET 2 Photoablation laser  microcanal de 35µm Traitement Plasma LASER Microcanal + NWs LASER Lamination PET

polymer B h = 30 µm microchannel with nanowires l = 100 µm

Diffusion Raman Exaltée de Surface en Microcanaux Polymère hybrides (PC/ or) Bandes caractéristiques de l’INA (10-5) dans HCLO4 (10-3)